浮萍对Cu2+胁迫的反应机理研究

韩雪静亚

（南京师范大学中北学院，江苏 镇江 212300）

重金属在水体中不能被微生物降解，只能以不同的价态在水和生物之间转移，当在水体中积累到一定的浓度时，就会对水生动植物系统造成严重危害。铜是植物生长必需的营养元素，在生物体内，多以铜离子或铜蛋白形式存在，在植物叶片中，叶绿体内的铜含量最高。铜是一种广泛存在于水体中的过渡金属，虽然浓度不高，但由于其毒性效应明显，受到了环境科学界的广泛关注。因此，本研究以Cu2+为胁迫因子，以浮萍为材料，研究了不同质量浓度Cu2+对叶绿素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛浓度和保护酶活性的影响，揭示Cu2+对水生植物的毒害机理。

1 材料与方法

1.1 材料

浮萍（Lemna minorL.）是浮萍科浮萍属漂浮植物。实验材料采自南京水域，后移植于南京师范大学中北学院实验室塑料盆中培养。

1.2 材料的培养

2020年10月初，将实验材料置于实验室内的塑料盆中，用自来水驯化5天。选取生长状况较为一致的植株，分别用含有质量浓度为0、0.5、1.0、1.5、2.5 mg/L的Cu2+（以无水硫酸铜配制，质量浓度以纯Cu2+计算）的1/10Hoagland’s营养液处理。第5天取相同部位的叶片，用去离子水洗净擦干，测定其生理生化指标。

1.3 生理生化指标

叶绿素含量采用丙酮法测定，可溶性蛋白含量选用考马斯亮蓝G-250法测定，MDA浓度按照硫代巴比妥酸的方法测定，SOD活性选择NBT光化学还原法测定。POD活性测定采用愈创木酚法。

1.3.1 叶绿素含量的测定

采取丙酮法，将叶片用80%的丙酮研磨成匀浆，用漏斗过滤，分别在652、663和645 nm处测定吸光度。

1.3.2 可溶性蛋白含量的测定

选用考马斯亮蓝G-2 5 0法测定，以牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）为标准蛋白。在595 nm处测定吸光度。

1.3.3 丙二醛（MDA）含量的测定

叶片膜脂质过氧化的程度用丙二醛（MDA）的含量来表示。MDA含量用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定。

1.3.4 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定

取鲜重0.5 g的叶片，加入5 mL浓度为50 mmoL/L的磷酸缓冲溶液，在冰浴下研磨成匀浆并离心，上清液用于酶活性分析。

1.3.5 过氧化物酶（POD）活性的测定

参照愈创木酚法，在470 nm处每隔10 s读一次数。以每分钟吸光度的变化值表示酶活性大小。

1.4 数据处理

所有实验均重复3次。将各生理生化指标与处理浓度作相关性分析（相关系数为r），处理组与对照组之间的差异显著性分析由SPSS统计软件完成，其中，P＜0.05和P＜0.01分别表示显著差异和极显著差异。

2 结果与分析

2.1 Cu2+对浮萍叶片总叶绿素含量的影响

由实验结果可知，浮萍叶片叶绿素含量随着Cu2+质量浓度的升高而下降。在Cu2+质量浓度为0.5 mg/L时，叶绿素含量下降了65.93%，叶绿素a/b含量达到了最低值，尤其是叶绿素a的含量急剧降低。

2.2 Cu2+对浮萍叶片可溶性蛋白含量的影响

随着Cu2+质量浓度的升高，浮萍叶片可溶性蛋白含量逐渐下降。其中，在Cu2+质量浓度为1.0 mg/L时，可溶性蛋白含量略微降低。当Cu2+质量浓度超过1.5 mg/L时，浮萍中的可溶性蛋白含量显著下降。统计分析表明，可溶性蛋白含量与Cu2+质量浓度之间达到了极显著负相关（r=-0.933 6，P＜0.01）。

2.3 Cu2+对浮萍叶片丙二醛（MDA）浓度的影响

MDA浓度随Cu2+质量浓度的变化如图1所示，随着Cu2+质量浓度的不断升高，MDA的浓度也不断增加。在Cu2+质量浓度为2.5 mg/L时，浮萍叶片的MDA浓度达到最高。统计分析表明，MDA的浓度与Cu2+质量浓度呈极显著正相关（r=0.971 0，P＜0.01）。

图1 Cu2+质量浓度对浮萍叶片丙二醛（MDA）浓度的影响

2.4 Cu2+对浮萍叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

SOD活性随Cu2+质量浓度的变化如图2所示，随着Cu2+质量浓度的增加，SOD活性先上升后下降，在Cu2+质量浓度为1.0 mg/L时达到最大值。统计分析表明，对照组与实验组之间的SOD值达到了极显著差异（P＜0.01）。

图2 Cu2+质量浓度对浮萍叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

2.5 Cu2+对浮萍叶片过氧化物酶（POD）活性的影响

随着Cu2+质量浓度的不断升高，POD活性也呈先上升后下降的趋势，在Cu2+质量浓度为1.0 mg/L时达到峰值，比对照组上升了63.79%。

3 讨论

叶绿素是植物光合作用的主要色素，其含量与植物光合作用水平有着密切的关系。铜参与光合作用的电子传递和光合磷酸化及多种叶绿体酶的合成，对植物叶绿体含量和光合作用有着直接影响[1]。本实验采用2.5 mg/L Cu2+处理时，叶绿素含量降到最低。

可溶性蛋白质的含量能反映植物生理活动的旺盛程度。研究发现，在不同质量浓度的Cu2+处理下，浮萍叶片的可溶性蛋白含量逐渐降低，在低质量浓度Cu2+（0.5 mg/L）下下降缓慢；在高质量浓度Cu2+（≥1.5 mg/L）下下降明显。这可能是因为Cu2+在细胞内提高了蛋白水解酶的活性，加快了蛋白质的水解[2]。

丙二醛是最常见的膜脂过氧化产物，从膜上产生的位置释放后，可以与蛋白质等生物大分子发生反应，从而改变生物大分子的结构，甚至使其丧失功能。浮萍中MDA浓度随着Cu2+质量浓度的上升而增加，说明膜脂过氧化程度加剧。

超氧化物歧化酶普遍存在于植物体内，是一种清除超氧阴离子自由基的酶，其与过氧化物酶协同作用并预防活性氧或其他过氧化物自由基对细胞膜系统造成伤害。Cu2+胁迫可打破三者的平衡，使植物体内自由基含量上升。SOD和POD的活性都是先升后降，其活性的降低在一定程度上加剧了活性氧对膜的伤害，导致植物细胞损伤过大，保护能力下降，细胞结构及生理生化反应被破坏，最终加速了植物细胞的衰老和死亡[3]。

重金属Cu2+对浮萍有明显的毒害作用，会破坏植物正常的生理代谢，最终导致植物死亡。