土壤鉛污染對密毛白蓮蒿莖葉解剖結構影響的研究

羅于洋，王樹森，閆 潔，田 盼

(內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古呼和浩特010019)

隨著人類利用和開發自然資源的手段越來越先進，礦產資源的開采速度被大大地加快了。連年持續地開采加重了礦區周圍環境的重金屬污染，使農田、水體及人類身心健康受到威脅，因此加快鉛鋅礦山的生態恢復與植被重建研究，控制和減輕重金屬對環境的污染和危害就成為迫在眉睫的事情[1]。植物提取修復是目前研究最多且最有發展前途的一種污染土壤植物修復技術，重金屬超富集植物的發現是植物提取修復技術研究的基礎。

作者在以往的研究中發現，密毛白蓮蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.var.messerschmidtiana)是鉛的超富集植物，自然條件下，密毛白蓮蒿葉中鉛含量達2 375.27 mg/kg，葉對鉛的富集系數為1.15。密毛白蓮蒿為內蒙古山地半灌木群落的主要建群植物，高0.5～1.0 m，在白音諾爾礦區大面積分布。密毛白蓮蒿的發現為探討鉛在植物體中的超積累機理和鉛污染土壤植物修復的理論與實踐提供了一種新的種質資源。

本研究以內蒙古赤峰市白音諾爾鉛鋅礦區自然生長的密毛白蓮蒿為研究對象，通過對鉛脅迫下非礦區和礦區密毛白蓮蒿莖葉解剖結構影響的比較研究，探討鉛脅迫對超富集植物解剖結構的影響，在細胞水平上探討重金屬對密毛白蓮蒿的毒害機理，從而為鉛鋅礦山的生態恢復與植被重建提供一定的理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 采樣區自然地理概況

采樣區位于內蒙古自治區赤峰市巴林左旗白音烏拉蘇木境內的白音諾爾鉛鋅礦區。該礦區是目前中國長江以北最大最富的多金屬礦床，現已探明的鉛鋅金屬儲量2.488×106t，礦石中含有鉛、鋅、銀、鎘等主要金屬，鉛加鋅平均品位7.68%。礦區位于東經 118°51′30″—118°54′30″，北 緯 44°26′00″—44°27′30″。該區氣溫變化較大 ，1 月平均氣溫 -14.1℃，最低氣溫達-39.6℃，7月份平均氣溫22.45℃，冰凍期從10月至翌年4月，最大凍土深度2.5 m，平均年降雨量337.9 mm，雨季多在6—8月。植被類型為草甸草原，土壤類型為淡黑鈣土。另一取樣地蠻漢山位于內蒙古烏蘭察布市涼城縣境內，東經112°2′—113°2′，北緯 40°10′—40°50′之間。蠻漢山是我國北部森林氣候區和草原氣候區的過渡地帶，年平均降水量411.4 mm，年平均氣溫5.9℃，最高氣溫39.3℃，最低氣溫-34.0℃，生長期130 d左右，≥10℃積溫3 032.5℃左右。蠻漢山土壤為酸性巖砂壤質中厚淋溶灰褐土，植被為典型森林灌叢草原。

1.2 取樣方法

礦區密毛白蓮蒿為2008年5月上旬在白音諾爾鉛鋅礦尾礦區采集，選擇生長狀況良好且較為一致的密毛白蓮蒿幼株。非礦區密毛白蓮蒿為同時采集于蠻漢山的生長狀況良好的密毛白蓮蒿幼株。將兩地采回的植株帶回苗圃分開寄栽，待植株生長恢復后再移于室內的塑料盆里。

1.3 植株培養

將非礦區、礦區密毛白蓮蒿用濃度為200 mg/L的醋酸鉛溶液培養，各設4個重復。

將苗床內的密毛白蓮蒿幼株移栽至塑料盆中(盆口直徑15 cm，高12 cm)進行砂培，每盆中栽植3～4株小苗，共栽4盆，放置于通風和光照良好的地方進行培養。每隔2 d澆1次去離子水，預培養14 d后植株生長狀況良好，此時進行200 mg/L的醋酸鉛溶液處理。培養期間，每隔3 d澆 1次營養液(40 ml/盆)，每隔3 d澆1次去離子水(20 ml/盆)，每隔5 d澆1次醋酸鉛溶液(15 ml/盆);在每個塑料盆下放置塑料盤一個，不定期將盤內積液倒回盆中。植株培養50 d后，雖然生長緩慢，但生長狀況良好，整株拔出進行相關實驗指標的測定。

1.4 莖葉解剖結構實驗方法

植株培養50 d后做標記，然后將莖葉脫水、透蠟、包埋、切片、展片、染色、封片。在電子顯微鏡(Olympus-BX41TF)下觀察，并記錄觀察結果。

2 結果與分析

2.1 密毛白蓮蒿莖解剖結構[2-3]

2008年11月，對200 mg/L鉛溶液處理的非礦區、礦區密毛白蓮蒿莖進行實驗室解剖結構研究，結果如圖1，2和表1所示。

2.1.1 表皮 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿莖的表皮細胞由一層細胞組成，細胞多不規則且大小不一，細胞排列緊密。如圖2所示，礦區密毛白蓮蒿莖表皮加厚，由1～3層細胞組成，細胞多為不規則型，細胞排列整齊而緊密，顏色加深。

圖1 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結構(10倍)

圖2 200 mg/L鉛溶液處理的礦區密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結構(10倍)

表1 非礦區、礦區密毛白蓮蒿莖橫切面的顯微特征比較

2.1.2 皮層 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿莖薄壁組織的細胞大小不一，近圓形，排列疏松，含葉綠體較少。如圖2所示，礦區密毛白蓮蒿莖薄壁細胞組織細胞呈圓形或長方形，排列疏松，含葉綠體多。細胞中有黑色物質。

2.1.3 維管柱 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿莖韌皮部細胞小，質密。木質部導管孔徑較大，分布均勻。髓特別發達，由大型的薄壁組織細胞組成，形狀圓形或不規則，排列較為疏松，有機質大多儲存在髓中。如圖2所示，礦區密毛白蓮蒿莖薄壁組織細胞比較大，木質部導管管壁加厚，且導管中有黑色物質。

2.2 密毛白蓮蒿葉解剖結構[4-9]

2008年11月，對濃度為200 mg/L的鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿、礦區密毛白蓮蒿葉進行實驗室解剖結構研究，結果如圖3，4和表2所示。

圖3 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結構(40倍)

2.2.1 表皮 如圖3所示，非礦區密毛白蓮蒿葉表皮具有保護作用，由一層細胞構成。表皮細胞不規則，排列松散，細胞大部分解體，且細胞中無葉綠體。如圖4所示，礦區密毛白蓮蒿由一層表皮細胞構成。表皮細胞呈不規則型，細胞較大，排列緊密。部分細胞中無葉綠體，部分細胞中有葉綠體但葉綠體變形。

2.2.2 葉肉 如圖3所示，非礦區密毛白蓮蒿葉柵欄組織部分解體，組織中有晶體出現。細胞小，細胞核小且分布不均勻。海綿組織解體，海綿組織中的細胞解體，核膜和核仁消失。如圖4所示，礦區密毛白蓮蒿柵欄組織由2～3層細胞組成，細胞呈長方形或不規則型，排列松散，細胞大小不均勻，細胞核少。海綿組織相對不發達，細胞呈球型或多面體型，細胞間隙較小，少數細胞有細胞核。

圖4 200 mg/L鉛溶液處理的礦區密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結構(40倍)

表2 非礦區和礦區密毛白蓮蒿葉片橫切面顯微特征比較

3 結論

研究結果表明，礦區密毛白蓮蒿對鉛含量較高的土壤環境具有較強的適應性。

鉛脅迫對非礦區密毛白蓮蒿莖組織結構影響不大，礦區密毛白蓮蒿則通過加厚細胞壁，加厚導管壁表現出對環境的適應。鉛脅迫下礦區密毛白蓮蒿葉解剖結構變化較小。

鉛脅迫下非礦區密毛白蓮蒿莖組織結構變化較小，細胞中幾乎沒有葉綠體。礦區密毛白蓮蒿由于長期生長在鉛礦區，表現出對鉛的適應性:礦區密毛白蓮蒿莖表皮加厚，細胞壁加厚，只有葉綠體含量減少。木質部導管壁出現加厚現象，導管中有黑色物質。

鉛脅迫對非礦區密毛白蓮蒿葉影響較大，具體表現為:整個組織結構極其松散，組織內部的細胞形狀不規則，細胞大小不規律，且排列混亂，部分細胞出現了解體的現象，細胞中葉綠體含量明顯減少。鉛脅迫下礦區密毛白蓮蒿葉解剖結構變化較小，其組織結構比較完整而且內部的細胞排列很緊密，細胞的形狀較為規則，大小比較均一，葉綠體含量無明顯減少，其細胞中細胞核較少。

細胞是生物結構和功能的基本單位，重金屬引起植物細胞解剖結構的改變是一個復雜的過程，植物體內的重金屬積累超過一定閥值后，對植物細胞超微結構的損傷是一個重要機制，通過探討植物受重金屬毒害后細胞結構的變化，是在細胞水平上揭示重金屬毒害植物機理的途徑之一。國內外許多學者從不同的角度報道了重金屬對植物細胞結構的破壞。李榮春[10]研究了Cd，Pb及其復合污染對烤煙葉片細胞亞顯微結構的影響，發現Cd對煙葉葉肉細胞亞顯微結構具有較強的損傷誘變作用，表現為葉綠體類囊體腫脹或解體，基粒片層紊亂甚至消失，類囊體空泡化;細胞核變形，核仁解體，核質分布不均勻以及出現微核等，較嚴重的核中央出現大空泡，核膜部分或全部解體，核質分布在空泡的邊緣，線粒體脊的消失而使線粒體空泡化。施國新[11]等對汞、鎘污染對黑藻葉細胞傷害的超微結構進行了研究。葉細胞遭受Hg2+，Cd2+毒害初期，高爾基體消失，內質網膨脹后解體，葉綠體中的類囊體和線粒體中的脊突膨脹或呈囊泡狀，核中染色質凝集。隨著葉細胞遭受毒害程度的加重，核糖體消失，染色質呈凝膠狀態，核仁消失，核膜破裂，葉綠體和線粒體解體，質壁分離使胞間連絲拉斷，細胞壁部分區域的壁物質松散游離，最后細胞死亡。結果表明，Hg2+和Cd2+對細胞的膜結構和非膜結構都產生毒害作用，只是不同的結構對毒性的耐受性有一定的差異。

內蒙古白音諾爾鉛鋅礦是目前中國長江以北最大的鉛鋅多金屬礦，在漫長的開發利用過程中，對周圍的土壤環境、水體環境等造成了嚴重的重金屬污染。加強該地區對重金屬污染環境的研究，著手修復被重金屬污染的土壤十分必要。密毛白蓮蒿為Pb的超富集植物，在礦區大面積分布，在細胞水平上探討密毛白蓮蒿對Pb的積累和耐受機理對我國鉛鋅礦污染土壤植物修復的理論與實踐具有重要的意義。

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