全 文 ：表面活性剂、酸雨和 Cd2 + 复合污染对蚕豆胚
根细胞核的毒性 3
刘红玉1 3 3 　廖柏寒1 　鲁双庆2
(1 湖南农业大学环境科学系 ,长沙 410128 ;2 长沙大学应用化学与环境保护系 ,长沙 410003)
【摘要】　用蚕豆根尖微核技术研究了 Cd2 + 单因子以及与表面活性剂、模拟酸雨复合污染时对植物细胞的
毒性作用. 结果表明 ,Cd2 + 浓度在 0～10. 0 mg·L - 1范围内 ,对蚕豆胚根细胞微核的形成有强烈的诱导作
用 ,Cd2 + 浓度 6. 0 mg·L - 1时的细胞微核率为 13. 85 ‰,对照组的微核率为 4. 53 ‰,此时污染影响指数 ( PI)
为 3. 06 ;当环境中存在表面活性剂LAS 1. 0 mg·L - 1或 p H 值降到 4. 5 和 3. 5 时 ,同一 Cd2 + 浓度下 ,蚕豆根
尖细胞微核率、PI 降低 ,同时伴有核变形 ,细胞中颗粒物增多 ,胚根组织不容易分散等症状 ,根的生长受到
抑制 ,说明表面活性剂、酸雨对 Cd2 + 的毒性有协同作用. p H 3. 5 的酸雨环境中 Cd2 + 对蚕豆细胞的损伤程
度比 p H 4. 5 酸雨环境高. 在检测高浓度、强毒性污染物的致突变效应时 ,应作至少 3 个稀释倍数 ,找出蚕
豆根尖细胞最高微核率及 PI .
关键词 　蚕豆 　微核率 　Cd2 + 　表面活性剂 　酸雨
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 03 - 0493 - 04 　中图分类号 　X171 　文献标识码 　A
Toxicity of surfactant ,acid rain and Cd2 + combined pollution to the nucleus of Vicia f aba root tip cells. L IU
Hongyu1 ,L IAO Bohan1 ,LU Shuangqing2 (1 Depart ment of Envi ronmental Science , Hunan A gricultural U ni2
versity , Changsha 410128 , China ;2 Depart ment of A pplied Chemical and Envi ronmental Protection , Changsha
U niversity , Changsha 410003 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (3) :493～496.
The toxicity of Cd2 + and its combination with surfactant or simulated acid rain to V icia f aba root tip cell was
studied by using micro2nucleus technique. The results showed that the formation of micro2nucleus in V icia f aba
root tip cell was strongly induced by Cd2 + in its concentration of 0～10. 0 mg·L - 1 . The micro2nucleus rate was
13. 85 ‰at 6. 0 mg·L21Cd2 + ,4. 53 ‰at 0 mg·L21 Cd2 + ,and the pollution index ( PI) was 3. 06. The micro2nu2
cleus ratio and PI decreased when the accompanied surfactant LAS was also presented or the p H values decreased
to 4. 5 or 3. 5. In the meantime , many deformed nuclei and grains were observed in the root tip cells. The
growth of the V icia f aba roots was restrained , and the root cells were not easy to be scattered. Therefore ,the
toxicity of Cd2 + was increased by its combination with surfactant or acid rain. The Cd2 + toxicity to V icia f aba
cells at p H3. 5 was stronger than that at p H4. 5. When the mutation effect of contaminant with high concentra2
tion or with strong toxicity to plant cell was tested , the contaminant should be diluted for at least three times ,
and hence , the highest micro2nucleus ratio and pollution index ( PI) could be found.
Key words 　V icia f aba , Micro2nucleus ratio , Cd2 + , Surfactant , Acid rain.3 国家教育部科学技术研究重点项目 (20002156200209) 和国家科技
部中法先进研究计划资助项目 ( PRA E 00204) .3 3 通讯联系人.
2002 - 02 - 20 收稿 ,2002 - 05 - 27 接受.
1 　引 　　言
Cd2 +是一种常见的、毒性非常强的重金属污染
物 ,可使植物细胞结构受到明显的伤害 ,使组织的生
理生化特性发生改变 , 高浓度时可导致植株死
亡[4 ] ;表面活性剂也是环境中的常见污染物. 它是
各种洗涤剂的主要活性成分 ,是人们日常用品中消
耗量极大的一类精细化工产品 ,随废水的排放而进
入环境 ,引起水环境的理化性质发生变化 ,对水生植
物产生危害[3 ] . 同时 ,中国南方又是酸雨的频发地
带[6 ] ,由此带来的环境酸化 ,可改变重金属的形态 ,
使其对生物的毒性发生变化. 关于重金属 Cd2 + 、表
面活性剂、酸雨对植物的毒性效应已有报道. 但以往
的研究工作常常关注某单一因子对生物的影响 ,而
生活在污染环境中的生物 ,同时受到多种污染因子
的综合作用. 它们对生物的毒性发生协同、叠加或拮
抗等影响. 研究多种污染因子对生物的综合效应能
更真实地反映生物所受伤害情况.
当植物细胞处于活跃的有丝分裂状态时 ,对环
境污染较敏感. 蚕豆 ( V icia f aba) 细胞体积大 ,细胞
核中染色体数目少 (2n = 6) ,容易观察 ,是首选材料.
植物微核试验已成为生物监测的常规方法之
一[1 ,2 ,5 ,8 ] .本文以蚕豆根尖生长点细胞核中染色体
应 用 生 态 学 报 　2004 年 3 月 　第 15 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2004 ,15 (3)∶493～496
由于污染因子的影响而断裂形成的微核作为观察对
象 ,对比研究了重金属 Cd2 + 单因子及表面活性剂直
链烷基苯磺酸钠 (LAS) 、模拟酸雨与 Cd2 + 共存时对
蚕豆根尖细胞微核率的影响 ,以揭示表面活性剂、酸
雨与 Cd2 + 复合污染时对植物细胞核中染色体的伤
害状况.
2 　材料与方法
211 　试验材料
蚕豆 ( V icia f aba)品种为启豆 2 号 ,购自湖南省种子公
司. Cd2 + 溶液用 Cd (CH2COO) 2 (分析纯) 加去离子水配制.
表面活性剂 LAS为化学纯.
212 　试验方法
21211 蚕豆根尖的培养参照文献 [5 ] .
21212 根尖处理 　采用 95 mm 培养皿 ,每皿中加处理液 12
ml.选取根发育良好、根长一致的蚕豆种子 ,将根尖浸泡入处
理液中 ,处理液的浓度设计见表 1 ,模拟酸雨的离子组成参
照长沙和郴洲地区酸雨平均离子含量 ,浓度见表 2. 每个处
理放入 10 颗种子 ,置生化培养箱中 25 ℃处理 10 h.
21213 根尖细胞恢复培养 　将处理后的种子 ,弃去处理液 ,
用 25 ℃蒸馏水浸洗 4 次 ,每次 3 min. 然后每皿加 12 ml 蒸
馏水 ,25 ℃下恢复培养 24 h.
21214 根长测定 　将恢复培养 10 h 后的种子置于解剖盘上 ,
用直尺测量根的长度.
21215 根尖细胞的固定、染色、制片和镜检 　测定完根长后 ,
从根尖顶端切下 1 cm 长的根尖置青霉素瓶中 ,加卡诺氏液
固定 24 h ,经 Feulgen 染色[5 ] ,切取根尖 1 mm 左右 ,压片使
细胞分散 ,显微镜下观察 ,记录每个视野中细胞总数和含有
微核的细胞个数. 其中每个根尖制一个玻片 ,每片中观察约
1 000 个细胞. 每个处理共观察 7 个根尖. 计算每个处理的平
均微核千分率 ( ‰) .
表 1 试验分组及处理液浓度设计
Table 1 Groups and treatment solution concentrations
分组
Group
p H
　
处理
Treatment
浓　度
Concentration (mg·L - 1)
〗1 5. 9 Cd2 + 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0
2 5. 9 LAS + 1. 0 1. 0 1. 0 1. 0 1. 0
Cd2 + 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0
3 3. 5 Cd2 + 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0
4 4. 5 Cd2 + 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0
表 2 　模拟酸雨的主要离子组成 (μmol·L - 1)
Table 2 Major ion composition of the simulated acid rains ( μmol·
L - 1)
p H NH4 + Ca2 + Mg2 + SO42 - NO3 -
3. 5 76. 67 69. 86 6. 58 107. 5 27. 74
4. 5 91. 1 41. 17 5. 76 79. 27 20. 81
213 　数据分析
　　对所得数据进行方差分析及 F 检验 ,比较其差异显著
性. 根据公式污染指数 ( PI) = 样品实测微核率平均值/ 对照
组微核率平均值[5 ]计算污染指数值.
3 　结果与讨论
311 　Cd2 + 对蚕豆胚根生长点细胞微核率的影响
　　蚕豆胚根生长点细胞代谢活跃 ,细胞周期短 ,细
胞内时刻不停地进行着 DNA 的准确复制、有关酶
的合成、细胞分裂等一系列生化活动 ,因此对环境因
子非常敏感. 当环境中存在某些能影响 DNA 的准
确复制、酶的合成、纺锤丝的形成等污染因素时 ,染
色体有可能发生断裂 ,甚至有丝分裂无法完成. 断裂
的染色体片断由于没有纺锤丝的牵引 ,不能正常移
动而游离于细胞质中 ,形成显微镜下可见的小斑点
———微核 ,因此细胞中微核率的高低可反映细胞核
中的遗传物质所受伤害的程度.
　　在浓度范围为 0 ～ 10. 0 mg·L - 1的 Cd2 + 处理
液中 ,蚕豆胚根生长点细胞微核率随 Cd2 + 浓度的变
化情况见图 1. 当 Cd2 + 浓度小于 6. 0 mg·L - 1时 ,根
尖细胞中的微核率随处理液中 Cd2 + 浓度的升高而
升高 ,最高达到 13. 85 ‰ ( Cd2 + 浓度为 6. 0 mg·
L - 1) , PI 为 3. 06 ,与常学秀等[2 ]的试验结果类似.
说明 Cd2 + 对蚕豆胚根生长点细胞 DNA 有强烈的损
伤作用 ,使 DNA 断裂率升高 ;当 Cd2 + 浓度大于 6. 0
mg·L - 1时 ,蚕豆根尖细胞的微核率呈逐渐降低趋
势 ;10. 0 mg·L - 1时 ,微核率降为 11. 96 ‰, PI 为
2. 64. 显微镜观察发现 ,此时部分细胞核变形. 作者
推测这一现象是由于在高浓度 Cd2 + 污染环境中 ,细
胞内活跃的生化合成受到严重干扰 ,某些酶的合成
受到抑制而使有丝分裂不能正常完成 ,因此细胞核
变形 ,受伤细胞不能到达分裂末期 ,断裂的 DNA 片
段不能被观测到 ,因而微核率降低. 因此污染物检测
时 ,采用蚕豆根尖微核技术对浓度高、毒性强的污染
物检测时 ,建议采用多个稀释浓度 ,找出最高微核
率 , 以反映污染物的真实毒性强度.
图 1 　细胞微核率随 Cd2 +浓度的变化
Fig. 1 Changes of micro2nucleus ratios with Cd2 + concentrations.
312 　Cd2 + 对蚕豆胚根伸长的影响
　　在 Cd2 + 污染环境中 ,蚕豆胚根的伸长受到了抑
494 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
制 ,其抑制程度与 Cd2 + 浓度有关 (图 2) . 随着 Cd2 +
处理浓度的升高 ,蚕豆胚根的伸长受抑制程度加强 ,
并达显著水平 ( P < 0. 05) . 蚕豆胚根长度 ( Y ) 与处
理液中 Cd2 + 浓度 ( X) 的关系可拟合为 Y = - 0 . 049
X2 + 0 . 151 X + 3 . 114 , R2 = 0. 974. 这证实了对高浓
度 Cd2 + 污染环境中 ,蚕豆胚根生长点细胞的有丝分
裂受到了抑制 ,使根尖伸长受阻的推测.
图 2 　蚕豆幼根长度随 Cd2 +浓度的变化
Fig. 2 Changes in the length of V icia f aba roots with Cd2 + concentra2
tions.
图 3 　LAS 1. 0 mg·L - 1条件下细胞微核率随 Cd2 +浓度的变化
Fig. 3 Changes of micro2nucleus ratios with Cd2 + concentrations under
LAS 1. 0 mg·L - 1.
313 　LAS 和 Cd2 +复合污染对蚕豆胚根细胞微核率
的影响
　　当环境中含有 1. 0 mg·L - 1的表面活性剂 LAS
时 (我国河流中常见浓度为 1. 0 mg·L - 1) [7 ] ,Cd2 +
对蚕豆根尖细胞微核率的影响如图 3. 与 Cd2 + 单因
子污染相比 ,在 1. 0 mg·L - 1的 LAS 与 Cd2 + 复合污
染下 ,蚕豆胚根生长点细胞中微核率随处理液中
Cd2 +浓度的增加呈现降低趋势 , 且在高浓度组
(Cd2 +浓度为 8. 0 和 10. 0 mg·L - 1) 细胞中微核率
降低幅度更大. Cd2 + 浓度为 10. 0 mg·L - 1时 ,污染
指数 PI 为 1. 58. 同时发现蚕豆根尖透明度增加 ,染
色体难以着色 ;显微观察时还发现 ,高浓度组细胞质
中含有大量颗粒物 ,部分细胞核变形. 这一现象与表
面活性剂 LAS 的存在有关. 表面活性剂 LAS 是一
类具有双亲媒性基团的特殊化合物 ,通过溶解膜脂
使植物细胞的通透性增加. 当它与 Cd2 + 同时存在
时 ,使 Cd2 +更容易进入植物细胞[8 ] ,Cd2 + 对细胞的
损伤程度加重 ,同时细胞内的一些重要物质 (如酶、
糖类)容易流失 ,因此蚕豆根尖透明度增加 ,细胞的
有丝分裂过程受到干扰. 同时细胞也会产生应急反
应合成新的物质 ,以缓解 Cd2 + 的伤害并阻止 Cd2 +
的侵入. 因此 ,细胞中出现大量颗粒物 ,染色体不容
易着色.
314 　模拟酸雨条件下 Cd2 + 对蚕豆胚根细胞微核
率的影响
　　在 p H 4. 5 的酸性环境中 ,蚕豆胚根生长点细胞
的微核率随处理液中 Cd2 + 浓度的升高而升高 (图
4) . 与 Cd2 +单因素污染相比 ,蚕豆根尖细胞中的微
核率随 Cd2 + 浓度的变化趋势一致 ,但同一 Cd2 + 浓
度下 ,细胞中微核率均明显地降低. 在 p H 3. 5 的酸
性环境中 ,在 Cd2 + 浓度小于 4. 0 mg·L - 1时 ,随着处
理液中 Cd2 + 浓度的升高 ,蚕豆根尖细胞微核率出现
微弱的升高 ;Cd2 + 浓度大于 4. 0 mg·L - 1时 ,细胞中
的微核率逐渐降低 ;当 Cd2 + 浓度为 8. 0 mg·L - 1时 ,
微核率降至 2. 11 ‰, PI = 0. 46 ;10. 0 mg·L - 1时 ,微
核率降为 1. 43 ‰, PI = 0. 32.
　　同时发现 , 根尖外表皮变黑程度在模拟酸雨与
Cd2 + 复合污染比 Cd2 + 单因子污染时加重 ,p H 3. 5
比 p H 4. 5 时根尖变黑程度更为严重. 处理根尖时 ,
用盐酸软化根尖组织及染色所需时间延长 ,根尖组
织不容易分散 ,部分细胞核变形 ,且随处理 Cd2 + 浓
度的增加而加重 ,表明在模拟酸雨和 Cd2 + 复合胁迫
下 ,蚕豆根尖细胞受到了较强的损伤 ,随后诱导细胞
代谢途径发生变化 ,合成一些不透水的物质 ,细胞壁
增厚 ,以阻止 Cd2 + 和酸雨的进一步入侵 ,因此用盐
酸水解细胞间质的时间加长 ,这一点还可从酸雨和
Cd2 +复合污染下 ,蚕豆根组织 MDA 含量、POD 活
性升高的现象得到证实. 目前还不知道这种新合成
的物质是什么 ,有待于进一步研究. p H 3. 5 的酸性
环境中 Cd2 + 对蚕豆的损伤程度比 p H 4. 5 的酸性环
图 4 　p H 4. 5 ( Ⅰ)和 p H 3. 5 ( Ⅱ)条件下 Cd2 +污染对微核率的影响
Fig. 4 Effects of Cd2 + pollution on the micro2nucleus ratios at p H 4. 5
( Ⅰ) or p H 3. 5 ( Ⅱ) .
5943 期 　　　　　　　　刘红玉等 :表面活性剂、酸雨和 Cd2 + 复合污染对蚕豆胚根细胞核的毒性 　　　　　　　　　　　
境高. 同时也说明仅从微核率、污染指数难以反映植
物的伤害程度.
4 　结 　　论
　　对蚕豆胚根生长点细胞微核率的研究表明 ,
Cd2 +对蚕豆胚根细胞有强烈的致突变作用. 当
Cd2 + 与表面活性剂 LAS、模拟酸雨复合污染时 ,同
一 Cd2 + 浓度下 ,蚕豆胚根细胞中微核率降低 ,污染
指数 PI 也随之降低. 但细胞实际受伤害程度增强 ,
代谢途径发生了改变 ,合成了一些新的物质 ,阻止污
染物的入侵 ,有丝分裂受到干扰 ,部分核变形. 作者
认为 ,表面活性剂 LAS、酸雨与 Cd2 + 协同作用于植
物细胞 ,使伤害程度加重. p H 3. 5 的酸性环境中
Cd2 +对蚕豆的损伤程度比 p H 4. 5 的酸性环境高.
因此 ,用微核技术检测高浓度、强毒性污染物的致突
变效应时 ,不能只凭微核率及污染影响指数 ( PI) ,
应作至少 3 个稀释倍数 ,找出蚕豆根尖细胞最高微
核率及 PI .
参考文献
1 　Beth2hubner M. 1999. Toxicological evaluation and classification of
the genotoxic , carcinogenic , reprotoxic and sensitizing potential of
tris (22chloroethyl) phosphate. Int A rch Occup Envi ron Health ,
72 (3) :17～23
2 　Chang X2X(常学秀) , Wen C2H (文传浩) , Wang H2X(王焕校) .
1999. Correlation analysis between UDS and MCN in V icia f aba
treated with Cd2 + and Al3 + and UDS2technique in higher plants.
Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,10 (5) :596～598 (in Chinese)
3 　Liu H2Y(刘红玉) ,Liao B2H (廖柏寒) ,Lu S2Q (鲁双庆) . 2001.
Ultra2structural observation of aquatic plant damaged from LAS and
AE. China Evi ron Sci (中国环境科学) , 21 ( 6) : 527～530 (in
Chinese)
4 　Luo L2X(罗立新) ,Sun T2H (孙铁珩) . 1998. Effect of cadmium2
surfactant combined pollution on physiological characteristics of
wheat leaf . Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,9 (1) :95～100 (in
Chinese)
5 　The National Environmental Protection Agency of China. 1986.
Technique Criterion for Environmental Supervision 4. Water envi2
ronment . Hunan : Hunan Science and Technology Press. 75～78
6 　Wu F2C(吴甫成) ,Wu J2W(吴君维) ,Wang X2Y(王晓燕) . 1999.
Preliminary study of the pollution and prevention of acid rain in Hu2
nan. In :Chinese Soil Science for 21st Century. Hunan : Hunan Sci2
ence & Technology Press. 75～82 (in Chinese)
7 　Wu J2Y(吴景阳) ,Li J2B (李健博) ,Li Y2F (李云飞) . 1987. The
geo2chemical and environmental information of anionic surfactant in
the mouth of Hai River. Chin Sci B ull (科学通报) ,32 (10) :768
～772 (in Chinese)
8 　Zhang L (张　莉) ,Liu D2Y(刘登义) ,Wang Y2B(王友保) . 2001.
Utilization of micronucleus test in V icia f aba root tips cell to detect
the mutability of Cu and As pollution. Chin J A ppl Ecol (应用生态
学报) ,12 (5) :777～779 (in Chinese)
作者简介 　刘红玉 ,女 ,1965 年生 ,博士 ,副教授 ,主要研究
方向为环境毒理学 ,发表论文 12 篇.
694 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷