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铜对紫背浮萍的影响



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 23(4):362— 366 2003年 7月
铜对紫背浮萍的影响
李红敬 ,谢素 霞1,李天煜2
(1.信 阳师范学院生 物系 ,河南信阳 464000;2.武汉 大学环境科学系 ,湖北武 昌 430072)
摘 要 :利用紫萍 (Spirodela polyrhiza)作材料 ,在实验室条件下研究了增 加铜对紫萍生长 、光合作用色素含
量 、叶绿素 a荧光 的产生和植物体 内铜 累积的影响。结果表明 ,环境中增加 1 t~mol L一 d的 cu。+时即可显著
地抑制紫萍的生长(用鲜重和干重表 示),随增加 的铜的量加 大 ,对生长 的抑制作 用增 加 ,鲜 重在 8 t~mol L-
CuZ+时,干重在 2 t~mol L-1 Cu2+以上时出现负增长;铜水平的升高可使叶绿素含量大幅下降,但对类胡萝 b
索的含量影响不大 ;对叶绿素 a荧 光的产生也有影响 ,短 时间的处理(24 h内)使 Fo和 Fm 升高 ,但 Fv/Fm 变
化很小,随着处理时间的延长和处理浓度的增加,Fo和 Fm下降至很低水平,特别是 Fm下降更快 ,以至 Fv/
Fm 可能 出现负值 ,表 明光合作用器官已受到破坏 ;当铜处理水平增加 时植 物体 内的铜含量水平 也增 加 ,表明
其对铜有一定的累积作用 ,但因为在高铜浓度水平下植物的生物量显著下降,因而从植物修复的角度考虑,在
中等或微量铜污染的情况下,才能选择适宜来源的紫萍用于进行铜污染环境的植物修复。
关键词:紫萍;铜;叶绿素 a荧光;色素含量;毒性评价;植物修复
中图分类号 :X171.5 文献标 识码 :A 文章编号 :1000-3142(2003)04-0362-05
E ffects of enriched-。copper on
Spirodela polyrhiza
LI Hong—j ing ,XIE Su—xia ,LI Tian—yu2
(1.Department of Biology,Xinyang Normal University,Xinyang 464000,China;2.Department
of Environmental Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)
Abstract:The effects of copper on growth,pigment content,chlorophyll a fluorescence and Cu accumulation in
tissue of Spirodela polyrhiza were conducted.The results showed that copper could depress the growth ad—
versely on both fresh weight and dry weight basis.And the fresh weight would be negative growth in medium
of copper—added at 8 gmol L~ ,the dry weight at 2 t~mol L一 ;the content of chlorophyl decreased greatly,but
not the carotenoid;to chlorophyll a fluorescence,in first 24 h,copper made the Fo and Fm bigger,but not Fv/
Fm,then Fo and Fm reduced to very low,specially Fm,so as to Fv/Fm would be negative value,which demon—
strated the photosynthesis apparatus had been damaged;copper content in tissue increased with the concentra—
tion of copper—added in medium ,so the accumulation of copper happened. Because of biomass growth being
very little at high copper concentration addition,so it is only available that using Spirodela polyrhiza to re
store the environment polluted by low concentration copper.
Key words:Spirodela polyrhiza;copper;fluorescence of chlorophyll a;pigment content;phytotoxicity as.
sessment;phytorem ediation
铜是植物必需 的微 量元 素 之一 ,是 多种 氧化酶
活性的核心,参与电子的接受与传递 ,在植物体内的
氧化还原反应 中起 重要 作用 ,与叶绿 素 的形 成 以及
碳水化合物、蛋白质的合成有密切关系,还能提高植
收稿 日期 :2003—03—25 修订 日期 :2003—04—28
作者简介:李红敬(1967一),男 ,河南新野人 ,讲师,生物学专业 ,从事生物学教学和研究工作。 *为通讯联 系人
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4期 李红敬等:铜对紫背浮萍的影响 363
物的呼吸强度 。但 铜过 量 也会 造成 很 多不利 影 响 ,
如生长不 良、主根不 能伸 长 、褪 绿 ,严 重 时甚 至整 株
植物枯死 (Flemming和 Trevors,1989)。由于铜在
地壳中为丰度较高的元素,并且随着经济的发展 ,对
铜的需求量上升 ,导致铜的开采、冶炼、加工等生产
活动以及肥料 、杀生 剂 和排 放污 泥 的使用 等也有 较
大增 加 ,人类这些 活动无 疑 都会 引起 一些 局部 环境
中铜水平的异常升高,甚至在个别地方造成铜污染,
使水体也受到了直接或间接的影响。虽然研究结果
已表明铜对哺乳动物是相对无毒性的,但对于水体
中的各种生物来说 ,它们对铜的敏感性都很高,其对
铜的耐性水平 比哺乳动物低 1O到 1 000倍 ,与生物
的种类、形态、比表面积 、呼吸速率等有密切关系,因
此铜经常被用作水体的杀生剂以去除藻类、真菌和
软体动物(Maksymiec,1997)。这可能会对很多其
它水生生物的生存产生了严重的危害,还会对水生
生态系统 的结构造 成 破坏 ,甚 至 可能会 使 一些生态
系统崩溃 ,使一些 生物 种类 从该 生境 中消失 。所 以
人类不仅要严格控制进入水体 中的铜的总量 ,而且
还需要研究各种水生生物对环境中铜含量水平升高
的反应 ,以便于使用敏感的生物种类对水体 中的铜
水平进行生物监测和评价 ,以保证生境 中的大多数
生物种类 的安全 ,并维 护整个生态系统 的完整安全 ;
利用对铜有耐性的植物去修复被铜污染的水域,这
些都成为具有重要意义的研究课题。即使在那些铜
含量水平升高的水域 ,各种生物也不是发生着同样
的反应 ,而是因其各 自的特性而对变化 了的环境发
生着不同的反应。一些敏感的种类或生态型在浓度
不太 高时可 能会 在生 长发 育 、生理 生 化及形 态特 征
上有所反映 ,随着污染 的加重 则会 因不 适应 而在该
水域消失,那些具有耐性的种类或生态型不仅能够
生存下来 ,有时还会扩大种群,占领空出的生态位,
成为优势种群,甚至单优种群 ,致使群落简单 ,生态
关系单一 。也可能有个别 对生境 中铜水 平的升高在
外表上没有特殊反 应 的种类 ,它们 要么 可 能是对铜
具有超蓄积的能力 ,亦 或是 一 些可 以排 斥铜 进入体
内的种类 。这些种类在治理铜污染水体时就有极大
的实用价值 。总之 ,环境中铜含量水平的升高对植
物起了一个筛选作用,会改变一个地区的植物组成
和群落结构,对一个地 区的生态系统及其功能产生
较大影响。为我们进行深入研究既提出了挑战又提
供 了条件 。
紫背浮萍 (Spirodela polyrhiza),又称紫萍 ,属
于浮 萍科 、紫萍属 ,是一种 结构 简单 的种子植物 。该
属及同科的浮萍属是在世界很多淡水水域都有分布
的漂浮植物,植物体简单、小型化,仅由两部分组成:
叶状体和根。叶状体片状 ,浮于水面,根悬垂于水
中。以种子繁殖,但主要以叶状体的克隆生殖扩大
种群 ,尤其是在 每年 的春 、夏初及 秋天 生长极快 ,并
以春 末 、夏 初 为 生 长 高 峰 ,几 天 即 可 加 倍 (库 克 ,
1990)。与浮 萍属 的植物 相似 ,紫萍 由于其分 布广 、
生长快、个体小、易实验室培养而常成为生物监测和
评价的供选植物种 类 ,特别 是 在化学 品的环 境影 响
评价上进行 了深入 研究 ,并 成 为一些 国家进 行植物
毒性评 价 和 监测 的一 个 必 要 项 目(USEPA,1996;
OECD,2002;Walbridge,1977;Lockhart等 ,1989;
Huebert和 Shay,1993;Wang,1986),对 保 护 环境
质量有较大 的帮助 。
本研究利用实验室培养的方法 ,通过测定不同
浓度下铜对紫萍生长、光合作用色素(叶绿素 a、b,
类胡萝 卜素 )含量 、叶绿素 a荧光 的影 响及其铜在 紫
萍植物体内的累积作用,探讨 了铜水平的升高对紫
萍产生的效应 ,为了解其对水体中微量铜污染的去
除能力 ,了解铜的生态效应及对铜进行生物评价、监
测提供资料 ,也评价 了其在水体铜污染植物修复中
的价值 。
1 材料 与方法
1.1材 料
实验用 的紫萍 取 自中国科学 院武汉植物研究 所
内的池塘中。将取回的紫萍先用 自来水冲洗几次,
再用蒸馏水 冲洗 3次 ,置于 1/2o的 Hoagland溶 液
中进行培养 ,待进行指数生长时,用于进行实验处
理 。
1.2方法
1.2.1铜对紫萍生长的影响 在各装有 250 mL 1/
20 Hoagland溶液 的塑料钵 中,分别 加 有 0、0.1、l、
2、4、8/~mol L Cu抖,各有 5个重复,每个钵中随机
放入 5个生长正常的紫萍个体(各有 3~4个叶状
体),放入前用吸水 纸吸 干 表面水并 称鲜 重 ,另取大
小相似的 5个个体称鲜重后在 6O℃的干燥箱中烘
48 h至衡重 ,称干重 ,利用鲜重与干重 比推算每个
钵中放入的个体的原始干重。在放入培养 120 h后
收获紫萍个体称鲜重、干重 。培养过程中不更换培
养液 。
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1.2.2铜对光合作用色素含量的影响 在分别装有
1 000 mL 1/2o Hoagland溶 液 的塑料盘 中,分别加
有 0、0.1、1、2、4、8 t~mol L Cu抖 ,每 个钵 中随机放
入大约 3 g(鲜重)生长正常的紫萍个体(各有 3~4
个叶状体),分别在放入 的当天及第六天,即在未
染毒培养 时 和 染 毒培 养 5 d后 ,各 钵 中 随机 地 取
0.5 g(鲜重),用丙酮溶液(体积比为丙酮 :水 :饱
和氨溶液=8O:19.5:0.5)在研钵 中研磨提取色
素 。3 500 r mif 离 心 5 min(LD25一Z,北 京 医用 离
心机厂),上清液用紫外分光光度计(UV—VIS spec—
trophotometer,TU-1901,北京普析通用有限责任公
司)测 定 663、664、647、645、480 nm 处 的吸收值
(A),色素 含量按 照 Schopfer(1989)的 方法 进行 计
算。其中在第 3天更换 1次培养液。
图 1 铜处理 5 d紫萍鲜重的增长
Fig.1 Growth of fresh weight exposed to
copper—added medium for 5 days
60
50
40
30
事 20
。 l0
0
对 照 0.1 1 2 4 8
Concentration of copper—added in
reedium (uino1/L)
图 2 铜处理 5 d紫萍干重 的增长
Fig. 2 Growth of dry weight exposed to
copper-added medium for 5 days
1·2.3铜 对 叶绿素 a荧光 的影 响 利 用 Hansatech
公司(英国)生产的 FMS2型脉冲调制式荧光测定
仪,在上午 10时,经 2O min暗适应,测定非胁迫条
件下的 Fm,Fo,计算 Fv/Fm;然后利用实验 2中的
材料 ,分别在处理 了 24、72 h后 进 行测定 铜胁 迫条
件下的 Fm,Fo,计算 Fv/Fm。
1.2.4铜 在植 物体 内的 累积 染 毒 培养前 取 0.5 g
(鲜重)的植物体,利用湿法消化的方法 ,在原子吸收
分光光度计上测定铜含量,作为植物体的含铜背景
值 。然后在分别另加 有 0、0、1、1、2、4、8/~g/L铜 的
1/2o Hoagland培养液中培养 120 h后采用 同样的
方法测定植物体内的铜含量,比较其对铜的累积效
果 。培养过程 中不更 换培 养液 。每个 培养钵 (容 量
约 320 mL)中的培养液为 250 mL,放入的植物体约
0.5 g,每个 浓度设 4个重复 。
2 结 果
2.1铜对 紫萍生长的影响
正如 图 l和图 2表 明的那样 ,环 境 中铜水平 的
升高对紫萍的生长有显著抑制作用,不论是对鲜重
还是干重都有这种趋势。
与鲜重相比,干重所显示的受铜抑制增长的浓
度效应更为明显 。干重在铜的增加浓度为 2>mol
就已显示出负增长,但鲜重在增加的铜的浓度为
8|umol L 才出现负增长。而当增加的铜的浓度为
0.1>tool L 时 ,不论是干重或是鲜重上 ,增长量与
对照相比下降的都很小。说 明在这个浓度下 ,铜对
紫萍所表现的是慢性作用 。
2.2铜对光合作用 色素 的作用
当环境中铜含量水平升高较少,例如每升仅增
加 0.1 mol的铜,与对照组相似 ,经过 5 d的培养 ,
叶绿素 a、b的含量都没有发生变化 ,说明在这个铜
水平对光合色素含量还没有产生显著作用。如果增
加的铜的浓度在 1/lmol/L以上时,可以使叶绿素
a、b的含 量在 处理 前 后 发 生很 大 变化 ,叶绿 素 a、b
的含量与对照组相 比减少 了 3O 以上。特别是对
于叶绿素 a,铜 的作用更显著 ,随着处理浓度的上
升,含量下降很快,但下降到一定水平后与铜浓度的
关系就不明显了。但环境中铜含量水平的升高对类
胡萝 卜素的作用不太 明显 ,在培 养前 后无论是 对照
和处理 组都 没有变化 。铜对光合作 用色素 的影响作
用的结果列于表 1。
9 8 7 6 5 4 3 2 1 O
O O O O O O O O O
一∞一 ∞ 。每 ∞。
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4期 李红敬等 :铜对紫背浮萍的影响 365
2.3铜对 叶绿素 a荧光产 生的影响
铜水平 的升高对 叶绿 素 a荧光 的影响的结果 列
于表 2。铜对 叶绿素 a荧光产生的影 响在于短时间的
铜的升高使叶绿素 a荧光的 Fo,Fm值增大,虽然其
Fv/F值的变化并不明显 。但随处理 时间的延长和处
理浓度的升 高 ,叶绿素 a荧 光 的 Fo和 Fm 都快 速下
降,尤其是 Fm值下降更快。然而在低浓度铜(0.1
~mol/L)处理时,其 Fo和 Fm的值下降的很少。
表 1 铜处理后对紫萍光合作用色素含量的影响
Table 1 Content of pigment after 5 days exposed
to enriched—copper medium
Note:First number is the content of pigment just before exposed
to copper,second number is of exposure to Cu for 5 days.
2.4铜在紫萍体的累积
培养后铜在植物体内的累积情况见表 3。从表
3我们可以发现 ,经过 5 d的染铜培养 ,紫萍体内的
铜含量水平有大幅增加,而且随浓度的升高铜的累
积含 量有增加 的趋 势 。
3 讨 论
3.1铜对紫萍生长的影响
植物的生长是植物最基本的生命活动,特别是
对于像紫萍这样的具有快速生长增殖能力的植物 ,
对生长的抑制,是生命活动被抑制的显著标志,在没
有其它精密仪器设备的情况下 ,生长常是进行生物
监测和评价的唯一指标 。环境中铜水平的升高,对
于生活在正常背景中的紫萍来说,作为一个胁迫因
素 ,在低浓度下其抑制作用还不明显 ,但浓度达到一
定水平后 ,其对生长的抑制作用就很显著 ,不论是在
干重或鲜重上都是如此,并且在本实验的结果中还
可以看到,干重与鲜重相比,其受抑制程度和阈值水
表 2 铜对叶绿素 a荧光产生的影响
Table 2 Effect of copper—added in medium on fluorescence emission of chlorophyll a
平要更明显和更低一些,表明干重作为生物监测和
评价的指标的意义更大。同时由于在高浓度铜处理
后 ,植物 不仅不表现 出生 长 ,即质 量 的增 长 ,甚至 降
低 ,说 明植物 已有部分 组织被进行 了内源性的消化 ,
或有部分老组织已死亡,亦或是一些或全部的个体
已死亡,此时植物体的含水量和含水形式与活体有
较大区别,这样在不同处理组之间再进行鲜重的比
较可能与实际情况不符 。
3.2铜对光合作用 色素的作用
光合作用色素的含量水平是植物生长能力大小
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的直接表现。低的色素水平说明植物受一些因素的
限制,例如营养水平、年龄 、季节、胁迫因素等,但若
将其移人适 宜的生长 环境 中 ,光 合色 素 的含量水 平
应该很快的增长到 一个 较高 的水 平 ,正 如实验 中要
在实验室 中培养 至对 数 生长 时才 能用 于 实验那样 ,
以便使实验材料处 于旺 盛生 长 阶段 ,这样 胁迫 作用
才能显著地表 现 出来 。在实 验 中 ,当加 入 的铜 较少
时 ,如仅 0.1/~mol/L时 ,色 素的含 量与 对 照组相 比
几乎 没有差别 ,表明还没有产生 明显 的作用 ,还 未达
到出现急性毒害的阈值 ;但在加入的铜在 1/~mol/L
以上时,色素水平在处理前后有明显下降,下降程度
可达 30 以上 。但 实验 也表 明 铜 主要 是对 叶绿 素
a、b起作 用 ,对类胡 萝 卜素 的影响不 明显 。
3.3铜对叶绿素 a荧光产生的影响
叶绿素 a荧光作为研究光合作用原初过程的有
效工具 ,为人们研究 光 系统 Ⅱ的作用 过程 发挥 了巨
大作用。由于其对样 品 的无 破坏 性及反 应灵 敏 、测
定快速 、简便 ,使得它在植物环境 生物学 中得到广泛
应用 ,成 为研究植 物胁 迫 反应 的一 个得 力手段 。通
过测定叶绿素 a荧光就能够直接定量出非光化猝灭
组分 ,而 由于非光 化学 荧光猝 灭 是控 制和 调节光 合
作用的一种非常重要 的机制 ,是它维持着能量转化
和能量消耗 之间 的平 衡 ,外界 环 境 的突然 或长期 的
改变将会干扰这种平衡,植物在它们各 自的遗传背
景下可能以极 不相 同的方 式重 新调节 这 种平衡 (陈
贻竹等,1995)。在本研究 中,紫萍在外界环境的突
然改变时,即铜含量水平的突然升高 ,在短时间内使
Fo(初始荧光)和 Fm(最大荧光)都上升,维持 Fv/
Fm值的基本不变 ,说 明植物的调节机制发挥了作
用 。但是随着 处 理 时 间 的延 长 ,Fo和 Fm、Fv/Fm
值都下降,且 Fm值下降更快 。而这种趋势随处理
浓度的增加 而加强 ,尽 管在 加人 的铜 为 0.1/~mol/L
时 ,这种变化不如浓度 高时的显著 ,但 变化还是可以
看出来。 由于 在 高 浓 度 铜 处 理 时 Fo、Fm、Fv/Fm
值都下降到很低的水平,有时 Fo、Fm值 已在 5o以
下 ,甚至 Fo~Fm,Fv/Fm 为负值,可能是光合作用
机构 已经遭 到破坏 ,叶绿素 a已失 活造成 的。
3.4铜在紫萍体内的累积
实验结果还表明,随着浓度的升高,在紫萍体内
的积累有升高的趋势 ,但由于在高浓度铜处理时,植
物的鲜重和干重都趋于快速下降,这样铜在植物内
的总积累量并不是在铜处理浓度最高时达到最大。
同时,由于在高浓度时部分组织或个体的死亡和分
解 ,已从环境中吸收或吸附的铜还有可能重新释放
回环境中,这样也达不到修复的目的。因此,如果要
利用紫萍作为植物修复 的材料,就需要通过实验确
定一个适当的铜浓度水平才能使用 由于来自于不
同生长背景中的植物在遗传上的巨大差异性,因而
可能来 自于一个高铜 背景 中的植 物对铜有更 高的耐
性 ,所以在去除水体 中的铜 时也许具 有更好 的效果 ,
这种情况 已有过报道 (Clark等,l981)。正因为如
此 ,选择一个理想 的、对重金属耐性较高 的植物或生
态型就成为保证重金属 的生物修复效果 的基本条
件 。
利用浮萍评价化学品的毒性已成为许多国家的
标准评价方法,这与他们在这方面的众多研究成就
是分 不 开 的 (Walbridge,1977;Lockhart等 ,1989;
Huebert和 Shay,1993;Wang,1986)。这 也是发 达
国家在 经受 了严 重 的环境 污染 之苦 ,对环 境 问题 进
行深思 的结 果 。使 得 人 们 在 认 识上 有 了极 大 的深
化,不仅各种环保运 动开展得如火如茶,而且从立
法、行政、技术开发等方面加强了对各种危险化学品
的研究 和控制 ,对 它们 的环境行为和危害 ,不仅是对
人体 、饲养的畜禽 、水产品的危害,还包括对各种植
物的危害机制进行 深 入研 究 ,以保 护环 境 中的生物
的安全 和生物多样 性 ,保 护生态系统 的完整性 ,维护
生态 安全。 由于植物 是 生态 系统 的生产 者 ,是 生态
系统存在 的基础 ,在维持生 态系统的结构和功能 ,维
护生 态平衡 中具 有至 关重 要 的作 用 ,因此 在发达 国
家,植物的毒性评价与其它评价方法一样成为维护
生态安全的一道安全阀,在监测和评价化学品毒性 ,
保护环境中发挥着重要的作用。我国还没有利用高
等植物评价化学品毒性 的规定 ,这既说明我们对这
个问题的认识还不够 ,也表明我们对此问题的研究
水平也较低 。加强这方面的研究就极为必要。在国
外还有利用浮萍进行水体重金属污染修复的专业化
公司,说明该技术是经济可行的。本实验研究也表
明 ,可 以利用紫萍 的一些 指标 用来 评价重 金属 的毒
性,还能用于铜污染的植物修复中。
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