洛河水蓼受Cu、 Zn污染的形态变化研究

祖恩普， 蔡 冰

(洛阳师范学院生命科学学院， 河南洛阳 471934)

洛河水蓼受Cu、 Zn污染的形态变化研究

祖恩普， 蔡 冰

(洛阳师范学院生命科学学院， 河南洛阳 471934)

本实验在洛河中采集水蓼， 分别置于梯度浓度的CuSO4和ZnCl2中培养， 观察其形态变化. 结果表明， 水蓼在CuSO4溶液中培养12天后， 叶片在浓度1.5mg/L以上受到影响， 从下至上逐渐出现枯黄、 斑点， 在浓度超过2.5mg/L时， 靠近根部的叶片干枯、 脱落； 在氯化锌溶液中， 叶片在浓度1.5mg/L以上受到影响， 在浓度达到2.5mg/L时， 靠近根部的叶片枯萎、 脱落， 水廖的茎部变软， 向一边倾斜. 以上结果说明， 水蓼对于Cu、 Zn的污染均比较敏感， 有明显的形态变化， 可以作为这两种重金属污染的报告植物.

洛河水蓼； Cu污染； Zn污染； 形态变化

随着我国工业化的迅猛发展， 城市化进程的不断加快， 出现了严重的环境污染问题， 尤其是重金属的污染问题日益突出. 过量的重金属不仅会对水生植物、 鱼类等造成生理生化的影响， 甚至可通过食物链在人体中聚集， 给人体健康带来巨大的危害. 城市环境铜污染、 锌污染主要来源于工业“三废”、 城市垃圾等的排放， 以及高铜、 高锌化肥等的不合理使用[1]. 因此， 研究铜、 锌对水生植物的影响尤为重要.

水蓼叶片中叶绿素含量与Cu含量显著相关[2]， 过量的Cu污染会抑制叶绿素合成或破坏叶绿素. 刘登义等[3]近来又发现， Cu胁迫会干扰植物的某些代谢途径， 致使叶绿素a和叶绿素b含量降低， 叶片失绿， 出现明显的白化现象， 尽管叶绿素a、 b并无影响， 这也与Penelope等[6]的结论相一致. 而类胡萝卜素含量也有类似变化趋势， 但从对Cu污染的敏感程度而言， 通常是叶绿素b>叶绿素a>类胡萝卜素.

过量的Cu污染还会造成根部细胞的破坏. 姚益云等[4-5]研究表明， 随Cu浓度增高， 紫云英的根细胞结构遭破坏逐渐加重， 具体特征为表皮层断裂， 变为黑褐色， 细胞壁变形乃至断裂， 质膜遭破坏， 发生质壁分离， 细胞质逐渐收缩， 以至解体而使壁内空腔， 皮层、 中柱细胞逐渐死亡， 致使根吸收水分和养分能力降低， 成活率极低， 甚至绝苗. 过量的Cu使得紫云英表皮细胞、 薄壁细胞、 维管细胞、 筛管细胞等均大量解体死亡.

锌污染引起水蓼缺绿的原因， 前人研究认为， 高含量的锌干扰了铁的代谢从而抑制叶绿素的产生. 推测其机理是： 锌与铁在一个叶绿素生物合成位点上竞争； 锌可能影响水蓼体内三价铁离子与二价铁离子的比率. Amber等[7]认为， 锌通过抑制根的还原力(三价铁离子—二价铁离子)而干扰铁的运输； 锌可能改变水蓼体内亚细胞或细胞分布或叶片内铁的可利用性.

本实验拟通过观察水蓼在梯度浓度的Cu2+、 Zn2+溶液中的形态变化， 为洛河水中的Cu2+、 Zn2+污染作出及时标示.

1 材料与方法

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. 茎红紫色， 无毛， 节常膨大， 且具须根. 叶互生， 披针形成椭圆状披针形， 长4～9厘米， 宽5～15毫米， 两端渐尖. 本试验所用的水生生物水蓼取自洛阳市洛河桥下的洛河河段， 洛阳市洛河河段属于洛河下游地区. 在采样时， 沿洛河岸边随机选取50株. 采回后用清水洗净， 培养一周.

1.2 方法

本试验CuSO4和ZnCl2各设5个浓度组和一个对照组: CuSO45个浓度组的浓度分别为1mg/L、 1.5mg/L、 2mg/L、 2.5mg/L和3mg/L ； ZnCl25个浓度组的浓度分别为0.5 mg/L、 1.0 mg/L、 1.5 mg/L、 2.0 mg/L、 2.5 mg/L. 每组两株水蓼平行培养， 进行12天对比试验. 每隔两天补充一次溶液， 以保持瓶中原配置的溶液浓度. 每天观察记录一次.

2 结果

2.1 水蓼在Cu2+溶液中的形态变化

水蓼在Cu2+溶液中的形态变化结果见表1， 生长情况见图1. 由表1可看出， 水蓼在Cu2+溶液中培养时， 叶片形态变化较为明显， 而根部和茎的变化不明显.

表1 水蓼在Cu2+溶液中的形态变化

图1 水蓼在Cu2+溶液中生长情况

2.2 水蓼在Zn2+溶液中的形态变化

水蓼在Zn2+溶液中的形态变化结果见表2， 生长情况见图2. 由表2可知， 锌对水蓼的叶片影响较为明显， 当Zn2+溶液的浓度低于1.5mg/L时， 水蓼能够正常生长， 形态没有变化.

表2 水蓼在Zn2+溶液中的形态变化

图2 水蓼在Zn2+溶液中生长情况

3 讨论

3.1 不同重金属对水蓼的响应差异性

试验中采用了水蓼作为试验材料， 试验结果表明， 水蓼对铜、 锌这两种重金属的响应程度存在较大的差异. 从试验结果可知， 在重金属铜的污染下， 浓度为1mg/L、 培养7～12天， 观察发现叶片有些变软； 而在重金属锌的污染下浓度小于等于1.5mg/L时， 同样培养7～12天， 观察发现水蓼正常生长， 叶片完全正常. 这可能是因为水蓼是挺水植物， 并且长期生长在洛河， 而洛河水体本来就有一定程度重金属污染， 使其对锌污染的忍耐性有所增强. 此外， 水蓼对重金属铜、 重金属锌污染的吸收速度各不相同， 通过用直尺测量根部到出现变化叶片的距离发现， 水蓼对铜的吸收快于对锌的吸收.

3.2 重金属对水蓼的毒害机理探讨

Cu污染会抑制叶绿素合成或破坏叶绿素， 这可能是由于植物体内过量的Cu使得叶绿体酶活性比例失调， 叶绿素分解加快， 同时Cu局部积累过多， 与叶绿体中蛋白质上的巯基结合， 或取代其中的二价铁、 二价锌、 二价錳， 使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而导致失活. 此外， 高Cu抑制根系生长， 根尖硬化， 养分吸收能力下降， 导致Fe缺乏， 叶绿素含量降低而失绿.

锌污染引起水蓼缺绿， 是因为锌改变水蓼体内亚细胞或细胞分布或叶片内铁的可利用性. 由于叶绿素生成受到抑制， 数量减少， 影响水蓼光合作用和生物量. 本实验的结果也证实了Zn污染会引起叶片变黄枯萎， 即叶绿素受损.

3.3 重金属对水蓼影响的研究展望

基于本试验中水蓼在不同浓度Cu、 Zn中所表现出的不同形态变化， 推测水蓼能够作为洛河水污染的形态学标记植物, 可根据洛河水蓼的外部形态推测洛河中Cu、 Zn污染的程度. 这种对于重金属污染的检测方法相对于其他仪器检测来说更为便捷， 直观.

[1] 林义章， 徐磊. 铜污染对高等植物的生理毒害作用研究[J]. 中国生态农业学报， 2007， 5:202-204.

[2] 王友保,刘登义. Cu、 As及其复合污染对小麦生理生态指标的影响[J]. 应用生态学报， 2001， 12： 773-776.

[3] 刘登义,谢建春,杨世勇， 等. 铜尾矿对小麦生长发育和生理功能的影响[J]. 应用生态学报， 2001,12： 126-128.

[4] 姚益云， 赵振纪， 刘永厚， 等. 铜对紫云英根细胞毒害研究[J]. 江西农业大学学报， 1997， 19： 76-79.

[5] 姚益云， 赵振纪， 刘永厚 等. 铜对紫云英根结构危害研究[J]. 江西农业大学学报， 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， 河南巩义人， 高级实验师. 研究方向： 水生生物学.

[责任编辑 王保玉]