水体铜污染对吊兰生长与生理特性的影响

张 星， 闫子木， 郑雪雯， 王友保,2

(1.安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000；2.安徽师范大学 生物环境与生态安全安徽省高校省级重点实验室，安徽 芜湖 241000)

引言

近年来，随着各种工矿企业废水的排放，水体的重金属污染日趋加剧，严重影响着人类及其它生物的生存[1]。重金属污染主要来源于采矿、冶炼等工矿企业排放的三废，汽车排放的尾气、农药和化肥施用的化学物质等。水体重金属污染主要是由于水体中重金属离子的浓度超过了一定的浓度标准而引起的，主要有Cu、Hg、Cr、Pb、Cd等。近年来，我国近岸海域海水样品中，铜的超标率为25.9%[2]。根据2014年发布的“全国土壤污染状况调查报告”显示，我国重金属污染形势严峻，污染物的总超标率约为16%，其中铜污染物点位超标率就达到2.1%[3,4]。我国31个主要湖泊沉积物重金属污染特征研究表明，平均含量最高的重金属是Zn和Cu，分别为36.89和99.52 mg·kg-1[5]。沉积物中重金属释放到水体中，造成水生生态系统的破坏，严重影响水生动植物的生长发育[6]。据相关报道[7，8]，当铜离子浓度达到2～4mg·L-1时即可导致竹叶眼子菜或水鳖的死亡。因此，如何修复重金属Cu污染的水体，是亟待解决的重要环境问题，成为国内外研究的热点。目前治理水体重金属污染的方法有物理法、化学法、生态修复方法等。传统的物理法、化学法要求的技术高、费用多且易造成二次污染，在实际应用中具有诸多局限[9]。一些植物具有吸附金属的功能，利用植物修复法来消除有毒有害源，可以美化环境，是容易被人们接受的生态修复方法。利用植物修复重金属污染水体，具有成本低、效率高、低能耗、无二次污染等优势[10]，特别是超积累植物能够超量吸收重金属这一特点，使得植物修复技术在环境污染治理中发挥巨大潜能[11,12]。

吊兰(Chlorophytumcomosum)隶属于百合科吊兰属，为重要观赏植物，对Pb、Cd、Cu、Zn等多种重金属具有很强的耐性和富集能力[13,14]。因此，本实验选取吊兰进行水体Cu污染下的栽培试验，研究水体Cu污染对吊兰生长的影响，探讨构建以吊兰为主体的生态浮岛对Cu污染水体的修复效果，为利用陆生观赏植物进行重金属污染水体的修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

吊兰幼苗均取自吊兰母枝，选取苗高、生长状况相似的吊兰苗，用蒸馏水冲洗数次后，修剪掉2/3的老根，用浓度为1%的KMnO4对吊兰进行根部消毒10min，清水中缓苗1周后，选取生长情况大致相同的吊兰幼苗作为试验材料。

1.2 实验设计

在实验室内采用水培实验，将吊兰幼苗放入Hoagland营养液培养一周，待用。以Hoagland营养液为稀释液，分别加入不同含量的CuSO4调节，使培养液中Cu含量(以Cu2+浓度计)分别为2.5mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、20mg·L-1。以Hoagland营养液(不含Cu)为对照(CK)，将吊兰的根区悬浮培养在含有上述不同处理培养液的塑料盆中，每盆放入3颗吊兰苗。以上每个处理均设3个重复，每5天更换培养液一次，30天后取样分析。

1.3 测定方法

(1)吊兰生长指标的测定：30天后取出吊兰，用刻度尺(最小分度值为mm)分别测量吊兰根长(cm)和株高(cm)。采用排水法测定吊兰根体积(mL)。从每盆中随机选取一株吊兰，取其地上和地下部分称量鲜重(g)后，将其经105℃杀青，75℃过夜，再分别称量其地上部分和地下部分的干重(g)。

(2)吊兰生理指标的测定：用数显电导仪(DDS-11A)测定吊兰叶片电导率，单位为μs·cm-1；分别以TCA和丙酮提取丙二醛(MDA)和叶绿素，并用可见光分光光度计(WFJ7200型)测定其含量。采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)的活性；采用愈伤木酚法测定过氧化物酶(POD)的活性[15]。

(3)铜含量的测定：使用火焰原子吸收分光光度法(AA-6800型原子吸收分光光度计)测定吊兰叶片和根中的铜含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 21.0分析软件进行数据处理分析。

耐性指数=(处理组植株根长/对照组植株根长)×100%

2 结果与讨论

2.1 Cu污染对吊兰生长的影响

不同浓度Cu胁迫下，水培吊兰30d后，吊兰的生长情况如表1所示。从表1可看出，吊兰在水体中Cu浓度为20mg·L-1范围内都可生长，但随着Cu浓度的升高，吊兰的生长状况发生变化。CK组(Cu浓度为0mg·L-1),吊兰的株高，根长，根体积都是最高；而在Cu浓度为5.0mg·L-1的情况下，吊兰的株高，根长，根体积以及生物量均为最低，耐性指数也最低。在其他Cu浓度下，吊兰的生长状况均表现为比CK组差，比Cu浓度为5mg·L-1时生长好，在Cu浓度为2.5mg·L-1时，生物量略高于CK组，但差异不显著。由此可见，随着水体铜浓度的增加，吊兰生长受到抑制，在Cu浓度为5mg·L-1时对吊兰的生长影响最大，而当水体Cu浓度继续增大时，对吊兰的生长抑制降低，这可能是因为随着Cu浓度的增高吊兰逐渐形成了稳定的耐性机制。

表1 Cu污染对吊兰生长的影响

2.2 Cu污染对吊兰生理特性的影响

植物在逆境胁迫下，植物细胞原生质的膜结构会受到不同程度的损伤，膜的透性增加，细胞内部电解质外渗，电导率随之增大。膜结构的破坏程度和逆境胁迫程度呈正相关[15]。从图1可看出，在Cu浓度为5mg·L-1时，吊兰叶片所测得的电导率最大，Cu浓度为20mg·L-1时，电导率较高。即吊兰在Cu浓度为5mg·L-1时受到的胁迫最严重。

植物在逆境或衰老条件下，会发生膜脂的过氧化作用。丙二醛是膜脂过氧化产物之一，其含量的变化可作为检测逆境条件下膜系统受损程度的指标。丙二醛含量越高，细胞膜透性越大，细胞受伤害程度也就越大[16]。从图2可看出，当Cu浓度分别为5mg·L-1、20mg·L-1时，丙二醛含量较高，即吊兰受胁迫较为严重；铜浓度为2.5mg·L-1和10mg·L-1时，丙二醛含量比CK组低，说明2.5mg·L-1和10mg·L-1Cu浓度胁迫下对吊兰的损害程度不大，这可能与吊兰生长受其他因素保护有关。

图1 Cu污染下吊兰叶片的电导率

图2 Cu污染下吊兰叶片的丙二醛含量

Figure 2 Malondialdehyde content in the leaves ofC.comosumunder Cu contamination

光合色素是植物光合作用的物质基础，叶绿素含量是反映植物光合作用强度的指标之一[17]。从表2可以看出，总趋势是叶绿素a/b随着Cu浓度的升高而降低，在铜浓度为5mg·L-1时最低。这说明铜离子对叶绿素a的破坏作用大于叶绿素b，而植物进行光合作用最重要的作用中心色素分子正是某些叶绿素a分子。

植物为保护自身免受活性氧的伤害，在体内产生抗氧化酶和非酶抗氧化剂，CAT和POD都是重要的抗氧化酶。在正常条件下，植物体内活性氧的产生与清除处于动态平衡状态，不会因为积累过多的活性氧而影响植物正常生长发育。但当植物遭受重金属胁迫时，活性氧会过量积累，从而对植物造成伤害[18-20]。从图3中可看出，POD的活性出现小幅度波动，可见Cu污染下吊兰POD活性所受到的抑制没有明显的缓解作用。而CAT的活性先随着Cu浓度的增高而变大，后又随着Cu浓度增高而急剧减小，再随着Cu浓度升高而增大，后又随着Cu浓度增大而降低；当Cu浓度为20mg·L-1时，CAT活性最低。这一结果说明，随着铜浓度的增加，吊兰CAT的活性对铜胁迫更加敏感。

表2 Cu污染对吊兰叶片生理指标的影响

Table 2 Effects of Cu pollution on several indexes ofC.comosumleaves

Cu浓度(mg·L-1)CK2.55.010.020.0叶绿素a/b3.0262.4212.3752.4122.403电导率(μs·cm-1)58.1062.6571.7564.3568.25丙二醛(mmol·L-1)0.0160.0110.0240.0150.023POD活性(U)60240060160CAT活性(U)93614966241328456

图3 Cu污染下吊兰叶片的POD和CAT活性Figure 3 POD and CAT activities of the leaves of C.comosum under Cu pollution

2.3 吊兰富集的Cu含量

植物从环境中吸收营养物质以满足生长发育的同时，还会主动和被动吸收许多非必需的物质。吊兰由于长时间在Cu污染的水体下生长，植物体内富集了一定量的Cu[21]。从表3可看出，吊兰根中的Cu含量普遍较叶片中高。这和根系是吸收重金属的主要部分，Cu首先被吊兰根吸收，而后向植物体内迁移，进而到达叶片这一过程有关。在Cu浓度为10mg·L-1时，根中的Cu含量达到最高，当Cu浓度为20mg·L-1时，吊兰叶片中富集的Cu含量最高，并且在此浓度下叶片和根中的总Cu含量为最高。随着Cu浓度的增大，吊兰体内富集的Cu含量总体呈现升高趋势。

表3 吊兰叶片与根中Cu含量

3 结论

(1)利用吊兰进行水体Cu浓度修复试验，结果表明不同Cu浓度下，吊兰生长状况不同。在无Cu处理时，吊兰生长状况最好；随着Cu浓度升高，吊兰生长受到不同程度的抑制。特别当Cu浓度为5.0mg·L-1时，吊兰生长状况表现最差；吊兰在Cu浓度为20mg·L-1胁迫下仍能正常生长。

(2)在Cu浓度为5.0mg·L-1时，吊兰叶片中的电导率和丙二醛含量最高，叶绿素含量最低，说明吊兰叶片细胞受伤害程度最严重，此Cu浓度下的吊兰生理特性受到影响最大，但吊兰耐性指数仍达到了48.8%；在Cu浓度为5.0mg·L-1和20.0mg·L-1时，吊兰CAT、POD酶活性处于低值状态。

(3)吊兰叶片和根中富集的Cu含量随培养液中Cu浓度的增加而增加，说明吊兰富集的Cu含量与Cu浓度呈正相关。综观不同Cu浓度胁迫下吊兰的生长状况与生理特性，吊兰对Cu有很强的耐性。