李業(yè)東 李東升 趙曉松

摘要通過(guò)1/5 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn),研究外源甲基叔丁基醚(MTBE)污染脅迫對(duì)浮萍葉片光合功能的影響。結(jié)果表明,在0~500mg/L范圍內(nèi),浮萍未產(chǎn)生明顯的毒害作用。隨著MTBE脅迫濃度的增加,導(dǎo)致浮萍光合作用放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對(duì)NO3-的還原產(chǎn)生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對(duì)照相比均達(dá)到顯著水平(P< 0.05)。

關(guān)鍵詞甲基叔丁基醚(MTBE);脅迫;浮萍;光合功能

中圖分類(lèi)號(hào)Q945.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)08-0009-02

甲基叔丁基醚(Methyl Tertiary Butyl ether,MTBE)是全球應(yīng)用最廣泛的汽油添加劑,迄今已使用20多年,是用量最大的含氧化合物之一。隨著MTBE使用量的逐年增加以及在環(huán)境中的累積效應(yīng),對(duì)環(huán)境和人體構(gòu)成了潛在危害。MTBE對(duì)環(huán)境的污染已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視[1-4],在汽油添加劑替代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、MTBE對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響以及MTBE污染的生物修復(fù)等方面開(kāi)展了一些研究工作。毒理學(xué)研究表明[5,6],MTBE是一種動(dòng)物致癌物質(zhì),同時(shí)也是一種人體可疑致癌物質(zhì),能夠影響人的中樞神經(jīng)。水體中MTBE達(dá)到57~1 000mg/L時(shí),對(duì)各種無(wú)脊椎水生生物具有毒性,在388~2 600mg/L范圍對(duì)脊椎水生生物具有毒性。長(zhǎng)期飲用含有MTBE的污染水,淋巴細(xì)胞凋亡率較對(duì)照群體明顯增加,而浮萍對(duì)水中重金屬具有較強(qiáng)的吸收能力[7,8]。

浮萍(Lemna minor L.)為浮萍科水生維管束植物,生長(zhǎng)于沼澤、湖泊以及靜水中,分布廣泛。由于浮萍具有繁殖快、產(chǎn)量高、個(gè)體小、浮于水面、易從污染水體吸附污染物質(zhì)等特點(diǎn),廣泛用于污染水體生物修復(fù)研究中。目前,MTBE脅迫對(duì)水生植物光合作用以及相關(guān)過(guò)程的研究還少有報(bào)道。本文選擇分布廣泛的浮水植物浮萍作為試驗(yàn)對(duì)象,研究外源MTBE污染脅迫對(duì)浮萍光合功能的影響,為闡明MTBE污染水體浮水植物退化機(jī)理及恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用浮萍采自長(zhǎng)春凈月潭水體,試驗(yàn)在室內(nèi)溫室進(jìn)行,采用半靜態(tài)模擬試驗(yàn)方式。白天間平均溫度為25℃,夜晚平均溫度為20℃,相對(duì)濕度65%,光照12h/d,光強(qiáng)度為4 000Lx。以直徑50cm高15cm的塑料盆作為浮萍培養(yǎng)缽,每個(gè)培養(yǎng)缽盛裝1/5Hoagland營(yíng)養(yǎng)液5L,底部鋪5cm細(xì)沙。采集的浮萍被洗凈后在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng),每天更換1/3培養(yǎng)液。10d后,當(dāng)葉片長(zhǎng)至5mm左右時(shí)進(jìn)行脅迫試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在1/5Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液中加入MTBE,使其濃度為0 mg/L(對(duì)照)、0.5mg/L(1998年美國(guó)EPA規(guī)定飲用水中可接受濃度的10倍)、5.0mg/L、50mg/L、500mg/L。將大小一致的浮萍植株移栽到含有一定濃度MTBE的培養(yǎng)液中,脅迫處理96h,每天更換1/3培養(yǎng)液。每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)排列。選取大小一致的浮萍葉片,測(cè)定光合功能參數(shù)。

1.3分析方法[9]

采集浮萍,用去離子水洗凈,吸水紙吸干表面水分。采用氧電極法測(cè)定光合速率;以ATP為底物,測(cè)定葉綠體Mg2+-ATP合成酶的活性;活體法測(cè)定硝酸還原酶(NR)活性;酚二磺酸分光光度法測(cè)定NO3-含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析,采用t檢驗(yàn)檢測(cè)不同處理與對(duì)照處理間的差異顯著性。

2結(jié)果與分析

2.1對(duì)浮萍葉片光合速率的影響

葉綠體是植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧的主要細(xì)胞器之一,是植物光合作用的器官,植物在正常生長(zhǎng)條件下,最大光化學(xué)效率不受物種和生長(zhǎng)條件的影響極少變化。由圖1可知,在MTBE脅迫條件下,光合放氧復(fù)合體受到影響,隨MTBE濃度的增加,光合放氧速率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)體系中MTBE濃度低于0.5mg/L時(shí),浮萍葉片放氧速率與對(duì)照相比略有降低,但差異不顯著(P>0.05)。繼續(xù)增加MTBE濃度,放氧速率顯著降低(P<0.01),說(shuō)明浮萍的光合能力受到抑制,使浮萍生長(zhǎng)受到抑制,從而降低浮萍對(duì)MTBE污染水體的修復(fù)能力。

2.2對(duì)浮萍葉片葉綠體ATP合成酶活性的影響

逆境脅迫下植物細(xì)胞內(nèi)自由基代謝平衡被破壞,過(guò)量的自由基引發(fā)或加劇膜脂過(guò)氧化作用,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷,干擾植物細(xì)胞的光合、呼吸及其他代謝過(guò)程,嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡。由圖2可知,MTBE脅迫使浮萍葉片ATP合成酶活性降低,下降趨勢(shì)與MTBE脅迫濃度密切相關(guān)。當(dāng)MTBE濃度低于5mg/L時(shí),與對(duì)照相比,ATP合成酶活性變化不顯著(P>0.05)。繼續(xù)加大MTBE脅迫濃度到50mg/L,浮萍葉片ATP合成酶活性?xún)H為對(duì)照的43.7 %,達(dá)到極顯著性差異(P<0.01)。ATP合成酶活性降低與浮萍受MTBE脅迫后葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān),MTBE脅迫可能破壞了類(lèi)囊體膜的完整性,影響類(lèi)囊體膜內(nèi)外側(cè)H+質(zhì)子梯度的形成。

2.3對(duì)浮萍葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響

硝酸還原酶是NO3-同化過(guò)程中的限速酶。正常情況下,植物體內(nèi)NR酶活性維持在一定水平,使體內(nèi)的NO3-還原,NR降低說(shuō)明NO3-在植株體內(nèi)的還原過(guò)程受阻。由圖3可知,MTBE脅迫使浮萍葉片NR活性下降,只是在低濃度(≤5mg/L)脅迫時(shí),NR下降速率較慢。增大MTBE脅迫濃度,NR酶蛋白的硝酸化過(guò)程受到影響,使NR活性明顯下降,說(shuō)明浮萍葉片對(duì)NO3-的同化能力受到MTBE脅迫的影響,直接影響到植株對(duì)N的吸收和利用。植物正常生長(zhǎng)條件下,體內(nèi)NO3-在NR作用下及時(shí)地轉(zhuǎn)化為NO2-,在體內(nèi)較少積累。由圖4可知,在NR減少的同時(shí),浮萍體內(nèi)NO3-不斷積累,隨MTBE濃度增加,NO3-含量比對(duì)照增加了0.91%～63.6%,達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。可見(jiàn)水體受到MTBE污染后,NR受到抑制,過(guò)量的NO3-在體內(nèi)積累可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明,在0～500mg/L MTBE試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),浮萍未產(chǎn)生明顯的毒害作用。MTBE脅迫使浮萍光合放氧復(fù)合體受到傷害,光合放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對(duì)NO3-的還原產(chǎn)生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對(duì)照相比均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

4參考文獻(xiàn)

[1] 余其杰.汽油添加劑MTBE的最新研究及替代品[J].石油化工環(huán)境保護(hù),2001(2):59-60.

[2] 張維昊,徐小清,方濤,等.甲基叔丁基醚對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2002,15(6):56-59.

[3] 于曉章.汽油添加劑甲基叔丁基醚(MTBE)污染的植物修復(fù)[J].生態(tài)科學(xué),2003,22(2):109-112.

[4] SCHIRMER M,BUTLER B J,CHURCH C D,et al. Laboratory evi-dence of MTBE biodegradation in Borden aquifer material[J].J.Con-tamin Hydrology,2003,60(3-4):229-249.

[5] LIU AI-FEN,ZUANG DE-HUI,WU ZHENG-BIN. Recent pro-gress in environmental toxicology study of Methyl Tert-butyl Ether[J].Environmental Science & Technology,2005,28(5):108-111.

[6] FARID E AHMED.Toxicology and human health effects following exposure to oxygenated or reformulated gasoline[J].Toxicology Letters,2001(123):89-113.

[7] 龔道新,汪傳剛,楊仁斌,等.咪酰胺及其制劑對(duì)三葉浮萍生長(zhǎng)的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,31(6):668-671.

[8] 宋志慧,黃國(guó)蘭.浮萍在水生態(tài)毒理學(xué)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005,28(1):94-99.

[9] 李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.