污染脅迫對生物生理生態(tài)學影響

1、華僑大學化工學院課程論文 污染脅迫對生物生理生態(tài)學影響課 程 名 稱 環(huán)境生物學 姓 名 學 號 1026421049 專 業(yè) 環(huán)境科學 成 績 指 導 教 師 華僑大學化工學院印制 2012 年 12 月 16 日華僑大學化工學院課程論文污染脅迫對生物生理生態(tài)學影響(華僑大學 化工學院 環(huán)境科學與工程系 環(huán)境科學1班，中國 福建 廈門 361021)摘 要：水污染日益嚴峻，并對人類的健康構(gòu)成嚴重危害。這其中，以重金屬污染為內(nèi)容的研究已得到人們越來越多的關(guān)注，而Cu、 Cr是水環(huán)境中毒性較強的幾種重金屬污染物，常以單一或復合污染形式存在于水體中，其治理難度較大。本文以綠豆芽為材料，通過水培方法

2、，研究了綠豆芽在Cu、 Cr單一污染脅迫下生長狀況、發(fā)芽率，株高，根長，側(cè)根數(shù)，葉片中葉綠素a、b含量的差異，其主要結(jié)果如下:1.銅、鉻重金屬離子對豆芽的生長發(fā)育、葉綠素含量存在明顯的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）兩區(qū)間范圍內(nèi)存在明顯的負相關(guān)，即區(qū)間內(nèi)，隨著重金屬離子濃度的升高豆芽的株高、根長等生理參數(shù)明顯降低。2.由重金屬離子濃度相關(guān)綠豆芽生長參數(shù)圖標可知：相同的濃度條件下，銅離子水培綠豆芽株高、側(cè)根數(shù)等生長指標略好于鉻離子水培綠豆芽，即鉻離子對綠豆芽生長發(fā)育的影響率大于銅離子。3.較低濃度的重金屬離子，濃度在（6.00

3、 mg/L-12.00 mg/L）范圍區(qū)間內(nèi)，銅離子對成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素a、b含量、根長、株高成促進趨勢；鉻離子對成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素b含量、根長、株高成促進趨勢。關(guān)鍵詞：銅；鉻；單一污染；綠豆芽；葉綠素a、bPollution stress on biological physiological ecology influence(HUAQIAO UNIVERSITYCollege of Chemical，Xiamen Fujian， P. R. China， 361021) Abstract：Water pollution is more and more serious, and

4、to the human a serious health hazard. This among them, with heavy metal pollution for the contents of the research has been more and more people's attention, and Cu, Cr is water environment toxic strong several kinds of heavy metal pollutants, often as a single or compound pollution forms in wat

5、er, the management difficult. This paper with mungbean sprout as material, through the aquiculture method was used to study the mungbean sprout in Cu, Cr single pollution stress growth condition, germination rate, plant height, root length, lateral root number, leaf in chlorophyll a and b content di

6、fference, the main results are as follows:1. Copper and cadmium heavy metal ion to the bean sprout growth, chlorophyll content obvious inhibition, and in (0.00 mg/L - 6.00 mg/L) and (12.0 mg/L - 100.0 mg/L) two interval range obvious negative correlation, namely interval, with heavy metal ion concen

7、tration increases the bean plant height, root length and physiological parameters decreased obviously.2. By heavy metal ion concentration related mungbean sprout growth parameters icon shows that the same concentration condition, copper ion aquiculture mungbean sprout plant height, the number of lat

8、eral root growth index is slightly better than cadmium ion aquiculture mungbean sprout, namely cadmium ion of mungbean sprout growth rate is greater than the influence of copper ion.3. A low concentration of heavy metal ions, concentration in (6.00 mg/L - 12.00 mg/L) range interval, copper ion to ma

9、ture mungbean sprout in leaves chlorophyll a and b content, root length, and promote plant top trend; Cadmium ion to mature mungbean sprout leaf chlorophyll b in content, root length, plant top promote trend.Key words: Copper; Cadmium; A single pollution; Mungbean sprout; Chlorophyll a and b.1 引言重金屬

10、是指密度大于5g/cm ³的金屬，自然界中90種天然存在的元素中有53種是重金屬，主要包括鋅、鉛、銅、鐵、錳、鎘、鎳、鈷、汞、鎢、鉬、金、銀等，從毒性角度一般把砷、硒、鋁等也包括在內(nèi)。環(huán)境中所涉及的重金屬，主要是指汞、鎘、鉻、鉛、砷等生理毒害作用顯著的重金屬。近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，環(huán)境中三廢的排放、污水灌溉、礦場的開發(fā)與利用、農(nóng)藥、除草劑和化肥的使用等，對水質(zhì)、大氣與土壤造成不可逆轉(zhuǎn)的污染，致使環(huán)境中銅、鎘、汞、鉛等有毒重金屬在環(huán)境中迅速、過量地積累沉淀，并參與水體-土壤-生物系統(tǒng)的循環(huán)，通過植物的吸收，大量重金屬儲存在植株的根、莖、葉中，對植物產(chǎn)生抑制和毒害，并通過生態(tài)食物鏈

11、間接危害到人類和動物的健康1-3。水體重金屬污染儼然已成為一個全球性的問題。1.1 水體重金屬污染源（1）工業(yè)來源環(huán)境中的重金屬污染重要來源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。污染物大多經(jīng)過廢水、廢棄、廢渣排入環(huán)境，并通過食物鏈在人和動物、植物中富集。近年來，隨著工業(yè)快速發(fā)展，重金屬對環(huán)境的污染日益加劇。Hg的排放量約為1.6萬噸、Pb的排放量也超過了 510萬噸、總Mn的約有1500萬噸4。常見的重金屬廢水包括電鍍、制革工業(yè)和冶金廢水。由于重金屬廢水對環(huán)境具有持久危害性，因此必須采取有效措施進行治理或控制，重金屬廢水的污染控制及遷移轉(zhuǎn)化累積機理等已經(jīng)成為當前研究熱點。（2）農(nóng)用引起的水

12、體重金屬污染農(nóng)藥、化肥和殺蟲劑的使用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，但長期過量的使用會導致水體中重金屬濃度的不斷加大，進而引起水體的重金屬污染。憐礦粉中含有氟，磷肥中也含有一定量的錫，Cr、 As在肥料中的含量相對較高。個別農(nóng)藥在化學組成中含有Cu、 Zn、 Hg、 As等多種重金屬元素，農(nóng)藥大量使用會造成殘毒污染，同時也帶來了重金屬污染5。我國自20世紀70年代以來在水體重金屬污染方面開展了大量的相關(guān)工作，使我國重金屬的污染排放在一定程度上得到了基本的控制。由于重金屬元素的生態(tài)效應和化學行為在自然水體中表現(xiàn)極其復雜，且環(huán)境背景值不高，使得水體對重金屬污染極其敏感。因此，如何有效地治理重金

13、屬污染成為當前治理水污染任務中的一個重點6。1.2 水體重金屬污染的遷移與轉(zhuǎn)化 中國有著幾千年利用生活污水灌溉農(nóng)田、菜地的傳統(tǒng)。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，上世紀70年代以來，隨著農(nóng)業(yè)科技技術(shù)的發(fā)展，越來越多的地區(qū)采用了污水灌溉技術(shù)用以應對水資源短缺的難題，特別是我國西北干旱地區(qū)，其農(nóng)業(yè)污灌占總灌溉面積的80% 以上7。重金屬污染物進入水環(huán)境中，大部分離子被懸浮物吸附后從水相遷移至懸浮物表面上，懸浮物隨著吸附量的增加逐步沉積在水體沉積物中。當水環(huán)境理化性質(zhì)發(fā)生變化時，重金屬離子有可能脫離沉積物再次釋放，重新進入水環(huán)境中，造成水體的二次污染。綜上所述，水環(huán)境中的重金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化是一個極其復雜的過程，包括水

14、體的各種物理、化學及生物反應，并且大部分過程是可逆進行的，因此研究水環(huán)境中重金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，應從多方面著手，綜合考慮遷移與轉(zhuǎn)化過程中的主要影響因素4。1.3 Cu、Cr對植物光合作用的影響光合作用是生物體將光能轉(zhuǎn)化為化學能的過程反應，是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝8。而葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，其含量高低直接影響光合作用的強弱及物質(zhì)的合成速率。過量的Cu、 Cd、 Pb進入植物體內(nèi)，破壞生物膜的選擇透過性，導致葉綠體、線粒體及液泡等細胞器嚴重受損，影響植物的光合作用速率，且抑制效應與脅迫濃度和處理時間呈正相關(guān)性。研究表明，葉綠素酸酯和氨基-r-酮戊酸是植物葉綠素合成必需的兩種物質(zhì)

15、，Pb2+進入能破壞氨基-r-酮戊酸的合成，破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)，降低葉綠素酸酯還原酶的活性，結(jié)果導致植物的葉綠素含量減少，而且Pb2+能替代植株體內(nèi)Mg2+，從而使葉綠素含量進一步下降，植物生理功能受到較大抑制，無法進行正常的光合作用9-10。2 Cu、 Cr單一污染對綠豆發(fā)芽及生長狀況的影晌2.1 實驗器材本實驗選取健康，色澤鮮艷，顆粒飽滿，大小相似的同種綠豆共計330粒，先用自來水沖洗，后用自來水浸泡10min左右。2.2 試驗方法2.2.1 污染脅迫濃度設(shè)計表2-1 Cu、Cr培養(yǎng)液濃度設(shè)計Table 2-1 Cu， Cr inoculum concentration design培養(yǎng)皿編

16、號Cu mg/L培養(yǎng)皿編號Cr mg/L16.0066.00212.00712.00324.00824.00450.00950.005100.0010100.00另設(shè)0號培養(yǎng)皿為空白皿，不加入重金屬離子2.2.2 實驗設(shè)計實驗進行2種重金屬Cu、 Cr不同濃度梯度的處理。實驗用水組成為營養(yǎng)液和Cu、 Cr污染物的溶液，污染物以CuSO4 、CrCl3 形態(tài)添加，實驗共設(shè)計0-11個處理（見表2-1）。每只培養(yǎng)皿加入選取好的30粒綠豆前，需以雙層紗布鋪墊。2.3 指標的測定方法及數(shù)據(jù)處理2.3.1 根長、株高、側(cè)根數(shù)的測定持續(xù)培養(yǎng)一周后，從每個培養(yǎng)皿中的30顆綠豆芽中選取最健壯，最具代表性的10

17、顆，使用直尺直接測定其根長、株高，并計數(shù)其側(cè)根數(shù)。分別在染毒后的第三天和第七天，記錄兩次發(fā)芽率。2.3.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理采用Office Excel和Origin 8軟件處理。2.4 結(jié)果與分析2.4.1 Cu、Cr單一污染對綠豆芽的生長狀況的影響（1）不同濃度Cu、 Cr污染對綠豆芽平均株高的影響結(jié)果見圖2-2圖2-2 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽株高影響 上圖顯示，重金屬離子濃度對綠豆芽株高抑制強度成較明顯的正相關(guān)，且相同濃度Cr對豆芽株高的抑制強于Cu。隨著重金屬離子濃度的升高（0.0 mg/L-100.0 mg/L）株高顯著被抑制生長，葉片萎蔫、退綠，表明其葉綠素含量下降，光合作用能

18、力降低。外源性Cu離子濃度在（6.0 mg/L-24.0 mg/L）時，對豆芽株高抑制不顯著，存在一定促進作用。 （2）不同濃度Cu、Cr污染對綠豆芽平均根長的影響見圖2-3圖2-3 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽根長影響外源性重金屬離子對綠豆芽根的生長有較顯著抑制作用，且Cr離子的抑制強于Cu離子。隨濃度的升高，綠豆芽根長逐漸縮短，直至濃度為100.0 mg/L時，發(fā)芽后停止生長，顯示被毒害。Cr離子處理濃度為12.0 mg/L時，圖標顯示有一個較強烈的促進，據(jù)分析可能由于取樣不均勻所至。（3）不同濃度Cu、Cr污染對綠豆芽平均側(cè)根數(shù)的影響見圖2-4圖2-4 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽側(cè)根數(shù)影響

19、外源性重金屬離子對綠豆芽根系的發(fā)育有明顯的抑制作用，即明顯的抑制其側(cè)根的發(fā)育與生長。濃度范圍在（6.0 mg/L-100.0 mg/L）時，側(cè)根數(shù)顯著減少，（0.0 mg/L-6.0 mg/L）濃度范圍內(nèi)，外源性銅、鉻離子脅迫卻對綠豆芽側(cè)根數(shù)呈一定促進作用。（4）不同濃度Cu、Cr污染對綠豆芽生長指數(shù)的影響為綜合表現(xiàn)綠豆芽株高、根長、側(cè)根數(shù)的生長情況，建立這樣一個關(guān)系式：生長指數(shù)=株高+根長+側(cè)根數(shù)。將綠豆芽生長指數(shù)與脅迫離子濃度作圖2-5，可知，外源性重金屬離子脅迫對綠豆芽生長呈抑制關(guān)系，隨著銅、鉻離子培養(yǎng)液濃度的升高，生長指數(shù)的顯著下降，綠豆芽的生長，出根，出根數(shù)，岀葉均受到了顯著抑制。濃

20、度范圍在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）時，抑制不明顯；（24.0 mg/L-100.0 mg/L）濃度范圍時，抑制明顯。圖2-5 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽生長指數(shù)影響2.4.2 影響結(jié)果的分析 外源性重金屬離子對綠豆芽的整體生長發(fā)育均成抑制效果，特別是在濃度范圍（24.0 mg/L-100.0 mg/L）區(qū)間內(nèi)時，其抑制明顯，且鉻離子對綠豆芽的毒害作用強于銅離子，表現(xiàn)在株高、根長、側(cè)根數(shù)、生長指數(shù)上。 對株高的抑制可能源于對根系發(fā)育的抑制，且進入豆芽葉莖系統(tǒng)的重金屬離子對其葉片與莖，也存在一定的毒害效果。 外源性金屬離子濃度范圍在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）時，無論是銅離子

21、、鎘離子，對綠豆芽生長的抑制均不顯著。說明綠豆芽可能存在一定抵御外來毒害的生理機制，對低濃度外源性重金屬離子脅迫有一定的抵抗能力。 3 Cu、 Cr單一污染對綠豆葉片中葉綠素含量的影晌3.1 實驗器材本實驗選取連續(xù)培養(yǎng)7天后的11個培養(yǎng)皿中生長最健壯的綠豆芽葉片。3.2 試驗方法從連續(xù)培養(yǎng)7天后的11個培養(yǎng)皿中生長最健壯的綠豆芽上摘取葉片（0.5-1g），剪碎，用乙醇提取法，提取其葉綠素。稀釋，定容后測定其吸光度。3.3 指標的測定方法及數(shù)據(jù)處理使用分光光度計測量663nm和645nm下的吸光度，根據(jù)Ca=12.7A663+2.69A645；Cb=22.9A645+4.68A663；計算其葉綠

22、素含量mg/g3.4 結(jié)果與分析3.4.1 Cu、Cr單一污染對綠豆芽的葉綠素含量的影響（1）不同濃度Cu、Cr污染對綠豆芽葉片中葉綠素a、葉綠素b的影響，見圖3-1、3-2圖3-1 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽片中葉綠素a、葉綠素b的影響圖3-2 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽生長指數(shù)影響（2）不同濃度Cu、Cr污染對綠豆芽葉片中總?cè)~綠素含量的影響，見圖3-3圖3-3 不同濃度Cu、Cr對綠豆芽葉片總?cè)~綠素含量影響2 結(jié)論 綠豆芽的生長狀況，光合作用能力在外源性重金屬離子脅迫下均成明顯的被抑制表現(xiàn)，其表現(xiàn)為株高降低，根長縮短，側(cè)根數(shù)減少，葉片萎蔫；光合作用能力下降，表現(xiàn)為葉綠素a、b和總?cè)~綠素量減

23、少，葉片萎蔫、退綠，間接影響綠豆芽株高、根系的發(fā)育與生長。 （1）銅、鉻重金屬離子對豆芽的生長發(fā)育、葉綠素含量存在明顯的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）兩區(qū)間范圍內(nèi)存在明顯的負相關(guān)，即區(qū)間內(nèi)，隨著重金屬離子濃度的升高豆芽的株高、根長等生理參數(shù)明顯降低。（2）由重金屬離子濃度相關(guān)綠豆芽生長參數(shù)圖標可知：相同的濃度條件下，銅離子水培綠豆芽株高、側(cè)根數(shù)等生長指標略好于鉻離子水培綠豆芽，即鉻離子對綠豆芽生長發(fā)育的影響率大于銅離子。（3）較低濃度的重金屬離子，濃度在（6.00 mg/L-12.00 mg/L）范圍區(qū)間內(nèi)，銅離子對成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素a、b含量、根長、株高成促進趨勢；鉻離子對成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素b含量、根長、株高成促進趨勢。綠豆芽可能存在一定抵御外來毒害的生理機制，對低濃度外源性重金屬離子脅迫有一定的抵抗能力。1