外源甲基叔丁基醚脅迫對浮萍光合功能的影響

李業東 李東升 趙曉松

摘要通過1/5 Hoagland 營養液培養試驗,研究外源甲基叔丁基醚(MTBE)污染脅迫對浮萍葉片光合功能的影響。結果表明,在0~500mg/L范圍內,浮萍未產生明顯的毒害作用。隨著MTBE脅迫濃度的增加,導致浮萍光合作用放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對NO3-的還原產生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對照相比均達到顯著水平(P< 0.05)。

關鍵詞甲基叔丁基醚(MTBE);脅迫;浮萍;光合功能

中圖分類號Q945.11文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0009-02

甲基叔丁基醚(Methyl Tertiary Butyl ether,MTBE)是全球應用最廣泛的汽油添加劑,迄今已使用20多年,是用量最大的含氧化合物之一。隨著MTBE使用量的逐年增加以及在環境中的累積效應,對環境和人體構成了潛在危害。MTBE對環境的污染已引起國內外學者的高度重視[1-4],在汽油添加劑替代產品開發、MTBE對生態環境的影響以及MTBE污染的生物修復等方面開展了一些研究工作。毒理學研究表明[5,6],MTBE是一種動物致癌物質,同時也是一種人體可疑致癌物質,能夠影響人的中樞神經。水體中MTBE達到57~1 000mg/L時,對各種無脊椎水生生物具有毒性,在388~2 600mg/L范圍對脊椎水生生物具有毒性。長期飲用含有MTBE的污染水,淋巴細胞凋亡率較對照群體明顯增加,而浮萍對水中重金屬具有較強的吸收能力[7,8]。

浮萍(Lemna minor L.)為浮萍科水生維管束植物,生長于沼澤、湖泊以及靜水中,分布廣泛。由于浮萍具有繁殖快、產量高、個體小、浮于水面、易從污染水體吸附污染物質等特點,廣泛用于污染水體生物修復研究中。目前,MTBE脅迫對水生植物光合作用以及相關過程的研究還少有報道。本文選擇分布廣泛的浮水植物浮萍作為試驗對象,研究外源MTBE污染脅迫對浮萍光合功能的影響,為闡明MTBE污染水體浮水植物退化機理及恢復水生生態系統結構和功能提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗用浮萍采自長春凈月潭水體,試驗在室內溫室進行,采用半靜態模擬試驗方式。白天間平均溫度為25℃,夜晚平均溫度為20℃,相對濕度65%,光照12h/d,光強度為4 000Lx。以直徑50cm高15cm的塑料盆作為浮萍培養缽,每個培養缽盛裝1/5Hoagland營養液5L,底部鋪5cm細沙。采集的浮萍被洗凈后在營養液中培養,每天更換1/3培養液。10d后,當葉片長至5mm左右時進行脅迫試驗。

1.2試驗設計

在1/5Hoagland 營養液中加入MTBE,使其濃度為0 mg/L(對照)、0.5mg/L(1998年美國EPA規定飲用水中可接受濃度的10倍)、5.0mg/L、50mg/L、500mg/L。將大小一致的浮萍植株移栽到含有一定濃度MTBE的培養液中,脅迫處理96h,每天更換1/3培養液。每個處理重復3次,隨機排列。選取大小一致的浮萍葉片,測定光合功能參數。

1.3分析方法[9]

采集浮萍,用去離子水洗凈,吸水紙吸干表面水分。采用氧電極法測定光合速率;以ATP為底物,測定葉綠體Mg2+-ATP合成酶的活性;活體法測定硝酸還原酶(NR)活性;酚二磺酸分光光度法測定NO3-含量。

1.4數據處理

試驗數據采用SPSS10.0統計軟件進行方差分析,采用t檢驗檢測不同處理與對照處理間的差異顯著性。

2結果與分析

2.1對浮萍葉片光合速率的影響

葉綠體是植物體內產生活性氧的主要細胞器之一,是植物光合作用的器官,植物在正常生長條件下,最大光化學效率不受物種和生長條件的影響極少變化。由圖1可知,在MTBE脅迫條件下,光合放氧復合體受到影響,隨MTBE濃度的增加,光合放氧速率呈下降趨勢。當試驗體系中MTBE濃度低于0.5mg/L時,浮萍葉片放氧速率與對照相比略有降低,但差異不顯著(P>0.05)。繼續增加MTBE濃度,放氧速率顯著降低(P<0.01),說明浮萍的光合能力受到抑制,使浮萍生長受到抑制,從而降低浮萍對MTBE污染水體的修復能力。

2.2對浮萍葉片葉綠體ATP合成酶活性的影響

逆境脅迫下植物細胞內自由基代謝平衡被破壞,過量的自由基引發或加劇膜脂過氧化作用,造成細胞膜系統損傷,干擾植物細胞的光合、呼吸及其他代謝過程,嚴重時能導致植物細胞死亡。由圖2可知,MTBE脅迫使浮萍葉片ATP合成酶活性降低,下降趨勢與MTBE脅迫濃度密切相關。當MTBE濃度低于5mg/L時,與對照相比,ATP合成酶活性變化不顯著(P>0.05)。繼續加大MTBE脅迫濃度到50mg/L,浮萍葉片ATP合成酶活性僅為對照的43.7 %,達到極顯著性差異(P<0.01)。ATP合成酶活性降低與浮萍受MTBE脅迫后葉綠體結構被破壞有關,MTBE脅迫可能破壞了類囊體膜的完整性,影響類囊體膜內外側H+質子梯度的形成。

2.3對浮萍葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響

硝酸還原酶是NO3-同化過程中的限速酶。正常情況下,植物體內NR酶活性維持在一定水平,使體內的NO3-還原,NR降低說明NO3-在植株體內的還原過程受阻。由圖3可知,MTBE脅迫使浮萍葉片NR活性下降,只是在低濃度(≤5mg/L)脅迫時,NR下降速率較慢。增大MTBE脅迫濃度,NR酶蛋白的硝酸化過程受到影響,使NR活性明顯下降,說明浮萍葉片對NO3-的同化能力受到MTBE脅迫的影響,直接影響到植株對N的吸收和利用。植物正常生長條件下,體內NO3-在NR作用下及時地轉化為NO2-,在體內較少積累。由圖4可知,在NR減少的同時,浮萍體內NO3-不斷積累,隨MTBE濃度增加,NO3-含量比對照增加了0.91%～63.6%,達到顯著性差異(P<0.05)。可見水體受到MTBE污染后,NR受到抑制,過量的NO3-在體內積累可能對細胞產生毒害作用。

3結論

研究結果表明,在0～500mg/L MTBE試驗濃度范圍內,浮萍未產生明顯的毒害作用。MTBE脅迫使浮萍光合放氧復合體受到傷害,光合放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對NO3-的還原產生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對照相比均達到顯著水平(P<0.05)。

4參考文獻

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