重金属对孔石莼的单一毒性研究

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  摘要:现代工农业不断发展,全球化进程日益推进。重金属污染已成为一种具有潜在性的危害。藻类作为海洋中重要的初级生产者,在整个生态系统中起决定性作用。本文采用孔石莼作为实验藻类,研究了不同种类,不同浓度的重金属溶液对孔石莼的毒性作用。
  关键词:重金属;孔石莼;毒性作用;叶绿素
  1、研究背景
  孔石莼又名海菠菜,分布于辽宁、河北、山东和江苏等地区沿海,长江口以南沿海虽也有生长,但孔石莼数量逐渐稀少。孔石莼全年都存在,繁殖期、生长期主要在冬季和春季,春末夏初是采收盛期。本实验采用大连丽娇湾的孔石莼作为藻种,它是大连丽娇湾沿岸的优势藻种,具有经济、原料丰富、易获得、易观察等特点。实验通过分别对经重金属铜和镉处理后的孔石莼样品测定其吸光度并通过固碳量和叶绿素生长速率的计算,得出重金属对孔石莼光合作用色素的影响,进而说明藻类对重金属的毒性作用也具有一定的指示作用,对指示重金属污染具有重要意义。
  2、1重金属污染对孔石莼的毒性作用研究
  2.1 孔石莼对重金属毒性效应的指示及其响应程度
  自然环境中水体污染随处可见,但是通常而言大多数含量极少的金属对藻类植物是没有害处的,而且有许多还是藻类生长发育必需的。如锌离子,铜离子等,但是水体里的重金属含量过高就会对藻类植物造成危害,致使藻类疯长,给水体造成严重污染。
  各种重金属除了通过对重金属胁迫下藻类叶绿素含量以及各种酶活性的变化情况的观察得知其对孔石莼的毒性效应强弱之外,还可以根据重金属胁迫下超氧阴离子O2-产生速率和可溶性蛋白含量的变化指示各种重金属对不同藻类毒性效应的强弱。通过实验了解到超氧离子是通过参与启动膜脂过氧化或者是膜脱酯作用来破坏孔石莼的细胞膜结构。且不同的重金属产生超氧阴离子的速率也不同。Cu的影响速率相对比较明显,铜使蛋白质的含量降低。而Cd、Zn都能在一定浓度范围内(Cd:0.5~1mg/L;Zn:0.5~5mg/L)使孔石莼的蛋白质含量升高。从而使其含量上升。因为研究发现,孔石莼被金属毒害后,其体内合成了植物络合素,金属硫蛋白质和胁迫蛋白来螯合进入体内的重金属或者修复和保护受损伤的蛋白质。通过3种不同金属对孔石莼的毒性作用可以知道不同种类的金属对藻类植物影响机制也会有所不同。
  2.2 重金属对孔石莼光合作用色素的影响及其作用机理
  光合作用是藻类最重要的生理生化活动。植物细胞中有四种光合作用色素叶绿素a、叶绿素b、叶黄素、类胡萝卜素。其中,叶绿素a含量最多,叶黄素含量最少。在光合作用中,只有少数叶绿素a能将光能转变为化学能,而叶黄素和类胡萝卜素只能吸收光能,其他的叶绿素a和b只能传递光能,这些称为天线叶绿素,而能进行能量转换的叶绿素称为中心叶绿素。而重金属使藻类光合作用下降的主要原因之一是叶绿素遭到破坏,尤其是叶绿素a更容易受到伤害,此外还会引起色素比率的改变。实验证明,藻类的叶绿素a、b随水体镉浓度上升而下降,这种现象说明镉对叶绿素a破坏作用大于叶绿素b,而重要的光合作用色素中心正是叶绿素a中的某些特征结构。而当叶片褪绿,光合作用减弱后,最终导致藻类的生长发育受到抑制,藻类生产量的降低。实验分析得知,重金属可能是叶绿素里的酶活性降低,使叶绿素的分解速度加快,从而导致其含量降低。重金属也可以干扰孔石莼对微量元素的吸收,从而隔断了营养元素的输送,使叶绿素的合成成为一大难题。最后有可能是重金属在局部积累过多直接破坏了叶绿体的结构及其功能。
  同时实验证明,汞也可影响光合作用的电子传递系统,导致叶绿素含量的下降,致使孔石莼的生长发育被抑制有的甚至被完全终止。锌是孔石莼生长代谢的重要微量元素,锌的浓度过高会抑制孔石莼的生长,并使叶绿索含量下降,高浓度的锌还严重影响光合作用。铜也是孔石莼生长代谢过程中所必须的微量元素,但高浓度的铜对孔石莼具有毒害作用,抑制其发育和光合作用,同时对孔石莼具有毒害作用。与重金属可以通过其细胞壁及表面与重金属结合达到吸收重金属的目的。孔石莼可以迅速吸收重金属并将收集到的金属富集在体内,不仅如此,孔石莼可以通过物质跨膜运输将70%~80%的重金属吸附在表面。可是绿藻可以清除被污染水中的Cu和Cd等重金属;褐藻的细胞壁含有特殊物质络合重金属,抵御重金属的毒性作用;蓝藻可以富集周围的重金属形成多糖并分泌出细胞外,这些胞外多糖可以对蓝藻起到保护作用。同时,重金属还能与其他各类藻类细胞的胞外成分结合,从而减少了进入胞内的重金属离子数量,使胞内细胞器免受重金属的毒害。
  3、得出结论
  通过重金属对孔石莼单一毒性的研究知道了不同浓度及种类的重金属对孔石莼的影响程度不同,较低浓度重金属可以促进孔石莼的生长,提高孔石莼的固碳量,但当重金属浓度超过“转折浓度”后,表现出毒害作用,抑制其生长,降低藻类固碳量。
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