苔蘚植物對重金屬污染的響應機理和生物指示的研究.pdf

1、隨著人類活動對環(huán)境干擾程度的日益加劇，利用生物對環(huán)境污染進行指示和檢測成為當前對環(huán)境生物學研究的熱點之一。苔蘚植物作為一類良好的指示植物，被世界各國廣泛應用為環(huán)境污染和變化的指示生物。但有關苔蘚植物對環(huán)境污染的響應及機理研究僅有少數(shù)研究和報道。本論文在成功利用組培技術大量擴繁小立碗蘚（Physcomitrella patens）、細葉小羽蘚（Haplocladium microphyllum）和葡枝青蘚（Brachythecium pr

2、ocumbens）配子體的基礎上，采用先進的同步輻射X熒光分析技術（SRXRF）和生理生化測定分析，開展了組培條件下試管內(nèi)苔蘚植物的重金屬脅迫實驗，深入研究了重金屬脅迫下3種蘚類植物的重金屬及營養(yǎng)元素的積累規(guī)律及其生理生化響應，探討蘚類植物對環(huán)境污染的響應機理及其生物指示作用。
　　 主要的研究結果如下:
　　 (1)在大量的比較實驗基礎上，系統(tǒng)完成了細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)瓶內(nèi)外狀況都會對試管內(nèi)生長的配子體產(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值調整在5.8至6.0;培養(yǎng)瓶內(nèi)空氣相對濕度保持在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℃;光照時間為14hr;光照強度為1500lux至20

4、00lux。
　　 上述相關研究成果獲得了2項國家發(fā)明專利的授權，同時獲得了重金屬脅迫實驗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驗，運用SRXRF技術，測定分析了不同濃度Pb2+，Cu2+，Cr6+，F(xiàn)e2+等重金屬離子單一或復合脅迫下，3種蘚類的重金屬元素的積累規(guī)律。單一重金屬污染時，隨著重金屬離子污染濃度的增高，配子體中相應重金屬元素的累積量呈現(xiàn)顯著增高趨勢。蘚類植物種類不同，其配子體對

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Pb元素累積能力和吸收敏感性都非常強，因此其植株體中的Pb元素含量適合于作為評估環(huán)境Pb污染程度的量化指標。同樣的比較分析表明，細葉小羽蘚對Cr元

6、素和Cu元素的累積能力和吸收敏感性都很強，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。重金屬復合脅迫對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合污染處理時發(fā)現(xiàn)，在Fe累積量顯著提高的同時，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Pb2+、Cr6+、Cu2+三種重金屬離子均具有強烈的拮抗作用，可以在很大程度上緩解此三類重金屬對蘚類的毒害作用。采用u-SRXRF微探針掃描分析技術研究了配子體莖葉中重金屬元素微區(qū)分布，在組織和細胞水平上揭示了蘚類植物莖葉吸收累積重金屬的機制。同時，進一步證實，供試三種蘚類均具有強烈的重金屬累積能力和敏感的生物響應特性，可作為監(jiān)測環(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蘚類植物營養(yǎng)元素吸收的影響。結

8、果表明，一定濃度的重金屬離子對配子體生長所需的多種營養(yǎng)元素的吸收產(chǎn)生拮抗作用并抑制配子體對營養(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養(yǎng)元素的累積量呈現(xiàn)出兩種變化趨勢。第一種是營養(yǎng)元素累積量先升高后降低，即低污染濃度的重金屬促進了蘚類配子體中營養(yǎng)元素的累積，而過高污染濃度則會降低元素的累積量。第二種是營養(yǎng)元素累積量隨污染濃度增高呈直接下降趨勢。重金屬種類不同，蘚種不同，配子體中各種營養(yǎng)元素吸

9、收和累積的受抑制強度不同。供試的Pb2+，Cu2+，Cr6+，F(xiàn)e2+四種重金屬離子污染下，細葉小羽蘚配子體中P、K、Ca、S、Mn、Zn六種營養(yǎng)元素的最大降幅均低于小立碗蘚，表明細葉小羽蘚對上述4種重金屬污染的耐受性都很強，最適合于作為環(huán)境重金屬污染長期監(jiān)測的指示植物。Pb2+污染下，在最低污染濃度和最短污染時間的處理組，匐枝青蘚配子體中P、K、Ca、S、Mn、Zn六種營養(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鉛污染產(chǎn)生的營

10、養(yǎng)元素累積響應非?？焖伲m合作為鉛污染的指示植物。直線回歸分析結果表明，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養(yǎng)元素含量之間存在劑量-效應關系，建議利用匐枝青蘚中的這四種營養(yǎng)元素含量作為監(jiān)測環(huán)境重金屬污染的輔助生理指標。在重金屬復合污染下，不同

11、種類重金屬復合脅迫對蘚類配子體中不同種類營養(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于配子體不同種類營養(yǎng)元素吸收和累積表現(xiàn)出三種不同的復合污染效應，一種是緩解累積抑制效應，一種是增強累積抑制效應，一種是顯著促進累積效應。
　　 (4)采用生理生化分析方法，測定分析了不同重金屬脅迫下，3種蘚類植物的生理響應和變化，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。結果表明，三種供試蘚類總葉

12、綠素含量對重金屬污染的生物響應均非?？焖?，說明蘚類植物對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+污染導致三種蘚類葉綠素b的降低幅度最大。小立碗蘚、細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;一種是重金屬低污染濃度范圍內(nèi)，POD酶活性逐漸增強，當污染濃度較高時，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-效應關系，可以擬合形成曲線回歸關系顯著的函數(shù)方程，因此建議將苔蘚的POD酶活性和MDA含量作為監(jiān)測環(huán)境重金屬污染的輔助生理指標進行推廣應用。
　　 綜上所述，本研究在分析3種蘚類植物對重金屬污染響應的基礎上，進一步證明苔蘚