洛河水蓼受Cu、 Zn污染的形態(tài)變化研究

祖恩普， 蔡 冰

(洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院， 河南洛陽(yáng) 471934)

洛河水蓼受Cu、 Zn污染的形態(tài)變化研究

祖恩普， 蔡 冰

(洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院， 河南洛陽(yáng) 471934)

本實(shí)驗(yàn)在洛河中采集水蓼， 分別置于梯度濃度的CuSO4和ZnCl2中培養(yǎng)， 觀察其形態(tài)變化. 結(jié)果表明， 水蓼在CuSO4溶液中培養(yǎng)12天后， 葉片在濃度1.5mg/L以上受到影響， 從下至上逐漸出現(xiàn)枯黃、 斑點(diǎn)， 在濃度超過(guò)2.5mg/L時(shí)， 靠近根部的葉片干枯、 脫落； 在氯化鋅溶液中， 葉片在濃度1.5mg/L以上受到影響， 在濃度達(dá)到2.5mg/L時(shí)， 靠近根部的葉片枯萎、 脫落， 水廖的莖部變軟， 向一邊傾斜. 以上結(jié)果說(shuō)明， 水蓼對(duì)于Cu、 Zn的污染均比較敏感， 有明顯的形態(tài)變化， 可以作為這兩種重金屬污染的報(bào)告植物.

洛河水蓼； Cu污染； Zn污染； 形態(tài)變化

隨著我國(guó)工業(yè)化的迅猛發(fā)展， 城市化進(jìn)程的不斷加快， 出現(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題， 尤其是重金屬的污染問(wèn)題日益突出. 過(guò)量的重金屬不僅會(huì)對(duì)水生植物、 魚類等造成生理生化的影響， 甚至可通過(guò)食物鏈在人體中聚集， 給人體健康帶來(lái)巨大的危害. 城市環(huán)境銅污染、 鋅污染主要來(lái)源于工業(yè)“三廢”、 城市垃圾等的排放， 以及高銅、 高鋅化肥等的不合理使用[1]. 因此， 研究銅、 鋅對(duì)水生植物的影響尤為重要.

水蓼葉片中葉綠素含量與Cu含量顯著相關(guān)[2]， 過(guò)量的Cu污染會(huì)抑制葉綠素合成或破壞葉綠素. 劉登義等[3]近來(lái)又發(fā)現(xiàn)， Cu脅迫會(huì)干擾植物的某些代謝途徑， 致使葉綠素a和葉綠素b含量降低， 葉片失綠， 出現(xiàn)明顯的白化現(xiàn)象， 盡管葉綠素a、 b并無(wú)影響， 這也與Penelope等[6]的結(jié)論相一致. 而類胡蘿卜素含量也有類似變化趨勢(shì)， 但從對(duì)Cu污染的敏感程度而言， 通常是葉綠素b>葉綠素a>類胡蘿卜素.

過(guò)量的Cu污染還會(huì)造成根部細(xì)胞的破壞. 姚益云等[4-5]研究表明， 隨Cu濃度增高， 紫云英的根細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭破壞逐漸加重， 具體特征為表皮層斷裂， 變?yōu)楹诤稚?細(xì)胞壁變形乃至斷裂， 質(zhì)膜遭破壞， 發(fā)生質(zhì)壁分離， 細(xì)胞質(zhì)逐漸收縮， 以至解體而使壁內(nèi)空腔， 皮層、 中柱細(xì)胞逐漸死亡， 致使根吸收水分和養(yǎng)分能力降低， 成活率極低， 甚至絕苗. 過(guò)量的Cu使得紫云英表皮細(xì)胞、 薄壁細(xì)胞、 維管細(xì)胞、 篩管細(xì)胞等均大量解體死亡.

鋅污染引起水蓼缺綠的原因， 前人研究認(rèn)為， 高含量的鋅干擾了鐵的代謝從而抑制葉綠素的產(chǎn)生. 推測(cè)其機(jī)理是： 鋅與鐵在一個(gè)葉綠素生物合成位點(diǎn)上競(jìng)爭(zhēng)； 鋅可能影響水蓼體內(nèi)三價(jià)鐵離子與二價(jià)鐵離子的比率. Amber等[7]認(rèn)為， 鋅通過(guò)抑制根的還原力(三價(jià)鐵離子—二價(jià)鐵離子)而干擾鐵的運(yùn)輸； 鋅可能改變水蓼體內(nèi)亞細(xì)胞或細(xì)胞分布或葉片內(nèi)鐵的可利用性.

本實(shí)驗(yàn)擬通過(guò)觀察水蓼在梯度濃度的Cu2+、 Zn2+溶液中的形態(tài)變化， 為洛河水中的Cu2+、 Zn2+污染作出及時(shí)標(biāo)示.

1 材料與方法

1.1 材料

水蓼系一年生草本水生植物， 高20～80厘米， 直立或下部伏地. 莖紅紫色， 無(wú)毛， 節(jié)常膨大， 且具須根. 葉互生， 披針形成橢圓狀披針形， 長(zhǎng)4～9厘米， 寬5～15毫米， 兩端漸尖. 本試驗(yàn)所用的水生生物水蓼取自洛陽(yáng)市洛河橋下的洛河河段， 洛陽(yáng)市洛河河段屬于洛河下游地區(qū). 在采樣時(shí)， 沿洛河岸邊隨機(jī)選取50株. 采回后用清水洗凈， 培養(yǎng)一周.

1.2 方法

本試驗(yàn)CuSO4和ZnCl2各設(shè)5個(gè)濃度組和一個(gè)對(duì)照組: CuSO45個(gè)濃度組的濃度分別為1mg/L、 1.5mg/L、 2mg/L、 2.5mg/L和3mg/L ； ZnCl25個(gè)濃度組的濃度分別為0.5 mg/L、 1.0 mg/L、 1.5 mg/L、 2.0 mg/L、 2.5 mg/L. 每組兩株水蓼平行培養(yǎng)， 進(jìn)行12天對(duì)比試驗(yàn). 每隔兩天補(bǔ)充一次溶液， 以保持瓶中原配置的溶液濃度. 每天觀察記錄一次.

2 結(jié)果

2.1 水蓼在Cu2+溶液中的形態(tài)變化

水蓼在Cu2+溶液中的形態(tài)變化結(jié)果見表1， 生長(zhǎng)情況見圖1. 由表1可看出， 水蓼在Cu2+溶液中培養(yǎng)時(shí)， 葉片形態(tài)變化較為明顯， 而根部和莖的變化不明顯.

表1 水蓼在Cu2+溶液中的形態(tài)變化

圖1 水蓼在Cu2+溶液中生長(zhǎng)情況

2.2 水蓼在Zn2+溶液中的形態(tài)變化

水蓼在Zn2+溶液中的形態(tài)變化結(jié)果見表2， 生長(zhǎng)情況見圖2. 由表2可知， 鋅對(duì)水蓼的葉片影響較為明顯， 當(dāng)Zn2+溶液的濃度低于1.5mg/L時(shí)， 水蓼能夠正常生長(zhǎng)， 形態(tài)沒(méi)有變化.

表2 水蓼在Zn2+溶液中的形態(tài)變化

圖2 水蓼在Zn2+溶液中生長(zhǎng)情況

3 討論

3.1 不同重金屬對(duì)水蓼的響應(yīng)差異性

試驗(yàn)中采用了水蓼作為試驗(yàn)材料， 試驗(yàn)結(jié)果表明， 水蓼對(duì)銅、 鋅這兩種重金屬的響應(yīng)程度存在較大的差異. 從試驗(yàn)結(jié)果可知， 在重金屬銅的污染下， 濃度為1mg/L、 培養(yǎng)7～12天， 觀察發(fā)現(xiàn)葉片有些變軟； 而在重金屬鋅的污染下濃度小于等于1.5mg/L時(shí)， 同樣培養(yǎng)7～12天， 觀察發(fā)現(xiàn)水蓼正常生長(zhǎng)， 葉片完全正常. 這可能是因?yàn)樗な峭λ参铮?并且長(zhǎng)期生長(zhǎng)在洛河， 而洛河水體本來(lái)就有一定程度重金屬污染， 使其對(duì)鋅污染的忍耐性有所增強(qiáng). 此外， 水蓼對(duì)重金屬銅、 重金屬鋅污染的吸收速度各不相同， 通過(guò)用直尺測(cè)量根部到出現(xiàn)變化葉片的距離發(fā)現(xiàn)， 水蓼對(duì)銅的吸收快于對(duì)鋅的吸收.

3.2 重金屬對(duì)水蓼的毒害機(jī)理探討

Cu污染會(huì)抑制葉綠素合成或破壞葉綠素， 這可能是由于植物體內(nèi)過(guò)量的Cu使得葉綠體酶活性比例失調(diào)， 葉綠素分解加快， 同時(shí)Cu局部積累過(guò)多， 與葉綠體中蛋白質(zhì)上的巰基結(jié)合， 或取代其中的二價(jià)鐵、 二價(jià)鋅、 二價(jià)錳， 使葉綠素蛋白中心離子組成發(fā)生變化而導(dǎo)致失活. 此外， 高Cu抑制根系生長(zhǎng)， 根尖硬化， 養(yǎng)分吸收能力下降， 導(dǎo)致Fe缺乏， 葉綠素含量降低而失綠.

鋅污染引起水蓼缺綠， 是因?yàn)殇\改變水蓼體內(nèi)亞細(xì)胞或細(xì)胞分布或葉片內(nèi)鐵的可利用性. 由于葉綠素生成受到抑制， 數(shù)量減少， 影響水蓼光合作用和生物量. 本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證實(shí)了Zn污染會(huì)引起葉片變黃枯萎， 即葉綠素受損.

3.3 重金屬對(duì)水蓼影響的研究展望

基于本試驗(yàn)中水蓼在不同濃度Cu、 Zn中所表現(xiàn)出的不同形態(tài)變化， 推測(cè)水蓼能夠作為洛河水污染的形態(tài)學(xué)標(biāo)記植物, 可根據(jù)洛河水蓼的外部形態(tài)推測(cè)洛河中Cu、 Zn污染的程度. 這種對(duì)于重金屬污染的檢測(cè)方法相對(duì)于其他儀器檢測(cè)來(lái)說(shuō)更為便捷， 直觀.

[1] 林義章， 徐磊. 銅污染對(duì)高等植物的生理毒害作用研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2007， 5:202-204.

[2] 王友保,劉登義. Cu、 As及其復(fù)合污染對(duì)小麥生理生態(tài)指標(biāo)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2001， 12： 773-776.

[3] 劉登義,謝建春,楊世勇， 等. 銅尾礦對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2001,12： 126-128.

[4] 姚益云， 趙振紀(jì)， 劉永厚， 等. 銅對(duì)紫云英根細(xì)胞毒害研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997， 19： 76-79.

[5] 姚益云， 趙振紀(jì)， 劉永厚 等. 銅對(duì)紫云英根結(jié)構(gòu)危害研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997， 19： 71-75.

[6] Penelope A R , Helen C H , Kenneth L S．Physiological responses of cabbage to incipient copper toxicity[J]． J Amer Soc Hor Sci， 1989, 114： 149-152.

[7] Amber J E， et al．Effect of Zn on trans．1acation of Fein soybean plants[J]. Plant Physiol,1976， 46： 326-323.

The Morphological Variation of Polygonum Hydropiper in Luohe River Affected By Cu & Zn

ZU En-pu, CAI Bing

(College of Life Science, Luoyang Normal University, Luoyang 471934, China)

The polygonum hydropiper gathered in the Luoheriver was put in the gradient density separately in the CuSO4and ZnCl2. And its morphological variation was observed and noted everyday. The result indicated that after 7 day .The polygonum hydropiper raises in the Cupric sulfate, its leaves Became blasted under 1.5 mg/L, and gradually were withered and yellow. The leaves near the root withered and fall firstly over 2.5 mg/L. In the ZnCl2, the leaves were affected when the density reached 1.5 mg/L, and the leaf near the root withered and fall off firstly in 2.5 mg/L, and its stem department became soft, inclined to one side. Thus we can conclude that polygonum hydropiper was sensitive to the pollution of Cu & Zn, and may be taken as the report plant of the water polluted by these two heavy metals.

polygonum hydropiper in Luohe River; Cu pollution; Zn pollution; morphological variatio

X173

A

1009-4970(2017)11-0032-04

2017-07-15

祖恩普(1967—)， 男， 河南鞏義人， 高級(jí)實(shí)驗(yàn)師. 研究方向： 水生生物學(xué).

[責(zé)任編輯 王保玉]