環(huán)境指示植物苔蘚對Pb-Ni復合脅迫的響應機理及其生物標志物研究.pdf

1、苔蘚作為監(jiān)測大氣重金屬污染的指示植物已得到廣泛應用，但關于各種重金屬污染物對苔蘚的致毒機理還不十分清楚。本文以大灰蘚(HP)、大羽蘚(TC)、毛尖青蘚(BP)等3種苔蘚為材料，研究Pb-Ni復合脅迫下，苔蘚表觀形態(tài)的變化、細胞活性氧自由基的累積與清除、光合系統(tǒng)和膜系統(tǒng)的受損情況、非酶抗氧化系統(tǒng)和抗氧化酶系統(tǒng)的變化，揭示了3種苔蘚對Pb-Ni復合脅迫的響應差異，為苔蘚生物監(jiān)測過程中對苔蘚材料的選擇提供了依據(jù)；通過Pb-Ni復合脅迫對苔蘚的

2、濃度效應和時間效應研究，揭示了Pb-Ni復合脅迫對苔蘚的毒害機理，為大氣重金屬污染的苔蘚生物監(jiān)測提供了理論基礎和科學依據(jù)；根據(jù)苔蘚對Pb-Ni脅迫的響應規(guī)律，篩選出對重金屬污染敏感的生理指標，并嘗試將其作為生物標志物對大氣重金屬污染進行監(jiān)測與評價，從而為大氣重金屬污染的監(jiān)測和預警提供一種簡便和靈敏方法。主要研究結果如下： 1.不同品種苔蘚對Pb/Ni脅迫的響應存在明顯差異。本研究采用的3種苔蘚對Pb/Ni脅迫的耐受性大小為：大

3、羽蘚>大灰蘚>毛尖青蘚。這一結果與3種苔蘚的不同形態(tài)和細胞結構有關。從表觀形態(tài)上看，大灰蘚和毛尖青蘚葉片有縱褶，葉片縱褶的存在增加了植物體與重金屬的接觸面積，使重金屬進入苔蘚細胞的機會增多，從而對苔蘚生理活性和細胞結構產生較大影響；從細胞結構上看，大羽蘚葉片細胞中具有1-2個疣，這有利于重金屬在其細胞內的區(qū)隔化，從而在一定程度上降低了重金屬對細胞的傷害；大灰蘚細胞壁厚，能在一定程度上阻礙重金屬離子進入細胞，因而能起到部分保護作用；毛尖青

4、蘚細胞壁薄而且透明，金屬離子更容易進入其細胞內部，使其對Pb/Ni脅迫的敏感性在3種苔蘚中最強。據(jù)此，在用苔蘚對大氣重金屬污染進行監(jiān)測的過程中，在保證苔蘚樣品量的條件下，應優(yōu)先選擇對污染敏感性最強的毛尖青蘚作為苔蘚生物監(jiān)測材料。 2.Pb/Ni單一脅迫對苔蘚生理活性的影響研究表明，較低濃度Pb/Ni脅迫對苔蘚葉綠素(Ch1)的合成具有促進效應，較高濃度Pb/Ni脅迫對Ch1的合成具有抑制效應；Pb/Ni單一脅迫導致了苔蘚體內超

5、氧自由基(·O2-)和過氧化氫(H2O2)兩種活性氧自由基的累積、膜脂過氧化程度的加劇(表現(xiàn)為丙二醛(MDA)含量的增加)、脯氨酸(Pro)含量增加，而且這些物質的累積量均隨脅迫濃度的增加而增大；在Pb/Ni脅迫下，苔蘚體內非酶抗氧化劑抗壞血酸(AsA)逐步累積，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶的活性降低，過氧化物酶(POD)活性增加。POD在清除H2O2中具有重要作用。

6、3.Pb-Ni復合脅迫對苔蘚的毒害效應與復合方式與脅迫濃度有關。當與Pb復合的Ni濃度小于0.01mM時，復合效應主要表現(xiàn)為較低濃度Ni對Pb毒性的緩解作用；當Ni濃度大于0.1mM時，復合效應主要表現(xiàn)為較高濃度Ni對Pb毒性的增強作用。 4.Pb-Ni復合脅迫對苔蘚傷害的時間效應研究表明，隨著Pb-Ni脅迫時間的延長，苔蘚表觀受害程度逐漸增加，苔蘚葉片依次表現(xiàn)出失綠、發(fā)黃、褐變、凋亡等癥狀。當脅迫時間不足2d時，苔蘚Ch1含

7、量下降不顯著，苔蘚外觀也沒有失綠等受損現(xiàn)象；但苔蘚體內已有活性氧自由基(·O2-和H2O2)和MDA的累積以及抗氧化酶SOD、CAT、APX活性的下降。當脅迫時間為2-4d時，苔蘚Ch1含量繼續(xù)降低，·O2-、H2O2、MDA含量的累積速率和SOD、CAT、APX活性的下降速率加快，苔蘚顏色逐漸變黃。當脅迫時間為4-8d時，苔蘚Ch1含量下降非常顯著，·O2-、H2O2、MDA含量的累積速率和SOD、CAT、APX活性的下降速率趨于平緩

8、，苔蘚葉片發(fā)黃面積逐漸擴大，到8d時幾乎完全變黃。當脅迫時間大于8d時，苔蘚葉片逐步發(fā)生褐變，到16d時完全處于凋亡狀態(tài)。 5.Pb-Ni脅迫對苔蘚的毒害機理以及苔蘚對Pb-Ni復合脅迫的響應機制為：Pb-Ni脅迫導致苔蘚體內活性氧自由基的累積，繼而對苔蘚造成氧化脅迫，致使苔蘚的生理活性受到損害。為了維持體內活性氧平衡，苔蘚形成了2種主要的自由基清除系統(tǒng)：非酶抗氧化系統(tǒng)(AsA)和抗氧化酶系統(tǒng)(SOD、CAT、POD、APX等

9、)。這2個系統(tǒng)能在一定范圍內清除機體內過多的活性氧，維持自由基代謝的動態(tài)平衡，從而保護苔蘚細胞免受傷害。在較低濃度Pb-Ni脅迫下，苔蘚細胞的自由基清除系統(tǒng)基本能清除Pb-Ni脅迫所產生的活性氧，避免其對機體的傷害。隨著脅迫濃度和脅迫時間的增加，苔蘚體內自由基逐漸累積；當超過苔蘚自身的清除能力時，這些自由基便與脂質、蛋白質和核酸等分子發(fā)生反應，阻礙酶類的合成和活性，從而導致苔蘚抗氧化酶系統(tǒng)活性下降、膜系統(tǒng)發(fā)生脂質過氧化反應(MDA累積)

10、、Ch1降解，細胞結構和功能遭到破壞，最終致使苔蘚凋亡。 6.在苔蘚的生理指標中，丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量以及過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性對Pb/Ni脅迫具有單一的濃度依賴性和劑量-效應關系，因此可作為苔蘚遭受重金屬脅迫的生物標志物。 7.苔袋法和苔蘚生物標志物監(jiān)測法分別對重慶和上海市區(qū)大氣重金屬污染的監(jiān)測結果表明：2種監(jiān)測方法均能反映大氣重金屬污染狀況。前者主要反映環(huán)境污染物的總量，