不同濃度汞對3種水生植物光合特性的影響

王賽+王瑞瑩+周童+王從梅+萬可+王波

摘 要：采用液培法研究不同濃度的HgCl2（0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1）對水慈姑等3種水生植物幼苗光合特性的影響。結果顯示：隨著營養液中HgCl2濃度的升高，水慈姑Chl、Pn、Gs、Ci和Tr也隨著增加。Chl和Pn在1.0 mg·L-1（HgCl2）時達最大值，Gs、Ci和Tr在2.5 mg·L-1時達最大值，但隨著HgCl2濃度進一步增大，上述指標均持續下降。隨著營養液中HgCl2濃度的增加，大花美人蕉和水生鳶尾的Chl、Pn、Gs、Ci和Tr持續下降。結果表明，大花美人蕉、水生鳶尾對溶液中HgCl2脅迫敏感，水慈姑在低濃度的HgCl2脅迫下鈍感，較高濃度的HgCl2脅迫下敏感。該研究結果可以為探究3種水生植物適應HgCl2脅迫的機制提供一定的理論依據。

關鍵詞：水慈姑；大花美人蕉；水生鳶尾；汞脅迫；葉綠素含量；光合特性

中圖分類號：Q945 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.06.004

Abstract： The paper investigated effects of HgCl2 on photosynthetic characteristics of three types hydrophyte under various concentrations（0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1） . With the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， Chl，Pn，Gs，Ci and Tr of sagittaria sagittifolia L.increased. The highest values of Chl and Pn were observed at 1.0 mg·L-1 HgCl2 in nutrient solutions， whlie the highest values of Gs，Ci and Tr were observed at 2.5 mg·L-1 HgCl2 concentrations in nutrient solutions. However， with the further increasing of HgCl2 concentrationsin nutrient solutions， these characters continued to decrease. With the increasing of HgCl2 concentrations in nutrient solutions， Chl， Pn， Gs， Ci and Tr of Canna generalis L. and Iris pseudacorus L. continued to decrease. The conclusion was that Canna generalis L. and Iris pseudacorus L. were sensitive to HgCl2 stress. Sagittaria sagittifolia L. was insensitive to low concentrations of stress， but sensitive to relatively high levels of stress conversely. The results of this research could provide a theoretical basis for exploring the adaptation of hydrophyte under HgCl2 stress.

Key words： Sagittaria sagittifolia L.； Canna generalis L.； Iris pseudacorus L.； mercury stresses； chlorophyll content； photosynthetic characteristics

汞污染由于其致毒性強、易遷移和易轉化等的特點，已成為全球關心的重要問題[1]。大量數據表明，我國水體汞污染比較嚴重：如1970年代松花江流域就開始發生汞污染，江水平均汞含量為5 600 ng·L-1，雖然經過20多年的治理，仍高于背景含量[2]；黃浦江中汞的平均含量則超過了400 ng·L-1[3]；葫蘆島市五里河水中汞污染也非常嚴重，含量為84～10 446 ng·L-1，平均值為1 395 ng·L-1，遠高于國家III類水標準[4]。許多植物對水體汞污染具有攝取并在體內富集的能力。已有研究表明：眼子菜、金魚藻[5]、水芹和羽毛草等[6]水生植物對水體重金屬污染都具有耐受性和富集能力。本研究以水慈姑（Sagittaria sagittifolia L.）、大花美人蕉（Canna generalis L.）、水生鳶尾（Iris pseudacorus L.）為試驗材料，測定不同濃度HgCl2脅迫下對這3種水生植物部分光合特性的影響，以期進一步發掘其對汞污染的修復能力。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

將打撈上來的水慈姑、大花美人蕉、水生鳶尾幼苗于1/2霍格蘭氏培養液中馴化1周測量其鮮質量，挑選出個體、長勢以及鮮質量接近的幼苗作為研究材料。

1.2 試驗設計

設定0，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0 mg·L-1梯度HgCl2濃度處理，每個處理3次重復，每個重復3株幼苗，并盡量避免3株幼苗葉片不重疊。每天加2～5 滴雙氧水以增加培養液中溶氧量。連續培養1個月后測定并計算其葉綠素含量和部分光合參數。

1.3 測定項目與方法

（1）葉綠素含量。葉綠素含量的測定采用丙酮乙烯混合液法——丙酮與乙醇的比例為1∶1，全程在暗光的條件下操作并在663，645 nm波長下比色并通過計算求得葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量[7]。

（2）部分光合指標。Chl、Pn、Gs、Ci和Tr的測定采用LI-6400便攜式光合測定儀（LI-COR， USA）測定，測定采用自然光源，設定樣品室流速為500 μmol·s-1。測定選擇時間在上午8：30—11：30，選擇天氣溫度在25～27 ℃。

（3）以3個重復數據的平均值為試驗結果，數據庫的建立和繪圖采用Excel軟件；顯著性差異分析和方差分析采用SPSS 17.0統計軟件。

2 結果與分析

2.1 不同濃度HgCl2對3種水生植物葉綠素含量的影響

表1顯示，處理30 d時水慈姑Chla、Chlb和Chl 含量隨著濃度的升高呈上升趨勢，均在1.0 mg·L-1（HgCl2）濃度下達到最大值，但隨著營養液中HgCl2濃度的進一步上升，Chl a、Chl b含量反而逐漸下降。處理A、B、C、D、E、F、G葉綠素含量分別是CK的107.89%，91.98%，88.49%，83.18%，83.57%，81.63%和71.54%，且各組間較CK差異均達顯著水平。除了處理D、E、F之間的差異不顯著外，其他處理間的差異均達顯著水平。這說明HgCl2濃度的變化對Chl含量有顯著影響。

表2顯示，處理30 d時大花美人蕉Chla、Chlb含量隨著濃度的升高呈下降趨勢，均在CK處為最大值。處理A、B、C、D、E、F、G葉綠素含量分別是CK的95.20%，80.09%，73.40%，65.99%，63.32%，50.63%和35.03%，且各組間較CK為達到顯著水平。除了處理E、F之間的差異不顯著外，其他處理間的差異均達顯著水平。這說明HgCl2濃度的變化對Chla、Chlb含量有顯著影響。

表3顯示，處理30 d時水生鳶尾Chla、Chlb含量隨著HgCl2濃度的升高總體呈下降趨勢。處理A、B、C、D、E、F、G葉綠素含量分別是CK的99.61%，98.82%，98.30%，96.99%，87.32%，84.05%和73.99%，且處理A、B、C、D較CK差異均未達顯著水平。這說明低濃度的HgCl2濃度的變化對Chl含量無顯著影響，但高濃度HgCl2顯著影響其Chl含量。

2.2 不同濃度汞對光合特性的影響

表4顯示，不同濃度汞處理下的水慈姑Pn值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出先升高后下降的趨勢，除了處理A大于CK外，其他組間處理均小于CK。其中B處理與CK、E處理與F處理間差異不顯著，其他各處理間的差異均達顯著水平。A、B、C、D、E、F、G處理的Pn值分別是CK的104.51%，99.03%，96.68%，92.16%，91.29%，62.94%和60.99%。研究表明：低濃度的HgCl2對水慈姑的Pn的提高起促進作用，高濃度的HgCl2對Pn起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的水慈姑Gs值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出先升高后下降的趨勢，且在2.5 mg·L-1 HgCl2濃度下達到最大值，除了處理A、B、C大于CK外，其他組間處理均小于CK。其中C處理與CK、A處理與B處理、D處理與E處理間差異不顯著，其他各處理間的差異均達顯著水平。A、B、C、D、E、F、G處理的Gs值分別是CK的122.53%，126.48%，106.72%，90.91%，86.96%，63.24%和51.38%。研究表明：低濃度的HgCl2對水慈姑的Gs的提高起促進作用，高濃度的HgCl2對Gs起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的水慈姑Ci值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出先升高后下降的趨勢，除了處理A、B大于CK外，其他組間處理均小于CK。其中CK、A、B處理與CK，C、D、E、處理與F處理間差異不顯著，其他各處理間的差異均達顯著水平。A、B、C、D、E、F、G處理的Ci值分別是CK的102.39%，106.82%，88.36%，87.00%，89.04%，85.53%和68.03%。研究表明：低濃度的HgCl2對水慈姑的Ci的提高起促進作用，高濃度的HgCl2對Ci起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的水慈姑Tr值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出先升高后下降的趨勢，且在2.5 mg·L-1 HgCl2濃度下達到最大值，處理A、B、C、D大于CK外，其他組間處理均小于CK。其中E處理與CK，A、B處理與C處理間差異不顯著，其他各處理間的差異均達顯著水平。A、B、C、D、E、F、G處理的Tr值分別是CK的128.11%，141.72%，130.47%，119.82%，98.22%，85.21%和68.05%。研究表明：低濃度的HgCl2對水慈姑的Tr的提高起促進作用，高濃度的HgCl2對Tr起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。

表5顯示，不同濃度汞處理下的大花美人蕉Pn值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出先升高后下降的趨勢，且在2.5 mg·L-1（HgCl2）濃度下達到最大值，且除了處理A大于CK外，其他組間處理均小于CK。A、B、C、D、E、F、G處理的Pn值分別是CK的100.56%，89.52%，88.64%，87.76%，85.32%，81.12%和81.28%。除了處理A外，其他各組間處理較處理CK差異均顯著。研究表明，低濃度的HgCl2對大花美人蕉的Pn的提高起促進作用，高濃度的HgCl2對Pn起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的大花美人蕉Gs值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出下降的趨勢。A、B、C、D、E、F、G處理的Gs值分別是CK的93.65%，92.06%，82.54%，84.13%，87.30%和76.29%。且各組間處理較CK差異均顯著。研究表明，HgCl2對Gs起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的大花美人蕉Ci值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出逐漸下降的趨勢，且各組間處理均小于CK。A、B、C、D、E、F、G處理的Ci值分別是CK的98.82%，91.71%，97.06%，94.51%，91.99%，92.22%和76.36%。除了處理A外，其他各組間處理較處理CK差異均顯著。研究表明，HgCl2對大花美人蕉的Ci起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。不同濃度汞處理下的大花美人蕉Tr值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出逐漸下降的趨勢。A、B、C、D、E、F、G處理的Tr值分別是CK的87.58%，83.23%，86.81%，79.39%，82.71%，82.71%和54.42%。且各組間處理較CK差異均顯著。研究表明，HgCl2對大花美人蕉的Tr起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。

表6顯示，不同濃度汞處理下的水生鳶尾Pn值隨著營養液中汞濃度的升高呈下降的趨勢。A、B、C、D、E、F、G處理的Pn值分別是CK的99.39%，98.97%，93.91%，90.93%，90.26%，84.48%和79.37%。除了處理A、B外，其他各組間處理較CK差異均顯著。研究表明，HgCl2對水生鳶尾的Pn的提高起抑制作用，且濃度越高抑制的作用越明顯。而隨著營養液中汞濃度的升高，A、B、C、D、E、F、G處理的Gs值分別是CK的92.16%，92.16%，96.08%，94.12%，96.08%，101.96%和92.16%，且各組間差異均不顯著。研究表明，HgCl2濃度的升高對水生鳶尾的Gs無顯著影響。不同濃度汞處理下的水生鳶尾Ci值隨著營養液中汞濃度的升高呈現出下降的趨勢，且各組間處理均小于CK。A、B、C、D、E、F、G處理的Ci值分別是CK的97.33%，96.35%，96.29%，92.36%，91.80%，92.11%和89.95%，除處理G較CK差異顯著外，其他各組間處理較CK差異均顯著。研究表明，低濃度的HgCl2對水慈姑的Ci的影響不顯著，但隨著其濃度的進一步升高則顯著降低水生鳶尾Ci。隨著HgCl2濃度的升高，水生鳶尾A、B、C、D、E、F、G處理的Tr值分別是CK的92.57%，93.12%，92.43%，93.95%，86.52%，90.51%的96.70%，各組間處理差異均不顯著。這表明HgCl2濃度的升高對水生鳶尾Tr的影響不顯著。

3 討 論

綠色植物通過光合作用吸收太陽能、同化水和二氧化碳制造自身的有機物并釋放氧氣。Pn是指總光合作用產生的糖類減去呼吸作用消耗的糖類的速率，以每秒每平方米葉面積吸收的二氧化碳微摩爾數來表示。因此，Pn值真正體現了植物有機物的積累能力。本研究結果表明，低濃度的汞處理可以促進大花美人蕉和水慈姑Pn的積累，但隨著濃度的升高，其Pn值反而下降。這可能是由于低濃度的HgCl2促進了葉綠素的生成或使少數的葉綠素a處于激發狀態，增強了其對光能的利用率。但當HgCl2濃度過高時，則可能破壞植物的細胞膜或葉綠體，從而對植物造成了損傷。這與過昱辰[8]、顧艾博等[9]關于單一汞脅迫對單子葉植物光合特性的影響結果相類似。水生鳶尾的Pn值則隨著HgCl2濃度的升高而持續下降，則可能是由于水生鳶尾較其他兩種植物對汞脅迫更加敏感，因而即便是在HgCl2濃度比較低的情況下也會表現出差異。葉綠體是植物進行光合作用的最基本單位，植物葉片單位面積葉綠素含量的多少直接能反映出植物光合作用的效率。本研究表明，3種水生植物葉綠素含量都與各種的Pn的變化趨勢保持一致，且各組間的顯著差異性也總體相一致。

Tr是指單位時間內單位葉片面積蒸騰水的量，它不僅對于植物根系對水分、養分的吸收和降低葉片溫度有重要的作用，同時對于Gs也有重要的影響。本研究表明，水慈姑和大花美人蕉Tr和Ci均隨著汞濃度的升高，表現出相一致的變化規律，而水生鳶尾Tr和Ci幾乎為恒定值。原因可能是Tr通過影響Ci的變化來適應對汞脅迫對植物造成的損傷。Gs是指植物氣孔對水蒸氣、二氧化碳等氣體的傳導度，因此其值的大小直接影響光合作用、呼吸作用及蒸騰作用。Ci代表植物葉肉細胞中CO2的濃度。Pn的影響可以分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素[10]。Farquhar等[11]認為，Ci和Gs的變化規律可以作為判斷植物凈光合速率的下降是屬于受氣孔限制因素還是非氣孔限制因素的依據：如果Ci和Gs隨著Pn同時下降，說明光合作用能力下降的限制因子是氣孔限制；相反，如果當Pn下降的同時Ci反而上升，則說明光合作用能力下降的限制因子是非氣孔所致。研究結果表明，水慈姑、大花美人蕉的Gs和Ci隨著Pn的升高而升高，表明汞脅迫對這兩種植物光合作用的影響是氣孔的限制。而當水生鳶尾由于受到汞脅迫導致Pn顯著下降時水生鳶尾的Ci未發生變化且Gs的變化也不顯著，可以推測為非氣孔限制因素，這與過昱辰[8]研究的汞脅迫對假儉草Gs和Ci影響的結果相似。

4 結 論

隨著汞濃度的增加，水慈姑的Pn、Gs、Ci、Tr及葉綠素含量先上升后下降。這表明，低濃度的HgCl2對水慈姑的光合作用具有促進作用，而高濃度的HgCl2則對大水慈姑的光合具有抑制作用。而對于水慈姑的影響則表現為Pn、Gs、Ci、Tr及葉綠素含量持續下降，導致這兩種光合能力下降的因素是葉綠素的破壞和氣孔限制因素。而水生鳶尾對汞脅迫做出的反映是Pn、Gs、葉綠素含量隨著HgCl2濃度升高的持續下降，但Ci、Tr變化不顯著，導致其光合能力下降的因素是葉綠素的破壞和非氣孔限制因素。

參考文獻：

[1] FENG H， JIE G， ERIC P， et al. In situ remediation technologies for mercury-contaminated soil[J]. Environ sci pollut res，2015（22）：8124-8147.

[2] 張磊，王起超，邵志國.第二松花江魚及蚌汞含量現狀及演變規律[J].生態環境，2015，14（2）： 190-194.

[3] 丁振華.幾個典型環境中汞的分布特征及生態影響[D].上海：上海交通大學，2003.

[4] 鄭冬梅，王起超，志博.中國北方燃煤型和工業復合型城市汞污染對比研究[J].地球與環境，2007，35（3）：273-278.

[5] SYED S A， ZAFAR A R， MANZOOR A S， et al. Heavy metal accumulation in the leaves of Potamogetonnatans and Ceratophyllum demersum in a Himalayan RAMSAR site： management implications[J]. Wetlands ecol manage，2016（24）：469-475.

[6] 申華，黃鶴忠，張皓，等.3種觀賞水草對水體鎘污染修復效果的比較研究[J].水生態學雜志，2008，1（1）：52-55.

[7] 張憲政.植物葉綠素含量測定—丙酮乙醇混合液法[J].遼寧農業科學，1986（3）：26.

[8] 過昱辰.三種草坪草對土壤汞污染耐受性及富集效果的研究[D].蘇州：蘇州大學，2015.

[9] 顧艾博，董然，馬家艷，等.重金屬Cr脅迫下兩種玉簪光合特性研究[J].北方園藝，2014（13）：60-65.

[10] 孫光聞，陳日遠，劉厚誠，等.鎘對植物光合作用及氮代謝影響研究進展[J].中國農學通報，2005，21（9）：234-236.

[11] FARQUHAR G D， SHARKEY T D. Stomatal conductance and photosynthesis[J].Annual review of plant molecular biology， 1982（33）：317-345.