低温条件下铜离子对灯芯草部分生化指标的影响

朱启红，夏红霞，黄 磊

（重庆文理学院，重庆 永川 402168）

以高等植物为主体的植物修复技术因其治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等特点，受到人们的普遍推崇。因此被广泛用于治理或修复水体[1-2]。但现有植物耐寒能力差，冬季易于死亡而无法保证净化效果，这已成为制约植物修复技术大规模市场化的主要因素之一[3-4]。

灯芯草别名野席草、灯草和水灯芯，是席草类，莎草科蒲草属多年生草本植物，在我国分布较广。其经济、药用价值高而广泛应用于医药和民用工业，在治理城市污水方面也有相关报道。试验拟用灯芯草在低温条件下处理含铜废水，探讨低温环境中灯芯草对重金属铜的耐受机制，为提高冬季植物净化能力提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为灯芯草，采自重庆永川区某农田。选取大小均一的植株洗净，培养于Hoagland营养液中，待植株长出新叶后，用于水培试验。

1.2 营养液培养试验

试验自2011年12月9日开始，12月24日结束。试验采用水培方式。试验分A、B、C 3组，A组为对照组，B组的铜离子为30 mg/L，C组的铜离子浓度为60 mg/L。铜以分析纯CuSO4·H2O形式加入。试验期间每天光照12 h，保持24 h连续通气，每3 d更换一次营养液。待加入铜离子后，每隔3 d测一次相应指标。每一处理均重复3次，取其平均值进行统计分析。

1.3 样品分析与测定方法

试验过程中测定叶片灯芯草体内叶绿素、超氧自由基（O2-·）、丙二醛（MDA）的含量。叶绿素采用丙酮—乙醇混合液提取分光光度法；丙二醛参考林植芳等的硫代巴比妥酸（TBA）法方法；超氧自由基采用羟胺氧化分光光度法测定[5]。

2 结果与分析

2.1 不同浓度铜离子对植株的毒害作用

试验中加入重金属铜后，植株先后出现了枯萎现象。对出现枯萎的植株数量进行统计，结果如表1所示。由表1可见，随着重金属铜浓度升高和胁迫时间延长，灯芯草植株枯萎程度越严重。

表1 不同铜离子浓度对灯芯草植株毒害的影响

2.2 重金属铜对于灯芯草叶绿素合成的影响

重金属铜在低温下对灯芯草叶绿素合成的影响如表2所示。表2结果显示，重金属铜对于植株叶绿素含量和组成都有一定的影响。低浓度重金属在短期内促进灯芯草叶绿素的合成，随着处理时间延长，植株叶绿素含量有所降低；而高浓度同则使植株叶绿素含量持续降低，并且叶绿素a下降的速度超过叶绿素b下降的速度。胡云虎等[6]认为叶绿素a/b值的变小是因为重金属首先破坏叶绿素a的缘故。与叶绿素总量相比，叶绿素a/b值是衡量叶片感受重金属的相对敏感的一个生理指标，即叶绿素a对于重金属的敏感程度较高。Stobart等[7]研究认为叶绿素含量降低的原因一是重金属抑制原叶绿素酸醋还原酶，二是影响了氨基-γ-酮戊酸的合成。而这两种物质又是叶片合成叶绿素所必需的酶和原料，从而使叶绿素含量降低，叶绿素的组成发生改变。

表2 铜胁迫对灯芯草植株体内叶绿素含量及组成的影响

2.3 重金属铜对植株丙二醛（MDA）的影响

丙二醛是常用的膜脂过氧化指标，是植物器官衰老或在逆境条件下发生膜脂过氧化的产物之一，其含量高低表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件耐受的强弱。由图1可见，在重金属胁迫下，灯芯草MDA含量先增高后降低。在试验浓度下，短短3 d的处理时间就使其细胞膜脂发生严重的过氧化，灯芯草体内大量积累MDA，并且胁迫浓度越大、时间越长，体内积累的MDA就越多；当处理时间超过6 d过后，MDA含量逐渐减少，可能是由于在灯芯草体内SOD和POD的作用下，将O2-·歧化为H2O2，抑制Haber-Weiss反应，最终将H2O2分解成H2O，将有毒的超氧阴离子转变成无毒的H2O，使细胞内自由基维持在一个低水平，防止细胞受自由基的伤害。

图1 铜胁迫对灯芯草丙二醛含量的影响

图2 铜胁迫对灯芯草超氧自由基含量的影响

2.4 重金属铜对灯芯草植株O2-·合成的影响

试验结果表明，在重金属铜污染条件下，3 d后灯芯草植株体内的O2-·的均会明显增加，所有施铜处理植株体内的O2-·含量都高于对照；且较高浓度铜胁迫下比低浓度铜胁迫下，植株体内O2-·的含量高，说明了较高浓度胁迫下，O2-·的产生更快。随着处理时间的延长，植株体内的O2-·含量先升高后逐渐降低，但在一定时间范围内始终比空白对照组高。超氧阴离子的生成加快，可使自由基积累，自由基能损伤主要的生物大分子，引起细胞的膜脂过氧化和脱脂化作用；该研究中，铜污染致使O2-·的产生加快，势必引起细胞膜系统受伤害，从而使植物的发育和生长遭受影响，是植物受铜胁迫伤害的主要机理之一。

3 讨论

通过植物吸收将重金属从水中转移到植物体内，可以达到净化水体的作用。试验结果显示，低浓度铜可促进灯芯草生长；但在高浓度的铜胁迫下，灯芯草有明显的毒害作用，造成灯芯草失绿。在重金属作用下，灯芯草体内积累大量MDA，并且胁迫浓度越大、时间越长，植株体内积累的MDA就越多。而对于O2-·，所有施铜处理植株体内的O2-·含量都高于对照；且较高浓度铜胁迫下比低浓度铜胁迫下，植株体内O2-·的含量高，说明了较高浓度胁迫下，O2-·的产生更快。可见，在重金属作用下植物的生长形态、叶绿素合成将会发生一定的变化，且细胞内MDA和O2-·浓度升高带来的膜脂过氧化增强是重金属伤害植物的主要原因之一。

正常条件下植物体内活性氧产生处于动态平衡，自由基浓度较低，不会引起植物伤害。当处于各种逆境胁迫条件下或衰老时，植物体内活性氧产生和消除的平衡遭到破坏，有利于活性氧的产生。当活性氧浓度超过一定阀值时，植物细胞内的大分子物质发生过氧化，特别是膜脂中的不饱和脂肪酸受到自由基的攻击，引起膜脂相分离，膜的完整性受到破坏，导致植物生长异常。膜脂过氧化是膜上不饱和脂肪酸中所发生的一系列活性氧反应，其最重要的产物是MDA，它是一种高活性的脂质过氧化产物，能交联脂类、核酸、糖类及蛋白质，破坏膜的结构，导致细胞质膜受损伤，电解质渗漏严重。因此，MDA含量是反应脂质过氧化作用强弱的一个重要指标。超氧阴离子的生成加快，可使自由基积累，自由基能损伤主要的生物大分子，引起细胞的膜脂过氧化和脱脂化作用；该研究中，铜污染致使O2-·的产生加快，势必引起细胞膜系统受伤害，从而使植物的发育和生长遭受影响，是植物受铜胁迫伤害的主要机理之一。

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[7]Stobart A K.GrifithsWT.Ameen-Bukhari 1.etal The effect of Cd2+on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley[J].Plant Physiol,1985,63（2）:293-298.