毛白楊受大氣SO2-Pb復合污染脅迫抗逆性分析研究

魯敏，王恩怡，李科科，郭天佑，賀中翼，高鵬

(山東建筑大學 藝術學院，山東 濟南 250101)

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毛白楊受大氣SO2-Pb復合污染脅迫抗逆性分析研究

魯敏，王恩怡，李科科，郭天佑，賀中翼，高鵬

(山東建筑大學 藝術學院，山東 濟南 250101)

SO2-Pb復合污染；機理機制；生態修復；T檢驗分析

0　引言

大氣污染是人類所面臨的環境危機之一，并且成為人類社會可持續發展的主要障礙[1]。SO2是目前大氣污染中主要污染物之一，不僅危害人體健康，而且威脅環境安全[2-3]。大氣中適宜濃度范圍內的SO2能夠作為補充S元素的一種途徑，促進植物生長，但超過一定濃度闕值會對植物造成葉片灼傷等傷害[4]。此外，在工業化進程中，大氣重金屬也是危害嚴重的大氣污染物之一，因其長期潛伏性、不可逆性及累積性等特點已成為不可忽視的環境問題[5]。隨著含Pb物質的廣泛開發利用，大量重金屬Pb排放到大氣當中，威脅人類健康和環境安全[6]。

在自然環境中，多數情況下的污染是以一種元素或化學物為主的多種污染物，即復合污染。大氣復合污染是指在某一區域范圍內，同時存在多種不同類型的污染物，并且這些污染同時作用對環境所造成污染。目前，大氣中一次污染和二次污染的復合污染，尤其是無機物與重金屬混合的復合污染，對生態系統的穩定性和人類的生存發展造成了比單一污染物更為巨大的危害[7]。大氣SO2-Pb復合污染嚴重威脅著人們的生命安全和健康，尋求解決大氣SO2-Pb復合污染的有效治理措施已成為城市生態環境建設中關注的重點和亟待解決的問題。

植物不僅對一定濃度范圍內的大氣污染物有較強抵抗力，而且具有很強的吸收凈化能力[8]。隨著大氣污染研究的不斷深入，植物生態修復作為一種經濟、安全、持續且極具發展潛力的修復工程技術，已成為修復大氣化學污染的重要途徑[9]。揭示植物抗性機理機制對大氣污染的植物生態修復具有重要意義。隨著對大氣污染研究的不斷深入，利用對大氣污染具有較高抗逆性的植物凈化單一大氣污染的研究已經無法滿足當今世界對于大氣污染研究的需求[10]。因此，開展植物對大氣復合污染的研究將成為今后改善大氣環境質量和空氣污染控制研究的熱點。

煉油廠是以釋放大氣SO2-Pb復合污染物為主的重污染企業。毛白楊(Populustomentosa)適應性強，耐干旱，抗污染能力強，是北方應用最廣泛的鄉土植物和城市綠化樹種，其在濟南煉油廠污染區內大量種植并正常生長，說明毛白楊對SO2-Pb復合污染具有很強的抗逆性和耐脅迫的能力。為此，選擇污染區域中抗污、吸污能力強的毛白楊，通過對其葉片的相關生理指標的變化進行T檢驗分析，探索毛白楊對大氣SO2-Pb復合污染的響應機制，揭示毛白楊對SO2-Pb復合污染抗逆性強的原因，進一步從細胞水平反映毛白楊對大氣SO2-Pb復合污染抗性機理機制,為提高超量積累植物對大氣污染的生態修復功能積累試驗參數，為優化培育富集能力強的植物及生態修復技術提供基礎理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

試驗于夏末秋初(2013年9月)時期，選擇在濟南煉油廠污染區內生長的毛白楊為試驗材料，這一時期毛白楊生理活動最旺盛，新陳代謝速率最快，木質化程度最高，葉片內污染物積累量也最高。

1.2試驗設計

由于目前研究手段難以模擬真實大氣環境條件，開展大氣的復合污染研究只能利用真實的大氣環境。因此，本研究采用現場采樣的方法，分別以濟南煉油廠(36°42′N,117°10′E)周邊區域和濟南百合園林集團苗圃(36°41′N,117°15′E)為污染區和非污染區，對SO2-Pb復合污染區和非污染區的毛白楊進行采樣。濟南市煉油廠東部緊鄰濟南市鋼鐵廠，緊鄰經十路、G2高速公路等濟南交通主干道，是進行大氣SO2-Pb復合污染研究的理想地區。距離煉油廠10 km的濟南百合園林集團苗圃與其土質接近、氣候及其他自然條件相似。

以廠區為中心，100 m范圍為界，分別在東、南、西、北四個方位各選擇2個采樣點進行采樣，每個采樣點分別選取有代表性的3株樹齡相近、健康程度相近、長勢良好的毛白楊作為生物學重復。對樹冠周圍及上、中、下各部位進行多點采樣，每株選取生長正常且具有大致相同數量葉片的一年生枝條4枝。非污染區采樣點選取與采樣方法同污染區。將污染區和非污染區剪取的枝條編號，在相同條件下離體水培一周。

隨機從污染區4個方向每個采樣點混合均勻的12個枝條中分別選取1個枝條，將選出的8個枝條組成一個污染物樣品小組，其他兩個小組采用同樣的方法選取，把每組枝條的葉子分別混合均勻，組成污染區的3個樣品。非污染區樣品選取方法同污染區。將污染區和非污染區的毛白楊樣品隨機組合成3組，每組由污染區和非污染區2個樣品組成。實驗時，采取葉子，用去離子水洗滌，晾干備用。

1.3生理指標測定方法

1.4統計分析方法

利用Excel和SPSS19.0統計分析軟件對毛白楊生理指標測定的實驗數據進行平均值計算和T檢驗分析。

2　結果與分析

2.1毛白楊生理指標測定值

實驗測得不同采樣點毛白楊葉片生理指標的含量(見表1)，其中所得數據均為測量平均值。

表1　毛白楊在污染區和非污染區中生理指標的測定值

2.2毛白楊受大氣SO2-Pb復合污染脅迫抗逆生理指標T檢驗分析

T檢驗即差異的假設檢驗或稱差異顯著性檢驗，在實際工作中應用很廣[17]。比較不同立地條件下植物生長的差異以及不同環境因子對植物生長的影響，都可以使用數理統計學中的差異顯著性檢驗的方法。其實質是解決兩個或多個總體的同一特征之間是否有顯著差異的問題。

2.2.1葉綠素含量變化分析

葉綠素作為綠色植物的主要光合色素，是綠色植物進行光合作用固定生物能源的重要物質。綠色植物葉片內葉綠素的含量與光合作用的速率緊密相關，植物體內的葉綠素一直處于合成與分解的過程中，葉綠素含量受到很多因素的影響[12]。相關研究表明，葉綠素可以作為評價植物耐逆境脅迫強弱的生理指標。將污染區和非污染區毛白楊葉綠素含量(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表2)。

表2　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊葉綠素含量的T檢驗分析

表2結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片中葉綠素含量差異極顯著(P值0.006<0.01)。由此可知，在污染區的毛白楊葉片受到了較嚴重的損傷，大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊葉片具有較大的影響。大氣SO2-Pb復合污染通過破壞植物的光合作用場所來影響植物的新陳代謝，影響植物的正常生長。同時，在污染區現場采樣過程中也發現，距離煉油廠較近的毛白楊葉片表面泛黃，葉尖及葉邊緣出現壞死的組織。

植物體內葉綠素的含量直接影響植物能否有效利用光能，光合作用的機理就是綠色植物將CO2和H2O轉變成有機化合物的過程。植物體內葉綠素與其他物質一樣，經常不斷地進行新陳代謝，水分、光照、溫度、濕度、礦質元素、外源污染物等外界環境因子都會影響葉綠體的合成。

2.2.2丙二醛(MDA)含量變化分析

在植物細胞內活性氧自由基含量處于動態平衡的狀態，但在逆境環境下，自由基數量會急劇增加，平衡狀態遭到破壞，自由基會氧化膜上的不飽和脂肪酸，并產生大量的MDA[18]。MDA在體內自由移動，擴散到其它部位，破壞膜結構使膜流動性降低、透性增加以及細胞代謝失調，使其功能受損，嚴重時導致細胞死亡。MDA含量可以表示膜脂過氧化程度以及在逆境環境下植物對其反應的強弱[19]。因此，MDA含量可以作為膜脂過氧化指標。將污染區和非污染區毛白楊MDA含量(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表3)。

表3　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊MDA含量的T檢驗分析

表3結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片MDA的含量差異不顯著(P值為0.484>0.05)，原因是污染區毛白楊長期處于污染環境下自身適應了周圍的環境，同時酶類和非酶類抗氧化防御系統等控制體內的調節和代謝機制有效的清除了因脅迫產生的過多自由基，維持其動態平衡平衡，抑制了MDA的產生，有效的控制體內質膜透性的變化，使生物膜結構和功能處于平衡穩定狀態。

2.2.3可溶性糖含量變化分析

可溶性糖可以提高細胞內溶質的濃度，降低外界環境對細胞的損害程度，是植物細胞內重要的滲透調節物質[13]。逆境脅迫下，多數植物通過增加植物體內的可溶性糖含量以抵御不良環境，因此，可溶性糖含量亦可作為評價植物抗逆性的指標。將污染區和非污染區毛白楊可溶性糖含量(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表4)。

表4　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊可溶性糖含量的T檢驗分析

表4結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片可溶性糖含量差異不顯著(P值為0.331>0.05)。由于污染區和非污染區周邊環境條件相似，白天光照和溫度較適宜，毛白楊可以積累足夠的代謝物質。雖然處于逆境環境，但是毛白楊體內的養分可以充分利用。當逆境條件更加嚴峻時，毛白楊體內的糖類發生水解，一方面為植物體提供能量，另一方面，可以為其他代謝提供中間產物。

2.2.4可溶性蛋白含量變化分析

逆境脅迫下，植物的細胞膜發生膜相變，引起細胞膜上的蛋白某些部位不能處于平衡狀態，不能與膜上磷脂結合，從而處于游離狀態，成為游離蛋白質，使可溶性蛋白質含量增加。高水平的可溶性蛋白質含量可以使植物細胞滲透勢處于較低水平，降低逆境對細胞的損傷[13]。由此可知，逆境下植物抗逆性與可溶性蛋白含量密切相關，可溶性蛋白含量衡量植物抗逆性的強弱。將污染區和非污染區毛白楊可溶性蛋白含量(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表5)。

表5　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊可溶性蛋白含量的T檢驗分析

表5結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片內可溶性蛋白差異不顯著(P值為0.265>0.05)。說明毛白楊抗逆性較強，在多數逆境環境下，如干旱、低溫、炎熱等都有可能降低植物體內蛋白質的含量和活性[14]。蛋白質作為一種生物大分子，在植物體內承擔了生理功能，蛋白質含量決定了體內酶的含量和活性的強弱。污染區毛白楊葉片體內蛋白質含量較非污染區差異不顯著，說明過量硫元素的吸收在一定程度上提高了毛白楊體內蛋白質的含量，同時可能存在其他調節機制，促進了毛白楊體內蛋白質的合成，為植物體提供了充足的酶和其他生物大分子物質，幫助清除植物體內的活性氧。

在植物處于正常生理狀況下，細胞內超氧陰離子等活性氧的產生和清除處于動態平衡，此時活性氧在細胞內的水平很低，對細胞不會造成傷害[18]。當植物受到逆境脅迫時，超氧陰離子的平衡狀態被破壞。超氧陰離子作為植物體內電子的受體，具有活性強和氧化性強的特點，過量的超氧陰離子具有毒性，導致膜脂過氧化，破壞膜的完整性，使一些保護酶的活性降低[14]。膜系統對機體有很強的保護作用，它的損傷會導致機體的部分生理生化紊亂，其次，部分生物功能分子也遭受超氧陰離子的破壞，從而使植物受到嚴重損傷，長時間、高強度的逆境脅迫會導致植物死亡。將污染區和非污染區毛白楊超氧陰離子產生速率(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表6)。

表6　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊超氧陰離子)產生速率的T檢驗分析

2.2.6抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性變化分析

APX在植物葉片內主要用于清除體內自由基，催化H2O2生成H2O和O2[20]。APX也是植物抗壞血酸-谷胱甘肽循環(ASA-GSH)的重要組分，是酶類抗氧化系統的重要抗氧化酶之一。由于酶促反應的專一性較強，清除活性氧的種類因酶的種類而異。將污染區和非污染區毛白楊APX活性變化(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表7)。

表7結果表明，污染物區與非污染區毛白楊體葉片內的APX活性差異顯著(P值為0.048<0.05)，說明污染區毛白楊葉片內的APX活性在SO2-Pb復合污染脅迫條件下被抑制。ASA-GSH是清除葉片葉綠體內由光合作用等產生的H2O2的主要途徑，由于受脅迫葉綠素減少，光合作用減弱，APX活性相對減弱。另外，與其他抗氧化酶類相比，APX穩定性較差，特別是在缺少電子供體的條件下，在酶促反應過程中，當抗壞血酸未被復合利用時APX會失活，污染脅迫可能使植物體內ASA含量降，低抑制了APX活性；雙胺苯、羥基脲素和羥胺等物質在H2O2存在時會對APX產生特異性抑制，污染脅迫可能促生這類物質。

植物體內抗氧化酶類系統其抗氧化功能具有整體性，在清除自由基的選擇具有多樣性，一種或一類抗氧化酶類活性被抑制相應地作用于同種活性氧的酶類活性會增強。SO2-Pb復合污染脅迫下，毛白楊葉片內其他酶類或非酶類抗氧化機制開啟清除過多活性氧。

表7　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊APX活性的T檢驗分析

2.2.7過氧化物酶(POD)活性變化分析

植物受逆境脅迫，產生活性氧的同時，在POD以及其它酶類的相互作用下，能有效的清除部分活性氧，使體內活性氧數量降低，處于一個機體所能承受水平，不會引起膜脂過氧化以及其它傷害[15]。將在污染區和非污染區中毛白楊的POD活性變化(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表8)。

表8　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊POD活性的T檢驗分析

表8結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片體內的POD活性差異不顯著(P值為0.293>0.05)。POD主要存在于一些老化的組織，其在植物幼齡時期的組織中出現較少，活性也較低。由于POD能增加木質化程度，在污染區與非污染區的采樣中，污染區毛白楊葉片內POD要高于非污染區。說明在污染區的毛白楊老化的速度高于非污染區，其木質化程度較高。

2.2.8游離氨基酸含量變化分析

游離氨基酸等小分子物質由于其具有表征植物細胞逆境響應的功能，是良好的脅迫應答因子[21]。將污染區和非污染區毛白楊游離氨基酸含量(見表1)作為兩個隨機變量，對其進行T檢驗分析(見表9)。

表9　大氣SO2-Pb復合污染對毛白楊游離氨基酸含量的T檢驗分析

表9結果表明，污染區和非污染區毛白楊葉片內游離氨基酸含量差異顯著(P值為0.037<0.05)。污染區毛白楊由于受到大氣SO2-Pb復合污染脅迫，抗性機制開啟，葉片內的游離氨基酸含量升高，對細胞起到保護作用。游離氨基酸的存在可以增加毛白楊葉片細胞基質內的濃度，穩定細胞結構。同時氨基酸具有良好的親水性，減少細胞水分流失，降低蒸騰速率和呼吸速率，保證細胞內外的電解質平衡。

3　結論

上述研究表明：

著(P值>0.05)，說明毛白楊通過體內代謝調節機制降低了大氣SO2-Pb復合污染對其細胞的損傷程度，維持細胞滲透壓平衡，從而減少污染脅迫對正常的生命活動的干擾程度，由此表明毛白楊對大氣SO2-Pb復合污染抗性較強。

② 毛白楊由于長期處于污染環境下自身適應了周圍的環境，同時酶類和非酶類抗氧化防御系統等控制體內的調節和代謝機制有效的清除了因脅迫產生的過多自由基，維持其數量動態平衡平衡，抑制了MDA的產生狀態；

③ 大氣SO2-Pb復合污染脅迫條件下，S元素的吸收在一定程度上增加了毛白楊體內蛋白質的含量，同時由于養分充足毛白楊體內的糖類發生水解，來平衡細胞滲透壓；

(2) 大氣SO2-Pb復合污染脅迫條件下，經T檢驗與對照區相比，游離氨基酸含量和APX活性差異顯著(P值<0.05)。

① 大氣SO2-Pb復合污染脅迫下，抗性機制開啟，細胞基質內游離氨基酸含量增加，使細胞滲透壓處于平衡狀態，維持細胞穩定；

② 大氣SO2-Pb復合污染脅迫下，葉綠素及電子供體受損，APX活性相對減弱，其他酶類或非酶類抗氧化機制開啟清除過多活性氧。

(3) 大氣SO2-Pb復合污染脅迫條件下，經T檢驗與對照區相比，葉綠素含量差異極顯著(P值<0.01)。說明大氣SO2-Pb復合污染脅迫會使毛白楊葉片葉綠素含量下降進而影響其葉片光合作用。

針對大氣SO2-Pb復合污染脅迫對細胞的直接傷害與間接傷害，活性氧增加、膜質過氧化、葉綠素含量下降等，毛白楊通過激活抗氧化物酶系統(POD等)來清除活性氧，利用生物小分子(可溶性糖、蛋白、游離氨基酸)來修復和穩定受損的細胞質膜系統，對大氣SO2-Pb復合污表現出較強抗性。但大氣SO2、Pb兩種污染物對毛白楊的相互作用類型以及對毛白楊抗性的影響還有待探究。

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(學科責編：吳芹)

Study on resistance of Populus tomentosa under atmospheric compound pollution of SO2-Pb stress

Lu Min, Wang Enyi, Li Keke,etal.

(School of Arts, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

compound pollution of SO2-Pb; mechanism; eco-recovery; T-test analysis

2015-11-09

山東省住房和城鄉建設廳科技計劃項目(2013KY006)

魯敏(1963-)，女(滿族)，教授，博士，主要從事污染大氣和污水的植物凈化與修復技術及吸污防污植物的選擇與應用等方面的研究. E-mail:lumin@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)03-0212-07

X171.4，X173

A