毛白杨受大气SO2-Pb复合污染胁迫抗逆性分析研究

鲁敏，王恩怡，李科科，郭天佑，贺中翼，高鹏

(山东建筑大学 艺术学院，山东 济南 250101)



毛白杨受大气SO2-Pb复合污染胁迫抗逆性分析研究

鲁敏，王恩怡，李科科，郭天佑，贺中翼，高鹏

(山东建筑大学 艺术学院，山东 济南 250101)

SO2-Pb复合污染；机理机制；生态修复；T检验分析

0　引言

大气污染是人类所面临的环境危机之一，并且成为人类社会可持续发展的主要障碍[1]。SO2是目前大气污染中主要污染物之一，不仅危害人体健康，而且威胁环境安全[2-3]。大气中适宜浓度范围内的SO2能够作为补充S元素的一种途径，促进植物生长，但超过一定浓度阙值会对植物造成叶片灼伤等伤害[4]。此外，在工业化进程中，大气重金属也是危害严重的大气污染物之一，因其长期潜伏性、不可逆性及累积性等特点已成为不可忽视的环境问题[5]。随着含Pb物质的广泛开发利用，大量重金属Pb排放到大气当中，威胁人类健康和环境安全[6]。

在自然环境中，多数情况下的污染是以一种元素或化学物为主的多种污染物，即复合污染。大气复合污染是指在某一区域范围内，同时存在多种不同类型的污染物，并且这些污染同时作用对环境所造成污染。目前，大气中一次污染和二次污染的复合污染，尤其是无机物与重金属混合的复合污染，对生态系统的稳定性和人类的生存发展造成了比单一污染物更为巨大的危害[7]。大气SO2-Pb复合污染严重威胁着人们的生命安全和健康，寻求解决大气SO2-Pb复合污染的有效治理措施已成为城市生态环境建设中关注的重点和亟待解决的问题。

植物不仅对一定浓度范围内的大气污染物有较强抵抗力，而且具有很强的吸收净化能力[8]。随着大气污染研究的不断深入，植物生态修复作为一种经济、安全、持续且极具发展潜力的修复工程技术，已成为修复大气化学污染的重要途径[9]。揭示植物抗性机理机制对大气污染的植物生态修复具有重要意义。随着对大气污染研究的不断深入，利用对大气污染具有较高抗逆性的植物净化单一大气污染的研究已经无法满足当今世界对于大气污染研究的需求[10]。因此，开展植物对大气复合污染的研究将成为今后改善大气环境质量和空气污染控制研究的热点。

炼油厂是以释放大气SO2-Pb复合污染物为主的重污染企业。毛白杨(Populustomentosa)适应性强，耐干旱，抗污染能力强，是北方应用最广泛的乡土植物和城市绿化树种，其在济南炼油厂污染区内大量种植并正常生长，说明毛白杨对SO2-Pb复合污染具有很强的抗逆性和耐胁迫的能力。为此，选择污染区域中抗污、吸污能力强的毛白杨，通过对其叶片的相关生理指标的变化进行T检验分析，探索毛白杨对大气SO2-Pb复合污染的响应机制，揭示毛白杨对SO2-Pb复合污染抗逆性强的原因，进一步从细胞水平反映毛白杨对大气SO2-Pb复合污染抗性机理机制,为提高超量积累植物对大气污染的生态修复功能积累试验参数，为优化培育富集能力强的植物及生态修复技术提供基础理论依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验于夏末秋初(2013年9月)时期，选择在济南炼油厂污染区内生长的毛白杨为试验材料，这一时期毛白杨生理活动最旺盛，新陈代谢速率最快，木质化程度最高，叶片内污染物积累量也最高。

1.2试验设计

由于目前研究手段难以模拟真实大气环境条件，开展大气的复合污染研究只能利用真实的大气环境。因此，本研究采用现场采样的方法，分别以济南炼油厂(36°42′N,117°10′E)周边区域和济南百合园林集团苗圃(36°41′N,117°15′E)为污染区和非污染区，对SO2-Pb复合污染区和非污染区的毛白杨进行采样。济南市炼油厂东部紧邻济南市钢铁厂，紧邻经十路、G2高速公路等济南交通主干道，是进行大气SO2-Pb复合污染研究的理想地区。距离炼油厂10 km的济南百合园林集团苗圃与其土质接近、气候及其他自然条件相似。

以厂区为中心，100 m范围为界，分别在东、南、西、北四个方位各选择2个采样点进行采样，每个采样点分别选取有代表性的3株树龄相近、健康程度相近、长势良好的毛白杨作为生物学重复。对树冠周围及上、中、下各部位进行多点采样，每株选取生长正常且具有大致相同数量叶片的一年生枝条4枝。非污染区采样点选取与采样方法同污染区。将污染区和非污染区剪取的枝条编号，在相同条件下离体水培一周。

随机从污染区4个方向每个采样点混合均匀的12个枝条中分别选取1个枝条，将选出的8个枝条组成一个污染物样品小组，其他两个小组采用同样的方法选取，把每组枝条的叶子分别混合均匀，组成污染区的3个样品。非污染区样品选取方法同污染区。将污染区和非污染区的毛白杨样品随机组合成3组，每组由污染区和非污染区2个样品组成。实验时，采取叶子，用去离子水洗涤，晾干备用。

1.3生理指标测定方法

1.4统计分析方法

利用Excel和SPSS19.0统计分析软件对毛白杨生理指标测定的实验数据进行平均值计算和T检验分析。

2　结果与分析

2.1毛白杨生理指标测定值

实验测得不同采样点毛白杨叶片生理指标的含量(见表1)，其中所得数据均为测量平均值。

表1　毛白杨在污染区和非污染区中生理指标的测定值

2.2毛白杨受大气SO2-Pb复合污染胁迫抗逆生理指标T检验分析

T检验即差异的假设检验或称差异显著性检验，在实际工作中应用很广[17]。比较不同立地条件下植物生长的差异以及不同环境因子对植物生长的影响，都可以使用数理统计学中的差异显著性检验的方法。其实质是解决两个或多个总体的同一特征之间是否有显著差异的问题。

2.2.1叶绿素含量变化分析

叶绿素作为绿色植物的主要光合色素，是绿色植物进行光合作用固定生物能源的重要物质。绿色植物叶片内叶绿素的含量与光合作用的速率紧密相关，植物体内的叶绿素一直处于合成与分解的过程中，叶绿素含量受到很多因素的影响[12]。相关研究表明，叶绿素可以作为评价植物耐逆境胁迫强弱的生理指标。将污染区和非污染区毛白杨叶绿素含量(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表2)。

表2　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨叶绿素含量的T检验分析

表2结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片中叶绿素含量差异极显著(P值0.006<0.01)。由此可知，在污染区的毛白杨叶片受到了较严重的损伤，大气SO2-Pb复合污染对毛白杨叶片具有较大的影响。大气SO2-Pb复合污染通过破坏植物的光合作用场所来影响植物的新陈代谢，影响植物的正常生长。同时，在污染区现场采样过程中也发现，距离炼油厂较近的毛白杨叶片表面泛黄，叶尖及叶边缘出现坏死的组织。

植物体内叶绿素的含量直接影响植物能否有效利用光能，光合作用的机理就是绿色植物将CO2和H2O转变成有机化合物的过程。植物体内叶绿素与其他物质一样，经常不断地进行新陈代谢，水分、光照、温度、湿度、矿质元素、外源污染物等外界环境因子都会影响叶绿体的合成。

2.2.2丙二醛(MDA)含量变化分析

在植物细胞内活性氧自由基含量处于动态平衡的状态，但在逆境环境下，自由基数量会急剧增加，平衡状态遭到破坏，自由基会氧化膜上的不饱和脂肪酸，并产生大量的MDA[18]。MDA在体内自由移动，扩散到其它部位，破坏膜结构使膜流动性降低、透性增加以及细胞代谢失调，使其功能受损，严重时导致细胞死亡。MDA含量可以表示膜脂过氧化程度以及在逆境环境下植物对其反应的强弱[19]。因此，MDA含量可以作为膜脂过氧化指标。将污染区和非污染区毛白杨MDA含量(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表3)。

表3　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨MDA含量的T检验分析

表3结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片MDA的含量差异不显著(P值为0.484>0.05)，原因是污染区毛白杨长期处于污染环境下自身适应了周围的环境，同时酶类和非酶类抗氧化防御系统等控制体内的调节和代谢机制有效的清除了因胁迫产生的过多自由基，维持其动态平衡平衡，抑制了MDA的产生，有效的控制体内质膜透性的变化，使生物膜结构和功能处于平衡稳定状态。

2.2.3可溶性糖含量变化分析

可溶性糖可以提高细胞内溶质的浓度，降低外界环境对细胞的损害程度，是植物细胞内重要的渗透调节物质[13]。逆境胁迫下，多数植物通过增加植物体内的可溶性糖含量以抵御不良环境，因此，可溶性糖含量亦可作为评价植物抗逆性的指标。将污染区和非污染区毛白杨可溶性糖含量(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表4)。

表4　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨可溶性糖含量的T检验分析

表4结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片可溶性糖含量差异不显著(P值为0.331>0.05)。由于污染区和非污染区周边环境条件相似，白天光照和温度较适宜，毛白杨可以积累足够的代谢物质。虽然处于逆境环境，但是毛白杨体内的养分可以充分利用。当逆境条件更加严峻时，毛白杨体内的糖类发生水解，一方面为植物体提供能量，另一方面，可以为其他代谢提供中间产物。

2.2.4可溶性蛋白含量变化分析

逆境胁迫下，植物的细胞膜发生膜相变，引起细胞膜上的蛋白某些部位不能处于平衡状态，不能与膜上磷脂结合，从而处于游离状态，成为游离蛋白质，使可溶性蛋白质含量增加。高水平的可溶性蛋白质含量可以使植物细胞渗透势处于较低水平，降低逆境对细胞的损伤[13]。由此可知，逆境下植物抗逆性与可溶性蛋白含量密切相关，可溶性蛋白含量衡量植物抗逆性的强弱。将污染区和非污染区毛白杨可溶性蛋白含量(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表5)。

表5　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨可溶性蛋白含量的T检验分析

表5结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片内可溶性蛋白差异不显著(P值为0.265>0.05)。说明毛白杨抗逆性较强，在多数逆境环境下，如干旱、低温、炎热等都有可能降低植物体内蛋白质的含量和活性[14]。蛋白质作为一种生物大分子，在植物体内承担了生理功能，蛋白质含量决定了体内酶的含量和活性的强弱。污染区毛白杨叶片体内蛋白质含量较非污染区差异不显著，说明过量硫元素的吸收在一定程度上提高了毛白杨体内蛋白质的含量，同时可能存在其他调节机制，促进了毛白杨体内蛋白质的合成，为植物体提供了充足的酶和其他生物大分子物质，帮助清除植物体内的活性氧。

在植物处于正常生理状况下，细胞内超氧阴离子等活性氧的产生和清除处于动态平衡，此时活性氧在细胞内的水平很低，对细胞不会造成伤害[18]。当植物受到逆境胁迫时，超氧阴离子的平衡状态被破坏。超氧阴离子作为植物体内电子的受体，具有活性强和氧化性强的特点，过量的超氧阴离子具有毒性，导致膜脂过氧化，破坏膜的完整性，使一些保护酶的活性降低[14]。膜系统对机体有很强的保护作用，它的损伤会导致机体的部分生理生化紊乱，其次，部分生物功能分子也遭受超氧阴离子的破坏，从而使植物受到严重损伤，长时间、高强度的逆境胁迫会导致植物死亡。将污染区和非污染区毛白杨超氧阴离子产生速率(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表6)。

表6　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨超氧阴离子)产生速率的T检验分析

2.2.6抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性变化分析

APX在植物叶片内主要用于清除体内自由基，催化H2O2生成H2O和O2[20]。APX也是植物抗坏血酸-谷胱甘肽循环(ASA-GSH)的重要组分，是酶类抗氧化系统的重要抗氧化酶之一。由于酶促反应的专一性较强，清除活性氧的种类因酶的种类而异。将污染区和非污染区毛白杨APX活性变化(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表7)。

表7结果表明，污染物区与非污染区毛白杨体叶片内的APX活性差异显著(P值为0.048<0.05)，说明污染区毛白杨叶片内的APX活性在SO2-Pb复合污染胁迫条件下被抑制。ASA-GSH是清除叶片叶绿体内由光合作用等产生的H2O2的主要途径，由于受胁迫叶绿素减少，光合作用减弱，APX活性相对减弱。另外，与其他抗氧化酶类相比，APX稳定性较差，特别是在缺少电子供体的条件下，在酶促反应过程中，当抗坏血酸未被复合利用时APX会失活，污染胁迫可能使植物体内ASA含量降，低抑制了APX活性；双胺苯、羟基脲素和羟胺等物质在H2O2存在时会对APX产生特异性抑制，污染胁迫可能促生这类物质。

植物体内抗氧化酶类系统其抗氧化功能具有整体性，在清除自由基的选择具有多样性，一种或一类抗氧化酶类活性被抑制相应地作用于同种活性氧的酶类活性会增强。SO2-Pb复合污染胁迫下，毛白杨叶片内其他酶类或非酶类抗氧化机制开启清除过多活性氧。

表7　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨APX活性的T检验分析

2.2.7过氧化物酶(POD)活性变化分析

植物受逆境胁迫，产生活性氧的同时，在POD以及其它酶类的相互作用下，能有效的清除部分活性氧，使体内活性氧数量降低，处于一个机体所能承受水平，不会引起膜脂过氧化以及其它伤害[15]。将在污染区和非污染区中毛白杨的POD活性变化(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表8)。

表8　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨POD活性的T检验分析

表8结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片体内的POD活性差异不显著(P值为0.293>0.05)。POD主要存在于一些老化的组织，其在植物幼龄时期的组织中出现较少，活性也较低。由于POD能增加木质化程度，在污染区与非污染区的采样中，污染区毛白杨叶片内POD要高于非污染区。说明在污染区的毛白杨老化的速度高于非污染区，其木质化程度较高。

2.2.8游离氨基酸含量变化分析

游离氨基酸等小分子物质由于其具有表征植物细胞逆境响应的功能，是良好的胁迫应答因子[21]。将污染区和非污染区毛白杨游离氨基酸含量(见表1)作为两个随机变量，对其进行T检验分析(见表9)。

表9　大气SO2-Pb复合污染对毛白杨游离氨基酸含量的T检验分析

表9结果表明，污染区和非污染区毛白杨叶片内游离氨基酸含量差异显著(P值为0.037<0.05)。污染区毛白杨由于受到大气SO2-Pb复合污染胁迫，抗性机制开启，叶片内的游离氨基酸含量升高，对细胞起到保护作用。游离氨基酸的存在可以增加毛白杨叶片细胞基质内的浓度，稳定细胞结构。同时氨基酸具有良好的亲水性，减少细胞水分流失，降低蒸腾速率和呼吸速率，保证细胞内外的电解质平衡。

3　结论

上述研究表明：

著(P值>0.05)，说明毛白杨通过体内代谢调节机制降低了大气SO2-Pb复合污染对其细胞的损伤程度，维持细胞渗透压平衡，从而减少污染胁迫对正常的生命活动的干扰程度，由此表明毛白杨对大气SO2-Pb复合污染抗性较强。

② 毛白杨由于长期处于污染环境下自身适应了周围的环境，同时酶类和非酶类抗氧化防御系统等控制体内的调节和代谢机制有效的清除了因胁迫产生的过多自由基，维持其数量动态平衡平衡，抑制了MDA的产生状态；

③ 大气SO2-Pb复合污染胁迫条件下，S元素的吸收在一定程度上增加了毛白杨体内蛋白质的含量，同时由于养分充足毛白杨体内的糖类发生水解，来平衡细胞渗透压；

(2) 大气SO2-Pb复合污染胁迫条件下，经T检验与对照区相比，游离氨基酸含量和APX活性差异显著(P值<0.05)。

① 大气SO2-Pb复合污染胁迫下，抗性机制开启，细胞基质内游离氨基酸含量增加，使细胞渗透压处于平衡状态，维持细胞稳定；

② 大气SO2-Pb复合污染胁迫下，叶绿素及电子供体受损，APX活性相对减弱，其他酶类或非酶类抗氧化机制开启清除过多活性氧。

(3) 大气SO2-Pb复合污染胁迫条件下，经T检验与对照区相比，叶绿素含量差异极显著(P值<0.01)。说明大气SO2-Pb复合污染胁迫会使毛白杨叶片叶绿素含量下降进而影响其叶片光合作用。

针对大气SO2-Pb复合污染胁迫对细胞的直接伤害与间接伤害，活性氧增加、膜质过氧化、叶绿素含量下降等，毛白杨通过激活抗氧化物酶系统(POD等)来清除活性氧，利用生物小分子(可溶性糖、蛋白、游离氨基酸)来修复和稳定受损的细胞质膜系统，对大气SO2-Pb复合污表现出较强抗性。但大气SO2、Pb两种污染物对毛白杨的相互作用类型以及对毛白杨抗性的影响还有待探究。

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(学科责编：吴芹)

Study on resistance of Populus tomentosa under atmospheric compound pollution of SO2-Pb stress

Lu Min, Wang Enyi, Li Keke,etal.

(School of Arts, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

compound pollution of SO2-Pb; mechanism; eco-recovery; T-test analysis

2015-11-09

山东省住房和城乡建设厅科技计划项目(2013KY006)

鲁敏(1963-)，女(满族)，教授，博士，主要从事污染大气和污水的植物净化与修复技术及吸污防污植物的选择与应用等方面的研究. E-mail:lumin@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)03-0212-07

X171.4，X173

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