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环境指示植物苔藓对Pb-Ni复合胁迫的响应机理及其生物标志物研究

孙守琴

   苔藓作为监测大气重金属污染的指示植物已得到广泛应用,但关于各种重金属污染物对苔藓的致毒机理还不十分清楚。本文以大灰藓(HP)、大羽藓(TC)、毛尖青藓(BP)等3种苔藓为材料,研究Pb-Ni复合胁迫下,苔藓表观形态的变化、细胞活性氧自由基的累积与清除、光合系统和膜系统的受损情况、非酶抗氧化系统和抗氧化酶系统的变化,揭示了3种苔藓对Pb-Ni复合胁迫的响应差异,为苔藓生物监测过程中对苔藓材料的选择提供了依据;通过Pb-Ni复合胁迫对苔藓的浓度效应和时间效应研究,揭示了Pb-Ni复合胁迫对苔藓的毒害机理,为大气重金属污染的苔藓生物监测提供了理论基础和科学依据;根据苔藓对Pb-Ni胁迫的响应规律,筛选出对重金属污染敏感的生理指标,并尝试将其作为生物标志物对大气重金属污染进行监测与评价,从而为大气重金属污染的监测和预警提供一种简便和灵敏方法。主要研究结果如下: 1.不同品种苔藓对Pb/Ni胁迫的响应存在明显差异。本研究采用的3种苔藓对Pb/Ni胁迫的耐受性大小为:大羽藓>大灰藓>毛尖青藓。这一结果与3种苔藓的不同形态和细胞结构有关。从表观形态上看,大灰藓和毛尖青藓叶片有纵褶,叶片纵褶的存在增加了植物体与重金属的接触面积,使重金属进入苔藓细胞的机会增多,从而对苔藓生理活性和细胞结构产生较大影响;从细胞结构上看,大羽藓叶片细胞中具有1-2个疣,这有利于重金属在其细胞内的区隔化,从而在一定程度上降低了重金属对细胞的伤害;大灰藓细胞壁厚,能在一定程度上阻碍重金属离子进入细胞,因而能起到部分保护作用;毛尖青藓细胞壁薄而且透明,金属离子更容易进入其细胞内部,使其对Pb/Ni胁迫的敏感性在3种苔藓中最强。据此,在用苔藓对大气重金属污染进行监测的过程中,在保证苔藓样品量的条件下,应优先选择对污染敏感性最强的毛尖青藓作为苔藓生物监测材料。 2. Pb/Ni单一胁迫对苔藓生理活性的影响研究表明,较低浓度Pb/Ni胁迫对苔藓叶绿素(Chl)的合成具有促进效应,较高浓度Pb/Ni胁迫对Chl的合成具有抑制效应;Pb/Ni单一胁迫导致了苔藓体内超氧自由基(·O2-)和过氧化氢(H2O2)两种活性氧自由基的累积、膜脂过氧化程度的加剧(表现为丙二醛(MDA)含量的增加)、脯氨酸(Pro)含量增加,而且这些物质的累积量均随胁迫浓度的增加而增大;在Pb/Ni胁迫下,苔藓体内非酶抗氧化剂抗坏血酸(AsA)逐步累积,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶的活性降低,过氧化物酶(POD)活性增加。POD在清除H2O2中具有重要作用。 3. Pb-Ni复合胁迫对苔藓的毒害效应与复合方式与胁迫浓度有关。当与Pb复合的Ni浓度小于0.01 mM时,复合效应主要表现为较低浓度Ni对Pb毒性的缓解作用;当Ni浓度大于0.1 mM时,复合效应主要表现为较高浓度Ni对Pb毒性的增强作用。 4. Pb-Ni复合胁迫对苔藓伤害的时间效应研究表明,随着Pb-Ni胁迫时间的延长,苔藓表观受害程度逐渐增加,苔藓叶片依次表现出失绿、发黄、褐变、凋亡等症状。当胁迫时间不足2 d时,苔藓Chl含量下降不显著,苔藓外观也没有失绿等受损现象;但苔藓体内已有活性氧自由基(·O2-和H2O2)和MDA的累积以及抗氧化酶SOD、CAT、APX活性的下降。当胁迫时间为2-4 d时,苔藓Chl含量继续降低,·O2-、H2O2、MDA含量的累积速率和SOD、CAT、APX活性的下降速率加快,苔藓颜色逐渐变黄。当胁迫时间为4-8 d时,苔藓Chl含量下降非常显著,·O2-、H2O2、MDA含量的累积速率和SOD、CAT、APX活性的下降速率趋于平缓,苔藓叶片发黄面积逐渐扩大,到8 d时几乎完全变黄。当胁迫时间大于8 d时,苔藓叶片逐步发生褐变,到16 d时完全处于凋亡状态。 5. Pb-Ni胁迫对苔藓的毒害机理以及苔藓对Pb-Ni复合胁迫的响应机制为:Pb-Ni胁迫导致苔藓体内活性氧自由基的累积,继而对苔藓造成氧化胁迫,致使苔藓的生理活性受到损害。为了维持体内活性氧平衡,苔藓形成了2种主要的自由基清除系统:非酶抗氧化系统(AsA)和抗氧化酶系统(SOD、CAT、POD、APX等)。这2个系统能在一定范围内清除机体内过多的活性氧,维持自由基代谢的动态平衡,从而保护苔藓细胞免受伤害。在较低浓度Pb-Ni胁迫下,苔藓细胞的自由基清除系统基本能清除Pb-Ni胁迫所产生的活性氧,避免其对机体的伤害。随着胁迫浓度和胁迫时间的增加,苔藓体内自由基逐渐累积;当超过苔藓自身的清除能力时,这些自由基便与脂质、蛋白质和核酸等分子发生反应,阻碍酶类的合成和活性,从而导致苔藓抗氧化酶系统活性下降、膜系统发生脂质过氧化反应(MDA累积)、Chl降解,细胞结构和功能遭到破坏,最终致使苔藓凋亡。 6.在苔藓的生理指标中,丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量以及过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性对Pb/Ni胁迫具有单一的浓度依赖性和剂量-效应关系,因此可作为苔藓遭受重金属胁迫的生物标志物。 7.苔袋法和苔藓生物标志物监测法分别对重庆和上海市区大气重金属污染的监测结果表明:2种监测方法均能反映大气重金属污染状况。前者主要反映环境污染物的总量,后者主要反映环境污染物对生物的毒害效应,集中于对生物发生作用的部分。在其它环境条件一致的情况下,苔藓生理指标的变化基本能综合反映大气重金属污染状况及其可能对生物产生的效应,该方法能灵敏的反映环境质量的变化,对大气环境污染可以起到监测和预警作用,这对于环境污染的防治具有重要意义。……   
[关键词]:苔藓;Pb-Ni复合胁迫;响应机理;抗氧化胁迫体系;生物监测;生物标志物
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:上海交通大学2008年