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        銻脅迫對(duì)香蒲生理生長指標(biāo)的影響

        2022-03-21 07:12:02沈子劍商子健王法鑫
        關(guān)鍵詞:影響研究

        沈子劍,商子健,王法鑫,劉 飛

        (淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,安徽 淮北 235000)

        0 引言

        銻(Sb)是一種稀缺的金屬資源,由于廣泛的應(yīng)用于電池、防火材料等產(chǎn)品導(dǎo)致其在環(huán)境中普遍存在,已成為全世界面臨的重要環(huán)境難題之一[1].據(jù)相關(guān)研究顯示,我國土壤中Sb含量的背景值是0.38~2.98 mg·kg-1,但在銻礦區(qū)及周邊地區(qū)、冶煉廠等地Sb含量會(huì)劇增[2].研究表明,Sb及Sb化合物對(duì)于人體具有致癌性,并會(huì)在生物體內(nèi)蓄積并造成毒害作用,美國環(huán)境保護(hù)署已將銻列入優(yōu)先污染物名單[3-5].人為因素是造成銻大面積污染的主要原因,過度且不規(guī)范的開采銻礦、銻化合物的過量使用以及煤炭大規(guī)模使用,都會(huì)造成銻污染.李航彬等[6]對(duì)湖南錫礦山及周邊礦區(qū)土壤中的銻含量及形態(tài)進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn)各礦區(qū)土壤中銻含量高達(dá)185.6~2 081.3 mg·kg-1,嚴(yán)重超出土壤銻背景值.Ainsworth等[7]的研究發(fā)現(xiàn)在英格蘭一個(gè)冶煉銻工廠的周邊土壤中銻含量超過1 400 mg·kg-1,且隨著距離的增加銻含量降低.由此可見,緩解Sb污染問題亟不可待.

        環(huán)境中Sb的存在形式主要是Sb3+和Sb5+,且毒性與價(jià)態(tài)密切相關(guān)[8].據(jù)報(bào)道發(fā)現(xiàn)Sb3+毒性約是Sb5+的10倍,且Sb3+與紅細(xì)胞親和性極高[9].Sb不是植物生長的必須元素,但依然可以被植物吸收[10].Ren等[11]以不同形態(tài)Sb處理水稻發(fā)現(xiàn),Sb3+和Sb5+均能導(dǎo)致水稻體內(nèi)積累大量的Sb,且Sb積累量在水稻體內(nèi)分布為根>莖>葉.Zhou等[12]通過對(duì)菖蒲進(jìn)行Sb3+和Sb5+的脅迫處理后發(fā)現(xiàn),隨著土壤中Sb含量的增加,菖蒲的葉綠素含量、株高、光合作用以及光合熒光參數(shù)均減少,但Sb5+的處理出現(xiàn)了毒物興奮效應(yīng),250 mg·kg-1的Sb5+處理促進(jìn)了菖蒲的生長.根據(jù)研究結(jié)果顯示,銻脅迫會(huì)抑制植物的發(fā)芽,并破壞光合系統(tǒng)Ⅱ,導(dǎo)致植物葉綠素含量降低進(jìn)而降低光合速率[13].

        香蒲(Typha orientalis),是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的多年生水生或沼生草本,因其根系發(fā)達(dá)、生物量高、繁殖能力強(qiáng)以及對(duì)于各種污染環(huán)境具有較高的耐受性而被廣泛應(yīng)用于人工濕地凈化污水[14-15].據(jù)相關(guān)研究報(bào)道,香蒲可以在多種重金屬污染的環(huán)境中生長良好,而更細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)香蒲對(duì)Cu、Zn、Cd、As、Pb、Sb等重金屬具有較高的耐受性,并且能夠吸收和富集水體中的氮、磷等有機(jī)污染物[16-18].香蒲具有極高的生態(tài)環(huán)境價(jià)值,目前有關(guān)探究Sb脅迫對(duì)香蒲生理生長指標(biāo)影響的研究還未見報(bào)道.本研究以香蒲為材料,利用盆栽實(shí)驗(yàn),解析Sb脅迫對(duì)香蒲生理生長指標(biāo)的影響,為后期香蒲在銻污染區(qū)域的引種及生態(tài)環(huán)境價(jià)值提供理論參考.

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        選取香蒲(Typha orientalis)作為試驗(yàn)材料,從江蘇省宿遷市榮玥園林有限公司購買香蒲幼苗,并篩選發(fā)育良好高度統(tǒng)一的香蒲幼苗作為試驗(yàn)所用植株.試驗(yàn)所用土壤取自淮北師范大學(xué)相山校區(qū)周邊田地土壤.經(jīng)檢測(cè)土壤中銻含量為0.086 mg/kg.取表層土壤后風(fēng)干,破碎過60目篩備用.

        1.2 試驗(yàn)方案

        在淮北師范大學(xué)相山校區(qū)生命科學(xué)學(xué)院溫室大棚進(jìn)行銻脅迫對(duì)香蒲生理生長指標(biāo)影響試驗(yàn),使用口徑35 cm,高34 cm的黑色塑膠桶作為花盆,每盆加入10 kg土壤,15 L水.選取發(fā)育良好,長勢(shì)一致的香蒲幼苗進(jìn)行培養(yǎng),每盆種植5顆幼苗.Sb3+溶液的配置使用酒石酸銻鉀,設(shè)置銻濃度梯度分別為0、50、100、200、500、1 000 mg·kg-16個(gè)處理,分別記為CK、A1、A2、A3、A4、A5,每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù),對(duì)香蒲進(jìn)行銻脅迫處理.以A5處理為基準(zhǔn)計(jì)算鉀離子含量為0.321 mg·kg-1,給其他處理施加鉀肥達(dá)到這一濃度,以保證鉀離子對(duì)香蒲的影響一致.在種植期間定時(shí)加水,保持每個(gè)處理水位一致,銻脅迫45 d后進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測(cè)定.

        1.3 香蒲生理生化指標(biāo)的測(cè)定

        選取長勢(shì)較好的葉片,使用SPAD-502便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定香蒲葉綠素含量.每盆處理測(cè)量6個(gè)葉片,每個(gè)葉片進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量.香蒲進(jìn)行暗處理1 h后,選取長勢(shì)較好的葉片使用MINI-PAM葉綠素?zé)晒鈨x(Germany,WALZ)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定,測(cè)定香蒲Fo(初始熒光)、Fm(最大熒光產(chǎn)量).計(jì)算得出以下指標(biāo):Fv(可變熒光)=Fm-Fo,PSⅡ最大光化學(xué)效率=Fv/Fm,PSⅡ潛在活性=Fv/Fo.

        使用Licor-6400XT便攜式光合儀測(cè)定銻脅迫處理下香蒲的光合參數(shù),測(cè)定時(shí)間為晴天上午9點(diǎn)-11點(diǎn)30分,光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000μmol·m-2·s-1,二氧化碳濃度為400μmol·mol-1,樣品室氣流量為450μmol·s-1.測(cè)定數(shù)據(jù)包括Pn、Gs、Ci、Tr.每個(gè)處理選取6片香蒲葉片進(jìn)行測(cè)定,每次測(cè)定進(jìn)行3次重復(fù).

        使用卷尺對(duì)香蒲株高進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)梯度處理選取長勢(shì)良好的香蒲三株挖出后,用蒸餾水洗凈根部,從根部進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果取平均值.

        1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        數(shù)據(jù)的初步整理使用Excel(365)進(jìn)行,使用SPSS21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘,并利用Origin2018作圖.

        2 結(jié)果

        2.1 銻脅迫對(duì)香蒲株高的影響

        圖1展示了銻脅迫對(duì)香蒲株高的影響,通過株高可以反映銻對(duì)香蒲生長狀況的影響.由圖1可知,隨著Sb3+濃度的增高,香蒲株高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),顯示銻脅迫對(duì)香蒲的毒物興奮效益.當(dāng)土壤中Sb3+濃度達(dá)到100 mg·kg-1時(shí),香蒲株高達(dá)到最大值106.12±8.68 cm.土壤中Sb3+濃度超過100 mg·kg-1時(shí),香蒲株高開始下降,1 000 mg·kg-1處理下香蒲株高最矮,為86.51±4.16 cm.對(duì)不同處理下的香蒲株高進(jìn)行單因素方差分析,A2與其他處理之間存在顯著差異(p<0.05),A5與CK、A1、A2、A3之間存在顯著差異(p<0.05).A2與對(duì)照相比,香蒲株高顯著增加了10.86%;A5與對(duì)照相比,香蒲株高顯著降低了9.63%.

        圖1 銻脅迫對(duì)香蒲株高的影響

        2.2 銻脅迫對(duì)香蒲葉綠素含量的影響

        如圖2所示,展示了銻脅迫對(duì)香蒲葉綠素含量的影響,由圖可知隨著銻濃度的增加,香蒲葉片中葉綠素含量呈下降趨勢(shì).各處理與CK相比,A1、A2、A3、A4、A5處理下香蒲葉片中葉綠素含量分別下降了13.00%、25.78%、34.36%、34.14%、51.17%.表明銻污染會(huì)降低香蒲葉片中葉綠素的含量,進(jìn)而影響香蒲生長.單因素方差分析顯示,A2、A3、A4、A5處理下葉綠素含量均與CK存在顯著差異(p<0.05),1 000 mg·kg-1銻處理下的葉綠素含量與其他處理均差異顯著(p<0.05).

        圖2 銻脅迫對(duì)香蒲葉綠素含量的影響

        2.3 銻脅迫對(duì)香蒲光合作用的影響

        銻脅迫對(duì)香蒲光合作用的影響如圖3所示.土壤中銻濃度的增加,顯著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr,但是香蒲的Ci隨著銻濃度的增加呈上升趨勢(shì).A5處理下的香蒲葉片光合參數(shù)與CK對(duì)比發(fā)現(xiàn),Pn、Gs、Tr分別降低了65.39%、71.04和61.02%,Ci增加了20.06%.單因素方差分析顯示,Pn、Gs、Tr以及Ci在A2、A3、A4、A5與CK處理之間均具有顯著差異(p<0.05).以上結(jié)果表明,銻脅迫會(huì)顯著降低香蒲的光合能力,影響其生長.

        圖3 銻脅迫對(duì)香蒲光合參數(shù)的影響

        2.4 銻脅迫對(duì)香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

        表1展示了經(jīng)過不同濃度銻處理后香蒲葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù).通過對(duì)表1香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)的分析可知,當(dāng)銻濃度升高后,最大熒光、可變熒光、PSII最大光化學(xué)效率、PSII潛在活性、ΦPSII實(shí)際光化學(xué)效率以及電子傳遞速率(ETR)均呈下降趨勢(shì),且單因素方差分析顯示,與CK對(duì)比A5處理下的香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)均差異顯著(p<0.05).與CK對(duì)比A1處理的香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著差異(p>0.05).A5與CK比較發(fā)現(xiàn),最大熒光顯著降低了24.33%、可變熒光顯著降低了41.12%、PSII最大光化學(xué)效率顯著降低了23.08%、PSII潛在活性顯著降低了54.26%、ΦPSII實(shí)際光化學(xué)效率顯著降低了29.30%、電子傳遞速率顯著降低了60.47%.

        表1 銻脅迫對(duì)香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

        3 討論

        植物的株高可以反映重金屬的毒害影響,銻污染會(huì)導(dǎo)致植物葉片變小,植株矮?。?9-20].通過銻脅迫對(duì)香蒲株高的影響發(fā)現(xiàn),隨著Sb3+濃度的增高,香蒲株高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)Sb3+濃度達(dá)到100 mg·kg-1時(shí),香蒲株高達(dá)到106.12±8.68 cm最大值.Sb3+濃度超過100 mg·kg-1時(shí)香蒲株高開始下降,1 000 mg·kg-1處理下香蒲株高最矮,為86.51±4.16 cm.胡龑等[21]研究發(fā)現(xiàn)菖蒲幼苗在100 mg·kg-1時(shí)生長狀況最好,超過100 mg·kg-1時(shí)出現(xiàn)生長抑制.任偉等[22]研究表明,砷脅迫同樣對(duì)于香蒲具有低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用.本研究成果同樣體現(xiàn)出銻脅迫對(duì)香蒲具有低促高抑的作用.

        葉綠素是葉綠體中的主要成分,對(duì)植物吸收并轉(zhuǎn)化光能起重要作用,因此葉綠素含量可以反映植物光合作用的程度[23].本文研究結(jié)果顯示,隨著銻濃度的增加,香蒲葉片中葉綠素含量呈下降趨勢(shì),1 000 mg·kg-1銻處理下的葉綠素含量與其他處理均差異顯著(p<0.05).據(jù)相關(guān)研究表明,當(dāng)銻濃度超過一定范圍時(shí),會(huì)抑制芥菜生長,導(dǎo)致其葉片葉綠素含量下降,與本文研究結(jié)果一致[24].導(dǎo)致葉綠素降低的原因主要是銻濃度過高,破壞葉綠體中金屬蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素生成量減少.

        光合作用是評(píng)價(jià)植株生長發(fā)育的基礎(chǔ)指標(biāo),是植物物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ),重金屬脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉綠素含量減少,進(jìn)而降低植物的光合效率[25].相關(guān)研究顯示,Cu2+濃度會(huì)抑制蘿卜幼苗的形態(tài)、葉綠素含量并最終影響自身光合作用[26].本文研究結(jié)果與上述報(bào)道一致,隨著銻濃度的增加,顯著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr,但是香蒲的Ci隨著銻濃度的增加呈上升趨勢(shì).據(jù)報(bào)道,氣孔限制與非氣孔限制都會(huì)降低凈光合速率,胞間二氧化碳是判別氣孔與非氣孔限制的依據(jù)[27-28].在本研究中隨著凈光合速率的降低,胞間二氧化碳呈上升趨勢(shì),表明是受非氣孔限制因素導(dǎo)致,銻脅迫使香蒲葉肉細(xì)胞受損.

        葉綠素?zé)晒鈪?shù)同樣反應(yīng)了光合作用與環(huán)境脅迫之間的關(guān)系,據(jù)相關(guān)研究報(bào)道,當(dāng)Sb3+濃度超過50 mg·kg-1時(shí)會(huì)抑制玉米葉綠素的合成進(jìn)而降低最大光化學(xué)效率[29].同樣,銻脅迫會(huì)抑制菖蒲葉綠素的合成,降低凈光合速率進(jìn)而導(dǎo)致最大光化學(xué)效率與ΦPSII實(shí)際光化學(xué)效率顯著減少,影響菖蒲生長發(fā)育導(dǎo)致植株矮小[12].本研究結(jié)果與上述報(bào)道一致,在該研究中伴隨著銻濃度的增加,最大熒光、可變熒光、PSII最大光化學(xué)效率、PSII潛在活性、ΦPSII實(shí)際光化學(xué)效率以及電子傳遞速率(ETR)均呈下降趨勢(shì),與CK對(duì)比A5處理下的香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)均差異顯著(p<0.05).該結(jié)果表明,銻脅迫會(huì)破壞香蒲葉片的PSII反應(yīng)中心,進(jìn)而導(dǎo)致ΦPSII實(shí)際光化學(xué)效率降低.

        4 結(jié)論

        綜上所述,銻對(duì)植物的脅迫機(jī)制十分復(fù)雜,本研究探討了銻脅迫對(duì)香蒲生理生長相關(guān)指標(biāo)的影響,結(jié)果表明,100 mg·kg-1時(shí),香蒲株高最高,而高濃度銻會(huì)抑制香蒲生長,但沒有導(dǎo)致香蒲幼苗的死亡,說明香蒲對(duì)銻具有耐受性.同時(shí),銻濃度的增加會(huì)抑制香蒲葉片葉綠素的合成,進(jìn)而導(dǎo)致香蒲葉綠素?zé)晒鈪?shù)的降低,并最終影響香蒲光合作用.本研究結(jié)果為后期香蒲在銻污染區(qū)域的引種及生態(tài)環(huán)境價(jià)值提供理論參考,對(duì)于銻在香蒲體內(nèi)的遷移與轉(zhuǎn)化還有待進(jìn)一步研究.

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