全 文 ：第 30卷第 3期
2010 年 6 月 水土保持通报Bulletin of Soil and Water Conserv ation Vol.30 , No.3Jun., 2010
收稿日期:2009-12-10 修回日期:2010-01-26
资助项目:内蒙古自治区自然科学基金项目“内蒙古大井古铜矿重金属超富集植物筛选及其耐性研究”(200711020608);内蒙古自治区高等
学校科学研究项目“内蒙古白音诺尔铅锌矿重金属超富集植被筛选及其耐性研究”(NJ06102);“内蒙古农业大学科技创新团队资
助计划”(NDTD2010-11)
作者简介:罗于洋(1968—),女(汉族),陕西省榆林市人 ,副教授 ,博士 ,硕士研究生导师 ,主要从事环境保护 、沙生植物资源保护与利用教学
与科研工作。 E-mai l:luo680715@163.com。
土壤铅污染对密毛白莲蒿茎叶解剖结构影响的研究
罗于洋 , 王树森 , 闫 洁 , 田 盼
(内蒙古农业大学 生态环境学院 , 内蒙古 呼和浩特 010019)
摘 要:对 200 mg/ L 铅溶液处理的非矿区 、矿区密毛白莲蒿的茎 、叶解剖结构进行了比较研究。 结果表
明 ,非矿区密毛白莲蒿茎在铅胁迫下组织结构变化较小。矿区密毛白莲蒿茎表现出对铅的适应性 , 茎表皮
加厚 ,细胞壁加厚 , 木质部导管壁出现加厚现象 , 导管中有黑色物质。非矿区密毛白莲蒿叶在铅胁迫下整
个组织结构极其松散 ,组织内部的细胞形状不规则 , 细胞大小不规律 , 且排列混乱 ,部分细胞出现了解体的
现象 , 完整的细胞中叶绿体含量明显减少。而矿区密毛白莲蒿叶解剖结构变化较小 ,其组织结构较完整而
且内部细胞排列很紧密 ,细胞形状较规则 ,大小均一。矿区密毛白莲蒿在铅胁迫下表现出了很强的耐受
性 ,为铅污染土壤植物修复的理论研究和技术实施提供了一种新的种质资源。
关键词:密毛白莲蒿;解剖结构;土壤铅污染
文献标识码:A 文章编号:1000-288X(2010)03-0182-04 中图分类号:X53 , Q13
Effects of Lead Stress on Anatomic Structure of Stems and Leaves of
Artemisia Sacrorum var.Messerschmidtiana
LUO Yu-yang , WANG Shu-sen , YAN Jie , TIAN Pan
(College of Ecology and Env ironment , Inner Mongolia Agricultural University , Hohhot , I nner Mongolia 010019 , China)
Abstract:The mo rphological anatomy o f stems and leaves o f Artem isia sacrorum Ledeb.va r.messerschm id-
tiana at 200 mg/L o f lead w as studied.The changes w ere manifested as fol low s:For the stems of non-mining
area eco-ty pe at 200 mg/ L of lead , there w ere few changes in the o rganizational structure.The stems of min-
ing area eco-ty pe show ed the adaptability to lead:both the thickness o f epidermal and cel l w all increased.
The thickness of catheter of xy lem increased and there w as black substance in the cathete r.Fo r the leaves o f
non-mining area eco-ty pe , there w ere g reat changes by lead st ress.The entire st ructure of o rg anizat ion w as
loose;the shape of cell w as i rregula r;the sizes o f cells w ere no t the same;some cells appeared disinteg ration
in the o rganization;and the chlo roplast contained in the w hole cells decreased significant ly.But for the leaves
of mining area eco-ty pe , the organization w as completed;the cells arranged closely ;the shapes of cells w ere
regular;and the size s of cells w ere the same.Mining area eco-type appeared strong adaptability to lead
st ress , which pro vides an excellent ge rmplasm resource for the theory and practice of phy toremediation o f
lead contaminated soi l.
Keywords:Artemisia sacrorum Ledeb.var.messerschmidtiana;microstructure;lead stress
随着人类利用和开发自然资源的手段越来越先
进 ,矿产资源的开采速度被大大地加快了。连年持续
地开采加重了矿区周围环境的重金属污染 ,使农田 、
水体及人类身心健康受到威胁 ,因此加快铅锌矿山的
生态恢复与植被重建研究 ,控制和减轻重金属对环境
的污染和危害就成为迫在眉睫的事情[ 1] 。植物提取
修复是目前研究最多且最有发展前途的一种污染土
壤植物修复技术 ,重金属超富集植物的发现是植物提
取修复技术研究的基础。
作者在以往的研究中发现 ,密毛白莲蒿(Arte-
misia sacrorum Ledeb.var.messerschm id tiana)是
铅的超富集植物 ,自然条件下 ,密毛白莲蒿叶中铅含
量达 2 375.27 mg/kg ,叶对铅的富集系数为 1.15。
密毛白莲蒿为内蒙古山地半灌木群落的主要建群植
物 ,高 0.5 ～ 1.0 m ,在白音诺尔矿区大面积分布。密
毛白莲蒿的发现为探讨铅在植物体中的超积累机理
和铅污染土壤植物修复的理论与实践提供了一种新
的种质资源。
本研究以内蒙古赤峰市白音诺尔铅锌矿区自然
生长的密毛白莲蒿为研究对象 ,通过对铅胁迫下非矿
区和矿区密毛白莲蒿茎叶解剖结构影响的比较研究 ,
探讨铅胁迫对超富集植物解剖结构的影响 ,在细胞水
平上探讨重金属对密毛白莲蒿的毒害机理 ,从而为铅
锌矿山的生态恢复与植被重建提供一定的理论依据。
1 实验材料和方法
1.1 采样区自然地理概况
采样区位于内蒙古自治区赤峰市巴林左旗白音
乌拉苏木境内的白音诺尔铅锌矿区 。该矿区是目前
中国长江以北最大最富的多金属矿床 ,现已探明的铅
锌金属储量 2.488×106 t ,矿石中含有铅 、锌 、银 、镉
等主要金属 ,铅加锌平均品位 7.68%。矿区位于东
经 118°51′30″—118°54′30″, 北纬 44°26′00″—
44°27′30″。该区气温变化较大 , 1月平均气温 -14.1
℃,最低气温达-39.6 ℃,7月份平均气温 22.45 ℃,
冰冻期从 10月至翌年 4月 ,最大冻土深度 2.5 m ,平
均年降雨量 337.9 mm ,雨季多在 6—8月 。植被类
型为草甸草原 ,土壤类型为淡黑钙土。另一取样地蛮
汉山位于内蒙古乌兰察布市凉城县境内 , 东经
112°2′—113°2′,北纬 40°10′—40°50′之间。蛮汉山是
我国北部森林气候区和草原气候区的过渡地带 ,年平
均降水量 411.4 mm ,年平均气温 5.9 ℃,最高气温
39.3 ℃,最低气温-34.0 ℃,生长期 130 d 左右 , ≥
10 ℃积温3 032.5 ℃左右。蛮汉山土壤为酸性岩砂
壤质中厚淋溶灰褐土 ,植被为典型森林灌丛草原。
1.2 取样方法
矿区密毛白莲蒿为 2008年 5月上旬在白音诺尔
铅锌矿尾矿区采集 ,选择生长状况良好且较为一致的
密毛白莲蒿幼株 。非矿区密毛白莲蒿为同时采集于
蛮汉山的生长状况良好的密毛白莲蒿幼株。将两地
采回的植株带回苗圃分开寄栽 ,待植株生长恢复后再
移于室内的塑料盆里 。
1.3 植株培养
将非矿区 、矿区密毛白莲蒿用浓度为 200 mg/L
的醋酸铅溶液培养 ,各设 4个重复 。
将苗床内的密毛白莲蒿幼株移栽至塑料盆中(盆
口直径 15 cm ,高 12 cm)进行砂培 ,每盆中栽植 3 ～ 4
株小苗 ,共栽 4盆 ,放置于通风和光照良好的地方进
行培养。每隔 2 d浇 1次去离子水 ,预培养 14 d后植
株生长状况良好 ,此时进行 200 mg/ L 的醋酸铅溶液
处理。培养期间 ,每隔 3 d 浇 1 次营养液(40 ml/
盆),每隔 3 d 浇 1次去离子水(20 ml/盆),每隔 5 d
浇 1次醋酸铅溶液(15 m l/盆);在每个塑料盆下放置
塑料盘一个 ,不定期将盘内积液倒回盆中 。植株培养
50 d 后 ,虽然生长缓慢 ,但生长状况良好 ,整株拔出
进行相关实验指标的测定 。
1.4 茎叶解剖结构实验方法
植株培养 50 d 后做标记 ,然后将茎叶脱水 、透
蜡 、包埋 、切片 、展片 、染色 、封片。在电子显微镜
(O lympus-BX41TF)下观察 ,并记录观察结果 。
2 结果与分析
2.1 密毛白莲蒿茎解剖结构[ 2-3]
2008年 11月 ,对 200 mg/ L 铅溶液处理的非矿
区 、矿区密毛白莲蒿茎进行实验室解剖结构研究 ,结
果如图 1 ,2和表 1所示。
2.1.1 表皮 如图 1所示 ,200 mg/L 铅溶液处理的
非矿区密毛白莲蒿茎的表皮细胞由一层细胞组成 ,细
胞多不规则且大小不一 ,细胞排列紧密。如图 2所示 ,
矿区密毛白莲蒿茎表皮加厚 ,由 1 ～ 3层细胞组成 ,细
胞多为不规则型 ,细胞排列整齐而紧密 ,颜色加深。
图 1 200 mg/ L铅溶液处理的非矿区密毛
白莲蒿茎横切面解剖结构(10 倍)
图 2 200 mg/L铅溶液处理的矿区密毛
白莲蒿茎横切面解剖结构(10 倍)
183第 3 期 罗于洋等:土壤铅污染对密毛白莲蒿茎叶解剖结构影响的研究
表 1 非矿区 、矿区密毛白莲蒿茎横切面的显微特征比较
种 名 非矿区密毛白莲蒿 矿区密毛白莲蒿
表 皮
由 1 层细胞组成 , 细胞
不规则 ,大小不一 , 细胞
排列较紧密
由 1 ～ 3层细胞组成 ,细
胞不规则 , 细胞排列紧
密
皮 层 细胞大小不一 ,近圆形 ,排列疏松
细胞呈圆形或长方形 ,
排列疏松
木质部 木质部导管孔径较大 ,分布均匀
木质部导管管壁加厚 ,
且导管中有黑色物质
髓 细胞近圆形 ,细胞大 细胞近圆形 , 细胞大
2.1.2 皮层 如图 1所示 ,200 mg/ L 铅溶液处理的
非矿区密毛白莲蒿茎薄壁组织的细胞大小不一 ,近圆
形 ,排列疏松 ,含叶绿体较少。如图 2所示 ,矿区密毛
白莲蒿茎薄壁细胞组织细胞呈圆形或长方形 ,排列疏
松 ,含叶绿体多 。细胞中有黑色物质。
2.1.3 维管柱 如图 1所示 , 200 mg/L 铅溶液处理
的非矿区密毛白莲蒿茎韧皮部细胞小 ,质密 。木质部
导管孔径较大 ,分布均匀。髓特别发达 ,由大型的薄
壁组织细胞组成 ,形状圆形或不规则 ,排列较为疏松 ,
有机质大多储存在髓中。如图 2所示 ,矿区密毛白莲
蒿茎薄壁组织细胞比较大 ,木质部导管管壁加厚 ,且
导管中有黑色物质。
2.2 密毛白莲蒿叶解剖结构[ 4-9]
2008年 11月 ,对浓度为 200 mg/ L 的铅溶液处
理的非矿区密毛白莲蒿 、矿区密毛白莲蒿叶进行实验
室解剖结构研究 ,结果如图 3 ,4和表 2所示。
图 3 200 mg/ L铅溶液处理的非矿区密毛
白莲蒿叶横切面解剖结构(40倍)
2.2.1 表皮 如图 3所示 ,非矿区密毛白莲蒿叶表皮
具有保护作用 ,由一层细胞构成。表皮细胞不规则 ,排
列松散 ,细胞大部分解体 ,且细胞中无叶绿体。如图 4
所示 ,矿区密毛白莲蒿由一层表皮细胞构成。表皮细
胞呈不规则型 ,细胞较大 ,排列紧密 。部分细胞中无
叶绿体 ,部分细胞中有叶绿体但叶绿体变形。
2.2.2 叶肉 如图 3所示 ,非矿区密毛白莲蒿叶栅
栏组织部分解体 ,组织中有晶体出现。细胞小 ,细胞
核小且分布不均匀。海绵组织解体 ,海绵组织中的细
胞解体 ,核膜和核仁消失 。如图 4所示 ,矿区密毛白
莲蒿栅栏组织由 2 ～ 3 层细胞组成 ,细胞呈长方形或
不规则型 ,排列松散 ,细胞大小不均匀 ,细胞核少。海
绵组织相对不发达 ,细胞呈球型或多面体型 ,细胞间
隙较小 ,少数细胞有细胞核 。
图 4 200 mg/L铅溶液处理的矿区密毛
白莲蒿叶横切面解剖结构(40 倍)
表 2 非矿区和矿区密毛白莲蒿叶片横切面显微特征比较
种 名 非矿区密毛白莲蒿 矿区密毛白莲蒿
表 皮 细胞基本解体 ,细胞排列松散
细胞较完整 , 细胞排列
较紧密
栅栏组织 栅栏组织解体 , 细胞小 ,细胞核小
细胞排列松散 , 细胞大
小不一 , 细胞核少
海绵组织 细胞解体 , 核膜 、核仁消失
细胞间隙小 , 细胞大小
不一
3 结 论
研究结果表明 ,矿区密毛白莲蒿对铅含量较高的
土壤环境具有较强的适应性。
铅胁迫对非矿区密毛白莲蒿茎组织结构影响不
大 ,矿区密毛白莲蒿则通过加厚细胞壁 ,加厚导管壁
表现出对环境的适应。铅胁迫下矿区密毛白莲蒿叶
解剖结构变化较小。
铅胁迫下非矿区密毛白莲蒿茎组织结构变化较
小 ,细胞中几乎没有叶绿体 。矿区密毛白莲蒿由于长
期生长在铅矿区 ,表现出对铅的适应性:矿区密毛白
莲蒿茎表皮加厚 ,细胞壁加厚 ,只有叶绿体含量减少 。
木质部导管壁出现加厚现象 ,导管中有黑色物质。
铅胁迫对非矿区密毛白莲蒿叶影响较大 ,具体表
现为:整个组织结构极其松散 ,组织内部的细胞形状
不规则 ,细胞大小不规律 ,且排列混乱 ,部分细胞出现
了解体的现象 ,细胞中叶绿体含量明显减少。铅胁迫
下矿区密毛白莲蒿叶解剖结构变化较小 ,其组织结构
184 水土保持通报 第 30 卷
比较完整而且内部的细胞排列很紧密 ,细胞的形状较
为规则 ,大小比较均一 ,叶绿体含量无明显减少 ,其细
胞中细胞核较少 。
细胞是生物结构和功能的基本单位 ,重金属引起
植物细胞解剖结构的改变是一个复杂的过程 ,植物体
内的重金属积累超过一定阀值后 ,对植物细胞超微结
构的损伤是一个重要机制 ,通过探讨植物受重金属毒
害后细胞结构的变化 ,是在细胞水平上揭示重金属毒
害植物机理的途径之一。国内外许多学者从不同的
角度报道了重金属对植物细胞结构的破坏。李荣
春[ 10]研究了 Cd , Pb 及其复合污染对烤烟叶片细胞
亚显微结构的影响 ,发现 Cd对烟叶叶肉细胞亚显微
结构具有较强的损伤诱变作用 ,表现为叶绿体类囊体
肿胀或解体 ,基粒片层紊乱甚至消失 ,类囊体空泡化;
细胞核变形 ,核仁解体 ,核质分布不均匀以及出现微
核等 ,较严重的核中央出现大空泡 ,核膜部分或全部
解体 ,核质分布在空泡的边缘 ,线粒体脊的消失而使
线粒体空泡化。施国新[ 11] 等对汞 、镉污染对黑藻叶
细胞伤害的超微结构进行了研究。叶细胞遭受
Hg
2+ ,Cd2+毒害初期 ,高尔基体消失 ,内质网膨胀后
解体 ,叶绿体中的类囊体和线粒体中的脊突膨胀或呈
囊泡状 ,核中染色质凝集 。随着叶细胞遭受毒害程度
的加重 ,核糖体消失 ,染色质呈凝胶状态 ,核仁消失 ,
核膜破裂 ,叶绿体和线粒体解体 ,质壁分离使胞间连
丝拉断 ,细胞壁部分区域的壁物质松散游离 ,最后细
胞死亡 。结果表明 , Hg2+和 Cd2+对细胞的膜结构和
非膜结构都产生毒害作用 ,只是不同的结构对毒性的
耐受性有一定的差异 。
内蒙古白音诺尔铅锌矿是目前中国长江以北最
大的铅锌多金属矿 ,在漫长的开发利用过程中 ,对周
围的土壤环境 、水体环境等造成了严重的重金属污
染。加强该地区对重金属污染环境的研究 ,着手修复
被重金属污染的土壤十分必要。密毛白莲蒿为 Pb
的超富集植物 ,在矿区大面积分布 ,在细胞水平上探
讨密毛白莲蒿对 Pb 的积累和耐受机理对我国铅锌
矿污染土壤植物修复的理论与实践具有重要的意义 。
[ 参 考 文 献 ]
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185第 3 期 罗于洋等:土壤铅污染对密毛白莲蒿茎叶解剖结构影响的研究