硫化物脅迫對馬來眼子菜生理生化指標的影響

邢雅囡,阮曉紅,2

(1.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;2.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210093)

硫化物脅迫對馬來眼子菜生理生化指標的影響

邢雅囡1,阮曉紅1,2

(1.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;2.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210093)

為研究水體中硫化物(S2-)對馬來眼子菜的脅迫作用,通過靜態模擬試驗,分析了不同S2-水平(0、0.05、0.1、0.2和0.3mmol/L)培養下馬來眼子菜葉綠素總量、丙二醛和2種抗氧化酶(過氧化氫酶、過氧化物酶)的活性變化。研究發現,當試驗水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,馬來眼子菜葉綠素總量隨培養時間呈增加趨勢,當c(S2-)＞0.2mmol/L時,植物生長會受到明顯影響,葉綠素濃度下降,光合作用受到抑制;不同S2-濃度組中馬來眼子菜丙二醛濃度在暴露時均顯示應激效應,膜質過氧化程度隨水體S2-濃度及其暴露時間的增加而加重;在c(S2-)≤0.05mmol/L時,2種抗氧化酶的活性得以維持或提高,當c(S2-)≥0.1mmol/L時,馬來眼子菜體內抗氧化酶活性下降,抗逆性降低,表現為劑量-負效應關系。

硫離子脅迫;馬來眼子菜;葉綠素;丙二醛;抗氧化酶

近10年來,隨著城市經濟的快速發展,我國長江以南地區尤其是蘇南地區已形成“南通—無錫—蘇州—南京”酸雨中心帶[1-2],降水中SO2-4 當量濃度占陰離子濃度的61.9%[3]。酸沉降及大量含硫污水進入城市水體后沉積,并轉化為硫化物,使得水體中S2-濃度增高。硫化物是一種植物毒素,ρ=0.15mg/m3的S2-濃度可嚴重危害高等植物根系活性[4-5],通過抑制作物根部生長,使根部發黑腐爛、作物枯萎,這也是導致酸性水體植物群落變化的重要因素[6]。

沉水植物是淡水生態系統中關鍵的生態類群,是生態系統物種和功能多樣性的基礎。因此,沉水植被的重建與恢復已成為研究熱點。研究不同S2-濃度下沉水植物的生理生化變化對于認識沉水植物在酸性水體中衰退的機理、尋找沉水植物中耐酸化的先鋒植物具有重要意義。馬來眼子菜(potamogeton malaianus)是太湖沉水植物優勢種之一,對水域的富營養化有較強適應能力[7-9]。筆者針對河網區重污染河道硫素濃度高、高等水生植物絕跡的現象,通過研究水體中不同S2-濃度對馬來眼子菜中的葉綠素、丙二醛、保護酶活性等生理生化指標的影響,探討其對S2-污染的耐受性,以期為沉水植物修復及水質改善提供依據。

1 材料和方法

1.1 材料

試劑:硫化鈉(Na2S?9H2O,分析純,江蘇永華精細化學品有限公司生產)。

馬來眼子菜采自太湖,預培養30d后,選擇一定量長勢良好、生長基本一致、株高在50cm左右的植物個體,清水洗凈后植于70L塑料桶內(上桶直徑49cm,下桶直徑37cm,高度55cm),施藥前適應性培養30d。

1.2 試驗設計及樣品采集

a.試驗共設置5個濃度組,分別為:CK(對照組,c=0mmol/L)、A(c=0.05mmol/L)、B(c=0.10mmol/L)、C(c=0.20mmol/L)和D(c=0.30mmol/L),各組設3個重復。

b.自然條件下培養,試驗期水溫20～25℃,定期補充營養液。為減少水體中S2-的揮發及模擬自然水體的溶氧環境,試驗過程中塑料桶口用透明薄膜密封,薄膜上扎少許小孔。

c.分別在試驗初始及施藥后3、5、10和15d采樣,分別采集各處理組植物莖葉混合樣品3份,每份約2g,準確稱重后用液氮冷凍,置于超低溫冰箱中保存,待測生理生化指標。

1.3 試驗方法

實驗測定的生理生化指標包括:葉綠素總量、丙二醛(MDA)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性,分別采用丙酮乙醇混合提取法[10]、硫代巴比妥酸顯色法[10]、紫外吸收法[11]和愈創木酚法進行測定[12]。由于重復之間差異不顯著,故試驗結果取各組測定結果均值。

抑制率η和誘導率S′采用以下公式計算:

式中:A為處理組POD或CAT的活性;ACK為對照組POD或CAT的活性。

2 結果與分析

2.1 S2-對馬來眼子菜葉綠素總量的影響

植物葉片葉綠素濃度與光合速率、營養狀況等密切相關,葉綠素濃度可以表征植物生長狀況,試驗期間馬來眼子菜供試樣中葉綠素總量變化見圖1。

圖1 S2-對馬來眼子菜內葉綠素總量的影響

由圖1可知,隨培養時間延續,CK組、A組馬來眼子菜供試體中葉綠素總量呈上升趨勢,僅第15d有所下降,但仍高于初始值;A組葉綠素總量除第5 d外,葉綠素總量均比CK組低,說明即使在低濃度條件下,長時間的暴露也會影響馬來眼子菜體內葉綠素的濃度;B、C和D組中馬來眼子菜內葉綠素總量隨培養時間延續呈下降趨勢,第10d,D組中的葉綠素總量驟降至0.3067μ g/g,為初始葉綠素總量的22.54%,至第15 d,供試體內葉綠素總量僅為對照組的8.04%,表明此時馬來眼子菜供試體受到S2-脅迫,植物體的光合作用完全被抑制。

綜上,各濃度組中馬來眼子菜的葉綠素總量隨試驗水體S2-濃度的增加而降低,當試驗水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,植物體光合作用可正常進行,當試驗水體中c(S2-)＞0.2mmol/L時,供試體受到S2-脅迫,光合作用被抑制。以上變化規律說明馬來眼子菜的光合作用受到S2-的抑制,抑制程度與試驗水體中S2-濃度有關。

2.2 S2-對馬來眼子菜MDA的影響

MDA是膜脂過氧化作用的主要產物之一,其質量比可用以表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。試驗期間馬來眼子菜供試體內MDA質量比變化見圖2。

圖2 S2-對馬來眼子菜內MDA的影響

由圖2可知,隨培養時間延續,CK組中馬來眼子菜供試體內MDA質量比變化趨勢表現為下降特征;A組中供試體內MDA質量比的變化規律與空白組具有相似性,僅在第3d有升高,整體呈下降趨勢,但均高于CK組,說明試驗初期馬來眼子菜對S2-產生應激反應,隨時間的延續逐漸適應,表明供試體對0.05mmol/L濃度內S2-具有一定的耐受性;B組中供試體內MDA質量比隨培養時間延續的變化規律整體呈上升趨勢,僅在第5 d有降低;C和D組中供試體MDA質量比呈上升趨勢,第15 d時MDA質量比分別為CK組的7.13倍和8.44倍,說明馬來眼子菜供試體受到嚴重損傷。

綜上,各組MDA均高于對照組,說明馬來眼子菜受到S2-的損傷,其損傷程度隨S2-濃度的增加而加重;除A組外,受試供體在含有S2-水體中暴露時間越長,傷害越嚴重。

2.3 不同濃度S2-對馬來眼子菜POD活性的影響

正常情況下,作為保護酶系統的重要組成部分,POD能維持體內活性氧產生和清除的動態平衡,從而防止自由基的毒害。而逆境條件則往往使植物細胞中活性氧產生增多或清除能力減弱,在這種情況下,活性氧清除能力的高低也就成為植物抗逆境能力大小和能否在逆境中生存的關鍵。試驗期間的馬來眼子菜供試體內POD活性變化及誘導率(抑制率)計算分別見圖3、表1。

圖3 S2-對馬來眼子菜內POD活性的影響

表1 試驗期間馬來眼子菜內POD誘導率(抑制率)計算成果

由圖3可知,CK組與A組馬來眼子菜內的POD活性變化均呈上升趨勢,但試驗期間A組活性均高于CK組活性;B組中,供試體內POD活性隨著培養時間的延續呈現先增加后降低的趨勢;C和D組中,供試體內POD活性均隨著培養時間的延續而降低。至試驗結束,D組中POD活性值降為初始值的11.99%。

由表1可知,A組中馬來眼子菜內POD活性均表現為誘導,且誘導率隨培養時間的延續而增加,說明此濃度范圍內馬來眼子菜受到水體中S2-脅迫,并通過調整某些生理生化過程增加其抗逆性,POD活性的升高,在一定程度上減輕自由基對膜的傷害,反映為圖1中試驗期間此組中供試體內葉綠素總量都表現為增加。B組中馬來眼子菜內的POD活性前10d出現誘導,10 d后POD活性表現為抑制。C和D組,供試體內POD活性在試驗期間均為抑制,且抑制率隨暴露時間和水體中S2-濃度的增加而增加,表明此濃度范圍下供試植物體內酶系統功能紊亂,引起細胞膜結構損傷,與圖1中試驗期間相應的濃度組葉綠素總量都表現為減少趨勢相吻合。

2.4 不同濃度S2-對馬來眼子菜CAT活性的影響

CAT能夠清除細胞內過多的H2O2,使細胞內H2O2維持在一個正常水平,保護細胞膜結構,CAT活性與植物的代謝強度及抗病能力有關。試驗期間的馬來眼子菜供試體內CAT活性變化及誘導率(抑制率)計算結果分別見圖4和表2。

圖4 S2-對馬來眼子菜內CAT活性的影響

表2 試驗期間馬來眼子菜CAT誘導率(抑制率)計算結果

由圖4可知,CK、A和B組馬來眼子菜內的CAT活性變化規律均呈上升趨勢,但試驗期間各濃度組供試體內CAT活性均高于CK組;C和D組中馬來眼子菜的CAT活性呈現上升—降低波動特征,前3d表現為上升,3d后CAT活性降低,至15d植物體內CAT活性分別降為w=0.51μ g/g 和w=0.09μ g/g。

由表2可知,A和B組馬來眼子菜內的CAT活性均被誘導,A組供試植物體的CAT活性隨暴露時間的增加而增加,而B組供試植物體的CAT活性隨暴露時間的增加呈現增加—降低—增加的波動特征。C和D組中馬來眼子菜的CAT活性(除第3d的C組外)均表現為抑制,且抑制率隨著暴露時間和S2-濃度的增加而增大,呈現出明顯的劑量-效應關系。

3 結 論

a.水體S2-對馬來眼子菜葉綠素合成產生抑制,且抑制程度與S2-濃度有關。當c(S2-)≤0.05 mmol/L時,馬來眼子菜葉綠素總量隨培養時間呈增加趨勢,光合作用可正常進行;當c(S2-)＞0.2 mmol/L時,葉綠素總量隨試驗水體S2-濃度的增加而降低。

b.在 S2-濃度為 0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.2 mmol/L和0.3mmol/L的各試驗水體中,馬來眼子菜供試體內MDA質量比均低于對照組,說明供試植物體受到S2-的損傷,且損傷程度隨水體S2-濃度及其暴露時間的增加而加重。

c.馬來眼子菜體內的抗氧化酶系統對S2-脅迫作出了敏感響應。馬來眼子菜供試體內的POD、CAT活性變化規律具有相似性。試驗期間c=0.05 mmol/L的A組活性均高于空白組活性;當水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,試驗期間馬來眼子菜內POD、CAT活性均升高,表現出明顯的誘導作用;當水體中c(S2-)為0.1mmol/L和0.2mmol/L時,POD、CAT活性先誘導后抑制,說明高濃度和長時間暴露條件下,POD及CAT走向了負響應,馬來眼子菜的抗逆性降低。

d.試驗結果表明,馬來眼子菜對S2-具有一定的耐受性,當試驗水體c(S2-)≤0.05mmol/L時,供試植物體可通過調整生理生化過程而繼續生長;當c(S2-)≥0.2mmol/L時,馬來眼子菜損傷嚴重,無法維持正常生長。

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Effects of sulfide(S2-)on physiological and biochemical indicators of potamogeton malaianus

XING Ya-nan1,RUAN Xiao-hong1,2
(1.College of Environmental Science and Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.School of Earth Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,China)

In order to study the effectsof sulfide on the physiological and biochemical process ofpotamogeton malaianus,the effects of different concentrations of sulfide(0.0mmol/L,0.05mmol/L,0.1mmol/L,0.2mmol/L,and 0.3mmol/L)on the contents of total chlorophyll,malonaldehyde(MDA),and activities of two antioxidant enzymes(POD and CAT)inpotamogeton malaianuswere investigated using the static hydroponic method.The results showed that the content of total chlorophyll inpotamogeton malaianusincreased with training time when sulfide concentrationwas less than or equal to 0.05 mmol/L;the growth of the plant was apparently affected,the concentration of chlorophyll decreased,and photosynthesis ofpotamogeton malaianuswas inhibited at all timeswhen sulfide concentrationwas higher than 0.2mmol/L;MDA content ofpotamogeton malaianusin exposure displayed stress effects,and the degree of cytoplasmic membrance peroxidization ofpotamogeton malaianusincreased with the concentration of S2-and the exposure time;activities of two typesof antioxidant enzymes were maintained or increased when sulfide concentration was less than or equal to 0.05 mmol/L;and with higher sulfide concentration(≥0.1mmol/L),the activities of antioxidant enzymes decreased,and there was a certain dose-negative response relationship between them.

effect of sulfide;potamogeton malaianus;chlorophyll;malonaldehyde;antioxidant enzymes

X171.5

A

1004-6933(2010)04-0046-03

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.013

國家自然科學基金(40573051);江蘇省自然科學基金(BK2006169)

邢雅囡(1979—),女,山東煙臺人,博士研究生,研究方向為水環境保護和水生態系統修復。E-mail:xyn@hhu.edu.cn

阮曉紅,女,教授。E-mail:ruanxh@nju.edu.cn

2010-04-09 編輯:高渭文)