鋅離子濃度對滴水觀音生長和生理特性的影響

夏紅霞，朱啟紅

（重慶文理學院，重慶 永川 402168）

植物修復技術是一種新興的綠色生物技術，在不破壞土壤生態環境、保持土壤結構和微生物活性的情況下，經植物根系直接將大量的重金屬元素吸收，通過收獲植物地上部分來修復被污染的土壤[1]。利用植物來修復環境，具有基建和運行費用低、技術含量低、維護管理方便、耐沖擊等優點，在世界范圍內得到迅速發展[2-4]，尤其適合于廣大農村、中小城市的生活污水處理。濕地植物作為人工濕地生態修復工程中最明顯的生物特征，在濕地凈化污水中發揮著重要的作用，而且還具有生態美學和經濟價值[5]。本研究擬用滴水觀音處理含鋅廢水，探索滴水觀音對鋅的耐受性機理，以期為滴水觀音處理重金屬廢水提供依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

滴水觀音，購于永川某花卉苗圃中心。選取采集到的滴水觀音大小均一的地下莖培養于Hoagland營養液中，進行純化。待植株長出新葉后，用于水培盆栽試驗。

1.2 試驗設計

將純化后長勢基本相同的植株樣品進行不同的鋅水平處理。營養液中鋅以ZnSO4·7H2O加入（分析純）。鋅處理液質量濃度為含Zn2+0（CK），5，10，50，100，200，400 mg/L。植株每天光照 12 h，保持24 h連續通氣，每3 d換1次營養液。處理期間每天觀察植物的長勢和癥狀表現，第15天測定滴水觀音葉片葉綠素、丙二醛、超氧自由基（O2-·）指標，21 d后收獲。每處理重復3次。

1.3 樣品分析與測定方法

葉綠素采用丙酮-乙醇混合液提取，分光光度法測定。丙二醛（MDA）的測定參考林植芳等[6]的硫代巴比妥酸（TBA）法和趙世杰[7]的方法進行。超氧自由基（O2-·）利用羥胺氧化、分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 鋅對植株株高、生長狀況和鮮質量的影響

在Zn2+脅迫下，滴水觀音生長與對照相比有明顯變化。低質量濃度Zn2+處理中，滴水觀音植株株高、鮮質量都有所增高。高質量濃度Zn2+處理下，植株則出現明顯的重金屬毒害癥狀，具體表現為:植株新展開的葉片變小變窄，葉片黃化、邊緣卷曲，植株矮小，莖節短小。特別是Zn2+質量濃度大于50 mg/L的處理，植株個體矮小，下部葉片完全黃化卷曲，試驗結束之后的一段時間，葉片幾乎全部失綠，葉脈間呈透明狀，有些植株開始萎蔫，從莖中部開始變黃、變褐，甚至干枯死亡。在試驗后期，400 mg/L處理的植株根須已有褐化，根毛稀少，部分植株根須已腐爛。這與在水稻[8]、小白菜[9]上的研究結果一致。

鋅對植物生長產生抑制的原因很多，可能是Zn2+進入植物體后，大多會積累在根的生長部位，主要破壞細胞核內染色體和核仁[10]。隨著植株體內Zn2+含量的增加，對染色體和核仁的破壞加重，這是抑制根伸長的主要原因。

2.2 鋅對滴水觀音葉綠素含量的影響

從圖1、圖2可以看出，Zn2+質量濃度對滴水觀音葉片葉綠素含量影響較大。鋅質量濃度在5～10 mg/L時，滴水觀音葉綠素a、葉綠素b與對照相比均增加。但當鋅質量濃度繼續增加時，滴水觀音葉綠素a、葉綠素b含量卻快速下降。

2.3 鋅對滴水觀音丙二醛含量的影響

由圖3可知，Zn2+質量濃度為5，10 mg/L時，滴水觀音葉片丙二醛含量比對照略低，其含量分別為對照的91.54%，95.93%。但Zn2+質量濃度繼續增加時，葉片丙二醛含量急劇增加，與對照相比，其含量分別增加了58.92%，97.60%，225.51%，430.97%。

2.4 鋅對滴水觀音超氧自由基含量的影響

從圖4可以看出，Zn2+對滴水觀音葉片中超氧自由基（O2-·）含量的影響比較明顯。Zn2+質量濃度為 5，10 mg/L時，超氧自由基（O2-·）含量分別比對照增加70.31%，155.50%。Zn2+質量濃度為 50，100，200，400 mg/L 時，超氧自由基（O2-·）含量分別比對照增加669.88%，802.35%，968.87%，1008.75%。

3 結論與討論

3.1 鋅對滴水觀音葉綠素含量的影響

植物的光合作用對于有機物合成、太陽能蓄積和環境保護等都有很大的作用[11]。光合色素在植物光合作用中起著決定性作用，其中葉綠素含量高低在很大程度上反映了植物的生長狀況和葉片的光合能力，而且葉綠素含量與葉片光合速率密切相關[12-13]。本試驗結果顯示，低濃度Zn2+可促進滴水觀音葉綠素的合成，提高植物的光合作用；高濃度Zn2+則起抑制作用。

嚴重玲等[14]認為，葉綠素含量的多少是衡量葉片衰老的重要指標。葉綠素a是反應中心復合體的主要組成成分，其中處于特殊狀態反應中心的葉綠素a分子是執行能量轉化的光合色素；而葉綠素b則是捕光色素蛋白復合體的重要組成部分，主要作用在于捕獲和傳遞光能[14]。在本試驗中，低質量濃度Zn2+使滴水觀音葉片中葉綠素a和葉綠素b的含量有所增加，在Zn2+質量濃度為10 mg/L時達到一個最大值。當Zn2+質量濃度高于10 mg/L時，滴水觀音葉片中葉綠素含量則迅速降低，這主要是因為Zn2+質量濃度增大，抑制了滴水觀音葉綠素的合成。這與孫健等[15]用Cd，Pb，Cu，Zn，As等幾種重金屬處理玉米的結果一致。胡金朝等[16]研究也表明，重金屬脅迫能顯著降低植物葉綠素含量，并呈現出極顯著的負相關性。有研究認為，重金屬脅迫會引起細胞膜結構發生改變，葉綠體的完整結構遭到破壞，導致葉綠素含量減少[17]；但也可能是金屬離子的積累抑制了Chl酸酯還原酶和氨基-r-戊酮酸的合成，從而影響了Chl的生物合成[18]；或是金屬離子與這些酶的疏基結合[19]，改變了酶的構象而使酶失活，繼而導致Chl含量下降，使葉片捕光色素蛋白復合體合成受到很大的影響。

3.2 鋅對滴水觀音丙二醛含量的影響

植物體內的活性氧與細胞內的成分具有很強的反應能力，能夠直接或間接啟動膜脂過氧化作用。植物在逆境下遭受傷害與活性氧積累誘發的膜脂過氧化作用密切相關，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化最重要的產物之一[20-21]，因此，通過測定丙二醛的含量就可以了解膜脂過氧化的程度，可間接表示膜系統的受損程度及滴水觀音的抗逆性。本試驗中，Zn2+質量濃度為5，10 mg/L時，植株葉片MDA含量基本與對照持平，表明低質量濃度Zn2+對滴水觀音葉片中MDA含量影響并不明顯。Zn2+質量濃度高于50 mg/L時，滴水觀音葉片中MDA含量與對照相比會迅速增加，表明高質量濃度Zn2+對滴水觀音葉片活性氧積累及膜脂過氧化的加劇作用比低質量濃度Zn2+更為嚴重，這與王晶等[22]對番茄的研究結論相反。

3.3 鋅對超氧自由基（O2-·）含量的影響

植物中超氧自由基含量過高，會破壞植物細胞膜的結構和功能。因此，植物中超氧自由基含量的高低能正確反應植物受氧化的強弱。本試驗中，Zn2+對滴水觀音組織具有強大的脅迫作用，它能干擾滴水觀音細胞中活性氧產生與清除之間的平衡，導致細胞遭受氧化脅迫。在正常條件下，滴水觀音細胞中產生的活性氧與其清除系統保持平衡，而當Zn2+脅迫作用于植株，產生的活性氧超出了活性氧清除系統的能力時，就會引起活性氧累積產生氧化傷害。其中，超氧自由基（O2-·）是活性氧的一種。Zn2+質量濃度的處理水平決定了反應的類型，低質量濃度時誘導防御基因表達，高濃度時則啟動細胞死亡。同時，超氧自由基（O2-·）引發膜脂破壞產生的丙二醛（MDA），對膜和許多生物功能分子均有破壞作用，能破壞蛋白質和酶的結構，其含量可以表示過氧化程度和膜系統傷害程度，通常被作為逆境生理指標。本研究結果表明，隨著Zn2+質量濃度的增加，Zn2+脅迫作用加劇，滴水觀音體內產生較多的O2-·，其積累引發膜脂過氧化和膜傷害程度加劇，使MDA含量隨之增大。

綜上所述，Zn2+對植物的傷害機制是十分復雜的，Zn2+脅迫下滴水觀音葉片中葉綠素、丙二醛、超氧自由基都受到不同程度的影響。低質量濃度Zn2+脅迫下，葉綠素含量有一定的增加，丙二醛含量基本與對照持平，超氧自由基含量有所增加，但變化不太明顯。因而，低質量濃度Zn2+能促進滴水觀音的光合作用，一定程度上促進滴水觀音的生長。高質量濃度Zn2+則使植株葉綠素含量迅速降低，丙二醛含量迅速增加，超氧自由基含量繼續增高且變化十分明顯。這與大多數Zn2+質量濃度對植物脅迫試驗結論基本相同。

［1］戴媛，譚曉榮，冷進松.超富集植物修復重金屬污染的機制與影響因素[J].河南農業科學，2007（4）:10-13.

［2］陽承勝，藍崇鈺，束文圣.重金屬在寬葉香蒲人工濕地系統中的分布與積累[J].水處理技術，2002，28（2）:101-104.

［3］Baldantoni D，Alfrani A，Tommasi P D，et al.Assessment of macro and microelement accumulation capability of two aquatic plants[J].Environ Pollution，2004，130:149-156.

［4］Panich-pat T，Pokethitiyook P，Kruatrachue M，et al.Removal of lead fromcontaminated soils byThypha angustifolia[J].Water Air Soil Pollut，2004，155:159-171.

［5］馬文麗，王轉花.鉛脅迫對烏麥及普通小麥抗氧化酶的影響[J].山西農業科學，2004，32（2）:8-12.

［6］林植芳，李雙順，林桂珠.水稻葉片衰老與SOD活性及膜脂過氧化的關系[J].植物學報，1984，26（6）:605-615.

［7］趙世杰.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農業科技出版社，2002.

［8］周曉紅，王國祥，馮冰冰.光照對菹草（Potamogeton cripus）幼苗生長發育和光合熒光特性的影響 [J].生態環境，2008，17（4）:1342-1347.

［9］于方明，仇榮亮，湯葉濤，等.Cd對小白菜生長及氮素代謝的影響研究[J].環境科學，2008，29（2）:506-511.

［10］何俊瑜，任艷芳，朱誠，等.鎘脅迫對鎘敏感水稻突變體活性氧代謝及抗氧化酶活性的影響 [J].生態環境，2008，17（3）:1004-1008.

［11］羅廣華，王愛國，邵從本，等.高濃度氧對種子萌發和幼苗生長的傷害[J].植物生理學報，1987，13（2）:161-167.

［12］余叔文，湯章城.植物生理學與分子生物學[M].2版.北京:科學出版社，1998.

［13］李強.環境因子對沉水植物生長發育的影響機制[D].南京:南京師范大學，2007.

［14］嚴重玲，李瑞智，鐘章成.模擬酸雨對綠豆、玉米生理生態特性的影響[J].應用生態學報，1995，6（增刊）:124-131.

［15］孫健，鐵柏清，錢湛，等.復合重金屬脅迫對玉米和高粱成苗過程的影響[J].山地農業生物學報，2005，24（6）:514-521.

［16］胡金朝，施國新，王學，等.Cd對槐葉蘋的生理影響及外源La，Ca 的 緩 解 效 應 比 較 [J].廣 西 植 物 ，2005，25（2）:156-160.

［17］徐勤松，施國新，杜開和，等.Cd2+處理對菹草葉片保護酶活性和細胞超微結構的毒害影響 [J].水生生物學報，2003，27（6）:584-589.

［18］Stobart AK，GriffthsWT，Ameen Bukhari I，et al.The effects of Cd2+on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley[J].Physiologia Plantarum，1985，63:293-298.

［19］Somashekaraiah B V，Padmajaes K，Prasad A R K.Phytotoxieity of cadmiumions on germination seedlings of mung bean（Phaseolus vulgarize）:Involvement of lipid peroxides in chlorophyll degradation[J].Physiologia Plantarum，1992，85:85-89.

［20］張玉霞，李志剛，張玉玲，等.缺磷脅迫對大豆膜脂過氧化及保護酶活性的影響 [J].土壤肥料科學，2004，20（4）:196-208.

［21］張黛靜，姜麗娜，邵云，等.鉻脅迫下三種基因型小麥萌發和抗氧化酶差異的研究 [J].華北農學報，2009，24（6）:69-73.

［22］王晶，韓曉日，戰秀梅，等.低磷脅迫對番茄葉片膜脂過氧化及保護酶活性的影響[J].植物營養與肥料學報，2005，11（6）:851-854.