铅和稀土镧污染土壤对农作物的生物毒性及其早期诊断方法的研究

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本文从农作物幼苗对土壤铅污染胁迫的早期应激响应出发,探讨土壤有效态铅或植物体铅含量的变化与活性氧自由基的积累和由此导致的DNA损伤、蛋白质的氧化修饰、细胞周期的干扰以及抗氧化防御系统和应激蛋白的应激响应方式之间的关系,揭示铅污染土壤的生物毒性和致毒机制,筛选出可用于早期诊断的生物标志物,并初步提出铅污染土壤对蚕豆、西红柿和菠菜幼苗早期伤害的最小外源铅浓度,为重金属污染土壤的早期诊断和土壤修复标准的制定提供新的实验依据。同时,还研究了稀土镧污染土壤对玉米苗的氧化胁迫和生化效应,进一步为稀土农用的生态安全性的评价补充新的实验依据。本文的主要结果归纳如下:   1.土壤铅对蚕豆幼苗的毒性效应和致毒机理。Pb可能通过介导自由基(O2和H2O2)的积累,进一步诱导了DNA断裂和DNA-蛋白质交联作用,从而干扰了顶叶的细胞分裂周期和蚕豆幼苗的生长。Pb还诱导了根尖分生组织细胞分裂指数的下降和多种染色体畸变现象。因此,Pb对蚕豆幼苗具有一定的遗传毒性。这可能是Pb干扰和抑制蚕豆幼苗生长的机理之一。铅还可能通过介导O2和H2O2等自由基的产生和积累进一步诱导了膜脂质过氧化和蛋白氧化损伤,HSP70和HSP60合成的增加以及蚕豆根部组织内肽酶同功酶活性的升高进一步证明了铅诱导了蚕豆幼苗的蛋白毒性。这可能是铅诱导蚕豆幼苗氧化损伤的另一条途径。类似的致毒机制在西红柿和菠菜幼苗中也被证实。   2.蚕豆幼苗的抗氧化途径。随着土壤外源Pb胁迫程度的增加,蚕豆幼苗根部和叶片CAT酶活性呈现快速下降趋势,活性升高的POD和APX酶是清除积累的H2O2的主要抗氧化酶。抗氧化酶同功酶的协同表达,HSP70和HSP60的诱导合成是蚕豆幼苗缓解Pb的氧化胁迫的主要防御途径。   3.铅污染土壤对蚕豆幼苗伤害早期诊断的生物标志物和早期致毒的最小外源铅浓度。室内培养的蚕豆幼苗叶片O2、HSP70、DNA损伤以及POD同功酶图谱及其活性变化可作为诊断Pb污染胁迫的最敏感的生物标志物;蚕豆根部组织POD、CAT和SOD同功酶图谱及其活性变化在一定程度上也可指示土壤Pb污染的程度。室外培养的蚕豆幼苗叶片组织HSPTO和HSP60可作为诊断一定剂量范围的铅污染土壤的敏感的生物标志物。随着铅浓度的增加,其敏感性下降,甚至低于抗氧化酶的活性。将HSPs作为分子标志物应该考虑高浓度铅的抑制作用。   根据蚕豆幼苗HSP70和O2等生物标志物响应的敏感性,老化60天的Pb污染土壤对室内培养的蚕豆叶片早期致毒的最小外源铅浓度可初步界定为25mg/kg,对蚕豆根部早期致毒的最小外源铅浓度为125mg/kg,叶片比根部更加敏感。根据蚕豆幼苗根部HSP70等生物标志物响应的敏感性,老化7天的Pb污染土壤对室内培养的蚕豆根部早期致毒的最小外源铅浓度初步界定为25mg/kg。而老化60天的Pb污染土壤对室外培养的蚕豆幼苗叶片早期致毒的最小外源铅浓度初步界定为25mg/kg。   4.蚕豆幼苗根和叶片组织对铅胁迫的应激响应和受到的损伤程度存在差异。实验结果表明,根部积累的Pb高于叶片,由此可能导致根部脂质过氧化产物、还原型谷胱苷肽、O2积累和POD酶活性相应地高于叶片。而根部组织SOD、CAT和APX酶活性则相应地低于叶片组织。因此,在相同剂量铅作用下,根部受到的氧化损伤程度高于叶片。   5.老化降低了铅对蚕豆根部组织的氧化胁迫程度。实验结果表明,老化7天的Pb污染土壤诱导蚕豆根部总Pb含量高于老化60天的铅污染土壤。老化7天的Pb污染土壤对HSP70合成的抑制作用高于老化60天的铅污染土壤,前者对蚕豆根部的毒性作用高于后者。   6.室内外培养的蚕豆幼苗对Pb胁迫响应的比较。室内培养的蚕豆幼苗在1000mg/kg外源铅作用下,叶片组织HSP70仍能显著性增长,而室外的HSP70已经下降到对照组水平之下。尽管室外培养的蚕豆幼苗受影响的因素较多,实验结果表明,其早期幼苗叶片组织HSP70和HSP60的合成对轻度Pb污染土壤胁迫的应激响应比较敏感,可以作为Pb污染土壤对蚕豆幼苗早期伤害诊断的生物标志物。   7.西红柿和菠菜幼苗HSP70和HSP60可作为铅污染土壤早期诊断的分子标志物。实验结果表明,(12.5-50)mg/kg外源Pb诱导了西红柿幼苗叶片HSP70合成的显著性升高。菠菜幼苗发芽40天后,(12.5-500)mg/kg外源Pb诱导了HSP70和HSP60的显著性升高,然而暴露60天后,其敏感性下降,在500mg/kg剂量组,HSP60受到显著性抑制。外源Pb对这两种农作物幼苗早期致毒的最小外源铅浓度可初步界定为12.5mg/kg。上述结果表明,这两种蔬菜幼苗期HSP70和HSP60可作为Pb污染土壤早期诊断的敏感的生物标志物。   8.La3+能够诱导玉米幼苗产生氧化胁迫。玉米幼苗暴露20天后,(40-240)mg/kg La3+诱导了HSP70合成的显著性升高。随着外源La3+的增加,POD同功酶带型的光密度呈现下降趋势。同时也观察到,内肽酶同功酶活性变化较小。因此,(0-240)mg/kg La3+没有显著性诱导氧化胁迫,却增强了玉米苗的抗氧化能力。当暴露至40天时,内肽酶同功酶和POD同功酶活性上升,HSP70合成下降,预示着玉米幼苗体内的氧化胁迫程度上升。因此,上述剂量的稀土在短时间内可能具有增强玉米苗的抗氧化能力,随着暴露时间的延长,诱导了玉米苗的氧化损伤。因此,稀土的长期农用可能产生潜在的生态风险性。
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