首页 > 范文大全 > 正文

空心莲子草对铀的吸附及抗氧化酶活性的动态变化

开篇:润墨网以专业的文秘视角,为您筛选了一篇空心莲子草对铀的吸附及抗氧化酶活性的动态变化范文,如需获取更多写作素材,在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享!

摘要:以空心莲子草为研究对象,在不同浓度铀(0、40、80、100、120、250 μmol/L)水培处理条件下,研究空心莲子草对铀的动态积累以及120 μmol/L铀处理条件下,空心莲子草根部、茎叶的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)活性的动态变化。结果表明,铀在空心莲子草不同部位的累积量和吸附平衡点不同。空心莲子草对铀的积累主要在根部,在茎叶部的累积量极少。在铀处理5 d时根部铀的积累量达到高峰,而在茎叶部铀的积累量在处理2 d时达到高峰。在120 μmol/L 铀处理条件下,空心莲子草根部和茎叶部的SOD、POD、CAT活性随铀处理时间延长,其变化不同。铀在根部和茎叶部积累量最高时,其SOD活性均比未处理的对照低;POD活性均出现在其动态变化中的第二个峰值;而CAT在根部和茎叶部的变化不同。

关键词:铀; 空心莲子草; 超氧化物歧化酶; 过氧化物酶; 过氧化氢酶

中图分类号: X591文献标识码:A文章编号:0439-8114(2011)08-1553-03

Absorption of Alternanthera philoxeroides to Uranium and the Dynamic Changes

of its Antioxidant Enzyme Activity

SUN Bin1,2,HU Shang-lian1,2,LU Xue-qin1,2,CAO Ying1,2,REN Peng1,2,DUAN Ning1,2

(1. College of Life Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, China;

2. State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, Sichuan, China)

Abstract: Dynamic accumulation of Alternanthera philoxeroides to uranium at different concentrations(0,40,80,100,120,250 μmol/L) and dynamic changes of SOD, POD, CAT of root, stem and leaves at the uranium concentration of 120 μmol/L were studied under water culture condition. The results showed that the accumulation and adsorption equilibrium point of the different part of Alternanthera philoxeroides to uranium varied. A majority of uranium accumulated in root of Alternanthera philoxeroide whereas only few accumulated in stem and leaves. The peak of uranium accumulation in root was found on the fifth day of uranium treatment. While the peak of uranium accumulation in stem and leaves were found on about the second day. The dynamic changes of SOD, POD and CAT activities were different under the uranium treatment of 120 μmol/L. SOD activities were lower than that of control when the accumulation of uranium in roots, stem and leaves were largest; POD activities all appeared at the second peak of its dynamic changes, but the changes of CAT activities in roots and leaves were different.

Key words: uranium; Alternanthera philoxeroides; superoxide dismutase;peroxidase; catalase

铀矿开采以及核能的利用过程是铀在环境中富集并产生污染的重要途径。不适当的堆积或处置这些废料就会导致铀通过流失散布到土壤表面,经风蚀进入空气,或者通过淋洗而进入地下水。此外,铀矿冶大量的放射性废水不断地排出,也直接污染了天然水体和土壤[1]。国内外学者对重金属污染的治理问题做了大量的研究,普遍认为植物修复技术因其治理费用低,现场扰动小,不会造成二次污染,社会生态综合效益好,正受到广泛重视[2]。湿地生态系统和水生植物在重金属的生物利用和生物富集中有广阔的应用前景,在水生环境中吸附重金属的能力是在土壤环境中的数倍。研究发现许多水生植物,如芦苇、水葱、稀脉萍、浮萍、香蒲、眼子菜是潜在的重金属清洁者,可用于废水净化[3-5]。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)遍布世界各地,取材方便,代价低廉,并且具有繁殖能力强、生物量大、抗逆性强、根系发达等特点,研究发现空心莲子草对Cd、Pb、Zn和Fe的富集效果较好[6-8],另外对Ni的富集也有研究[9]。前人对Cd、Zn胁迫下的空心莲子草的生理响应做了研究[10,11], 而铀在空心莲子草体内的积累及空心莲子草抗氧化酶活性动态变化方面的研究鲜见报道。因此,以空心莲子草为材料,在水培条件下,研究其对铀的富集能力及抗氧化酶活性的动态变化,探讨空心莲子草吸附铀的能力和生理响应机制,为空心莲子草应用于铀矿冶废水的治理提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

试验所用的空心莲子草采自西南科技大学校园。

1.2方法

1.2.1空心莲子草培养选取无病、无虫、长势一致的空心莲子草,截取约30 cm,用霍格兰营养液预培养15 d,长出茁壮的根用于试验,使用塑料盆(长×宽×高为31cm×17 cm×8 cm)进行培养,每盆20株(相当于384株/m2)。

1.2.2试验设计

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

1)用于U6+含量测定的空心莲子草培养与处理。试验U6+设为6个处理浓度,分别为0、40、80、100、120、250 μmol/L(分别以CK、U40、U80、U100、U120、U250表示),每个处理3次重复,每一重复6盆,每盆20株,分别加入2 L不同浓度的U6+溶液。光强3 200 lx,温度24℃,光照时间14 h/10 h(白天/夜晚),共培养7 d。用C4H6O6U配制不同浓度铀水溶液。

2)用于抗氧化酶活性测定的空心莲子草培养与处理。120 μmol/L铀溶液处理条件下,不同时间(0、4、6、8、12、24、48、120、168 h)处理空心莲子草,每个时间处理3次重复,每一重复20株。

1.2.3样品的采集和制备

1)用于U6+含量测定的样品采集和制备。对不同U6+浓度处理的空心莲子草分别于1、2、5、7 d采集其茎叶与根部样品,根部用0.1mol/L Pb(NO3)2冲洗10 min,以置换根部表面粘附的铀,用于金属富集能力测定[12]。采集的样品于105℃下杀青30 min,65℃烘干至恒重。研磨成粉末,称取0.2 g茎叶混合样,0.1 g根部样置于100 mL锥形瓶中,利用硝酸-高氯酸消解法[13]消化样品。

2)用于酶活性测定样品的制备。分别在0、4、6、8、12、24、48、120、168 h取样,将根与茎叶分开,分别用锡箔纸包好,于液氮中速冻,后保存在-80℃冰箱中用于抗氧化酶活性测定。

1.2.4指标测定

1)铀的测定。植株铀积累量的测定参照张丽华等[14]的紫外分光光度法。

2)酶活性的测定。POD活性测定采用愈创木酚法[15], SOD 活性测定采用NBT光还原法[16],CAT 活性测定采用贝尔斯-西策尔斯法改进型[17]。

2结果与分析

2.1铀在空心莲子草不同部位的动态积累

由图1可以看出,铀在空心莲子草体内的积累表现为根>茎、叶。除对照外,铀在根部的动态积累总的趋势表现为先上升后下降,均在第五天时达到吸收高峰,其中以U120效果最好,其吸收铀的量为942.77 mg/kg,所有处理组都在5 d后铀积累量开始下降。在铀处理1 d 时,铀在空心莲子草根部的积累量均在282.65 mg/kg以上。

铀在叶和茎中的积累量很少(图1),几乎为根部的1/100~1/250。铀在叶和茎中的积累过程,除CK和U80处理外,其余处理均表现为先上升后下降的趋势,在处理2 d时铀的积累量达到最高峰,其中以U250处理最高,而后开始急剧下降,U100和U80处理在5 d时降低为0 mg/kg,其他处理在7 d时降低为0 mg/kg。

综上所述,空心莲子草对铀的富集主要在根部,在茎部和叶部的富集量极少。通过动态积累分析,发现在铀处理5 d左右时,根对铀的富集量最高。

2.2120 μmol/L铀处理下空心莲子草SOD、POD和CAT的动态变化

有报道表明,铀矿冶的废水中最多含有30 mg/L(约120 μmol/L)的铀[18]。因此,试验选择120 μmol/L铀处理的空心莲子草为研究对象,研究空心莲子草SOD、POD和CAT的动态变化。

由图2可以看出,120 μmol/L铀处理后,空心莲子草根部和茎、叶部的SOD、POD、CAT活性动态变化趋势不同。未经铀处理的空心莲子草根部和茎、叶部的SOD、POD、CAT活性在研究时间范围内,基本上保持不变,处于相对稳定的状态。

铀处理的根部SOD活性在前6 h内呈上升趋势,均高于CK,6 h达到高峰,活性为141.304 U/(gFW),后其活性开始快速下降,约在8 h后低于CK,处理120 h(5 d)时,降低为65.217 U/(gFW),与168 h (7 d)的64.722 U/(gFW),无明显差异(图2a)。茎和叶的SOD活性在6 h前的变化趋势与根相同,同样在6h达到高峰,其活性为140.000 U/(gFW),6 h前酶活性均高于CK,6 h后开始迅速下降,至12 h达到低谷,活性为65.714 U/(gFW),处理12 h后,酶活性开始回升,到120 h(5 d)时的酶活性为120.0 U/(gFW),与168 h(7 d)的酶活无明显差异(图2b)。结合空心莲子草富集铀的情况来看,根部在5 d时富集铀最多,茎、叶在2 d时最多,而此时根部SOD和茎、叶SOD活性都处于比较低的水平。

POD活性在根部和茎、叶部的动态变化过程中都出现两个峰值,在根部的两个峰值分别出现在铀处理后的4 h和120 h(图2c),在茎、叶部出现的两个峰值分别在处理后的6 h和48 h(图2d)。结合铀在根和茎、叶中的积累状况来看,根部POD活性第二个峰值出现在铀处理120 h,活性为104.500 U/(gFW);茎、叶部POD活性第二个峰值出现在铀处理后48 h,活性为32.250 U/(gFW),而此时正是根部和茎、叶部富集铀最高的时期。

CAT酶活性在根部和茎、叶部动态变化过程中,处理初期CAT活性与CK相同,其余时间处理的CAT酶活性均高于CK。根部CAT活性首先呈上升趋势,处理4 h时达到第一个峰值,而后活性下降,6 h后又开始迅速回升,8 h达到最大值,随后开始下降,至处理120 h时降到最低,活性为125.000 U/(gFW),而后略有升高,但无明显差异(图2e);茎、叶部CAT活性在处理0~2 h呈直线上升,处理48 h达到最高峰,活性为24.350 U/(gFW),然后又迅速下降(图2f)。从CAT酶活的变化来看,铀在根部富集最高峰时(5 d),CAT活性处于动态变化中一个较低的值,茎、叶部富集量最高时(2d)CAT活性则是其动态变化中最高的一个值。

综上所述,铀在空心莲子草根部和茎、叶部富集量最高时,其SOD活性均表现为比CK低,而且处于一个较低的值;POD活性均出现在其动态变化中的明显高于CK的第二个峰值;但对于CAT活性而言,根部CAT和茎、叶部CAT变化不同,前者在根部铀积累最多时处于较低值,而后者酶活性在铀积累最多时则高于其他所有时间。

3结论与讨论

Charles等[19]和Srivastava等[20]分别报道了铀对稀脉萍的生长情况的影响和黑藻对铀的累积及生化响应,但有关空心莲子草对铀的动态累积及其受胁迫后SOD、POD和CAT 的动态变化鲜见报道。

研究结果表明,空心莲子草对铀表现出高的耐受性和富集能力,对铀的积累主要在根部,在茎、叶部的累积量极少,是根部积累量的1/100~1/250;研究发现,铀在根部的积累量2~5 d内呈增长的趋势,到第五天时达到积累高峰,5 d后开始下降,而铀在茎、叶部的累积量1~2 d内呈增长的趋势,2 d后开始下降,表明铀在空心莲子草不同部位的累积量和吸附平衡点不同。詹杰等[21]发现空心莲子草对As5+的积累随浓度的增大而增加,主要积累在茎部;蔡成翔[22]研究发现Cd2+在处理2~5 d的空心莲子草体内的积累量基本不变,且主要在根部积累,而对Zn2+的累积则表现为增长的趋势。由此表明,空心莲子草对不同重金属的吸附、累积部位和量、吸附平衡点各异。

正常情况下,生物细胞内的抗氧化酶与自由基形成动态平衡,不会造成损伤。但在重金属胁迫下,植物体内产生大量活性氧自由基,发生过氧化反应,生理代谢紊乱[23]。Ding等[10]研究发现,在不同浓度Cd2+处理2 d后,空心莲子草叶片的SOD、POD、CAT活性有所变化;黄永杰等[11]研究发现,Zn2+处理14 d 后空心莲子草叶片的SOD、POD活性出现不同的变化,而CAT活性与对照组没有明显差异。他们的研究都是在某一固定时间下,研究空心莲子草叶片抗氧化酶活性的变化,而有关抗氧化酶活性的动态变化鲜见报道。试验结果表明,无铀胁迫条件下空心莲子草细胞内的POD、CAT、SOD活性在研究时间范围内比较稳定,铀处理后,随着铀胁迫时间的延长,根部SOD活性表现出先升后降的变化趋势,0~6 h内SOD活性明显提高,6 h以后SOD活性急剧下降,8~168 h内,SOD酶活性均低于CK;茎、叶部的SOD表现出先升后降再升高的趋势,其酶活性的两个峰值出现在6 h和120 h,12 h时酶活性最低,在120~168 h内POD酶活没有明显差异。茎叶部的POD和CAT活性在胁迫期间表现出折线变化,二者均出现两个活性高峰,第二个酶活性高峰均在处理2 d时,但第一个酶活性高峰出现的时间有所不同,CAT出现在处理2 h时,POD出现在处理6 h时;根部POD随时间呈现先升后降再升高的趋势,在铀处理5 d时酶活性最高;根部CAT随着时间的延长先升高后降低,酶活性在8 h达到最高,在120 h时活性最低。这可能与SOD、POD、CAT共同组成了植物体内一个有效的活性氧清除酶系统,三者协调一致的共同作用有关。综合SOD、POD、CAT活性和空心莲子草对铀的富集能力,可以看出在根部和茎、叶部铀积累最多时,POD活性最强,SOD活性较低,而CAT的活性变化较复杂,这可能与酶自身特性及对外界刺激的敏感性有关[25]。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

参考文献:

[1] 潘英杰,李玉成,薛建新,等.我国铀矿冶设施退役治理现状及对策[J]. 辐射防护,2009,29(3):167-171,198.

[2] 丁佳红,刘登义,储玲,等.重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景[J].生物学杂志,2004,21(4):6-10.

[3] GREGER M, KAUTSKY L. Use of macrophytes for mapping bioavailable heavy metals in shallow coastal areas, Stockholm, Sweden[J]. Applied Geochemistry,1993,8(2):37-43.

[4] ABBASI S A, RAMASAMI E V. Biotechnological Methods of Pollution Control [M]. Hyderabad:Universities Press,1999.168.

[5] KADLEC R H, BEVIS F B. Wastewater treatment at the Houghton Lake wetland: Vegetation response[J]. Ecological Engineering,2009,35(2):1312-1332.

[6] 顾 超,李 蕾,何池全.喜旱莲子草及鸭趾草对重金属的富集实验研究[J].上海大学学报(自然科学版),2004,10(6):626-629. [7] LIU J G, DONG Y, XU H, et al. Accumulation of Cd, Pb and Zn by 19 wetland plant species in constructed wetland[J]. Journal of Hazardous Materials,2007,147:947-953.

[8] DENG H, YE Z H, WONG M H. Lead, zinc and iron (Fe2+) tolerances in wetland plants and relation to root anatomy and spatial pattern of ROL[J]. Environmental and Experimental Botany,2009,65:353-362.

[9] WANG X S, QIN Y. Removal of Ni(Ⅱ), Zn(Ⅱ) and Cr(VI) from aqueous solution by Alternanthera philoxeroides biomass[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 138:582-588.

[10] DING B Z,SHI G X,XU Y,et al. Physiliological responses of Alternanthera philoxeroides (Mret.) Griseb leaves to cadmium stress[J].Evironmental Pollution,2007,147:800-803.

[11] 黄永杰,杨集辉,杨红飞,等.锌对水花生生长及活性氧代谢的影响[J]. 中国农学通报,2009,25(5):160-164.

[12] 刘耀华,杨文武. 硝酸-高氯酸消解――原子荧光法测定茶叶中的硒[J].环境科学导刊,2009,28(2):80-81.

[13] RUFYIKIRI G, WANNIJN J, WANG L, et al. Effects of phosphorus fertilization on the availability and uptake of uranium and nutrients by plants grown on soil derived from uranium mining debris[J].Environmental Pollution,2006,141:420-427.

[14] 张丽华, 宋 游,刘焕良.分光光度法测定高放废液中的铀[J].中国原子能科学研究院年报,2004(1):130.

[15] 彭永宏.荔枝采后果皮褐变机理与保鲜技术研究进展[J] 热带亚热带植物学报, 1998,6(1): 81-86.

[16] PADEEL A A. Location and properties of chloroplasts and pigment determination in roots[J]. Physiology Plantarum, 1962,15:130-146.

[17] 施特尔马赫B.酶的测定方法[M]. 钱嘉渊,译.北京:中国轻工业出版社,1992.

[18] 张新华,刘 永.铀矿山“三废”的污染及治理[J].矿业安全与环保,2003,30(3):30-33.

[19] CHARLES A L, MARKICH S J, RALPH P. Toxicity of uranium and copper individually and in combination,to a tropical freshwater macrophyte(Lemna aequinoctialis)[J].Chenosphere,2006,62:1224-1233.

[20] SRIVASTAVA S, BHAINSA K C, D’SOUZA S F.Investigation of uranium accumulation potential and biochemical responses of an aquatic weed Hydrilla verticillata(L.f.) Royle[J]. Bioresource Technology,2010,101:2573-2579.

[21] 詹杰,黄毅斌,郑向丽,等.砷元素对水花生生长影响[J].江西农业学报,2008,20(6):95-97.

[22] 蔡成翔. 水花生对锌、镉离子的净化作用研究[J]. 百色学院学报,2008,21(3):79-81.

[23] OKAMOTO O K, COLEPICOLO P. Response of superoxide dismutase to pollutant metal stress in the marine dinoflagellate Gonyaulax polyedra [J]. Comp Biochemistry and Physiology Part C: Pharmacology, Toxicology & Endocrinology, 1998,119:67-73.

[24] 周红卫,施国新,杜开和,等. Cd2+污染对水花生生理生化及超微结构的影响[J].应用生态学报,2003,14(9):1581-1584.

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文