羅于洋，王樹(shù)森，閆 潔，田 盼

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010019)

隨著人類利用和開(kāi)發(fā)自然資源的手段越來(lái)越先進(jìn)，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采速度被大大地加快了。連年持續(xù)地開(kāi)采加重了礦區(qū)周圍環(huán)境的重金屬污染，使農(nóng)田、水體及人類身心健康受到威脅，因此加快鉛鋅礦山的生態(tài)恢復(fù)與植被重建研究，控制和減輕重金屬對(duì)環(huán)境的污染和危害就成為迫在眉睫的事情[1]。植物提取修復(fù)是目前研究最多且最有發(fā)展前途的一種污染土壤植物修復(fù)技術(shù)，重金屬超富集植物的發(fā)現(xiàn)是植物提取修復(fù)技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

作者在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，密毛白蓮蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.var.messerschmidtiana)是鉛的超富集植物，自然條件下，密毛白蓮蒿葉中鉛含量達(dá)2 375.27 mg/kg，葉對(duì)鉛的富集系數(shù)為1.15。密毛白蓮蒿為內(nèi)蒙古山地半灌木群落的主要建群植物，高0.5～1.0 m，在白音諾爾礦區(qū)大面積分布。密毛白蓮蒿的發(fā)現(xiàn)為探討鉛在植物體中的超積累機(jī)理和鉛污染土壤植物修復(fù)的理論與實(shí)踐提供了一種新的種質(zhì)資源。

本研究以內(nèi)蒙古赤峰市白音諾爾鉛鋅礦區(qū)自然生長(zhǎng)的密毛白蓮蒿為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鉛脅迫下非礦區(qū)和礦區(qū)密毛白蓮蒿莖葉解剖結(jié)構(gòu)影響的比較研究，探討鉛脅迫對(duì)超富集植物解剖結(jié)構(gòu)的影響，在細(xì)胞水平上探討重金屬對(duì)密毛白蓮蒿的毒害機(jī)理，從而為鉛鋅礦山的生態(tài)恢復(fù)與植被重建提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 采樣區(qū)自然地理概況

采樣區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗白音烏拉蘇木境內(nèi)的白音諾爾鉛鋅礦區(qū)。該礦區(qū)是目前中國(guó)長(zhǎng)江以北最大最富的多金屬礦床，現(xiàn)已探明的鉛鋅金屬儲(chǔ)量2.488×106t，礦石中含有鉛、鋅、銀、鎘等主要金屬，鉛加鋅平均品位7.68%。礦區(qū)位于東經(jīng) 118°51′30″—118°54′30″，北 緯 44°26′00″—44°27′30″。該區(qū)氣溫變化較大 ，1 月平均氣溫 -14.1℃，最低氣溫達(dá)-39.6℃，7月份平均氣溫22.45℃，冰凍期從10月至翌年4月，最大凍土深度2.5 m，平均年降雨量337.9 mm，雨季多在6—8月。植被類型為草甸草原，土壤類型為淡黑鈣土。另一取樣地蠻漢山位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)，東經(jīng)112°2′—113°2′，北緯 40°10′—40°50′之間。蠻漢山是我國(guó)北部森林氣候區(qū)和草原氣候區(qū)的過(guò)渡地帶，年平均降水量411.4 mm，年平均氣溫5.9℃，最高氣溫39.3℃，最低氣溫-34.0℃，生長(zhǎng)期130 d左右，≥10℃積溫3 032.5℃左右。蠻漢山土壤為酸性巖砂壤質(zhì)中厚淋溶灰褐土，植被為典型森林灌叢草原。

1.2 取樣方法

礦區(qū)密毛白蓮蒿為2008年5月上旬在白音諾爾鉛鋅礦尾礦區(qū)采集，選擇生長(zhǎng)狀況良好且較為一致的密毛白蓮蒿幼株。非礦區(qū)密毛白蓮蒿為同時(shí)采集于蠻漢山的生長(zhǎng)狀況良好的密毛白蓮蒿幼株。將兩地采回的植株帶回苗圃分開(kāi)寄栽，待植株生長(zhǎng)恢復(fù)后再移于室內(nèi)的塑料盆里。

1.3 植株培養(yǎng)

將非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿用濃度為200 mg/L的醋酸鉛溶液培養(yǎng)，各設(shè)4個(gè)重復(fù)。

將苗床內(nèi)的密毛白蓮蒿幼株移栽至塑料盆中(盆口直徑15 cm，高12 cm)進(jìn)行砂培，每盆中栽植3～4株小苗，共栽4盆，放置于通風(fēng)和光照良好的地方進(jìn)行培養(yǎng)。每隔2 d澆1次去離子水，預(yù)培養(yǎng)14 d后植株生長(zhǎng)狀況良好，此時(shí)進(jìn)行200 mg/L的醋酸鉛溶液處理。培養(yǎng)期間，每隔3 d澆 1次營(yíng)養(yǎng)液(40 ml/盆)，每隔3 d澆1次去離子水(20 ml/盆)，每隔5 d澆1次醋酸鉛溶液(15 ml/盆);在每個(gè)塑料盆下放置塑料盤(pán)一個(gè)，不定期將盤(pán)內(nèi)積液倒回盆中。植株培養(yǎng)50 d后，雖然生長(zhǎng)緩慢，但生長(zhǎng)狀況良好，整株拔出進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 莖葉解剖結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法

植株培養(yǎng)50 d后做標(biāo)記，然后將莖葉脫水、透蠟、包埋、切片、展片、染色、封片。在電子顯微鏡(Olympus-BX41TF)下觀察，并記錄觀察結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 密毛白蓮蒿莖解剖結(jié)構(gòu)[2-3]

2008年11月，對(duì)200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿莖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室解剖結(jié)構(gòu)研究，結(jié)果如圖1，2和表1所示。

2.1.1 表皮 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖的表皮細(xì)胞由一層細(xì)胞組成，細(xì)胞多不規(guī)則且大小不一，細(xì)胞排列緊密。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖表皮加厚，由1～3層細(xì)胞組成，細(xì)胞多為不規(guī)則型，細(xì)胞排列整齊而緊密，顏色加深。

圖1 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結(jié)構(gòu)(10倍)

圖2 200 mg/L鉛溶液處理的礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結(jié)構(gòu)(10倍)

表1 非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面的顯微特征比較

2.1.2 皮層 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁組織的細(xì)胞大小不一，近圓形，排列疏松，含葉綠體較少。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁細(xì)胞組織細(xì)胞呈圓形或長(zhǎng)方形，排列疏松，含葉綠體多。細(xì)胞中有黑色物質(zhì)。

2.1.3 維管柱 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖韌皮部細(xì)胞小，質(zhì)密。木質(zhì)部導(dǎo)管孔徑較大，分布均勻。髓特別發(fā)達(dá)，由大型的薄壁組織細(xì)胞組成，形狀圓形或不規(guī)則，排列較為疏松，有機(jī)質(zhì)大多儲(chǔ)存在髓中。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁組織細(xì)胞比較大，木質(zhì)部導(dǎo)管管壁加厚，且導(dǎo)管中有黑色物質(zhì)。

2.2 密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)[4-9]

2008年11月，對(duì)濃度為200 mg/L的鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿、礦區(qū)密毛白蓮蒿葉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室解剖結(jié)構(gòu)研究，結(jié)果如圖3，4和表2所示。

圖3 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)(40倍)

2.2.1 表皮 如圖3所示，非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉表皮具有保護(hù)作用，由一層細(xì)胞構(gòu)成。表皮細(xì)胞不規(guī)則，排列松散，細(xì)胞大部分解體，且細(xì)胞中無(wú)葉綠體。如圖4所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿由一層表皮細(xì)胞構(gòu)成。表皮細(xì)胞呈不規(guī)則型，細(xì)胞較大，排列緊密。部分細(xì)胞中無(wú)葉綠體，部分細(xì)胞中有葉綠體但葉綠體變形。

2.2.2 葉肉 如圖3所示，非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉柵欄組織部分解體，組織中有晶體出現(xiàn)。細(xì)胞小，細(xì)胞核小且分布不均勻。海綿組織解體，海綿組織中的細(xì)胞解體，核膜和核仁消失。如圖4所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿柵欄組織由2～3層細(xì)胞組成，細(xì)胞呈長(zhǎng)方形或不規(guī)則型，排列松散，細(xì)胞大小不均勻，細(xì)胞核少。海綿組織相對(duì)不發(fā)達(dá)，細(xì)胞呈球型或多面體型，細(xì)胞間隙較小，少數(shù)細(xì)胞有細(xì)胞核。

圖4 200 mg/L鉛溶液處理的礦區(qū)密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)(40倍)

表2 非礦區(qū)和礦區(qū)密毛白蓮蒿葉片橫切面顯微特征比較

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，礦區(qū)密毛白蓮蒿對(duì)鉛含量較高的土壤環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

鉛脅迫對(duì)非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖組織結(jié)構(gòu)影響不大，礦區(qū)密毛白蓮蒿則通過(guò)加厚細(xì)胞壁，加厚導(dǎo)管壁表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。鉛脅迫下礦區(qū)密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)變化較小。

鉛脅迫下非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖組織結(jié)構(gòu)變化較小，細(xì)胞中幾乎沒(méi)有葉綠體。礦區(qū)密毛白蓮蒿由于長(zhǎng)期生長(zhǎng)在鉛礦區(qū)，表現(xiàn)出對(duì)鉛的適應(yīng)性:礦區(qū)密毛白蓮蒿莖表皮加厚，細(xì)胞壁加厚，只有葉綠體含量減少。木質(zhì)部導(dǎo)管壁出現(xiàn)加厚現(xiàn)象，導(dǎo)管中有黑色物質(zhì)。

鉛脅迫對(duì)非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉影響較大，具體表現(xiàn)為:整個(gè)組織結(jié)構(gòu)極其松散，組織內(nèi)部的細(xì)胞形狀不規(guī)則，細(xì)胞大小不規(guī)律，且排列混亂，部分細(xì)胞出現(xiàn)了解體的現(xiàn)象，細(xì)胞中葉綠體含量明顯減少。鉛脅迫下礦區(qū)密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)變化較小，其組織結(jié)構(gòu)比較完整而且內(nèi)部的細(xì)胞排列很緊密，細(xì)胞的形狀較為規(guī)則，大小比較均一，葉綠體含量無(wú)明顯減少，其細(xì)胞中細(xì)胞核較少。

細(xì)胞是生物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，重金屬引起植物細(xì)胞解剖結(jié)構(gòu)的改變是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，植物體內(nèi)的重金屬積累超過(guò)一定閥值后，對(duì)植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷是一個(gè)重要機(jī)制，通過(guò)探討植物受重金屬毒害后細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，是在細(xì)胞水平上揭示重金屬毒害植物機(jī)理的途徑之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同的角度報(bào)道了重金屬對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。李榮春[10]研究了Cd，Pb及其復(fù)合污染對(duì)烤煙葉片細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)Cd對(duì)煙葉葉肉細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的損傷誘變作用，表現(xiàn)為葉綠體類囊體腫脹或解體，基粒片層紊亂甚至消失，類囊體空泡化;細(xì)胞核變形，核仁解體，核質(zhì)分布不均勻以及出現(xiàn)微核等，較嚴(yán)重的核中央出現(xiàn)大空泡，核膜部分或全部解體，核質(zhì)分布在空泡的邊緣，線粒體脊的消失而使線粒體空泡化。施國(guó)新[11]等對(duì)汞、鎘污染對(duì)黑藻葉細(xì)胞傷害的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。葉細(xì)胞遭受Hg2+，Cd2+毒害初期，高爾基體消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨脹后解體，葉綠體中的類囊體和線粒體中的脊突膨脹或呈囊泡狀，核中染色質(zhì)凝集。隨著葉細(xì)胞遭受毒害程度的加重，核糖體消失，染色質(zhì)呈凝膠狀態(tài)，核仁消失，核膜破裂，葉綠體和線粒體解體，質(zhì)壁分離使胞間連絲拉斷，細(xì)胞壁部分區(qū)域的壁物質(zhì)松散游離，最后細(xì)胞死亡。結(jié)果表明，Hg2+和Cd2+對(duì)細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)和非膜結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生毒害作用，只是不同的結(jié)構(gòu)對(duì)毒性的耐受性有一定的差異。

內(nèi)蒙古白音諾爾鉛鋅礦是目前中國(guó)長(zhǎng)江以北最大的鉛鋅多金屬礦，在漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，對(duì)周圍的土壤環(huán)境、水體環(huán)境等造成了嚴(yán)重的重金屬污染。加強(qiáng)該地區(qū)對(duì)重金屬污染環(huán)境的研究，著手修復(fù)被重金屬污染的土壤十分必要。密毛白蓮蒿為Pb的超富集植物，在礦區(qū)大面積分布，在細(xì)胞水平上探討密毛白蓮蒿對(duì)Pb的積累和耐受機(jī)理對(duì)我國(guó)鉛鋅礦污染土壤植物修復(fù)的理論與實(shí)踐具有重要的意義。

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