重金属离子对藻类叶绿素含量及光合作用的影响

课题的目的和意思光合作用即光能合成作用是植物、藻类在可见光的照射下经过光反应和碳反应利用光合色素将二氧化碳或硫化氢和水转化为有机物并释放出氧气或氢气的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和

是生物界赖以生存的基础也是地球碳氧循环的重要媒介。光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义,光合作用除了制造数量巨大的有机物实现巨大的物质转变将CO2和H2O合成有机物将太阳能转化为化学能,并储存在光合作用制造的有机物中,以及净化空气维持大气中的O2和CO2含量保持相对稳定还对生物的进化具有重要作用。但是,高等植物的光合作用经常受到各种不利环境因素的影响重金属污染就是其中的因素之一。重金属离子以各种途径和不同形式释放于环境它们作为一种逆境因子胁迫植物的各种生理过程使植物的生长受到抑制。光合作用对重金属离子的作用较为敏感重金属胁迫使植物的光合速率下降这已为众多实验所证明光合降低应与植物种类和发育时期以及重金属的种类密切相关且与胁迫程度呈正相关。重金属离子对光合作用的毒害机理也已逐渐被深入探讨。二、国内的研究进展重金属离子对植物光合作用的影响是复杂的、多方面的。不同重金属离子可能有不同的作用部位和作用方式而相同的重金属离子又因浓度和作用于不同的植物而有所差别在自然环境中通常发生的可能是几种重金属离子的混合污染它们的相互作用可能导致拮抗或协同效应更增加了反应的复杂性这都需要进一步深入细致的研究探讨。1、重金属离子对叶绿素含量和叶绿体结构的影响

叶绿素含量的变化重金属离子Cd2+、Pb2+、Hg2+、Cr6+、Ni2+、Cu2+、Zn2+等均可使高植物的叶绿素含量明显降低。有报道认为Cd在低浓度短期内对叶绿素合成有刺激作用而超过一定浓度后才对叶绿素起破坏作用。重金属导致叶绿素含量降低可能是引起光合速率下降的原因之一但叶绿素含量的降低程度通常小于光合速率的降低。还有研究表明对叶绿素合成的抑制早于对光合作用功能的抑制。叶绿素a和b受金属离子的影响程度往往不同孙赛初等提出Cd对水生维管植物的叶绿素a和叶绿素b的影响中叶绿素a下降幅度更大陈国祥等通过用Hg2+、Cd2+分别处理莼菜科芽冬茎叶任安芝等用Cr、Cd、Pd处理青菜叶片测定叶绿素含量和a/b比值也支持了上述观点但也有人报道Cd污染后的番茄叶绿素a/b值随处理浓度增大而增大表明Cd对叶绿素b的影响比叶绿素a大。重金属处理使叶绿素含量变化的原因有下述几种看法重金属离子直接干扰了叶绿素的生物合成在大麦幼苗中抑制了原叶素酸酯还原酶的活性另一个原因是由于重金属离子引起了叶绿素酶活性的升高使叶绿素降解加快此外重金属如Hg、Cu、Cd、Ni、Zn、Pd等可以替代叶绿素的中心镁原子从而导致光合作用的破坏也是其中的重要机制之一并且可以用荧光显微镜观察、叶绿体吸收光谱、荧光动力学等方法进行原位检测为重金属的毒性研究提供了很大方便有人用荧光动力学的检测方法发现在高光强下重金属替代Mg原子的反应可能专一性的发生在PSII反应中心。叶绿体结构的变化叶绿体是高等植物的光合器官外由双层的叶绿体被膜所包围内由片层系统或扁平的类囊体所组成。有的类囊体垛叠在一起称为基粒类囊体由膜系统排列较松弛的间质类囊体所联结基粒结构对光合作用的正常进行是必不可少的[21]。重金属离子可导致叶绿体超微结构的改变用10цmol/LCd2+和Hg2+分别对菱处理后第八天电子显微镜下可观察到叶绿体膨胀变形基粒类囊体片层松散解体叶绿体双层膜断裂膜系统损伤。此处

等重金属离子均能对叶绿体结构造成不同程度的破坏出现叶绿体收缩或类囊体膨胀、基粒垛叠结构解体、基质减少质体小球大量增多等现象。彭鸣等以玉米为材料研究Cd以高等植物细胞超微结构的影响提出Cd对叶绿体的破坏与Cd沉积在类囊体上并与膜上蛋白体结合进而破坏酶系统和阻碍叶绿体合成有关。有关实验表明在处理介质中提高Mn2+浓度叶绿体结构可部分恢复基粒重新垛叠。若在培养介质中长期加入则可使被Cd2+抑制的以水为电子供体的光合活性全部恢复。而在Cd2+处

理的离体叶绿体中只能使被抑制的光系统II活性部分恢复。这暗示Cd2+对叶绿体结构的影响与锰有关。2、重金属离子对植物类囊体膜结构和功能的影响对类囊体膜分子结构的影响重金属离子对类囊体膜分子的结构的影响被认为与以下三方面有关膜脂、膜蛋白、脂一蛋白的相互作用。Balazs和Gabor等用FTIR和ESR的手段检测认为重金属对类囊体膜的毒害效应具有元素专一性、Pb、Zn的作用能够改变膜脂的流动性和膜蛋白的空间结构并使膜蛋白复合物解离改度其热变性特征而Cd、Ni则几乎无影响。Hg2+抑制绿藻光合作用的效应在照光一段时间后可以恢复表明Hg2+的作用与PSII反应中心DI蛋白的代谢有关。Cd2+对DI蛋白的代谢也有影响。用SDS——PAGE 进行实验表明一些重金属离子如Hg2+Cd2+Cu2+处理影响了类囊体膜的多肽组成。Cd2+处理使LHCII部分解聚成单体且总量减少不利于激发能向PSII分配而Zn2+的影响则与膜蛋白结构无关。对类囊体膜电子传递活性的抑制作用重金属离子Hg2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+等对叶绿体光合电子传递均有抑制作用。一般来讲光系统II的活性对重金属离子更为敏感。Miles和Li以菠菜和番茄为材料分别用Pb2+和Cd2+处理离体叶绿体测定了光合电子传递活性、Hill反应活性以及叶绿素a荧光发现光系统II的活性受到严重抑制而在相同处理浓度下光系统I的活性不受影响。在许多实验中都得到了与之相同的结果表明光系统II电子传递对重金属离子有着普遍的敏感性。对于重金属离子在光系统II的抑制部位和作用机理一般借助于加入人工电子供体如DPC、NH2OH和MnCl2或抑制剂的方法来研究。Bazzaz和Govindjee用Cd2+处理离体叶绿体,加入PSII氧化侧电子供体DPC,使Cd2+抑制的PSII活性恢复至对照水平认为Cd2+作用于PSI氧化侧。VanDuijvendijk—Matteoli等以Cd2+处理菠菜离体叶绿体叶绿素a可变荧光降低加入NH2OH和外源Mn后被抑制的PSII活性部分恢复因此推测Cd2+直接作用于水裂解酶本身。Tripathy 和Mohanty用同样方法推测Zn抑制光合电子传递的部位位于PSII 氧化侧的羟胺和DPC电子供给部位之前。至于重金属离子抑制PSII电子传递的机理

目前主要有以下三种观点重金属离子抑制了水氧化功能从而引起正电荷在水氧化系统水平上的积累由此导致了围绕PSII的循环电子流动使放氧能力丧失。破坏了叶绿素蛋白复合物引起LHCH的解聚和总量减少而LHCII在光能吸收、传递及激发能在光系统间的分配和调节方面起着十分重要的作用重金属离子的作用导致激发能在两光系统间不能均衡分配从而使光合作用法能正常进行。可能损伤了某些参与光合电子传递的膜蛋白。3、重金属离子对光合碳同化酶活性的影响关于重金属离子对PCR循环卡尔文循环中关键酶的影响目前研究的相对较少。Sheoran等以Cajanus cajan L.为材料研究了Cd2+和Ni2+在植物不同生长时期对光合作用和RuBP羟化酶、3—PGA激酶、NADP和NAD—3—磷酸甘油醛脱氢酶、醛缩酶、FBPase等酶活性的影响。在幼苗期和1mmol/LCd2+和Ni2+分别使光合率降低50%和对不同酶活性的抑制程度不等——羧化酶对离子的作用较为敏感对3——PGA激酶的影响最小。在植物生长晚期、Ni2+浓度增加至10mmol/L时才表现抑制作用使光合率降低只使酶活性降低约使光合速率降低而对酶活性则几乎无影响表明重金属使酶活性的降低不是导致光合速率降低的直接原因。Weigel的实验也表明莴苣叶肉原生质体的羧化反应对Cd2+作用不敏感。Eicchan和Page等曾提出过不同的观点认为重金属对光合作用的毒性机理主要是由于结合了酶导致酶催化功能的改变使酶系统受损。但更多的研究表明重金属离子对光合作用

中酶的影响较小而光合速率的下降可能是由叶绿素浓度和气孔导度的降低间接引起的

但二者也都并非解释光合作用被抑制的唯一原因。电子传递系统似乎是重金属Cd2+、Ni2+等作用最敏感的部位这在整体植物和离体叶绿体中都有证明