（环境科学专业论文）镉、铜、锌对四种水生植物的毒性效应.pdf

a b s t r a c t i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es i n g l et o x i ce f f e c t sa n dj o i n tt o x i ce f f e c to fc a d m i u m c o p p e ra n dz i n cw e r ed e t e c t e di ne i c h h o m i ac r a s s i p e s 、l e m n am i n o r 、h y d r i l l a v e r t i c i l l a t ar o y 、t r a p at a i w a n e n s i sl t h ee f f e c t so fc a d m i u m 、s i n g l ep o l l u t i o na n d c o m p i n e dp o l l u t i o no nt h ec o n t e n to fc h l o o r p l y l l 、t h ec o n t e n to fm d a i nl e a v e so f e i c h h o m i ac r a s s i p e s 、l e m n am i n o r 、h y d r i l l av e r t i c i l l a t ar o y 、t r a p at a i w a n e n s i sl w e r es t u d i e d t h et h e s i sa l s od i s c u s s e dt h ea b s o r p t i o no f h e a v ym e t a l ( c d 、c u 、z n ) b y e i c h h o r n i ac r a s s i p e s 、l e m n am i n o r 、h y d r i l l av e r t i c i l l a t ar o y 、t r a p at a i w a n e n s i sl i nw a t e ra n dt h ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ea n dt o x i c i t y t h em a i n l y r e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： i n e a r l yp e r i o do fe x p o s u r et ot h es a m em e t a l ，i ti sv i t a ld i f f e r e n c eb e w t e e n g r o w t hs t a t u so fh i g l ld o s eg r o u pa n dg r o w t hs t a t u so fl o wd o s eg r o u p ：t h e r ew a su o o b v i o u sp o i s o n i n gs y m t o mi nl o wd o s eg r o u pa n do b v i o u sp o i s o n i n gs y m t o mi nh i g h d o s eg r o u p b u ti n l a s tp e r i o do fe x p o s u r et ot h es a m em e t a l a 1 1o fg r o u p ss h o w p o i s o n i n gs y m p t o m u n d e rt h ec o n d i t o no fs i n g l ep u l l u t i o n ，t h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l i n d e x e s ，s u c ha sc o n t e n to fc h l o r o p h y l la n dc o n t e n to fm d a , h a dc h a n g e dt o d i f f e r e n td e g r e ec o m p a r e dw i t hc o n t r o l ：t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l lh a dt h et e n d e n c y t or e d u c ea n dc o n t e n to fm d ah a dt h et e n d e n c yt oi n c r e a s e i nf o u ra q u a t i cp l a n t s c h a n g e o f h e p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a li n d e x e so nl e m n am i n o ri s s i g n i f i c a n t i nt h r e eh e a v ym e t a l ，c dh a dt h em o s to b v i o u se f f e c to np h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a li n d e x e so fa q u a t i cp l a n t s t h r e ea q u a t i cp l a n t sw h e ne x p o s e dt oc o m b i n e dp o l l u t i o n ，s u f f e r sm u c hm o r e h a r m f u lh u r tt h a nt h ec a s eo fs i n g l ep o l l u t i o n u n d e rl o w c o n c e t r a d t i o nc d z n c o n d i t i o n ，r e s i s t a n tp l a n t s ( s u c ha se i c h h o r n i ac r a s s i p e s 、h y d r i l l av e r t i c i l l a t ar o y ) s h o wa n t a g o n i s t i ca c t i o n ；b u tu n d e rh i l g h c o n c e r t r a d i o nc o n d i t i o n s ，a l lo fa q u a t i c p l a n t ss h o ws y n e r g i s t i ca c t i o n r o o ta b s o r b e dt h em o s tp r o p o r t i o no fm e t a lf o ra l it h e s ef o u rk i n d so fa q u a t i c p l a n t s a te v e r yt r e a t m e n t r e s i s t a n ts t r a i n sa b s o r b em e t a lo fc um o s t , z nl e a s t ； s u s c e p t i b l es t r a i n sa b s o r b em e t a lo fz nm o s t ，c dl e a s t k e yw o r d s ：a q u a t i cp l a n t s ；h e a v ym e t a l ：p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d e x e s ； a c c u m u l a t i o n h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： ；令冰 第一章绪论 1 1 重金属对水生植物毒害的研究进展 1 1 1 重金属废水的危害 我国是一个水资源短缺的国家，淡水资源人均占有量为2 7 0 0 m 3 ，仅为世界人 均淡水资源占有量的2 8 。而人类的工农业生产和生活主要是利用淡水资源。 随着工农业生产的发展，重金属污染向环境的排放量日趋增加，如汞、镉、 铅、铜、镍、锌等。重金属废水是对环境危害最严重和对人类危害最大的工业废 水，采矿、冶金、化工、石油、电镀等多种工业行业的生产废水均含有重金属。 所谓重金属是指原子量大于铁或密度大于5 9 c m 3 的金属0 1 ，属于化学性有毒污 染物质，是对生态环境危害极大的一类污染物。 重金属对水体污染及由此造成的对水生生物的毒害已成为各国同行的研究 热点之一。重金属进入水生生态系统后不能被水生生物降解，蓄积性强，具有长 期持续性，并可在生物体内富集，破坏水生生物体的正常生理代谢活动，并通过 水生食物链的生物放大作用而对高营养级的生物甚至人类造成危害，引起多种疾 病，严重威胁着人类的身体健康和生命安全”1 。关于重金属中毒事件的报道很多， 其中比较严重的有1 9 4 7 年发生在日本的锡中毒导致骨痛病事件：1 9 5 3 年发生在 日本的汞中毒导致水误病事件，1 9 5 8 年日本发生的砷中毒事件以及同年加拿大 发生的铅中毒事件( f o r s t n e r ，1 9 7 9 ) 等。 我国自2 0 世纪8 0 年代以来，开始对环境镉污染的人群健康危害进行调查研 究。结果发现，中国的工业化镉污染主要始于2 0 世纪6 0 年代初，受镉污染的地区 涉及1 1 个省、市的2 5 个地区。农田污染面积约2 0 多万亩，污染区稻米中的镉含 量在1 1 3 2 5 1 4 3 m g k g 之间。每年随工业废弃物排放到环境中镉的总量超过 6 8 0 0 0 0 k g 。镉已经成为危害我国人民健康的最严重的重金属污染物之一。 1 1 2 单一重金属的对植物的毒害 许多重金属( 例如c u ，z n 等) 都是植物必需的微量元素，对植物的生长发育 起着十分重要的作用。但是，当环境中重金属数量超过某一临界值时，就会对植物 产生一定的毒害作用，轻则植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑制，重 则导致植物死亡。重金属对土生植物的毒害研究工作开展得很早并取得了很多成 果“3 ：陈荣华和林鹏( 1 9 8 8 ) 用含不同浓度h g 水浇灌，进行砂培秋茄( k a n d e l i a c a n d e l ) 、桐花树( a e g i c e r a sc o r n i c u l a t u m ) 和白骨壤( a l m a r i n a ) 种苗的研 究。结果显示：当h g 浓度达到l o 一5m o l l 时，秋茄和桐花树种苗的萌芽受 抑制：幼苗用浓度为1 0 5m o l l 水浇灌，生长一个月后，秋茄幼苗根变 短，呈黑褐色：桐花树幼苗的胚轴萎缩，植株茎叶扭曲，根系少且根表皮呈褐 色，整个植株不断枯萎：白骨壤幼苗表现出植株矮小、叶片小、子叶萎缩，只有 侧根而无根毛，根尖呈黑色。郑逢中等( 1 9 9 4 ) 分别在盐度l o 的人工海水和 盐度l o 的土壤( n a c i 调制) 环境中对秋茄种苗进行砂培和土培，用不同浓度 c d 水浇灌，研究秋茄种苗对不同浓度c d 的抗性。其结果为：当c d 浓度不高于 5 0m g l 时，两种培养方式中种苗的萌芽和展叶都不受抑制：当浓度超过5 0 m g l 时，对种苗伤害程度，从植株外形看与高浓度的h g 对种苗伤害的程度相似：根 长变短，根毛少、呈褐色，叶片枯萎，植株死亡。这与杨盛昌和吴琦( 2 0 0 3 ) 用 不同浓度c d 对桐花树种苗生长影响的研究结果一致。 1 1 3 重金属对植物的联合效应 重金属元素之间的复合污染是当前无机污染研究的重点。在自然环境特别是 水环境中，重金属的种类和数量都不可能是单一的和固定不变的，污染物往往是 以复合的形式出现，因此，植物常常受到多种金属联合作用综合影响。b l i s s 在 1 9 3 9 年提出了污染物间相互作用存在着3 种效应，即：协同作用、加和作用和拮 抗作用3 种类型。有关重金属的对生物的联合毒害作用多见于动物方面的报道， 植物方面有关重金属联合作用的研究如下：刘建新( 2 0 0 6 ) 对c d 、z n 复合胁迫对 玉米幼苗的毒害影响进行研究，其结果为，在低c d 、z n 复合浓度条件下，复合 胁迫对幼苗柱高、根长、生物量、过氧化氢含量、丙二醛含量各指标的毒害效应 大于同水平单元素胁迫的效应，表现为协同效应；而在高浓度复合条件下则表现 出为拮抗效应。黄益宗等( 2 0 0 4 ) 研究的铁与镉对植物的生长的交互作用，其结 果为：供给植物足够的铁可极大地缓解植物的镉污染毒害，利于植物合成更多的 叶绿素，促进光合作用进行，降低镉对氨基酸、蛋白质合成以及酶活性的影响。 相反，镉污染将诱导植物的铁营养缺乏。渍水植物根表形成的铁氧化物胶膜可促 进植物对镉的吸收。王友保等( 2 0 0 1 ) 研究的c u 、a s 的复合污染对小麦和黄豆生 理生态指标的影响，其结果为：随二者投加比例不同出现不同程度的拮抗效应， 可以降低和缓解单一污染物的毒害作用，小麦生物量与a s 浓度的相关性大于c u 。 1 2 重金属对植物的损伤与耐受机理 1 2 1 重金属对植物的损伤机理 大量的重金属离子进入植物体内，干扰了离子间原有的平衡系统，造成了正 常离子的吸收、运输、渗透和调节等方面的障碍，从而使代谢过程紊乱，如c d 能降低植物体内f e 、m n 、c u 、z n 、c a 、m g 等的含量，而增加p 、s 的积累”1 。较 多的单一重金属元素进入体内后，取代某些酶和蛋白质行使其功能所必需的特定 元素。如c u ”可阻断光合链的电子传递。1 ，抑制全链电子传递活性。目前较多的 认为重金属能与植物体内不同器官组织中的一s h 结合，对植物生长发育造成不同 程度的影响，如大囊酶活性中心的一s h 被结合导致其活性下降，失去催化功能， 从而干扰细胞的正常代谢“”；细胞膜表面的一s h 被结合，阻止c a 的跨膜内流， 使钙调素c a 和c a a t p 酶不能被激活，严重时能导致膜结合蛋白变性，影晌膜的 正常结构，从而使细胞器受损，电解质外渗。在分子水平重金属还能影响植物的 核酸和蛋白质构象，如c d 2 + 和p b 2 + 能与带负电的核酸结合，降低d n a 和r n a 的 活性，引起其裂解。 总的来说重金属对植物的损伤是全方位、多角度的，概括起来包括：重金属 改变膜透性，抑制光合作用影响呼吸作用，影响核酸、蛋白的含量，影响硝酸还 原酶、乳酸脱氢酶及过氧化物酶等多种同工酶的活性，延长细胞分裂间期，抑制 有丝分裂，造成微核现象等。毒害水平的重金属能够导致植物叶绿体、细胞核、 线粒体等细胞器的变形和破损。这些影响随着胁迫时间的延长，随重金属浓度的 升高植物的受害亦会加剧。但值得注意的是：由于各种重金属的主要损伤途径 各不相同，各样植物受重金属的伤害程度、伤害症状与重金属的种类关系密切。 下面就具体介绍一下本文涉及到3 种重金属对植物的主要损伤机理。 1 2 1 1c d “对植物的损害 c d ”对植物的毒害，在形态上主要表现为根、茎生长迟缓和叶片失绿、卷曲； 生理生化方面多表现为光合作用和蒸腾作用受到抑制，引起氧化胁迫和膜的损伤 【1 9 捌 o 根损伤 c d 2 + 首先引起根的损伤。c d 2 + 损伤根尖细胞核仁，抑制核糖核酸酶活性，改 变r n a 合成；抑制硝酸还原酶活性，减少根部对硝酸盐的吸收及向地上部转运： 抑制根部f e 3 + 还原酶活性，引起f e ”亏缺啪1 。s c h u t z e n d u b e l 等( 2 0 0 1 ) 的研究 表明，在c d 2 + 处理后，苏格兰松( p i n u s s y l v e s t r i s ) 幼苗h 。o 。的产生增加，抗 氧化系统活性及根的伸长受到抑制，根尖细胞的老化加速。“。 抑制光合作用和蒸腾作用 c d 2 + 胁迫会降低植物叶绿素含量，损伤光合系统i 和i i ，降低叶片中的电 导率，减少c 0 2 吸收，干扰气孔的开放”。h a a g - k e r w e r 等( 1 9 9 9 ) 研究结果表明， 在印度芥菜( b r a s s i c aj u n c e a ) 中，由于植物螯合肽( p h y t o c h e l a t i n ，p c ) 对c 矿 的解毒作用，植物光合作用受到保护，但蒸腾速率和叶片的扩展生长仍受到抑制 2 3 o 在蚕豆( v i c i af a b a ) 中，c d 2 + 经c 酽+ 离子通道进入保卫细胞后，可能通过 脱落酸( a 1 3 a ) 途径引起气孔的关闭，抑制植物的蒸腾作用。”。 杨居荣等也有报道：c d 处理的几种植物叶片内叶绿体含量降低；彭鸣等用 c d 、p b 处理玉米，发现叶绿体结构发生明显变化：c d 、p b 破坏了叶绿体膜系统， 在低浓度处理下，叶绿体的基粒片层稀疏，层次减少，分布不均。随着浓度升高， 基粒片层消失，类囊体出现空泡，基粒垛叠混乱。在高浓度条件下，膜系统开始崩 溃，叶绿体球形皱缩，出现大而多的脂类小球。说明叶绿体功能遭到破坏。重金属 对植物叶片色素也产生明显的效应。研究表明，h g 和c d 过量可以显著地降低莼 菜叶片叶绿素含量及叶绿素a b 比值汹1 。 引起氧化胁迫 研究表明，植物在逆境胁迫环境中，细胞内固有的自由基代谢平衡被破坏而 促进氧自由基的产生。所谓自由基，是指带有未成对电子的分子、原子或离子， 因此常易发生丧失或得到电子的反应而显示出极活泼的化学活性。植物体内存在 多种自由基，它们不断产生，又不断被清除。在生理条件下，活性氧自由基的平 衡浓度随着组织、细胞、亚细胞与周围环境的不同而有所变化，它具有重要的生 理功能因此，只有在活性氧不断产生而失去控制时才会造成损伤。生物机体具 有维持活性氧的平衡生理浓度的能力。植物体内生物自由基的产生可对植物造成 各种伤害作用，过量氧自由基的毒害之一是引发和加剧膜脂过氧化作用，它使膜 脂双分子层中不饱和脂肪酸的双链被氧化分解，膜被破坏，透性加大，离子泄露， 造成细胞膜系统损伤，干扰植物其他代谢系统，严重时可至死亡汹1 。 而c d 2 + 正是结合在这些与过氧化物调节相关的酶活性中心或蛋白的巯基上， 取代蛋白反应中心的必需金属c a 、f e 、z n ，释放自由基，诱发氧化胁迫，引起 膜脂的过氧化，导致膜的损伤o ”。高浓度c d 2 + 则会明显抑制抗氧化酶活性，加剧 活性氧的释放，导致植物生长严重受抑制。“。 1 2 1 2c u ”、z n ”对植物的损害 在已有研究的金属中，铜和锌很特别，他们起着双重作用，在低浓度时为植 物生物代谢所必需的微量营养元素，但一旦超过了有益的浓度，它们就对水生生 物的生长产生较大的毒性作用。 铜在天然水体中有多种存在形式，其中，自由c u 2 j 陂普遍认为是铜对水生生 物致毒的主要离子形式：铜能干扰细胞质膜转运、酶代谢、呼吸作用、糖酵解以 及p si 和p si i 的电子传递途径。铜还可以干扰海洋中硅藻对m n 的吸收，导 致m n 缺乏，降低硅藻的生长率”1 。而湖泊和海洋通常正是来自点源的重金属污 染物的终点和稀释点。据报道未污染的河流中平均铜浓度为1 0ug l ，污染水体 的铜浓度通常在0 2 5 2l ag l 。过量铜排入水体导致的水生态的不平衡，可以使 水体有异味、染色并降低其透明度。铜是一种强烈的细胞代谢抑制剂，可毒害水 体中的微生物群，使水中有机物的分解受到阻碍，影响水体的自净能力，并对水 体生态产生不良影响。水生生物受到铜污染的毒害，并能够富集高浓的铜，接下 来通过生物放大过程进入食物链，最终通过食物链影响最终消费者一人类。 在天然环境中，锌以二价离子状态存在。锌是各种植物生长代谢的重要微量 元素“，p r a s k 和p l o c k e 证明锌在保持蛋白核的完整性方面起着重要作用“1 ， 但高浓度的锌能抑制植物的生长：抑制细胞分裂，影响光合作用，使叶绿素含量 下降等。 1 3 2 植物对重金属的耐受机理 环境中的重金属对植物来说是一种胁迫因素，它会从植物的生长、发育、繁 殖等各个方面影响植物的生存，然而，尽管重金属对植物有毒害作用，但仍有大 量植物能生长在富含重金属的环境中。由于长期受环境的影响，在植物的生态适 应过程中，本身会发生一系列生理生化以及分子生物学方面的变化，分化形成不 同的生态型。其中有些形成特定的耐性机制，以适应变化了的环境，自首次发现 抗铜生态型以来，目前已发现有4 0 余种高等植物表现为抗污染生态型，这些抗 性植物分布于禾本科、石竹科、十字花科、豆科等科中。总结他们的耐受机制大 体可以概括为以下2 个方面： 1 3 2 1 重金属离子的区域化 植物把吸收的重金属积累在体内一定的部位，避免其进入细胞质，从而减轻 该重金属对植物的直接毒害，细胞壁和液泡是植物积累重金属的主要场所据报 道，蹄盖蕨属( at h yr it i my o k o s c e n s e ) 所吸收的c u 、z n 、c d 7 0 一9 0 都积 累于细胞壁上，以离子形式存在或直接结合在细胞壁物质上：重金属在植物体内 的沉积状况依重金属的种类而异。杨居荣等用铅、镉处理黄瓜、菠菜时发现p b 绝 大部分位于细胞壁上，而c d n 以可溶性成分所占比例较大。有的植物则把吸收的 重金属主要积累在根部，其根部的重金属比地上部分高出1 0 倍之多：而芥菜( b r a s s i c aju n c e a ) 则把吸收的c d 贮存于叶片的表皮毛中，其叶片表皮毛中的c d 比叶片组织高4 3 倍。n i 超积累植物( al y s s u ms e r p y t l l i fo l il l l n ) 的细胞组 分中7 2 的n i 分布于液泡中。 1 3 2 2 活性氧自由基的产生 重金属胁迫和其它形式的胁迫相似，也能导致大量活性氧自由基的产生，该 类自由基能够对抗重金属的毒害，从而使毒害症状减轻“1 。重金属胁迫下，植物保 护酶系统p o d 、s o d 、c a t 也受到影响，c d 、h g 胁迫可导致小麦保护性酶活性增强。 曾晓敏等在研究h g 、c u 复合污染对茶菱保护性酶活性影响时也得出类似结果。 杨居荣等发现镉胁迫可引起s o d 、p o d 、c a t 活性的改变。一些蔬菜幼苗在汞的 胁迫下，会诱导产生新的p o d 同功酶与外界不良的环境条作相适应。 1 3 2 3m t ( 金属硫蛋t 3 ) 、p c ( 植物络合素) m t 是动物和人体最重要的金属解毒剂，植物体内也有类似的金属硫蛋白。m t 是一种富含半胱氨酸( c y s ) 残基的低分子量金属结合蛋白，通过半胱氨酸残基的 硫氢基和重金属结合形成无毒或低毒的络合物，从而消除重金属的毒害作用迄 今为止，已在卷心菜( br a s s i c ac a p i r a t a ) 、烟叶( n i c a t i a n at a b a c u m ) 、风 眼莲( e i c h h o r n i ac r a s s ip e s ) 、玉米( z e am a y ) 等植物体内测定和分离到镉 结合蛋白。在绿藻体内，镉结合蛋白能够结合进入细胞的4 0 一5 0 的镉，镉结 合蛋白一经形成，便以无毒形式存在。c a s t e r l i n 和b a r n e t t 也从大豆根中分离出 富含镉的复合物。 p c 是婀的衍生物，它同样具有络合重金属的功能，但是p c s 在植物的的整 个生活周期中并不是一个很可靠的金属毒害的指示物。它只在营养生长期出现。 此外，p c 并非耐性种特有，处于重金属胁迫条件下的非耐性种也能在几分钟内产 生p c 。g r i l l 等指出，p c 在高等植物中普遍存在，植物体内9 0 的镉都被p c 束缚， 根系所吸收的镉至少有6 0 被络合生成c d p c 。正常情况下，p c 在植物体内含量 极低，但在重金属诱导下，p c 含量增加，通过p c 与重金属的结合，降低了细胞内 游离重金属离子，从而减轻重金属对植物的毒害。p c 对于络合c u 和c d 最有效，络 合z n 和a l 的能力欠佳。暴露在毒性水平下，许多植物都有合成p c 的能力，然而只 有少数种可以产生对c u 和c d 毒性耐性的可遗传的效应。 1 3 本论文研究内容及意义 有关重金属对水生植物毒性的文章，国内虽有报道，但由于气候的原因，展 开试验的场所多在南方，选用的实验材料也多为在南方气候条件下生长的植物。 同种植物在不同环境中的生长状况、生理指标和所表现出来的抗性有所不同。东 北作为中国的老工业基地，重金属问题由来已久，本文立足于东北气候特点，采 集自然生境下的9 种东北常见的水生植物作为实验材料，在对其进行室内驯养、 染毒处理预实验后选取4 种长势良好、有一定去除能力的水生植物作为进一步实 验的重点，展开重金属c d 、c u 、z n 对水生植物毒害的初步研究，旨在探讨重金 属对不同水生植物影响的剂量效应、时间效应以及两者之间的关系，为重金属对 水生植物毒害及植物抗性的研究提供一点数据参考。 i 3 i 实验涉及的4 种水生植物 本文经过驯化培养和染毒预试验后筛选出的4 种供试水生植物包括：水葫 芦、浮萍、轮叶黑藻、菱角。 水葫芦，学名风眼莲，具有极强的生命力。其发 达的根系悬浮于上层水中，与废水接触面积较大， 能大量吸附水体中的固体和各种有机、无机污染物。 据研究表明：由于水葫芦膨大的球形叶柄是一个绝 妙的净化装置，它甚至能吸附、蓄积核电厂排放的 放射性污水，污水流经水葫芦的“过滤器”，放射 性污染物的强度得到大幅度削减。加上水葫芦本身有着较大的生物量和很强的繁 殖能力，具有很好的实用前景，成为这次试验的主要研究对象”。 浮萍科植物作为小型的水生单子叶植物，在植物 毒性评价试验中具有很多优势，主要表现在：不仅对 许多环境有害物质具有较高的敏感性，而且不需要特 殊的设备和技术在很多地方都可以方便的进行。浮萍 的生长抑制试验现在已经成为越来越受到人的关注， 有望日后成为衡量水体污染程度的的一个标准化指 示指标。 轮叶黑藻作为一种多年生沉水植物，生存范围 广，适应能力强，生长速度快。近十几年来，许多 学者在轮叶黑藻净化水质方面做较详细的研究。曹 萃禾( 1 9 8 7 年) 报道轮叶黑藻的茎、叶和表皮与根 一样都具有吸收作用，且皮层细胞含有叶绿素，具 有进行光合作用的功能。轮叶黑藻的这种结构对水 体中营养盐类的吸收降解及对重金属的浓缩富集都有很强的作用。陈毓华等 ( 1 9 9 5 年) 报道轮叶黑藻净水功能可与风眼莲相媲美，而综合效能优于凤眼莲 【a 卜d 羽 。 菱角，俗称“老菱”“、河菱”，为菱科植物乌 菱，一年生水生草本植物。其肉味美可口，营养丰 富，既可作果菜，又可作粮食，作为具有观赏作用 的经济作物，其对重金属的去除能力未见报道，但 其在驯化培养和染毒预试验的表现良好，长势稳 定。所以试探性的将其引入进一步的实验“。 i 3 2 本实验选取的实验指标其选取依据 本文所讨论的植物试验指标：植物形态变化的连续观察记录、叶片叶绿素含 量、叶片丙二醛含量是根据重金属对植物毒性作用的3 个主要方面进行设计的： ( 1 ) 植物形态变化的连续观察记录 植物形态变化是植物在逆境条件下显现出来的最直观的变化。重金属对植物 的毒害作用首先是引起的根损伤，阻碍了植株体内的营养及水分运输，进而影响 到植物整体形态上的变化，表现为植物形态上的叶片退绿、萎蔫、出现死斑、叶 片卷曲枯萎：根尖部分坏死、根系变黑、脱落。 ( 2 ) 叶片叶绿素含量的测定 植物通过光合作用形成碳水化合物，为植物的生长提供能量。叶绿体是植物 进行光合作用的细胞器，叶绿素则是光合作用中吸收光能的光合色素“”。所以说 植物体内叶绿素含量的高低直接影响光合作用强弱。作为基本的生理学指标，叶 绿素含量被广泛的应用于有关植物的各项研究之中。与呼吸作用相比，植物的光 合作用对重金属离子更为敏感“，表现在外观症状出现之前。在重金属对植物的 毒害方面的研究中，叶绿素含量成为一个反映植物中毒状况的基本指标。 ( 3 ) 叶片丙二醛含的测定 植物体内源保护系统抗胁迫能力是决定植物对逆境胁迫响应特征的关键因 素“”，在逆境胁迫下，植物体内产生大量活性氧自由基。活性氧很容易使植物细 胞内膜发生过氧化作用或脱脂作用，而丙二醛则是细胞内膜脂过氧化或脱脂的产 物，会严重地损伤细胞的生物膜，降低膜中不饱和脂肪酸的含量，使膜的流动性降 低，作为间接衡量植物体内氧化损伤程度的指标，丙二醛含量常见于重金属对植 物的毒害方面的研究中。 1 3 3 本实验的研究内容及技术路线 本项研究的具体内容包括： c d 、c u 、z n 单一及复合污染条件下，对水葫芦、浮萍、黑藻、菱角长势、外 观变化的连续观察记录 三种重金属单一及复合污染对4 种植物生理生化指标的影响 4 种水生植物对c d 、c u 、z n 的积累能力 本论文的设计法案与技术路线 资料收集与实验设计 j l 野外植物采取i i 室内驯化培养l i 不同浓度的c d 、c u 、z n 染毒处理i i j 工上上 生长状况生理生化指标根 观察记录测定 叶 么么 重 金 叶 根 叶 丙 损损 绿 属 伤伤 素醛 量 状状 含含 测 况况量量 定 上 比较重金属对4 种植物的毒害作用 上 结论与建议 9 第二章重金属对4 种水生植物生长的影响 2 1 材料和方法 2 1 1 实验植物的采集与培养 分别于2 0 0 6 年春在长春南湖、东北师大静湖、吉林农大人工湖的自然水体 生中采集水葫芦、浮萍、黑藻、菱角，将其放入曝气澄清的自来水中驯化3 天后， 将其转入1 0 升塑料桶中，加入营养液预培养7 天，隔天向桶内添加培养液 ( h o a g l a n d y 培养液) 以保持液面高度。于实验前选取外形完好。形状和大小相 似的进行实验。 2 1 2 培养液的配制“” 培养液为h o a g l a n d y 培养液，配方如下： 表2 - 1h o a g l a n d y 培养液配方 f e e d t a 溶液：溶解5 5 7 克f e s 0 4 7 h 2 0 于2 0 0 m l 蒸馏水，溶解7 4 5 克 n a 2 e d t a 于2 0 0 m l 蒸馏水。加热n a 2 e d t a 溶液，加入f e s 0 4 7 h 2 0 溶液不断搅 拌。冷却后，定量到1 l 。 a z 溶液，h 3 8 0 32 8 6 m g l ，c u s 0 4 5 h 2 00 0 8m g l ，z n s 0 4 7 1 - 1 2 00 2 2 m g l m n c l 2 4 1 - 1 2 01 8 1m 班h 2 m o 4 h 2 00 o g m g n 一。 2 1 3 染毒处理 待营养液驯化培养的植株长势稳定、旺盛后用浓度为1 0 0 m g l 的c d s o a 、c u s 0 4 、z ns 0 4 7 h 2 0 母液配制实验所需的不同浓度处理液：0 ( 营养液) 、5 m g l 、 1 0 m g l 、2 0 m g l 共4 个处理浓度，每个处理重复三次。染毒实验过程中保持2 4 小时冲氧泵连续通气，每2 4 小时，分植物根损伤、植物茎叶损伤2 个方面记录 植物的生长状况。 2 2 结果与讨论 2 2 1c d 对4 种水生植物生长状况的影响 表2 2 不同浓度c d 对4 种水生植物生长状况的影响 t a b l e2 2t h eg r o w t hs t a t eo f4p l a n t sa td i f f e r e n tc di n i t i a lc o n c e n t r a t i o n s 叶损伤程度：1 正常生长：叶片翠绿、2 轻度损伤：叶缘褪绿、3 中度损伤：叶片整体出现 萎蔫现象、3 5 次重度损伤：叶片整体出现萎蔫现象并附带有死斑出现、 4 重度损伤：叶片卷曲局部枯萎 根损伤程度：1 正常生长：根系健壮、2 轻度损伤：根尖部分坏死、3 中度损伤：根系变黑、 4 重度损伤：根系部分脱落 由表2 2 可知：5 m g l 浓度，经过7 2 h 的处理，各种植物叶片除菱角外只是 观察到叶缘轻微退绿的轻度损伤现象；植物根部分虽然出现根尖坏死的现象，但 从整体上看，根部健壮，植物生长较为正常。当处理浓度达到1 0 m g l 时，浮萍 首先出现中毒现象：2 4 h 就植物出现叶缘退绿现象，随时间的增加，根尖坏死程 度也开始加剧，到4 8 h 即出现了叶片整体萎蔫的现象，到7 2 小时叶片中间及边 缘处零星出现因失水产生的死斑，根系部分脱落，整个植物的水分运输系统遭到 严重破坏。当处理浓度达到2 0 m g l 时，浮萍染毒2 4 小时及出现了叶片整体萎蔫 的状况，4 8 小时就叶片就出现死斑，中毒症状比1 0 m g l 处理浓度提前出现2 4 小时，当染毒7 2 小时后植物表现出更为严重的中毒症状：叶中部隆起，死斑扩 大，叶片开始卷曲、枯萎、根系大部分脱落，植物水分运输系统被完全破坏。与 之相似，菱角也出现了叶片萎蔫、根系脱落等较为严重的中毒症状，但整个实验 过程中水葫芦叶片始终没有出现卷曲、枯萎的现象。而水葫芦在从5 m g l 、2 4 小时到2 0 m g l 、7 2 小时的整个实验梯度中都没有出现死斑，叶片整体上观察仍 保持翠绿颜色，根部健壮，植物的水分运输系统基本没有遭到破坏，说明水葫芦 对重金属c d 有较强的抵抗能力，但与对照相比，水葫芦根部变黑，也边缘部分 位置出现枯黄现象。综合c d 染毒对植物在剂量、时间上的影响，c d 对各植物损 伤程度为： 浮萍( 9 + 1 6 5 + 2 0 5 = 4 6 ) 菱角( 1 2 + 1 3 5 + 2 0 = 4 5 5 ) 水葫芦( 9 + 1 3 + 1 5 5 = 3 7 5 黑藻( 9 + 1i + 1 7 = 3 7 ) 。 2 2 2c u 对4 种水生植物生长状况的影响 表2 - 3 不同浓度c u 对4 水生种植物生长状况的影响 t a b l e2 3t h eg r o w t hs t a t eo f4p l a n t sa td i f f e r e n tc ui n i t i a lc o n c e n t r a t i o n s 叶损伤程度：1 正常生长：叶片翠绿、2 轻度损伤：叶缘褪绿、3 中度损伤：叶片整体出 现萎蔫现象、3 5 次重度损伤：叶片整体出现萎蔫现象并附带有死斑出现、 4 重度损伤：叶片卷曲，局部枯萎 根损伤程度：1 正常生长：根系健壮、2 轻度损伤：根尖部分坏死、3 中度损伤：根系变 黑、4 重度损伤：根系部分脱落 由表2 3 可知：5 m g l 浓度，经过7 2 h 的处理，各种植物叶片只是观察到叶 缘轻微退绿的轻度损伤现象；植物根部分虽然出现根尖坏死的现象，但从整体上 看，根部健壮，植物生长较为正常。当处理浓度达到l o m g l 时，浮萍和菱角同 时表现出轻微中毒症状：区别是浮萍是根首先出现根尖部分坏死的现象；而菱角 是首先出现叶缘退绿的现象。随时间的增加，浮萍和菱角的损伤程度也开始加剧。 到4 8 小时，两者都同时出现了根尖坏死、叶缘退绿的症状，这说明：随着染毒 时间的增加重金属c u 对根与叶损伤是相互影响、逐步加深的。到7 2 小时，浮萍 和菱角分别出现根的重度损伤、和叶的重度损伤症状，整个植物的水分运输系统 遭到一定程度地破坏。当处理浓度达到2 0 m g l 时，浮萍中毒症状愈发明显：染 毒2 4 小时就同时出现了根尖坏死、叶缘退绿的症状；4 8 小时就开始出现部分根 系脱落的显现，比l o m g l 处理浓度提前出现2 4 小时；当染毒7 2 小时后，植物 叶也出现了严重的中毒症状：叶中部隆起，死斑扩大，叶片开始卷曲、枯萎、根 系大部分脱落，植物水分运输系统被完全破坏。与之相似，菱角也出现了叶片萎 蔫、根系脱落等较为严重的中毒症状。而水葫芦在从5 m g l 、2 4 小时到2 0 m g l 、 7 2 小时的整个实验梯度中都没有出现死斑，叶片虽出现萎蔫的症状，但整体上 观察仍保持生长状态、根部完整，植物的水分运输系统基本没有遭到破坏，说明 水葫芦对重金属c u 有较强的抵抗能力，但与对照相比，水葫芦根部变黑，也边 缘部分位置出现枯黄现象。综合c u 染毒对植物在剂量、时间上的影响，c u 对各 植物损伤程度为： 浮萍( 9 + 1 4 + 1 8 5 = 4 1 5 ) 菱角( 9 + 1 3 + 1 8 = 4 0 ) 水葫芦( 9 + 1 1 + 1 5 = 3 5 ) 黑藻 ( 8 + 1 0 + 1 4 = 3 2 ) 。 2 2 3z n 对4 种水生植物生长状况的影响 表2 - 4 不同浓度z n 处理对4 种植物生长状况的影响 t a b l e2 - 4 t h eg r o w t hs t a t eo f4p l a n t sa td i f f e r e n tz ni n i t i a lc o n c e n t r a t i o n s 叶损伤程度：1 正常生长：叶片翠绿、2 轻度损伤：叶缘褪绿、3 中度损伤：叶片整体出 现萎蔫现象、3 5 次重度损伤：叶片整体出现萎蔫现象并附带有死斑出现、 4 重度损伤：叶片卷曲，局部枯萎 根损伤程度：1 正常生长：根系健壮、2 轻度损伤：根尖部分坏死、3 中度损伤：根系变 黑，4 重度损伤：根系部分脱落 由表2 4 可知：l o m g l 浓度，经过7 2 h 的处理，各种植物叶片只是观察到 叶缘轻微退绿的轻度损伤现象；植物根部虽然个别出现根尖坏死的现象，但从整 体上看，根部健壮，植物生长较为正常。当处理浓度达到2 0 m g l 时，菱角首先 出现中毒现象：2 4 h 就植物叶片和根部同时出现叶缘退绿、根尖坏死的现象，随 时间的增加，叶缘退绿范围开始向叶片中部扩大，到4 8 h 即出现了叶片整体萎蔫 的现象，到7 2 小时叶片中间及边缘处零星出现因失水产生的死斑，植物的水分 运输系统遭到一定程度的破坏。当处理浓度达到4 0 m g l 时，菱角染毒2 4 小时与 2 0 m g l 染毒2 4 小时症状相似；不过在4 8 小时菱角叶片直接出现整体萎蔫及死 斑现象，中毒症状比2 0 m g l 处理浓度提前出现2 4 小时；当染毒7 2 小时后植物 根部也表现出较为严重的中毒症状：部分根系开始脱落，植物水分运输系统被完 全破坏。与之相似，浮萍也出现了叶片萎蔫、根系脱落等的中毒症状，但整个实 验过程中浮萍叶片始终没有出现过死斑现象。而水葫芦在从l o m g l 、2 4 小时到 4 0 m g l 、7 2 小时的整个实验梯度中植物生长良好，叶片整体上观察仍保持翠绿 颜色，根部健壮，植物的水分运输系统基本没有遭到破坏，说明水葫芦对重金属 c d 有较强的抵抗能力，但与对照相比，水葫芦根部变黑，也边缘部分位置出现 枯黄现象。综合c u 染毒对植物在剂量、时间上的影响，z n 对各植物损伤程度为： 菱角( 9 + 1 4 5 + 1 7 = 4 0 5 ) 浮萍( 9 + 1 3 + 1 7 = 3 9 ) 黑藻( 9 + 1 2 + 1 3 = 3 4 ) 水葫芦 ( 9 + 1 1 + 1 3 = 3 3 ) 。 2 2 4c d 、c u 复合污染对4 种水生植物生长状况的影响 表2 5c d 、c u 复合处理对4 种植物生长状况的影响 t a b l e2 - 5t h eg r o w t hs t a t eo f4p l a n t sa td i f f e r e n tc d 、c ui n i t i a lc o n c e n t r a t i o n s 9 1 3 9 1 l 2 3 2 2 2 3 3 3 2 o l 2 1 2 l 2 l o 1 1 i l；1 i l o o 5 m 5 m 0 0 芦葫水 2 52 5 1 1 1222331 3 5511122333 51 4 5 叶损伤程度：1 正常生长：叶片翠绿、2 轻度损伤：州缘褪绿、3 中度损伤：叶片整体出 现萎蔫现象、3 5 次重度损伤：叶片整体出现萎蔫现象并附带有死斑出现、 4 重度损伤：叶片卷曲，局部枯萎 根损伤程度：1 正常生长：根系健壮、2 轻度损伤：根尖部分坏死、3 中度损伤：根系变 黑、4 重度损伤：根系部分脱落 由表2 5 可知，所有植物在复合污染条件下与相对应的单一污染相比，都不 同程度的表现出了中毒加剧的症状。水葫芦和黑藻这两种在单一污染过程中表现 出良好抗性的植物在复合污染条件下出现了在单一污染中没有出现过的重度中 毒症状：两者在c