李业东 李东升 赵晓松

摘要通过1/5 Hoagland 营养液培养试验,研究外源甲基叔丁基醚(MTBE)污染胁迫对浮萍叶片光合功能的影响。结果表明,在0~500mg/L范围内,浮萍未产生明显的毒害作用。随着MTBE胁迫浓度的增加,导致浮萍光合作用放氧速率、叶绿体ATP合成酶活性以及硝酸还原酶活性降低,对NO3-的还原产生抑制作用,NO3-在浮萍叶片中积累,与对照相比均达到显著水平(P< 0.05)。

关键词甲基叔丁基醚(MTBE);胁迫;浮萍;光合功能

中图分类号Q945.11文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0009-02

甲基叔丁基醚(Methyl Tertiary Butyl ether,MTBE)是全球应用最广泛的汽油添加剂,迄今已使用20多年,是用量最大的含氧化合物之一。随着MTBE使用量的逐年增加以及在环境中的累积效应,对环境和人体构成了潜在危害。MTBE对环境的污染已引起国内外学者的高度重视[1-4],在汽油添加剂替代产品开发、MTBE对生态环境的影响以及MTBE污染的生物修复等方面开展了一些研究工作。毒理学研究表明[5,6],MTBE是一种动物致癌物质,同时也是一种人体可疑致癌物质,能够影响人的中枢神经。水体中MTBE达到57~1 000mg/L时,对各种无脊椎水生生物具有毒性,在388~2 600mg/L范围对脊椎水生生物具有毒性。长期饮用含有MTBE的污染水,淋巴细胞凋亡率较对照群体明显增加,而浮萍对水中重金属具有较强的吸收能力[7,8]。

浮萍(Lemna minor L.)为浮萍科水生维管束植物,生长于沼泽、湖泊以及静水中,分布广泛。由于浮萍具有繁殖快、产量高、个体小、浮于水面、易从污染水体吸附污染物质等特点,广泛用于污染水体生物修复研究中。目前,MTBE胁迫对水生植物光合作用以及相关过程的研究还少有报道。本文选择分布广泛的浮水植物浮萍作为试验对象,研究外源MTBE污染胁迫对浮萍光合功能的影响,为阐明MTBE污染水体浮水植物退化机理及恢复水生生态系统结构和功能提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验用浮萍采自长春净月潭水体,试验在室内温室进行,采用半静态模拟试验方式。白天间平均温度为25℃,夜晚平均温度为20℃,相对湿度65%,光照12h/d,光强度为4 000Lx。以直径50cm高15cm的塑料盆作为浮萍培养钵,每个培养钵盛装1/5Hoagland营养液5L,底部铺5cm细沙。采集的浮萍被洗净后在营养液中培养,每天更换1/3培养液。10d后,当叶片长至5mm左右时进行胁迫试验。

1.2试验设计

在1/5Hoagland 营养液中加入MTBE,使其浓度为0 mg/L(对照)、0.5mg/L(1998年美国EPA规定饮用水中可接受浓度的10倍)、5.0mg/L、50mg/L、500mg/L。将大小一致的浮萍植株移栽到含有一定浓度MTBE的培养液中,胁迫处理96h,每天更换1/3培养液。每个处理重复3次,随机排列。选取大小一致的浮萍叶片,测定光合功能参数。

1.3分析方法[9]

采集浮萍,用去离子水洗净,吸水纸吸干表面水分。采用氧电极法测定光合速率;以ATP为底物,测定叶绿体Mg2+-ATP合成酶的活性;活体法测定硝酸还原酶(NR)活性;酚二磺酸分光光度法测定NO3-含量。

1.4数据处理

试验数据采用SPSS10.0统计软件进行方差分析,采用t检验检测不同处理与对照处理间的差异显著性。

2结果与分析

2.1对浮萍叶片光合速率的影响

叶绿体是植物体内产生活性氧的主要细胞器之一,是植物光合作用的器官,植物在正常生长条件下,最大光化学效率不受物种和生长条件的影响极少变化。由图1可知,在MTBE胁迫条件下,光合放氧复合体受到影响,随MTBE浓度的增加,光合放氧速率呈下降趋势。当试验体系中MTBE浓度低于0.5mg/L时,浮萍叶片放氧速率与对照相比略有降低,但差异不显著(P>0.05)。继续增加MTBE浓度,放氧速率显著降低(P<0.01),说明浮萍的光合能力受到抑制,使浮萍生长受到抑制,从而降低浮萍对MTBE污染水体的修复能力。

2.2对浮萍叶片叶绿体ATP合成酶活性的影响

逆境胁迫下植物细胞内自由基代谢平衡被破坏,过量的自由基引发或加剧膜脂过氧化作用,造成细胞膜系统损伤,干扰植物细胞的光合、呼吸及其他代谢过程,严重时能导致植物细胞死亡。由图2可知,MTBE胁迫使浮萍叶片ATP合成酶活性降低,下降趋势与MTBE胁迫浓度密切相关。当MTBE浓度低于5mg/L时,与对照相比,ATP合成酶活性变化不显著(P>0.05)。继续加大MTBE胁迫浓度到50mg/L,浮萍叶片ATP合成酶活性仅为对照的43.7 %,达到极显著性差异(P<0.01)。ATP合成酶活性降低与浮萍受MTBE胁迫后叶绿体结构被破坏有关,MTBE胁迫可能破坏了类囊体膜的完整性,影响类囊体膜内外侧H+质子梯度的形成。

2.3对浮萍叶片硝酸还原酶(NR)活性的影响

硝酸还原酶是NO3-同化过程中的限速酶。正常情况下,植物体内NR酶活性维持在一定水平,使体内的NO3-还原,NR降低说明NO3-在植株体内的还原过程受阻。由图3可知,MTBE胁迫使浮萍叶片NR活性下降,只是在低浓度(≤5mg/L)胁迫时,NR下降速率较慢。增大MTBE胁迫浓度,NR酶蛋白的硝酸化过程受到影响,使NR活性明显下降,说明浮萍叶片对NO3-的同化能力受到MTBE胁迫的影响,直接影响到植株对N的吸收和利用。植物正常生长条件下,体内NO3-在NR作用下及时地转化为NO2-,在体内较少积累。由图4可知,在NR减少的同时,浮萍体内NO3-不断积累,随MTBE浓度增加,NO3-含量比对照增加了0.91%～63.6%,达到显著性差异(P<0.05)。可见水体受到MTBE污染后,NR受到抑制,过量的NO3-在体内积累可能对细胞产生毒害作用。

3结论

研究结果表明,在0～500mg/L MTBE试验浓度范围内,浮萍未产生明显的毒害作用。MTBE胁迫使浮萍光合放氧复合体受到伤害,光合放氧速率、叶绿体ATP合成酶活性以及硝酸还原酶活性降低,对NO3-的还原产生抑制作用,NO3-在浮萍叶片中积累,与对照相比均达到显著水平(P<0.05)。

4参考文献

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