砷脅迫對青萍PSⅡ熒光參數和光響應的影響

鐘智遙，胡 良，王香蓮，高桂青，樊后保，孫 瓏，胡晨陽，胡盛明

(南昌工程學院 1.水利與生態工程學院；2.江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室；3.土木與建筑工程學院；江西 南昌 330099)

砷(As)作為自然界廣泛分布且含有劇毒的類金屬元素，主要存在于地殼及巖層中，通常以硫化礦物的形式存在[1]。由于人類活動如農藥噴灑和采礦等，導致砷進入地下水及表層水，造成地區嚴重的砷污染，數以萬計的人因飲用受砷污染的水導致生命健康受到影響[2]。此外，砷還可以通過食物鏈傳播影響人體健康，因而砷污染問題引起人們廣泛關注[3-4]。

浮萍(Duckweed)廣泛存在于我國各類淡水環境中，具有繁殖速度快，對環境適應性強等特點[5]。作為一種水生被子植物，對于水體生態修復有重要作用[6]。我國的浮萍科植物含4屬約30種，主要為青萍(LemnaminorL)、稀脈浮萍(Lemnaperpusilla)、紫背浮萍(Spirodelapolyrrhiza)、少根紫萍(Landoltiapunctata)、蕪萍(Wolffiaarrhiza)[7]。大量研究表明浮萍能夠富集重金屬[8]。目前研究主要集中于重金屬(鎘、鉻、銅、鉛、鎳和鈷)等與浮萍發生生理生化反應[9-11]，而研究砷脅迫條件下對青萍(LemnaminorL)葉綠素熒光參數的影響文獻較為少見。葉綠素熒光參數可以代表植物的生長潛力，由光系統PSⅡ引起的熒光參數變化包含了光合活動許多信息，因此可以反映植物對環境的耐受程度[12-13]。且葉綠素熒光參數測定能夠在不傷及植物本身，對植物光合作用具有快速反應等特點[14]，能夠反映葉片PSⅡ活性[15]。陳夏媛對浮萍進行耐砷試驗發現青萍(D0101)能保持較高的生物量，對砷的富集也能達到最大[16]。此外青萍在浮萍中的生長速度遠強于其他浮萍品種[17]，且在江蘇[18]、江西[19]等地均為優勢品種。因此本次試驗以青萍為研究對象，在砷脅迫處理條件下，測定其相應的熒光參數指標和砷富集量，探討砷脅迫對青萍PSⅡ反應中心的影響，旨在為利用青萍修復砷污染水體提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養與處理

青萍于2021年5月初取自江西省南昌市高新技術開發區，為使試驗條件一致，選取形狀顏色一致(單葉片或雙葉片，青綠色)的青萍，作為試驗材料。將采集到的青萍均勻鋪于塑料方盒中(長36 cm、寬28 cm、高8 cm)，每盆約8 g，共5盆(覆蓋率約80%)。加入Hoagland營養液至6 cm刻度處，培養一周，隨后每盆取0.9g青萍放至塑料小盆中(長14 cm，寬10 cm，高5 cm)(覆蓋率約80%)，盆內加入400 mL Hoagland培養液，然后根據試驗設計加入不同濃度的亞砷酸鈉(NaAsO2，As3+)溶液進行處理。As3+濃度梯度依次為0、1、3、6、12mg/L，用As0、As1、As3、As6、As12表示。As0表示對照組(CK)。試驗分為5組，每個處理設置3個重復，共15組。青萍于16 h光照(白熾燈，100μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗的恒溫室(25 °C)中培養。脅迫處理5 d后，進行各項指標的測定。整個試驗在南昌工程學院退化生態系統修復實驗室內完成。

1.2 測定方法

1.2.1 青萍鮮重與干重的測定

用漏勺撈起青萍，將青萍用去離子水沖洗1 min后，平鋪于濾紙上用天平進行鮮重測定。將青萍放入信封內，置于80 ℃烘箱烘干24 h后，用天平進行干重測定。

1.2.2 葉綠素熒光參數和快速光響應曲線的測定

As3+處理青萍5 d后，采用水下飽和脈沖調制葉綠素熒光儀(DIVING-PAM)測定葉綠素熒光參數和快速光響應曲線。測試方法參考高桂青[20]等的方法。

1.2.3 青萍體內砷含量測定

采用電熱板消解法，稱取適量青萍放入聚四氟乙烯坩堝中，盛樣坩堝加入2滴去離子水濕潤，加入10 mL硝酸和1 mL高氯酸，250 ℃消解至坩堝內液體呈無色。消解結束后取下坩堝冷卻，加入5 mL硫脲-抗壞血酸(5%)，用5%稀鹽酸洗入50 mL容量瓶中定容。采用原子熒光分析儀(SA-20)進行砷含量的測定，測試方法參考王凱等的方法[21]。

1.3 數據分析

試驗結果為3次以上平行數據的平均值±標準差，用SPSS19.0軟件對數據進行單因素方差分析(One-wayANOVA)、Duncan多重比較分析和Pearson相關性分析，P<0.05表示顯著差異，P<0.01表示極顯著差異，制圖采用Origin8.0。

2 結果與分析

2.1 As3+脅迫對青萍生長的影響

根據設置試驗濃度，脅迫5 d后進行鮮重和干重測量，結果如表1所示，隨試驗濃度增大青萍鮮重與干重都呈顯著下降趨勢(P<0.05)，當砷濃度超過3 mg/L時，青萍鮮重隨砷濃度升高已無顯著變化。當砷濃度為12 mg/L時，青萍鮮重為對照組的40.79%，干重為對照組的46.39%。表明高濃度砷對青萍生長有明顯的抑制作用。這與Wang[22]等研究發現浮萍在鎘濃度為0.05 mg/L時，抑制率為25%的結果具有相似性。砷濃度與青萍鮮重和干重相關性分別為-0.812和-0.706(表2)。

表1 不同濃度As3+處理對青萍生物量影響

表2 As3+脅迫各指標相關性

2.2 As3+脅迫對青萍Fv/Fm與Fv/Fo的影響

由圖1可看出，Fv/Fm與Fv/Fo均隨著砷濃度的增加而降低。Fv/Fm與Fv/Fo分別在As3+≥6 mg/L和As3+≥1 mg/L時，呈顯著下降趨勢(P<0.05)。當As3+≤3 mg/L時，Fv/Fm無顯著差異，說明青萍對低濃度砷脅迫具有一定的自我調節能力；當As3+≥6 mg/L時，青萍PSⅡ反應中心開始受到損壞，可能發生了光抑制。在As≥6 mg/L時，Fv/Fo的數值大幅下降，說明青萍潛在光化學效率受高濃度砷影響十分顯著。在砷濃度為As3+=12 mg/L時，Fv/Fm與Fv/Fo分別為對照組的40.59%和8.81%。這與李伶[23]等發現浮萍在鎘濃度為6 mg/L時，Fv/Fm變化十分敏感，3 d內較對照組下降了14.95%相似。Fv/Fm與砷濃度呈顯著負相關，相關性為-0.940，Fv/Fo與砷濃度相關性為-0.859(表2)。

2.3 As3+脅迫對青萍Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)的影響

由圖2可看出，隨著砷濃度升高，有效量子產量Y(Ⅱ)呈顯著下降趨勢(P<0.05)，調節性能量耗散量子產量Y(NPQ)呈顯著上升趨勢(P<0.05)，但當As3+≥3 mg/L時，Y(NPQ)已無顯著變化(P>0.05)，非調節性能量耗散量子產量Y(NO)呈顯著上升趨勢，且濃度越高時趨勢越明顯。當As3+的濃度為12 mg/L時，Y(Ⅱ)為對照組的28.87%，Y(NPQ)為對照組的1.35倍，Y(NO)為對照組的2.63倍。這與高桂青等[20]發現黑藻在受鎘脅迫時，Y(Ⅱ)顯著減小，Y(NO)顯著增加結果具有一致性，Y(NPQ)先增后減是因為較高濃度鎘破壞了黑藻調節性耗散機制。Y(Ⅱ)和Y(NO)與砷濃度在(P<0.05)時分別呈顯著負相關和顯著正相關，相關性為-0.900和0.929；Y(NPQ)與砷濃度相關性為0.769(表2)。

2.4 As3+脅迫青萍qP、qN與電子傳遞速率(ETR)的光響應

由圖3知，qP隨著處理組砷濃度增加而降低；當As3+的濃度為12 mg/L時，qP為對照組的58.05%。隨著砷濃度升高，qN呈先增后減的趨勢(圖3)。這與劉濤等[24]發現西南樹平蘚在鉛濃度10 mg/L時，qP在10 d后較對照組減少了58.28%的研究結論一致。

圖3 不同砷濃度脅迫青萍qP、qN的光響應

qN在As3+的濃度為3 mg/L達到峰值，為對照組1.27倍，當As3+≥6 mg/L時，qN顯著下降(P<0.05)。以上表明隨著施砷濃度的增加，青萍光合機構損傷程度不斷提高，當超過其承受能力時，不再上升反而隨之下降。qP與砷濃度呈顯著負相關，相關性為-0.943；qN與砷濃度相關性為-0.771(表2)。

由圖4知，在不同砷濃度處理組脅迫下，電子傳遞效率ETR均隨著光合輻射強度PAR增大呈現先增加后逐步趨于穩定的趨勢，在保持PAR不變的情況下，對照組的ETR顯著高于砷處理組，且隨著施砷濃度的增加，青萍的ETR增長逐漸緩慢，到達峰值后下降趨勢也更加明顯。高桂青[20]等研究發現黑藻在受鎘和鋅脅迫下，ETR隨PAR值增大而減小，黑藻與青萍在受重金屬脅迫時，PSⅡ反應中心均受到抑制。所有處理組的ETR值基本在PAR為632 μmol·m-2·s-1達到最大值，在砷濃度為12 mg/L時和PAR為632 μmol·m-2·s-1時，ETR值僅為對照組的24.53%。

2.5 不同砷濃度脅迫下對青萍砷富集的影響

由表3可看出，青萍對砷的單位富集量隨砷濃度的增加呈現顯著上升趨勢(P<0.05)。當砷濃度為1 mg/L時，青萍的砷單位富集量為196.05 mg/kg，當砷濃度為12 mg/L時，砷單位富集量為982.09 mg/kg，是前者的5倍。陳夏媛[15]等研究發現青萍D0101在As(V)濃度為40 mg/L能超富集砷有相似性。青萍砷單位富集量與砷濃度呈一定的線性關系，在(P<0.01)時砷富集量與砷濃度呈極顯著正相關，相關性為0.981。表明在一定的濃度范圍內，施砷濃度越高，青萍的砷單位富集量越高。

表3 不同濃度As3+處理對青萍砷單位富集量影響

圖4 不同砷濃度脅迫青萍ETR的快速光響應

3 討論

青萍的鮮重與干重反映了植物的生長狀況，在不同砷濃度處理時，青萍的鮮重與干重均呈顯著下降趨勢(P<0.05)(表1)，當As3+>3 mg/L時，生物量明顯下降甚至不再生長，表明砷脅迫對植物生長有明顯的抑制作用，低濃度時存在一定耐受性仍可以生長發育，高濃度時嚴重抑制甚至會促使青萍不生長[25]。Fv/Fm與Fv/Fo分別表示青萍在暗適應下的最大光化學效率與潛在光化學效率，可以反映青萍在砷脅迫下光合作用光反應受影響程度的情況[26]，具有指示意義。而Fv/Fm與Fv/Fo呈顯著下降趨勢(P<0.05)(圖1)，正常狀態下Fv/Fm值應在0.8左右[27-28]，低于這個值說明青萍的光合作用受到抑制，PSⅡ反應中心受損[29]。也可能是因青萍葉片和根均直接接觸水體，在砷加入水體后，葉片中的的類囊體在砷作用下，類囊體膜中的電子傳遞過程受到阻礙，類囊體膜中的能量水平超過植物葉綠體消耗的能量，所以可能產生一定的毒性[30]，影響細胞膜光合作用活性，導致Fv/Fm與Fv/Fo下降(圖1)。

Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)均表示PSⅡ反應中心光量子參與轉化和耗散的途徑，研究表明三者的總和約為1，Y(Ⅱ)和Y(NPQ)隨砷濃度增加分別呈現顯著下降和顯著上升的趨勢(P<0.05)(圖2)，這說明PSⅡ反應中心受到損害，表現為光合作用的原初反應被抑制，同時光合電子的傳遞過程受到一定程度的阻礙[20]。青萍在砷作用下，Y(NO)隨著砷處理濃度的升高而升高，表明青萍PSⅡ受到砷的脅迫傷害，不能耗散的光能越多，青萍葉片吸收的部分光量子以非調節性能量耗散。

qP反映PSⅡ捕獲光量子轉化為化學能的效率[31]，隨著砷處理濃度的增加，青萍光化學效率顯著下降(P<0.05)(圖3)。qN表示PSⅡ吸收的光能中以熱能形式耗散掉的光能部分[32]。隨著施砷濃度升高，qN先增后減，說明青萍可能通過增加PSII反應中心熱量耗散來緩解光合系統受到損傷[33]，在高濃度砷(As3+≥6 mg/L)時，qN下降很可能超過青萍承受能力。青萍的ETR隨著PAR的增大呈現先增大后逐漸趨于穩定的現象，說明青萍的電子傳遞效率隨著光強增大而增大，但光強過高，會導致ETR值下降。在PAR保持不變的情況下，隨砷濃度升高，青萍ETR增長速率與最大值明顯下降(P<0.05)(圖4)。說明砷脅迫可能不利于青萍光合產物形成，PSⅡ反應中心部分失活，多余的能量以其他方式消耗掉[34]。砷處理濃度越高，青萍體內砷的單位吸收量越高，這與熒光參數指標和生物量指標隨著砷濃度的升高而下降一致。

4 結論

不同濃度砷對青萍生物量、葉綠素熒光參數和快速光響應曲線均有抑制作用，其中對低濃度砷(As3+≤3 mg/L)表現出一定程度耐受性，青萍在受高濃度砷(As3+≥6 mg/L)作用時，脅迫作用顯著增強。青萍受砷危害時，可以通過PSⅡ反應中心自我調節，但高濃度時會出現PSⅡ反應中心部分失活，對光合作用產生抑制。在一定濃度范圍內，隨砷濃度提高，青萍砷單位富集量越高。青萍熒光參數指標和光響應曲線對砷污染反映靈敏，可以通過測定青萍的熒光參數指標和光響應曲線來反映水體中的砷污染程度，對修復砷污染水體具有重要意義。