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La和Ce在伊乐藻体内的积累及其毒理学效应研究

蔡三娟  
【摘要】:本文以分布广泛的高等水生植物伊乐藻(Elodea canadensis)为研究材料,以地壳中含量最丰富的轻稀上元素镧(La)和铈(Ce)为胁迫因子,通过在实验室模拟稀土污染水体环境,运用植物生理生化和透射电镜等技术研究了不同浓度稀土元素在水生植物体内的积累、亚细胞分布、结合形态及其毒理学效应。研究结果表明: (1)用含不同浓度La (0,5,10,15,20mg·L-1)的1/10Hoagland营养液培养7天,分析了La在伊乐藻亚细胞组分中的分布、赋存形态及其对矿质营养、光合色素、丙二醛(MDA)、活性氧(ROS)、抗氧化系统(抗氧化酶和小分子抗氧化物质)和细胞超微结构的影响。研究表明:伊乐藻对La的积累具有明显的浓度依赖效应,La的最高含量可达1956.9±57.2μg·g-1FW。从La在各亚细胞组分中的分布特性可以看出,La在细胞壁中积累最多(83.8-%-86.0%),其次为细胞器(8.20%-9.3%),可溶性部分中积累最少(5.4%-7.4%),这表明细胞壁是La在伊乐藻细胞内的主要结合部位。各生物大分子结合的La含量多少依次为纤维素和果胶蛋白质多糖脂质。La处理明显导致伊乐藻矿质营养失衡,主要表现为抑制对Ca、K、Mg和Mn的吸收。随着培养液中La浓度的增加,伊乐藻褪绿程度逐渐加重,光合色素(叶绿素和类胡萝卜素)含量显著降低,同时植物体内MDA和活性氧急剧积累。La胁迫对伊乐藻抗氧化系统存在不同影响,随着外源La浓度的升高,过氧化物酶(POD)活性先降后升,在20mg·L-1La处理组活性仍高于正常值,而超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性均逐渐降低。低浓度La能诱导小分子保护物质[抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、非蛋白巯基(NP-SH)、植物络合素(PCs)]含量增加,更高浓度则开始下降,最高浓度处理组,其含量均高于对照水平。电镜观察发现La对细胞器(尤其是叶绿体和线粒体)超微结构造成明显损伤,表现为低浓度La处理时,叶绿体和线粒体膨胀,类囊体出现空泡化,嵴突排列无序;高浓度La处理则使破坏程度加重,叶绿体被膜消失,线粒体和叶绿体空泡化明显,逐渐解体。在实验周期内,La对伊乐藻的半效应浓度(ECso)为3.1mg.L-1,水体最大允许浓度(MPC)为0.31mg.L-1。结果表明,La在伊乐藻细胞中主要分布在细胞壁,与纤维素和果胶紧密结合。随着La在细胞内积累的增多,伊乐藻也出现一系列明显的生理变化,包括矿质营养失衡,光合色素含量下降,活性氧产生以及抗氧化系统和细胞超微结构遭到破坏等。 (2)研究了不同浓度Ce(0,5,10,15,20mg·L-1)处理伊乐藻7天后,Ce的业细胞分布、赋存形态及其对矿质营养吸收、光合色素含量、膜脂过氧化、活性氧的产生和抗氧化系统的影响。研究结果表明:随着培养液中Ce浓度的增大,Ce在伊乐藻体内的含量极显著上升,在20mg-L-1Ce处理浓度下含量达到2008.7±6.7μg·-g-1FW。Ce在各亚细胞组分中的分布顺序为细胞壁(75.4%-81.4%》细胞器(13.0%-20.4%)可溶性部分(3.70%o-5.6%)。与Ce在亚细胞组分中的分布情况一致,Ce在伊乐藻细胞内主要与纤维素和果胶结合(约占Ce总量的84.10%-97.6%),而与脂质结合最少(约占Ce总量的0.6%--1.0%)。Ce处理明显干扰伊乐藻对营养元素的吸收,主要表现为显著降低了伊乐藻对Ca和Mg的吸收,Fe、K和Mn的含量先降低后上升。随着处理浓度的增加,伊乐藻叶绿素含量显著下降,在20mg.L-1Ce处理组,总叶绿素、.叶绿素a和叶绿素b含量分别下降了75.7%,78.2%和68.5%。MDA和过氧化氢(H202)含量以及超氧阴离子(02·-)产生速率都显著上升,同时,抗氧化系统也受到不同程度的影响,其中SOD、APX和GR活性受到明显抑制,POD和CAT活性呈上升趋势,AsA、GSH、NP-SH和PCs含量变化均随Ce浓度的增加而表现出先升后降趋势,在10-15mg·L-1Ce处理时达到最大值,20mg·L-1处理浓度下虽开始下降,但仍高于对照水平。在实验周期内,Ce对伊乐藻的半效应浓度(EC50)为3.6mg·L-1,水体最大允许浓度(MPC)为0.36mg·L-1。 (3)Ce与La相似,在伊乐藻细胞中主要分布在细胞壁,以与纤维素和果胶结合为主,对伊乐藻的生理生化及细胞超微结构都造成明显损伤。这意味着高浓度外源轻稀土元素可能给水生生态系统带来潜在不良影响。


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