（植物学专业论文）二氧化硫衍生物对植物的氧化损伤效应.pdf

摘要 二氧化硫( s o 。) 是一种常见的全球性大气污染物。它的天然来源是来 自海洋的硫酸盐烟雾、经细菌分解后的有机化合物、火山爆发以及森林 火灾所释放的硫化物。而由人类活动产生的s o ：，主要来源于含硫燃料 的燃烧，其次是含硫矿物的冶炼过程。大气s 0 。污染的重要危害是形成 酸雨，酸雨能影响土壤和水质，干扰农业生产，影响生物数量和群落结 构，破坏生态系统的结构和功能。随着s 0 。污染的加剧，所造成的环境 危害日益严重。 利用植物来指示和监测环境有毒物质，既灵敏可靠，又简单易行， 为此，我们选用蚕豆和大麦作为实验材料，研究大气污染物s o ：及其衍 生物的毒害效应。 s o 。熏气实验结果表明：2 8m g m s o 。可以诱发蚕豆根尖和叶尖细胞 遗传损伤，导致根尖细胞有丝分裂指数下降，根尖和叶尖问期细胞微核 率增高，并具有时间效应。经水恢复培养后，根尖分裂细胞数显著高于 沙培组，说明在水中恢复培养能够缓解高浓度s o 。引起的遗传损伤。同 时，石蜡隔断组的根尖细胞微核率低于叶尖细胞微核率，而在非隔断组 中则相反，说明石蜡阻止了s o 。在水中的溶解，从而缓解了s 0 。对蚕豆根 尖细胞的遗传损伤。实验结果说明，s o 。熏气对蚕豆根尖和叶尖细胞具 有遗传学毒性，而水恢复和石蜡隔断培养可以缓解s o 。对根尖细胞的遗 传损伤，并且蚕豆根尖和叶尖实验对环境s o ：遗传毒性效应的监测具有 一致性。 s o 。代谢衍生物( n a h s 0 。一n a ：s o 。混合液( 0 卜1 0 0m m o l l ) ) 实验结 果表明：大麦幼苗生长长度与抗氧化酶活性均受n a h s o 。一n a 。s o ：，混合液浓 度和暴露时间的影响。在胁迫6 天时大麦幼苗1 1 一f 片中过氧化物歧化酶 ( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) ( 0 1m m o l l 组) 、谷胱甘肽过氧化物酶 ( g s h - p x ) 活性增高，谷胱甘肽( g s h ) 含量上升，且呈浓度依赖性增加； 但随处理时间延长，各s 0 ：组的抗氧化酶活性降低、g s h 含量下降，同 期对幼苗生长的抑制作用增强。实验结果说明，一定浓度的 n a h s o 。一n a 。s o 。混合液对大麦幼苗具有生理学毒性，可能与同期对大麦细 胞的氧化损伤有关。 研究表明，外源半胱氨酸( c y s ) 和抗坏血酸( a s c ) 的加入可以提 高逆境胁迫下植物体的抗氧化能力。同时c y s 还是细胞内含硫化合物的 前体，它的合成是植物中硫还原途径的最后一步。a s c 作为一种非酶促 小分子抗氧化剂，与其它小分子及同工酶抗氧化剂共同调节着植物细胞 内的活性氧，保持细胞正常的分裂和生长。加入外源抗氧化荆c y s 和a s c 后，能提高大麦幼苗的抗氧化能力，使叶片细胞s o d 的活性增高，丙二 醛( m d a ) 含量降低。同时，a s c 还促进了根尖细胞分裂，提高了有丝分 裂指数，促进根和叶的生长，增加根系和叶片的生物量。研究结果表明， c y s 和a s c 的加入可以缓解s o 。衍生物对大麦幼苗的生理毒害，促进植 物生长，与其能够缓解大麦细胞的氧化损伤有关。 关键词：二氧化硫及其衍生物：蚕豆；大麦；有丝分裂；氧化损伤 i i o x i d a t i v ed a m a g eo fs u l f u rd i o x i d ed e r i v a t i v e st op l a n t s l i u j i n g ( b o t a n y ) d i r e c t e db yp r o f y ih u i l a n a b s t r a c t s u l f u r d i o x i d e ( s 0 2 ) i sac o m m o na i rp o l l u t a n t ，p r e s e n ti n1 0 w c o n c e n t r a t i o n s i nt h eu r b a n a i r , a n di n h i g h c o n c e n t r a t i o n su n d e r o c c u p a t i o n a le x p o s u r e s i tp r o d u c e db yc o m b u s t i o na n dp r o c e s s i n go f s u l f u r - c o n t a i n i n gf o s s i lf u e l sa n dw a sam a i nc o m p o n e n to ft h eg a s e o u s p o l l u t a n t sc o n t r i b u t i n gt ot h ef o r m a t i o no fa c i dr a i ni nc h i n a s i n c es 0 2i s h i g h l ys o l u b l ei nw a t e ls 0 2a b s o r b e db yp l a n t sc h a n g e si n t os 0 3 二r a p i d l y s o m ep a r to fs 0 3 。i su s e df o r t h e b i o s y n t h e s i so fc y s ，a n dt h er e s ti s c h a n g e di n t os 0 4 6b yo x i d a t i o ni nal i g h t d e p e n d e n tm a n n e ls 0 4 2 i ss t o r e d i nv a c u o l e sa n ds u b s e q u e n t l yu s e df o rt h eb i o s y n t h e s i so f c y s t h ep r e v i o u s s t u d i e ss h o w e dt h a ts 0 2o ri t sh y d r a t e df o r m ，m i x t u r eo fh s 0 3 。a n ds 0 3 2 。， c a u s e dv i s i b l ef o l i a rd a m a g es u c ha sc h l o r o s i sa n d n e c r o s i s ，i n h i b i t e d s e e d l i n gg r o w t h ，c e l ld i v i s i o na n ds i s t e rc h r o m a t i de x c h a n g e ( s c e ) ，i n j u r e d p h o t o s y n t h e t i cp r o c e s sa n da l s oi n f l u e n c e dt h ea c t i v i t i e so fe n z y m e sf o r s c a v e n g i n gr e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ( r o s ) i np l a n tc e l l s b u tt h em e c h a n i s m i sn o tc l e a r , h o wa n dw h e nt h ed a m a g eo c c u r si np l a n tc e l l sk e e pu n k n o w n t h e h i g hp l a n tc y t o g e n e t i ca s s a y s ，w h i c ha r e c o n s i d e r a b l y l e s s e x p e n s i v e a n d s i m p l i c i t y , h a v e b e e nv a l i d a t e di nt h ei n t e r n a t i o n a l c o l l a b o r a t i v e s t u d y a n d p r o v e n t ob ee f f i c i e n tt e s t sf o r g e n o t o x i c i t y m o n i t o r i n go fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t s t h ev i c i a 如b at e s tw a se s s e n t i a lc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ok a n a y ae ta 1 t h ev i c i af a b as e e d l i n g sd i v i d e di n t os e v e ng r o u p sw e r eu s e df o rs 0 2 e x p o s u r ew i t h2 8m g m t h e nt h ec y t o g e n e t i cd a m a g ei n d u c e db ys 0 2w a s i n v e s t i g a t e di nr o o ta n dl e a rm e r i s t e m a t i cc e l l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t m i t o t i ci n d e xd e c r e a s e d ，b u tt h e f r e q u e n c i e so fm i c r o n u c l e ii n c r e a s e d i i s i g n i f i c a n t l yi nb o t hr o o ta n dl e a fm e r i s t e m a t i cc e l l sa f t e rs e e d l i n g se x p o s e d t os 0 2 ，a n dt h el o n g e rt h et r e a t m e n td u r a t i o nw a s ，t h eh i g h e rt h ed e g r e eo f t h ee f f e c t sw a s a f t e ri n c u b a t e di nt a pw a t e r , t h em i t o t i ci n d e xi n c r e a s e d c o m p a r e dt ot h o s es t i l lg r o w i n gi ns a n d a tt h es a m et i m e ，d u r i n gp a r a f f i n i s o l a t e ds 0 2f r o mt a pw a t e r , t h ef r e q u e n c i e so fm i c r o n u c l e ii nr o o tt i pc e l l s w a sl o w e rt h a ni nl e a ft i pc e l l s i ti ss u g g e s t e dt h a ts u l f u rd i o x i d ew a s g e n o t o x i ca th i g h e rc o n c e n t r a t i o n s ，a n dt h eh c i a 力b at e s tc o u l db eu s e dt o d e t e c tt h et o x i c i t yo fs 0 2p o l l u t i o n a sf o rb a r l e yt e s t ，d r ys e e d s ( j i n k e5 71 ) w e r es t e r i l i z e dw i t h10 n a c i oa n dt h e ng e r m i n a t e do nm o i s tf i l t e r p a p e r t h ec o n t r o lg r o u p s e e d l i n g sw e r ei n c u b a t e d i nd i s t i l l e dw a t e r s o l u t i o n so ft h em i x t u r eo f n a h s 0 3a n dn a 2 s 0 3 ( 1 ：3 ) f r o m0 1t o1 0m m o l lw e r eu s e df o rt r e a t m e n t s o u re x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta c t i v i t i e so fs o d ，c a t ( 0 1m m o l l g r o u p ) a n dg s h p x ，a n dt h e c o n t e n t so fg s hs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di n b a r l e yl e a v e sa f t e rs e e d l i n g se x p o s e dt ot h ec h e m i c a l sa tc o n c e n t r a t i o n so f o 1t o10m m o l lf o r6d a y s h o w e v e r , t h ea c t i v i t i e so fs o d ，c a ta n d g s h p x ，a n dc o n t e n t so fg s h d e c r e a s e da f t e rb a r l e ys e e d l i n g se x p o s e dt o t h ec h e m i c a l sf o r8 d a y sa n d 10d a y s ，w h i l et h ei n h i b i t i o no fs e e d l i n g s g r o w t he n h a n c e d c o m p a r i n gt ot h ec o n t r o l ，t o t a lp r o t e i nc o n t e n t si n c r e a s e d a f t e rt r e a t e df o r8d a y s ，b u td e c r e a s e di nt h o s es a m p l e se x p o s e df o r10d a y s t h er a t i oo fw a t e rt ol e a ff r e s hw e i g h td e c r e a s e dw i t hd u r a t i o nt i m ei na l l t r e a t e dg r o u p sa n dc o n t r o l ，a n dm o r et h er e l a t i v ec o n t e n to fw a t e ri n10 m m o l lt r e a t m e n tg r o u pi sl o w e r o u rr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v i t i e so f a n t i o x i d a t i v ee n z y m e sc h a n g e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n sa n dd u r a t i o nt i m e a f t e rs e e d l i n g se x p o s e dt ob i s u l f i t e - s u l f i t em i x t u r e ，a sw e l la st h eg r o w t ho f s e e d l i n g s i n aw o r d ，b i s u l f i t e - s u l f i t es o l u t i o n si st o x i ct og r o w t ha n d p h y s i o l o g yi nb a r l e y , a n dt h i se f f e c tm i g h tc o m ef r o mi t s o x i d a t i v ed a m a g e t ob a r l e yc e l l s t h ei n o r g a n i cs u l f u ri nt h ee n v i r o n m e n tf e g s 0 4 2 i nt h es o i la n ds 0 2 i nt h ea i r ) i sa s s i m i l a t e di n t oc y sm a i n l yb yt h ec y sb i o s y n t h e t i cp a t h w a yi n p l a n t s c y si si n c o r p o r a t e di n t op r o t e i n sa n dg s h o rs e r v e sa st h es u l f u r v d o n o ro fm e ta n ds u l f u r - c o n t a i n i n g s e c o n d a r yp r o d u c t si np l a n t s g s h l e v e l sr e s p o n dt ot h ea v a i l a b i l i t yo fc y s t h e r e f o r e ，t h ec y sb i o s y n t h e t i c p a t h w a ym a yb ec o n s i d e r e da st h es o l ed e t o x i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fs 0 2 ， a n dt h ee n h a n c e m e n to ft h ea b i l i t yo fc y ss y n t h e s i si np l a n t sm a yb et h e b e s tw a yt op r o d u c et h et r a n s g e n i cp l a n tt o l e r a n tt os 0 2 e f f e c t so fe x t e r n a l c y so nt h et o x i c i t yo fb i s u l f i t e - s u l f i t es o l u t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e di nb a r l e y s e e d l i n g s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c t i v i t i e so fs o di n c r e a s e di nb a r l e y l e a v e sa f t e r s e e d l i n g r o o t s e x p o s e d t ot h em i x t u r eo f c y s a n d b i s u l f i t e - s u l f i t es o l u t i o n s a tt h es a m e t i m e ，t h e c o n t e n t so fg s h s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dw i t ht r e a t e dc o n c e n t r a t i o n s ，w h i l et h ec o n t e n t so f c h l o r o p h y l la n dc a r o t e n o i di n c r e a s e d ，b u tm d ad e c r e a s e di nt h es a m e g r o u p s o u rr e s u l t si n d i c a t e dt h a te x t e r n a lc y sc o u l dh a v ep r o t e c t i v ee f f e c t a g a i n s tt h et o x i c i t yo fb i s u l f i t e - s u l f i t es o l u t i o n s ，a n dt h i se f f e c tm i g h tc o m e f r o mi t sa n t i o x i d a t i v ee f f e c t si nb a r l e yc e l l s a n de x t e r n a la s cc a ni n c r e a s et h em i t o t i ci n d e xo ft h er o o tt i pc e l l si n b a r l e y ；m e a n w h i l ei tc a na l s oi m p r o v et h ed r yw e i g h ta n dt h el e n g t ho fr o o t s a n dl e a v e s c o m p a r i n gt ot h ec o n t r o lg r o u p ，t h ea c t i v i t i e so f p o da n ds o d 、 a n dt h ec o n t e n t so fc h l o r o p h y l la n dp r o t e i ni nb a r l e yl e a v e sw e r ea l s o i n c r e a s e d h o w e v e gt h ec o n t e n to fm d a w a sd e c r e a s e d i tw a ss u g g e s t e d t h a te x o g e n o u sa s cc o u l dr e l e a s et h et o x i c i t yo fb i s u l f i t e s u l f i t es o l u t i o n s i nb a r l e ys e e d l i n g s ，m a i n l yb e c a u s eo fi t sa n t i o x i d a t i v ef u n c t i o n k e y w o r d s ：s u l f u rd i o x i d ea n di t sd e r i v a t i v e s ；h c i a 知b al ；h o r d e u m v u l g a t el ；m i t o c h y s i s ；o x i d a t i v ed a m a g e v 第一章综述 1 二氧化硫污染概况 随着人类社会的进步，经济和工业发展造成的环境污染也日益严重。工业生产 中的“三废”( 废水、废气、废渣) 及生活性废弃物对环境生态及人类生活都造成 了严重的影响。世界卫生组织把空气中存在的一些如二氧化硫( s 0 0 、氮氧化物 ( n o ，) 、臭氧( o 。) 、碳氢化合物等物质，以及它们的衍生物，当它们的浓度和作用 时间达到足以引起植物、动物和人类的伤害或造成建筑物等破坏时，称之为大气污 染。大气污染中最严重的是s o ：污染。自工业革命以来，随着： 业的发展，含硫燃 料燃烧所排放的s o ：不断增加，据联合国环境规划署估计，全球每年排放的s o 。量为 1 5 1 0 ”吨。 s 0 。的天然来源是来自海洋的硫酸盐烟雾、经细菌分解后的有机化合物、火山爆 发以及森林火灾所释放的硫化物。据统计，陆地天然来源的硫总量为5 0 0 万吨，约 占全球排放量的1 3 ( 另2 3 是人为排放) 。而由人类活动产生的s o ：，主要来源于 含硫燃料的燃烧，其次是含硫矿物的冶炼过程。煤炭中的硫约6 0 7 0 为无机黄铁 硫矿，3 0 4 0 为有机硫，在燃烧时产生s o 。等有害气体。s 0 2 的其它来源包括金属 冶炼、石油生产、化工生产及采矿等。 s o ：为无色、具辛辣及窒息性气味的气体，属中等毒性物质。沸点一l o 。易溶 于水( 在水中溶解度8 5 ，2 5 。c ) 形成亚硫酸。在空气中可在亚铁和锰等金属离子 的催化下进一步氧化形成三氧化硫( s o 。) ，s 0 3 又可溶于空气的水分中形成硫酸，并 以气溶胶( - - 次污染物) 状态在空气中存在。亚硫酸和硫酸均有腐蚀作用，可与空 气中存在的n h 。和金属阳离子形成相应的盐。s o 。在干燥的空气中，其含量达8 0 0 p p m 时，人还可以忍受。但在形成硫酸气溶胶后，含量仅0 8 p p m 时人即不可忍受。这 是s o ：污染形成环境危害的一个重要原因。 大气s 0 ：污染的重要危害是形成酸雨。所谓酸雨是指p h 值小于5 6 的降水( 美 国采用p h 值小于5 ) ；广义的酸雨( 酸沉降) 包括干沉降和湿沉降。干沉降包括各 种酸性气体、酸性气溶胶和酸性颗粒物，其主要成分为s o z 、n o z 、s 也”、h f 、h c l 、 h c 0 0 t t 、c h ，c o o h 、n o 。一、c 1 一、f - 等。湿沉降即通常所说的酸雨，包括酸性雨、酸性雾、 酸性露、酸性雪和酸性霜等，主要成分有阳离子：h + 、c a ”、n 心+ 、n a + 、k + 、m 9 2 十，阴 离子：s 0 日、n o ：、c 1 、h c 0 3 - 。1 。 酸雨被认为是“空中死神”，已成为重要的国际环境问题。酸雨能影响土壤和 二氧化硫衍生物对植物的氧化损伤效应 水质，干扰农业生产，影响生物数量和群落结构，破坏生态系统的结构和功能。 2 0 世纪以来，随着工业的迅速发展，大气s 0 2 污染加重，由s 0 2 污染形成的硫 酸烟雾和酸雨导致北欧等地出现酸雨，并与世界上发生的多起大气污染事件，如伦 敦烟雾事件、日本的四日市哮喘事件等有关。早在2 0 世纪初，英国就出现酸雨。 2 0 世纪5 0 年代以后，北欧的瑞典、挪威、丹麦等国相继出现酸雨的危害，北美在 相当大的范围内出现p h5 0 以下的酸雨。1 9 7 3 1 9 7 5 年，日本各地都发生p h4 5 的降雨，而神奈川县多次出现p h4 0 以下的酸雨。 随着s o ：污染的加剧，所造成的环境危害日益严重，s o ：污染问题开始受到各地 政府和行政管理部门的重视，同时为科研工作者所关注。1 9 7 7 年联合国会议承认酸 雨是属于全球性的污染问题。7 0 年代末，联合国环境规划署、欧洲委员会和世界气 象组织协作建立了酸雨监测网。1 9 7 9 年在日内瓦，东西方3 4 个国家又签订了一项 控制远距离越界空气污染公约，1 9 8 2 年人类环境国际会议将酸雨作为一个重要问题 提出，同年6 月，在瑞典专门召开了有3 3 个国家参加的酸雨国际问题会议。由此 可见，国际上对酸雨问题非常重视。在1 9 8 4 年3 月召开了第二次酸雨国际会议， 交流研究成果，共商对策。近十多年来，美国、加拿大与几个欧洲国家已经建立了 测定酸雨组分的监测站。到1 9 8 6 年底已有9 5 个国家参加世界气象组织的大气污染 监测网。 中国是燃煤大国，煤炭占一次能源消费总量的7 5 。我国1 9 9 1 年的原煤产量已 超过u 亿吨，煤炭占商品能源总消费的7 3 。燃煤造成了严重的大气污染。”。随 着燃煤量的增加，燃煤排放的s o 。也不断增加，“八五期间”，s 0 2 排放量平均每年 增加大约1 0 0 万吨，1 9 9 5 年s 0 2 排放量达到了2 3 7 0 万吨”1 。统计资料显示，1 9 9 1 年我国城市大气中s o 。的年日平均值，北方城市为9 2pg m 3 ，南方城市为8 8 l ig m 3 ，均远高于我国大气质量二级标准；在监测的5 1 个城市雨水中，p h 年均值低于 5 6 的占5 9 ：而降水中出现酸雨的城市，比上年度增长7 8 。 从总体上说，我国北方城市的大气污染大于南方城市；冬季大于夏季；城市、 工矿区大于农村。1 9 9 9 年度，全国3 1 个省会城市( 包括直辖市) ，s 也年平均浓度 值为0 0 6 8 毫克标立方米，超过国家年均值二级标准0 i 3 倍。太原市s o 。年平均 值是全国3 1 个省会城市平均水平的4 0 倍；从全国3 1 个省会城市污染情况看，太 原市污染最重，位居第一位，拉萨市污染最轻，年均浓度值为0 0 0 1 毫克标立方 米，有1 3 个城市s o ：年均值超过国家二级标准，超标范围在o 0 8 3 5 3 倍：超标 城市浓度值由高到低的排列顺序依次为：太原、重庆、乌鲁木齐、贵阳、石家庄、 综述 长沙、济南、银川、北京、兰州、天津、沈阳、郑州。 由于太原市是以煤炭、冶金、化工为主体的能源重化工基地，目前为止多数工 业生产没能很好地解决燃煤过程中s 0 ：排放问题，造成太原市大气s o ：含量严重超标。 1 9 9 9 年度，在采暖季节太原市大气中s o 。浓度达0 0 1 5 2 7 1 lm g m 3 ，日均值0 5 0 3 m g m 3 ，超标率为8 7 5 3 ，非采暖季节s 魄浓度为0 0 0 6 0 3 6 7m g m 3 ，日均值0 1 0 8 m g m 3 ，超标率为1 8 5 9 ，全年超标率为4 7 0 8 ，局部的s 0 。含量超过大气环境质量 标准( g b 3 0 9 5 8 2 ) 数十倍。 由s o z 、h z s 、s 如和so 根离子等硫化物所造成的环境污染对于全球环境来讲 是一个严重的问题“，对人类的生存和发展产生了严重的影响，是个亟待解决的 问题。 大气s o ：污染对地球一生物圈的影响大致有以下七个方面“1 ：湖泊、河流等水系 酸化；使水生和陆生的生物种群结构改变，生物多样性减少，影响生态系统的结构 和功能；抑制硝化细菌、固氮菌等的活动，使有机物的分解、固氮过程减弱，导致 土壤肥力下降；影响植物的光合作用与呼吸作用，降低植物的生产力；使土壤酸化； 腐蚀建筑物表面；对人体健康造成危害。 酸雨污染造成我国粮食、蔬菜和水果减产，以至整块农田绝收，广西受害地区 农作物减产幅度达到5 - 1 0 ；森林受到危害，材积量锐减，甚至成片的林木死亡， 重庆市自2 0 世纪8 0 年代以来，受酸雨影响，林区8 5 的马尾松受不同程度伤害， 死亡率达3 5 ：我国粮食人均产量低，森林覆盖率小，酸雨造成的伤害无疑是雪上 加霜。酸雨还使金属和建筑材料被腐蚀，土壤和水体被酸化。空气中的s 0 。污染引 起人体呼吸系统疾病，造成人群死亡率增加，重庆市污染严重地区肺癌死亡率不断 上升，长沙市个别街区的肺癌死亡率居高不下。根据有关的研究结果，1 9 9 5 年我国 由于酸雨和s o ：污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失约为1 1 0 0 多亿 元，已接近当年国民生产总值的2 ，成为制约我国国民经济和社会发展的重要因素。 2 0 0 3 年，大气污染形势人不容乐观。统计的3 4 0 个城市中，有6 4 个城市位于 s o 。污染控制区，s 0 。浓度达到二级标准的城市占4 0 6 ；有1 1 6 个城市位于酸雨控制 区，s o 。浓度达n - 级标准的城市占7 4 1 。二氧化硫污染较重的城市主要分布在山 西、河北、河南、湖南、内蒙古、陕西、甘肃、贵州、重庆和四jw i g 地区。1 。 而我国以煤炭为主的能源结构近期不会发生变化，预计到2 0 10 年和2 0 2 0 年煤 炭产量将分别达到1 8 亿吨和2 1 亿吨。如不加以控制，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年全国s o z 排放量将分别达到3 3 0 0 亿吨和3 9 0 0 亿吨。到那时，酸雨污染的区域范围将进一步 二氧化硫衍生物对植物的氧化损伤效应 扩大，受s o 。污染的城市数量将进一步增加，污染程度将进步加重，对人民群众 健康和生态环境的危害更加严重，造成的经济损失更大。 2 二氧化硫对植物的影响 硫是维持生命活动的必要元素，它与植物的正常生理代谢活动密切相关。植物 主要利用硫酸盐( 如c u s o 。m g s o , 、k 2 s 0 。等) 中的硫，它们大多数通过根系从土壤 中吸收，但有一部分可来自空气中的s o ：。 根据同位素3 5 s 标记实验结果表明，大气中的s o ：被植物叶片吸收后，9 0 以上 s o ：转化成硫酸盐形式，积累于植物叶组织中，仅有少量被还原为有机硫化合物。国 内外的研究表明，一般在植物能忍受的范围内，大气中s 0 。含量浓度越高，植物叶 中硫含量也越高，在大气中s o ：含量不变的情况下，植物叶片硫含量随叶片暴露时 问的延长而增加。3 。 硫是植物必需的一种元素，它与植物的正常生理代谢活动密切相关。植物吸收 硫用以形成一些重要的化合物，如辅酶a 、硫辛酸、生物素、蛋白质中的胱氨酸、 半胱氨酸( c y s ) 、蛋氨酸和谷胱甘肽( g s h ) 等。植物吸收环境中的硫之后，主要 经过c y s 合成途径同化为c y s “，c y s 再转化为g s h 、蛋白质，或作为植物甲硫氨 酸和其它硫次级产物的硫供体”“。环境中低浓度的s o 。能促进植物生长，特别是土 壤中硫不足时，但是大气中的硫含量超过植物可以利用的量时，硫就会在植物中积 累，达到一定的水平后对植物产生毒害“3 。 由s o 。引起植物的可见伤害是失绿或坏死。植物受到s o ：伤害以后，会出现可见 伤害症状，如叶片萎蔫，失去原有光泽，出现水渍斑、坏死斑、失绿斑。伤斑多出 现在叶脉间，成点状或块状，在单子叶植物中也有成条状的，但叶脉一般不受伤害。 受害严重的叶子会萎蔫下垂，或皱缩，经风吹| ：_ | 晒后干枯脱落。s o 。对植物的伤害程 度取决于能否通过气孔进入植物体或进入植物体内的量，因此植物暴露于s o z 时， 凡有利于气孑l 开放的条件，都容易使植物受害。如果供水缺乏使气孔关闭，就会使 植物免受伤害。幼嫩和完全展开的叶片容易先受到s o 。的伤害，而老叶和未展开的 幼叶则影响较小。植物体内可积累的硫的限量是正常含量的5 1 0 倍。若植物受s 0 2 污染严重，使植物体内积累的h s o ：) 一和s o 。”超过了植物的代谢解毒机能，就会产生 急性伤害；在长期受s o ：污染的情况下，s 0 4 2 一的聚积大于其被利用的能力，则会产 生慢性伤害。 先后有不少学者在研究中发现，s 0 ：对植物的毒性与活性氧的产生有关。s o 。 氧化为s o , 2 。主要是光照下在叶绿体中产生的魄一启动的，在氧化过程中产生了大量的 活性氧，如- 0 h ，0 。一，h 2 0 。等，它们对细胞有毒害作用o 4 。“+ ”。 s 0 ：经过气孔进入叶组织后，溶于浸润细胞的水分中，产生s 0 3 ”或h s o 。一，然后 被细胞氧化成硫酸根，由于硫酸根的毒性远小于s 0 。和h s o 。一，因而削减了s 0 2 的毒 性，然而在氧化过程中产生了氧自由基，引起了膜脂的过氧化，从而伤害了膜系 统。脂质过氧化将导致严重的后果，如各种亚细胞结构的损伤，细胞膜的通透性、 流动性改变，光面内质网扩张，粗面内质网上核糖体脱落，线粒体崩解，溶酶体破 裂等，并能使多种与脂蛋白结合的酶活性降低。 s o 。污染能改变植物细胞的代谢活性，影响细胞的结构和功能，如环境中高浓度 的s 也能引起蚕豆叶片过氧化物酶( p o d ) 和超氧化物歧化酶( s o d ) 活性改变“”，使 藻类等叶绿体膨胀，叶绿素破坏“，光合速率下降，p s i i 电子传递活动降低“，并 能使作物糖合成减少。“，游离脯氨酸等与胁迫相关的小分子物质在细胞中积累。“。 而且，s o ，能诱发不可逆的遗传损伤，高浓度s o 。及其衍生物n a h s 0 3 - n a ：s o s 混合液能 导致蚕豆、大麦及大蒜根尖中的微核细胞明显增多，部分细胞核发生固缩，使蚕豆、 大蒜根尖细胞出现多种染色体异常”。”“3 。 s o 。对植物的影响可以概括为以下几个方面：( 1 ) 刺激气孔不正常地开放或关 闭，影响正常的生理机能；( 2 ) 植物的新陈代谢受干扰，呼吸作用加快：( 3 ) 影响 细胞中蛋白质和其它组分的含量：( 4 ) 多数植物的可溶性糖分含量减少：( 5 ) 影响 光合作用和叶绿素：( 6 ) 影响植物生殖；( 7 ) 影响细胞内的酶系；( 8 ) 影响相关基 因的表达。 自由基( f r e er a d i c a l ，f r ) 又称游离基，是指外层轨道含有未配对的原子、原 子团或特殊状态的分子。其中以氧自由基对机体的危害最大。氧自由基对人体有特 殊意义，据估计人体内总自由基中约9 5 以上属于氧自由基”。其化学活性高，本 身极不稳定，平均寿命仅1 0 。3 秒，具有较强的氧化能力。 自由基形成可以分为外源性和内源性两种。内源性：生物体内许多代谢过程中， 都可自发的产生自由基，生物体内自由基的产生主要来自一些酶促反应和非酶促反 应。外源性：主要是能进行氧化还原反应循环的醌类、硝基类等物质。此外，药物 氧化、吸烟、电离、光照、热辐射冲击和环境污染等外源性因素都能在细胞内形成 自由基。 自由基会损伤抗氧化系统，使生物体内抗氧化酶活性降低；自由基可使细胞膜磷 脂中的不饱和脂肪酸含量下降，饱和脂肪酸含量升高，流动性降低，细胞膜的通透 二氧化硫衍生物对植物的氧化损伤效应 性增大；线粒体是植物进行呼吸作用、能量转换和氧化代谢的重要器官，线粒体中 的呼吸链易被自由基损伤，引起呼吸链电子传递出现短路，其结果使a t p 生成减少， 从而影响细胞功能；而线粒体d n a 对膜的脂质过氧化作用及氧应激较敏感，易受呼吸 链产生的自由基损伤，氧化损伤后可造成碱基片段丢失，碱基修复及突变”1 。 正常情况下，植物体内具有一定的保护系统，如酶系统的s o d 、p o d 、g s h 过氧 化物酶( g s h - p x ) 和过氧化氢酶( c a t ) ，非酶系统的g s h 、抗坏血酸( a s c ) 、维生素e 、 胡萝b 素等，它们协同作用使细胞内的活性氧自由基维持在一定水平，避免细胞受 到氧化损伤，维持细胞正常的结构和功能。逆境胁迫时，细胞的氧化系统会发生适 应性改变，以防止和减少自由基对细胞产生的氧化损伤：但是在一些损伤因素的作 用下，如：缺血“、缺氧。、离子辐射。、紫外线照射”、化疗药物。“、化学试剂 。4 等可诱导体内大量自由基的产生，细胞中抗氧化保护能力不足时，使活性氧在细 胞中产生堆积，并对细胞产生一系列毒害作用 s 3 , s 4 1 t 从而产生氧化和抗氧化的不平 衡状态，导致氧化应激性损伤。植物的应激能力是由活性氧介导的各种清除酶基因 的诱导表达，转基因植物中这些基因的过量表达，能增强植物对氧化性损伤诱导剂 的抗性。 植物防御s o ：伤害有多种途径，一是限制气态污染物进入组织，这与叶片的气 孔控制、形态结构和细胞特性有关；二是污染物进入组织细胞后诱导植物的抗性。 植物抗性大小除了决定于本身的遗传特性外，还取决于污染物在体内的毒性程度， 而毒性程度与细胞内产生的一系列生理生化变化有关。植物受害后恢复能力的强弱 也是其抗性强弱的另一个主要原因。 s o d 自6 0 年代末发现后，一直与防御衰老，抗干旱和抗污染相联系。s o d 是植 物代谢的关键酶，它能催化体内分子氧活化的第一个中间产物超氧物阴离子自由基 的歧化反应而形成氧分子和过氧化氢。它与过氧化物酶都是氧自由基的清除剂”。 它作为体内抗氧化酶系统的主要成分，是一种典型的诱导酶，适度的刺激条件可诱 导其合成。研究表明，植物体内s o d 含量与植物的抗s o 。能力密切相关。t a n a k a 等 报道，白杨经低浓度s 吼熏气后，叶片s o d 活性增加，同时对s o ：的耐性明显提高“； 邹晓燕等”。人用s o ：对玉米等作物进行急性伤害试验时发现，作物幼苗s o d 酶活性 随s 0 2 浓度增加而上升，在熏气时间延长时，玉米幼苗对s 0 2 的敏感性增强，对应的 s o d 酶活性下降；低浓度s o 。衍生物对油菜叶片的s o d 活性没有明显的影响，但高浓 度s 0 ：衍生物会造成叶片s o d 活性不可逆的下降。”。由此可见，植物体受害与否与 体内的s o d 酶活性有密切关系。 p o d 作为内源活性氧清除剂，可以清除体内过量的活性氧，维持活性氧代谢平 衡和细胞正常的结构与功能。近年来的研究表明，s 0 2 能影响植物细胞过氧化物酶的 活性。刘燕云等啪1 报道，将大豆暴露于1 0 0 2 5 0 p p m 的s 如下3 0 d 后，大豆叶片过 氧化物酶浓度随s o 。剂量和暴露时间的延长而持续增加。进一步的分析表明，大豆 经高浓度s 0 2 处理后，同工酶的种类和数量都有变化。黄益江等。”发现马尾松在清 明节前后受s 仉伤害时，过氧化物酶活性显著上升。 但同时有些研究者认为p o d 具有双重作用，一方面它可以清除h 2 0 ：，为保护酶 系统的成员之一，另一方面它参与叶绿素的降解和活性氧的产生，并能引发膜脂过 氧化，表现为伤害效应n 。 g p x 是生物机体内重要的抗氧化酶之一，它可以消除机体内的过氧化氢及脂质过 氧化物，阻断活性氧自由基对机体的进一步损伤，是生物体内重要的活性氧自由基 清除剂，它以硒代半胱氨酸( s e c ) 的形式发挥作用，以g s h 为还原剂分解体内