全 文 ：第 26卷第 11期
2006年 11月
环　境　科　学　学　报
　Acta Scientiae C ircum stantiae
Vo.l 26, No. 11
Nov. , 2006
基金项目:建设部科学技术项目(No. 01-2-024);天津市科技攻关计划专项 (No. 06YFSZSF00100);南开大学-天津大学联合研究项目(No.
A J0013)
Supported by th e S ci-Tech P rogram ofM in is try ofC ons tru ction P. R. Ch ina(No. 01-2-024), Key Sci-Tech Program of Tian jin(No. 06YFSZSF00100)
and Join t Research Program ofN ankaiUn iversity and T ianjin Univers ity(No. AJ0013)
作者简介:刘春光(1974— ),男 ,讲师(博士);*通讯作者(责任作者), E-m ail:liuchunguang@ nanka.i edu. cn;电话:13920867366
Biography:LIU Chunguang(1974— ), m ale, lectu rer(Ph. D. );*Correspond ing author, E-m ai l:liu chunguang@nank a.i edu. cn
刘春光 ,孙红文 ,张　楠 ,等. 2006.二价铜离子对川蔓藻(R uppia m aritim a)的毒害作用研究 [ J] .环境科学学报 , 26(11):1870 - 1874
Liu C G , SunH G , Zhang N, et a l. 2006. Tox ic effects of copper(II) on subm erged p lantRupp iam aritima[ J] . A cta Scient iaeC ircum stant iae, 26(11):
1870 - 1874
[免审稿件 ]责任编辑提示:本刊欢迎广大读者针对免审稿件提出各种意见
二价铜离子对川蔓藻 (Ruppia maritima)的毒害作用
研究
刘春光 1, * ,孙红文 1 ,张　楠 1 ,郎宇鹏1 ,赵乐军2 ,戴树桂 1 ,庄源益 1
1. 南开大学环境科学与工程学院 ,城市生态环境修复与污染防治天津市重点实验室 ,天津 300071
2. 天津市市政工程设计研究院 ,天津 300051
收稿日期:2006-09-22　　　录用日期:2006-09-30
摘要:采用室内培养试验方法 ,研究了水体中二价铜离子(Cu2+)对耐盐沉水植物川蔓藻的毒害作用.试验针对叶绿素 、可溶性蛋白和 POD活
性 3项指标进行分析.结果表明 ,川蔓藻对低浓度铜离子的胁迫会产生一定的适应性 ,在 C u2+≤ 1 mg L -1的情况下对川蔓藻生长不会造成明
显影响. C u2+达到或超过 5 mg L- 1就会使川蔓藻植株的生理生化指标出现明显变化 ,生长也会受到抑制.在试验条件下 ,铜离子浓度越高 ,植
株受到的伤害越严重.
关键词:铜离子;川蔓藻;叶绿素;过氧化物酶;可溶性蛋白
文章编号:0253-2468(2006)11-1870-05　　　中图分类号:R994. 6　　　文献标识码:A
Toxic effects of copper(II) on subm erged plantRuppia maritima
LIU Chunguang
1, * , SUN Hongw en1 , ZHANG Nan1 , LANG Yupeng1 , ZHAO Le jun2 , DA I Shugu i1 ,
ZHUANG Yuany i
1
1. Co llege of Environm en ta l Science＆ Engineering, Nankai Un iversity, Tian jin Key Lab oratory of Environm en tal Rem ed iation and Pol lution Contro l,
Tian jin 300071
2. T ian jin Mun icipalE ng ineering Des ign and Research In stitute, T ian jin 300051
R eceived 22 S ep tem ber 2006;　　　 accepted 30 S ep tem ber 2006
Ab stract:In an indoor experim en t, the ef fects of increasing concen trations of copper(II) in w ater on subm erged p lan tR uppiam arit ima w ere s tud ied to
determ ine the ef fectof copper tox icity. Ch lorophy ll, solub le p rotein, and POD ofRuppiam aritima w erem easured after copper treatm en.t Ruppiam aritima
show ed som e exten t adap tab ility to sligh t copp er-stress. Low concen tration of copper(C u2+≤ 1 m g L -1) sh ow ed litt le ef fect on the grow th ofRuppia
m aritima. When copper(II) con cen tration reach ed or exceeded 5 m g L- 1 , the physiolog ical and phys iochem ical ind ices ofR uppia ma ritim a changed
obviou sly. Besides, the grow th of Rupp ia ma ritim a w as inh ib ited. Under the experim en tal cond ition, in jury to Ruppia m aritima increased w ith th e
elevation of copper concen trations.
Keywords:copper;R uppia m aritim a;ch lorophyll;POD;so lub le p rotein
1　引言 (Introduction)
通常情况下 ,地表水中铜的浓度较低 ,但随着
工业废水 、城市污水处理厂出水进入地表水体 ,铜
在水中的浓度大为提高 (Pinto et a l. , 2003;Esse r
et al. , 2002).此外 ,农业中广泛使用的含铜杀菌剂 、
杀虫剂和肥料等 ,随着地表径流进入水体后也会加
剧铜的污染 (Ouzounidou et a l. , 2005).在被污染的
DOI牶牨牥牣牨牫牰牱牨牤j牣hjkxxb牣牪牥牥牰牣牨牨牣牥牪牨
11期 刘春光等:二价铜离子对川蔓藻(R uppia maritim a)的毒害作用研究
水生生态系统中 ,大型水生植物扮演着外源污染物
的生物过滤器 (bio filte r)的角色 (Ribey re et a l. ,
1994).据报道 ,大型水生植物能够在其体内大量累
积 (甚至达千倍 )痕量金属. 值得注意的是 ,在可利
用性较高的形态下 ,痕量金属的毒性同样不容忽视
(S t-Cyr et a l. , 1994).
铜是一种重要的微量元素 ,对于植物体内多种
酶的活性具有重要意义 ,而且它还是叶绿体和线粒
体内电子传递链的组成成分 (Burda et a l. , 2003;
Yrue la et a l. , 2000). 铜的毒害机制主要是增加植物
体内活性氧 (reactive oxygen species, ROS)的产量 ,
进而影响到植物的光合作用.活性氧会导致膜脂过
氧化 , 致使类囊体片层结构解体破坏 (Vassilev
et a l. , 2003;Patsikka et a l. , 2001). 此外 , 过量的铜
会降低光合色素的含量 ,并通过与巯基基团相互作
用导致核酮糖-1, 5-二磷酸羟化 /加氧酶 (Rubisco)
和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶失活 (Lindon et a l. ,
1991).目前 ,关于铜对植物的毒性效应研究 ,主要
集中在高等陆生植物上. 被研究的大部分植物具有
较大的经济价值 ,例如小麦 、玉米 、番茄 、马铃薯 、菠
菜 、豆类 、水稻 、燕麦和大麦 (Panou-Filo theou et a l. ,
2001).近年来 ,施国新等先后研究了铜对沉水植物
菹草 、黑藻苦草等的毒害作用 (徐勤松 , 2006;马广
岳 , 2005;陈苏雅 , 2006). 对于滨海地区常见的川蔓
藻 (Ruppiamartima),目前尚未见到铜毒害的相关报
道.
川蔓藻是天津滨海地区咸水湖泊 、河流中发生
自然恢复的先锋植物 (王卫红等 , 2005). 它是底栖
的水生维管束植物 ,世界广布种 ,也是一种广盐性
的沉水植物. 在盐度为 0 ～ 7%的范围内都能存活
(K antrud et a l. , 1991).目前 ,在各种沉水植物中 ,关
于川蔓藻的研究尚不多见 ,少数文献主要报道了盐
度对其生长的影响 (Megan et al. , 2003;Mu rphy
et a l. , 2003). 此外 ,Wu等 (2002)研究了硒 (Se)在
川蔓藻体内的累积.王卫红等(2005)研究了川蔓藻
对水体中氮 、磷的去除能力. 基于川蔓藻的耐盐特
性和营养吸收能力 ,该植物对于滨海地区水体水生
植被的重建有着重要价值.本研究以川蔓藻为研究
对象 ,采用室内培养的方法 ,研究铜离子对该植物
的毒害作用.
2　材料与方法(Mate ria ls andme thods)
2. 1　植物材料及培养
试验植物川蔓藻采于 2005年 4月中旬 ,样品来
自天津经济技术开发区 (简称泰达 )的一条景观河
道 ,该河道以泰达污水处理厂生产的再生水 (工艺
为连续微滤 , CMF)为唯一水源. 该水体的特点是水
质较好 ,重金属浓度低 ,但是盐度较高 ,含盐量常年
在 4 g L- 1以上 ,夏季有时还曾达到 15 g L - 1(实测
结果 ).选取生长旺盛的植株 ,置于无底泥大玻璃缸
中 ,用去离子水培养 ,每隔 1d换水 1次. 1周后 ,选
取长势一致的植物材料 ,分别移至铜离子浓度分别
为 0 mg L - 1 (对照 )、 1 mg L -1 、 5 mg L- 1 、 10
mg L -1 、20mg L- 1的大烧杯中 (培养液为 1 L,硫酸
铜配制). 置于窗台前自然光照 , 室内温度范围是
20℃ ±5 ℃.实验开始第 2天起 ,每隔 1天取样测
定 1次 ,采样时刻为上午 9时 (首次采样时间为第 1
d,依次类推 ). 剪取相同部位植物材料 ,测定指标分
别为叶绿素(Ch l)、可溶性蛋白 (SP)和过氧化物酶
(POD).
2. 2　生理生化指标测定
叶绿素的提取及测定 (陈毓荃 , 2002):将待测
部分从植株上取下 , 用吸水纸吸干水分 ,准确称取
50mg,于研钵中研磨成匀浆 ,用 80%的丙酮溶液定
容至 10 mL.用分光光度计测定叶绿素提取液在 663
nm和 645 nm波长下的吸光值. 按照下式计算叶绿
素含量.
Ca =12. 7A663 - 2. 69A645 (1)
C b =22. 9A645 - 4. 68A663 (2)
CT =Ca +C b (3)
式中 , Ca为叶绿素 a的含量;Cb为叶绿素 b的含量;
CT为总叶绿素含量;A663为波长为 663 nm下的吸光
度;A645为波长为 645 nm下的吸光度.
可溶性蛋白质 (SP)含量的测定 (陈毓荃 ,
2002):准确称取植物样 0. 20g,冰浴研磨成匀浆 ,加
入磷酸缓冲液 ,以 4000 r m in- 1离心提取 10 m in,吸
取上清液定容至 10mL,保存在冰箱中. 将待测液配
比稀释后加入显色剂考马思亮蓝 G-250,充分混合 2
m in后 ,在 595 nm波长下比色测定.
POD活性的测定 (张志良 , 1990):样品的提取方
法同可溶性蛋白测定.在 470 nm波长下 ,用 3 mL反
应混合液(磷酸缓冲液 +愈创木酚 +过氧化氢 )和 1
mL的 KH2PO4作空白调零 ,比色皿中加入 3mL反应
混合液和 1mL待测酶液 ,并在加入待测酶液时开始
计时 ,每隔 1m in记录 1次吸光值.以每分钟 A470的变
化值 0. 01为 1个相对酶活单位 ,计算植物组织内过
氧化物酶酶活力的大小 (单位:U g- 1).
1871
环　　境　　科　　学　　学　　报 26卷
3　结果 (Results)
3. 1　叶绿素含量
　　由图 1可以看出 ,无铜离子对照处理中川蔓藻
植株的叶绿素含量持续上升 , 1 mg L - 1处理植株的
叶绿素在前 5 d增长受阻 , 随后出现上升趋势.
5 mg L - 1及以上浓度处理的叶绿素含量都有明显
下降 ,铜离子浓度越高下降越多. 其中 10 mg L -1和
20 mg L- 1的处理 3 d以后出现上升趋势.
图 1　Cu2+对川蔓藻植株叶绿素含量的影响
F ig. 1　E ffects of Cu2+ concen tration on p lan t ch lorophy ll conten t
3. 2　可溶性蛋白含量
由图 2可以看出 ,对照处理的可溶性蛋白含量
在试验初始阶段有小幅下降 , 随后缓慢升高. 1
mg L -1的处理在试验第 3d有明显的升高现象 ,随
后急剧下降 ,并呈波动趋势. 5 mg L -1及以上浓度处
理中川蔓藻体内可溶性蛋白含量变化趋势十分接
近 ,都出现明显的下降趋势 , 5 d以后下降趋势减
缓 ,甚至出现小幅回升.不难看出 ,这几个处理中的
铜离子浓度越高 ,川蔓藻体内可溶性蛋白含量越低.
图 2　Cu2+对川蔓藻可溶性蛋白含量的影响
F ig. 2　E ffects of Cu2+ concen tration on plan t solub le p rotein con ten t
　
3. 3　过氧化物酶活性
由图 3可以看出 ,除 20 mg L -1处理以外 ,其余
处理的川蔓藻体内 POD活性在试验初期均有小幅
上升. 其中对照处理第 5d后又有更大幅度的升高.
而 1 mg L - 1的处理在第 3d后就有明显升高.
5 mg L -1和 10mg L -1的处理第 3d后出现明显的
下降趋势 ,第 5d后下降趋势停止 ,并有回升趋势.
20mg L -1处理川蔓藻体内 POD活性在试验前 5d
一直呈下降趋势 ,第 5d后有回升趋势.
图 3　Cu2+对川蔓草叶片 POD活性的影响
F ig. 3　E ffects ofC u2+ con cen tration on p lant POD activity
3. 4　外部形态
试验开始后 ,对照处理(0 mg L- 1)和 1mg L - 1
处理中的川蔓藻叶色翠绿 ,生长良好 ,随培养时间
延长 ,外部形态没有明显变化. 5 mg L -1处理前 2
天 ,叶色翠绿 ,生长良好;第 3天 ,叶片颜色加深;第
5天 ,叶片开始褪绿. 10mg L- 1和 20mg L -1处理第
2天 ,老叶颜色逐渐加深;第 3天 ,叶 、径 、根均变软 ,
根 、茎呈通透态 ,叶片出现轻微褪色 ,培养溶液微呈
半透明的暗绿色;第 5天以后 ,叶片逐渐失绿.
4　讨论(D iscussion)
重金属在高等植物体内的累积常常会导致其
不同细胞发生变化 ,同时也会诱导植物表现出一定
的耐受性 (Devi et a l. , 1998). 本研究中 ,较高浓度
的铜会导致川蔓藻植株叶绿素含量降低 ,且铜浓度
越高叶绿素降低越明显(图 1).有研究表明 ,环境中
(土壤或水体 )高浓度的铜不仅会导致植物体内叶
绿素的丧失 , 还会增加铁的渗出 (Devi et al. ,
1998).以往有研究者指出 ,叶绿素丧失可能是由于
铜离子诱导产生的自由基使叶绿体膜发生过氧化
所致 (Aust et al. , 1985). Panou-F ilo theou等 (2001)
研究铜离子对草本植物牛至 (Origanum vulgare
subsp. h irtum )的危害性时发现 ,与铜离子处理相
比 ,对照植株叶片内不仅叶绿体数量多 ,而且个体
大 ,此外还含有更多的淀粉粒.本研究发现 ,铜离子
浓度高的处理川蔓藻植株变软 ,呈半透明状 , 叶片
褪绿 ,这是否与叶绿体和淀粉粒数量有关 ,还有待
于进一步研究.
1872
11期 刘春光等:二价铜离子对川蔓藻(R uppia maritim a)的毒害作用研究
蛋白质是生物体内重要的生物大分子之一.它
不仅是生物体构建的重要组成成分 ,而且作为酶类
的一些蛋白质在生物体内的各种生理代谢中起着
重要作用.本研究中 ,除 1mg L - 1处理外 ,其它处理
的可溶性蛋白均有不同程度的降低 ,并且铜离子浓
度越高降低越多.徐勤松等 (2006)在黑藻植株上也
发现类似现象. 周长芳等 (2001)认为 ,植株体内可
溶性蛋白含量的下降可能是由于蛋白质与 — SH基
结合导致蛋白质变性而降解 ,也可能是蛋白质合成
酶的失活或 DNA转录翻译途径受阻 ,影响了蛋白质
的合成.在本研究中 , 1mg L- 1处理可溶性蛋白含量
在试验初期有所升高 ,这很可能是低浓度的铜离子
触发了川蔓藻体内的抗性机制 ,产生了所谓 “诱导
蛋白”以适应胁迫.关于植物 “诱导蛋白” ,目前在植
物抗旱方面研究较多 (康俊梅等 , 2005),而在重金
属胁迫方面研究还不够深入.
POD是植物体抗氧化酶系统中主要的保护酶
之一 ,与 SOD(超氧化物歧化酶 )、 CAT(过氧化氢
酶 )三者协调一致使细胞内自由基的产生和清除处
于动态平衡状态.一般认为 ,植物细胞受到胁迫时 ,
酶的平衡被打破. 污染较轻时 ,植物体内 POD受到
活性氧自由基的诱导 ,活性上升 ,参与清除自由基;
污染加重后 ,酶系统被破坏而使 POD活性下降 ,植
物对自由基和过氧化物的防御能力降低 ,从而受到
毒害. 以上规律在本研究中亦得到证实. 本试验发
现 ,除 20 mg L - 1处理外 ,其余处理在试验初期 POD
活性均有小幅升高 ,第 3 d以后 , 5 mg L -1和 10
mg L -1处理 POD 活性迅速下降 , 而对照和 1
mg L -1处理持续升高. 20 mg L -1处理由于铜离子
浓度过高 ,川蔓藻的 POD酶系统一开始就遭到破
坏 ,因此 ,出现明显下降.
5　结论 (Conclusions)
从植株体内叶绿素 、可溶性蛋白含量和 POD活
性看 ,川蔓藻对低浓度铜离子的胁迫会产生一定的
适应性 , Cu2+≤1 mg L -1 (地表水环境质量标准
GB3838 - 2002中 II类 ～ V类水规定限值 )的情况
下对川蔓藻生长不会造成明显影响. Cu2+达到或超
过 5 mg L- 1就会使川蔓藻植株的生理生化指标有
明显变化 ,生长受到抑制. 在本试验条件下 ,铜离子
浓度越高 (超过 1 mg L - 1), 植株受到的伤害越
严重.
致谢:试验过程中得到研究生文琛和本科生闫然的帮助 , 在
此表示感谢.
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