黑藻对水体Cd、Cu、Zn污染的反应机制研究

发布时间：2020-04-03 23:32

【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
【图文】：

超微结构,叶绿体,黑藻

图1一2.对照叶细胞的超微结构Fig.l一2.Ultrastruetureineontrolleafeells图1.细胞核(N)和叶绿体(CP)x10000F19.1.Nueleus(N)andChloroPlast(CP)X10000图2.叶绿体(CP)和线粒体(Mi)x15000Fig·2.ChloroPlast(CP)andMitochondria(Mi)X15000图3一5.Cd对叶绿体(Cp)超微结构的损伤Fig.3一5.DamageofCdtoehloropzast(ep)图3.0.5m留!Cd处理的黑藻叶细胞，示叶绿体(CP)膨胀X10000Fig.3.Leafeellstreatedwith0.smg/lCd，showingswellingofehloroPlast(CP)X10000图4.sm留1Cd处理的黑藻叶细胞，示膜断裂x10000Fig.4.Leafeellstreatedwithsmg/ICd，showingbreakgeofehloroPlastenveloPeX10O00图5.10m留1Cd处理的黑藻叶细胞，示叶绿体(CP)解体x10000Fig.5.LeafeellstreatedwithI0mg/ICd，showingdisintegrationofehloroPlast了一刃-

叶绿体,超微结构,黑藻

Fig·2.ChloroPlast(CP)andMitochondria(Mi)X15000图3一5.Cd对叶绿体(Cp)超微结构的损伤Fig.3一5.DamageofCdtoehloropzast(ep)图3.0.5m留!Cd处理的黑藻叶细胞，示叶绿体(CP)膨胀X10000Fig.3.Leafeellstreatedwith0.smg/lCd，，showingswellingofehloroPlast(CP)X10000图4.sm留1Cd处理的黑藻叶细胞，示膜断裂x10000Fig.4.Leafeellstreatedwithsmg/ICd，showingbreakgeofehloroPlastenveloPeX10O00图5.10m留1Cd处理的黑藻叶细胞，示叶绿体(CP)解体x10000Fig.5.LeafeellstreatedwithI0mg/ICd，showingdisintegrationofehloroPlast了一刃-
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X503.2

【参考文献】