苔蘚植物對(duì)重金屬污染的響應(yīng)機(jī)理和生物指示的研究.pdf

1、隨著人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境干擾程度的日益加劇，利用生物對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行指示和檢測(cè)成為當(dāng)前對(duì)環(huán)境生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。苔蘚植物作為一類良好的指示植物，被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用為環(huán)境污染和變化的指示生物。但有關(guān)苔蘚植物對(duì)環(huán)境污染的響應(yīng)及機(jī)理研究?jī)H有少數(shù)研究和報(bào)道。本論文在成功利用組培技術(shù)大量擴(kuò)繁小立碗蘚（Physcomitrella patens）、細(xì)葉小羽蘚（Haplocladium microphyllum）和葡枝青蘚（Brachythecium pr

2、ocumbens）配子體的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的同步輻射X熒光分析技術(shù)（SRXRF）和生理生化測(cè)定分析，開展了組培條件下試管內(nèi)苔蘚植物的重金屬脅迫實(shí)驗(yàn)，深入研究了重金屬脅迫下3種蘚類植物的重金屬及營(yíng)養(yǎng)元素的積累規(guī)律及其生理生化響應(yīng)，探討蘚類植物對(duì)環(huán)境污染的響應(yīng)機(jī)理及其生物指示作用。
　　 主要的研究結(jié)果如下:
　　 (1)在大量的比較實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)完成了細(xì)葉小羽蘚和葡枝青蘚的組培研究工作并建立了兩種蘚類配子體植株高效的人工

3、快繁系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種蘚類植物配子體在試管內(nèi)快繁而言，基本培養(yǎng)基的組成、培養(yǎng)基中外源蔗糖濃度、激素條件以及培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)外狀況都會(huì)對(duì)試管內(nèi)生長(zhǎng)的配子體產(chǎn)生重要影響。本研究最終確定的兩種蘚類配子體試管內(nèi)快繁的最佳條件是:改良的Knop's基本培養(yǎng)基添加10g/L的蔗糖;pH值調(diào)整在5.8至6.0;培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)空氣相對(duì)濕度保持在75％至85％之間;培養(yǎng)瓶要具有適度的透氣性;培養(yǎng)溫度為20±2℃;光照時(shí)間為14hr;光照強(qiáng)度為1500lux至20

4、00lux。
　　 上述相關(guān)研究成果獲得了2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利的授權(quán)，同時(shí)獲得了重金屬脅迫實(shí)驗(yàn)所需的兩種蘚類配子體材料。
　　 (2)通過組培條件下的重金屬脅迫實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用SRXRF技術(shù)，測(cè)定分析了不同濃度Pb2+，Cu2+，Cr6+，F(xiàn)e2+等重金屬離子單一或復(fù)合脅迫下，3種蘚類的重金屬元素的積累規(guī)律。單一重金屬污染時(shí)，隨著重金屬離子污染濃度的增高，配子體中相應(yīng)重金屬元素的累積量呈現(xiàn)顯著增高趨勢(shì)。蘚類植物種類不同，其配子體對(duì)

5、重金屬的累積能力和吸收敏感性也有差異。供試三種蘚類比較，在最高 Pb2+400mg/L污染濃度下，匐枝青蘚的Pb元素含量最高，為1699.05±147.14μg/g。在最低Pb2+50mg/L污染濃度下，匐枝青蘚的Pb元素含量也最高，為152(，)98±13.22μg/g。說明匐枝青蘚植株體對(duì)Pb元素累積能力和吸收敏感性都非常強(qiáng)，因此其植株體中的Pb元素含量適合于作為評(píng)估環(huán)境Pb污染程度的量化指標(biāo)。同樣的比較分析表明，細(xì)葉小羽蘚對(duì)Cr元

6、素和Cu元素的累積能力和吸收敏感性都很強(qiáng)，因此其配子體內(nèi)Cr元素和Cu元素的含量適合于作為這指示環(huán)境中兩種重金屬污染的量化指標(biāo)。重金屬復(fù)合脅迫對(duì)蘚類配子體中重金屬的累積能力有顯著影響。以Fe2+20mg/L與Pb2+50mg/L、Cr6+50mg/L、Cu2+50mg/L形成的三種不同重金屬復(fù)合污染處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在Fe累積量顯著提高的同時(shí)，配子體中Pb、Cr、Cu的累積量均顯著低于同濃度同種類的單一重金屬污染處理。這說明較低濃度的Fe2+

7、對(duì)Pb2+、Cr6+、Cu2+三種重金屬離子均具有強(qiáng)烈的拮抗作用，可以在很大程度上緩解此三類重金屬對(duì)蘚類的毒害作用。采用u-SRXRF微探針掃描分析技術(shù)研究了配子體莖葉中重金屬元素微區(qū)分布，在組織和細(xì)胞水平上揭示了蘚類植物莖葉吸收累積重金屬的機(jī)制。同時(shí)，進(jìn)一步證實(shí)，供試三種蘚類均具有強(qiáng)烈的重金屬累積能力和敏感的生物響應(yīng)特性，可作為監(jiān)測(cè)環(huán)境重金屬污染的生物指示植物。
　　 (3)深入分析了重金屬脅迫對(duì)蘚類植物營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響。結(jié)

8、果表明，一定濃度的重金屬離子對(duì)配子體生長(zhǎng)所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素的吸收產(chǎn)生拮抗作用并抑制配子體對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用。在重金屬單一污染條件下，隨著污染濃度的增高，供試三種蘚類植物配子體中營(yíng)養(yǎng)元素的累積量呈現(xiàn)出兩種變化趨勢(shì)。第一種是營(yíng)養(yǎng)元素累積量先升高后降低，即低污染濃度的重金屬促進(jìn)了蘚類配子體中營(yíng)養(yǎng)元素的累積，而過高污染濃度則會(huì)降低元素的累積量。第二種是營(yíng)養(yǎng)元素累積量隨污染濃度增高呈直接下降趨勢(shì)。重金屬種類不同，蘚種不同，配子體中各種營(yíng)養(yǎng)元素吸

9、收和累積的受抑制強(qiáng)度不同。供試的Pb2+，Cu2+，Cr6+，F(xiàn)e2+四種重金屬離子污染下，細(xì)葉小羽蘚配子體中P、K、Ca、S、Mn、Zn六種營(yíng)養(yǎng)元素的最大降幅均低于小立碗蘚，表明細(xì)葉小羽蘚對(duì)上述4種重金屬污染的耐受性都很強(qiáng)，最適合于作為環(huán)境重金屬污染長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的指示植物。Pb2+污染下，在最低污染濃度和最短污染時(shí)間的處理組，匐枝青蘚配子體中P、K、Ca、S、Mn、Zn六種營(yíng)養(yǎng)元素的含量就表現(xiàn)出顯著的變化。說明匐枝青蘚植株對(duì)鉛污染產(chǎn)生的營(yíng)

10、養(yǎng)元素累積響應(yīng)非?？焖?，適合作為鉛污染的指示植物。直線回歸分析結(jié)果表明，在Pb2+污染濃度100mg/L至Pb2+污染濃度600mg/L之間，匐枝青蘚配子體中P、K、Ca、S四種元素含量與Pb2+污染濃度之間均呈現(xiàn)顯著線性回歸關(guān)系。說明在供試Pb2+污染濃度范圍內(nèi)，Pb2+污染濃度與匐枝青蘚配子體中四種營(yíng)養(yǎng)元素含量之間存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，建議利用匐枝青蘚中的這四種營(yíng)養(yǎng)元素含量作為監(jiān)測(cè)環(huán)境重金屬污染的輔助生理指標(biāo)。在重金屬復(fù)合污染下，不同

11、種類重金屬復(fù)合脅迫對(duì)蘚類配子體中不同種類營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和累積能力的影響差異明顯。不同種類重金屬組合對(duì)于配子體不同種類營(yíng)養(yǎng)元素吸收和累積表現(xiàn)出三種不同的復(fù)合污染效應(yīng)，一種是緩解累積抑制效應(yīng)，一種是增強(qiáng)累積抑制效應(yīng)，一種是顯著促進(jìn)累積效應(yīng)。
　　 (4)采用生理生化分析方法，測(cè)定分析了不同重金屬脅迫下，3種蘚類植物的生理響應(yīng)和變化，包括光合色素含量變化，過氧化酶(POD)活性變化，丙二醛(MDA)含量變化。結(jié)果表明，三種供試蘚類總?cè)~

12、綠素含量對(duì)重金屬污染的生物響應(yīng)均非常快速，說明蘚類植物對(duì)重金屬污染反映敏感，適合于作為指示重金屬污染的指示生物。Pb2+污染導(dǎo)致三種蘚類葉綠素b的降低幅度最大。小立碗蘚、細(xì)葉小羽蘚和匐枝青蘚的葉綠素b的最大降幅分別為58.55％、48.33％和46.17％。說明葉綠素b含量的降低是Pb2+污染導(dǎo)致植物光合作用受抑制的重要原因之一。不同種類單一重金屬污染脅迫下，三種蘚類植物POD酶活性響應(yīng)表現(xiàn)出兩種變化規(guī)律，一種是隨著重金屬污染濃度的增高

13、，POD酶活性逐漸增強(qiáng);一種是重金屬低污染濃度范圍內(nèi)，POD酶活性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)污染濃度較高時(shí)，POD酶活性顯著較低。供試三種蘚類的POD酶活性與重金屬污染濃度之間以及MDA含量與重金屬污染濃度均存在顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系，可以擬合形成曲線回歸關(guān)系顯著的函數(shù)方程，因此建議將苔蘚的POD酶活性和MDA含量作為監(jiān)測(cè)環(huán)境重金屬污染的輔助生理指標(biāo)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
　　 綜上所述，本研究在分析3種蘚類植物對(duì)重金屬污染響應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步證明苔蘚