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黑藻对水体Cd、Cu、Zn污染的反应机制研究

徐勤松  
【摘要】:本文以全国分布广泛的沉水植物—黑藻为研究对象,以植物非必需金属元素—Cd和兼具营养和毒害的金属元素—Cu、Zn为胁迫因子,将黑藻培养在人工模拟的含不同浓度的Cd、Cu、Zn污水中7d,系统研究了黑藻对水体Cd、Cu、Zn污染的反应机制。从以下角度进行研究:(1)通过原子吸收光谱和X—射线能谱仪研究了Cd、Cu、Zn在黑藻体内的富集:(2)通过原子吸收光谱测定了不同亚细胞组份中Cd、Cu、Zn的含量;(3)用逐步提取法分析了Cd、Cu、Zn在黑藻体内存在的化学形态;(4)用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)测定了Cd、Cu、Zn污染对黑藻吸收大量(P,K)和微量营养元素(Ca,Mg,Na,Mn,Fe,Cu,Zn)的影响;(5)Cd、Cu、Zn污染对黑藻体内活性氧(O_2~-)产生的影响和抗氧化酶(SOD,POD,CAT)的反应;(6)Cd、Cu、Zn污染后黑藻叶绿素含量和可溶性蛋白含量的变化;(7)通过激光共聚焦显微镜观察了Cd、Cu、Zn污染后黑藻叶片自发荧光的变化;(8)通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了Cd、Cu、Zn污染后黑藻叶细胞形态结构的变化;(9)用改进的硫化物—银法研究了Cd、Cu、Zn在黑藻叶细胞中的亚显微定位分布情况;(10)通过(NH_4)_2SO_4分级沉淀,多次Sephadex G—100和G—75凝胶过滤层析从黑藻体内分离和纯化Zn结合蛋白。研究结果为:(1)水生植物通常被认为能吸收和富集水体中的重金属,黑藻体内的Cd、Cu、Zn含量都随介质中的金属浓度的增大而几乎呈线性增长趋势,统计分析都达到极显著正相关(R_(Cd)=0.9956,P<0.01~(**);R_(Cu)=0.9875,P<0.01~(**);R_(Zn)=0.9990,P<0.01~(**))。黑藻对Cd、Cu、Zn吸收和积累能力(以富集系数表示)大小不同:对Cd的富集系数为193~307;对Cu的富集系数为571~1328;对Zn的富集系数为346~830。表明黑藻对Cu的吸收能力最大,3重金属元素都是低浓度更有利于黑藻对金属元素的吸收和富集。(2)黑藻各亚细胞组份中的Cd、Cu、Zn含量都随着体内含量的增多而上升,各组份的分配多少不同。Cd、Zn的含量都是细胞壁>可溶性部分>细胞器,Cu含量为细胞壁>细胞器>可溶性部分。显示出细胞壁在黑藻 中文摘要 对Cd、Cu、Zn的吸收中占重要地位。(3)Cd、Cu、Zn在黑藻体内以不同的 化学形态存在,Cd和Zn是以IM的NaCI溶液提取态占优势,而Cu是以80 %乙醉提取态最多。各结合形态的含量多少依次为:Cd: FNaclFH^cF腼户FE山二01FHe,FResidu。,Cu:FE山anolFHe一FNac一Fwate户FH^。 FRes.du。,Zn:FNac,FH^。Foe:FEthano.FRosidu。Fwater。(4)黑藻对营养元素的 吸收受Cd、Cu、Zn污染的影响不同。其中,Cd、Cu、Zn都抑制了黑藻对大 量营养元素P和K的吸收,达到显著或极显著负相关。对微量营养元素而言: Cd促进了对Ca、Mn、Fe、Cu的吸收,对Mg和Na的吸收都为先升后降:Cu 和Zn都使黑藻对Ca和Mn吸收先升后降,都显著促进了对Fe的吸收。Zn还 增加了黑藻体内Cu的含量。而Cu则使黑藻体内Zn浓度下降。这表明Cd、Cu、 Zn污染后打破了黑藻体内外的离子平衡。(5) Cd、Cu、Zn都不同程度的加快 了02一产生速率,统计分析发现都达到了极显著正相关(又。二0.9841,P0.01”; Rcd=0.95103,P0.01”;Rzn=0.9534,P0.01’‘);eu使500、POn、e灯活 性下降;Cd也都减弱了SOD和POD活性,而CAT活性在0.5一sm酬处理浓 度时增加;Zn对SOD活性也为抑制作用,当浓度为。.5~sm酬时POD和CAT 活性都上升。灰色关联度分析结果表明Cd、Cu和Zn胁迫下黑藻起主要保护作 用的分别为POD、POD和CAT,而SOD最易受到影响。所以我们建议将SOD 作为沉水植物监测水体重金属污染的分子生态毒理学指标。(6) Cd、Cu处理下 的叶绿素含量也都呈下降趋势,而0.5~sm留l的Zn浓度刺激了叶绿素合成。 所有Zn处理、0.5m岁1的Cu处理和0.5一lmg/l的Cd处理的叶绿素确值都大 于对照值。除了各Cu处理浓度都使可溶性蛋白含量减少外,0.5一sm酬的Zn 和0.5一lm岁l的Cd都使其含量增加。(7) Cu、Zn污染后黑藻叶自发荧光范围 变窄,峰值变小,平均强度减小。(8)扫描电镜和透射电镜观察发现,随污染 物浓度的增加,Cd、Cu、Zn对黑藻叶细胞形态结构都产生破坏作用,但损伤 程度不同,表现为:细胞壁扭曲,细胞变形;细胞核核仁解体,染色质凝集, 直至消失,核膜断裂:叶绿体类囊体膨胀,被膜破裂;线粒体晴突数目减少, 线粒体呈空泡状;质壁分离,质膜断裂。(9)目前,硫化物一银法定位重金属 仅有对于动物材料的报道,本文则首次将其用于植物样品中研究。观察结果表 明Cd、Cu、Zn在黑藻叶细胞的细胞壁、叶绿体类囊体和细胞核核仁、染色质 等都有分布,此外液泡中还发现有Cd颗粒。这与其诱导的超微结构损伤有较 好的一致性。(10)逆境蛋白是目前研究的热点,本文初步研究结果显示出Zn 中文摘要 处理后促进了黑藻体内原先不多的与Zn结合相关逆境蛋白的合成,其性质有待 进一步研究。综合起来,黑藻对Cd、Cu、Zn污染的反应是多方面的,Cu对黑 藻的毒害最大,致死浓度为0.5~lm留1;Cd次之,致死浓度为:1~Zm创1;zn 最弱,致死浓度为5一6m酬。黑藻的Cu致死浓度已经达到国家环保总局制订 的地面水质量标准,可以将其作为监测水环境Cu污染


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