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近百年來, 植物監測以其成本低廉、效果直覺、靈敏度高而引起了環境和生态學家們的廣泛關注。空氣鳳梨是一類生長在空氣中、不需要土壤的特殊植物, 其生長所需的水分和營養可以全部來自空氣, 有時也被直接稱為“空氣植物”。它們有真正的根, 但根不發達, 沒有吸收水分和養分的功能, 僅起到固定植株和少量空氣交換的作用, 葉片表面的鱗片被認為是它們真正吸收水和養分的器官。
正因如此, 它們也能夠同時吸收大氣降塵中的污染物 (包括有機污染物及重金屬污染物) , 進而成為有效的監測環境變化的“訓示植物”。早在1952年MacIntire就利用松蘿空鳳 (Tillandsia usneoides) 來檢測雨水中氟化物的含量。Calasansa等又發現松蘿是一種很好的檢測空氣中重金屬離子汞污染的訓示植物, 因為它能快速、有效地積累空氣中飄浮的汞離子, 并對一些脅迫環境, 如高溫、高汞離子濃度及氧化劑 (Cl2) 等, 有較強的拮抗能力。Eduardo等以另外2種空氣鳳梨T.capillaris和T.permutata來作為訓示植物, 發現它們也能有效檢測到V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb和Br等重多元素的存在。
但是, 迄今為止, 利用空氣鳳梨監測重金屬污染的研究多集中在植物富集重金屬效果方面, 而很少有研究探讨空氣鳳梨富集重金屬的具體機制。隻有Filho等利用松蘿空鳳作為重金屬污染的訓示植物, 利用掃描電鏡和X-射線熒光技術來分析汞的富集部位及含量, 發現松蘿莖和葉表面的鱗片對汞元素高度吸附, 表皮細胞上很少吸附, 而在松蘿葉片内部則未發現汞元素。
但是, 空氣鳳梨葉表面的鱗片是由外部的翼狀細胞、中間的環狀細胞和内部的碟狀細胞構成的, 哪一類型的細胞吸收重金屬元素更為有效卻沒有研究。是以, 我們選擇空氣鳳梨中比較常見的硬葉空鳳 (Tillandsia stricta‘Hard leaf’) 為材料, 以環境中最典型的污染物—鉛對其進行脅迫處理後, 在通過原子吸收等方法探讨空氣鳳梨對鉛的富集效果基礎上, 通過掃描電鏡和能譜分析等技術探讨空氣鳳梨富集鉛的具體機制。
材料與方法
從栽培溫室選出株型較一緻的硬葉空鳳15株作為研究材料。将生長狀态良好的硬葉空鳳放置于人工氣候箱中進行培養, 培養條件為:白天/夜晚:14 h/10 h, 溫度25℃, 濕度70%～80%, 光照強度14 400 lux。
以PbNO3溶液的形式對硬葉空鳳植株進行鉛脅迫, 實驗設定5個梯度, 鉛處理濃度分别為0、1、10、50、100 mg/L, 每種濃度3個重複。參照硬葉空鳳正常的澆水方式, 每天同一時間将硬葉空鳳完全浸沒于不同濃度的鉛溶液中, 各2 min。15 d後取脅迫鳳梨葉片用于重金屬含量測定。
以濕法消解處理樣品:準确稱取鳳梨葉片2.0 g, 蒸餾水沖洗幹淨灰塵及其他粘附物, 放置于恒溫幹燥箱中, 105℃殺青30 min, 50℃下恒溫幹燥至恒重。用剪刀将葉片盡可能剪碎, 取0.2 g入長頸圓底燒瓶中, 加入21 m L濃硝酸和7 m L高氯酸, 采用電熱套加熱來進行濕法消解。将消解後的溶液倒入25 m L的容量瓶, 蒸餾水定容。
樣品用火焰原子吸收光譜 (AAS) 法進行重金屬含量測定:根據處理濃度不同, 将樣品适當進行稀釋。Pb的分析條件為:波長283.3 nm, 燈電流10 m A;光譜通帶0.7 nm, 助瓦斯為空氣, 17 L/min;瓦斯為乙炔, 1.4L/min;測量方式為AAS;背景扣除方式為賽曼方式。
掃描電子顯微鏡 (SEM) 樣品制備與觀察
取硬葉空鳳相同部位的葉片, 清潔後用4%的戊二醛固定48 h, 蒸餾水洗滌, 分别用30%、50%、70%、80%、90%、100% (2次) 梯度濃度的酒精脫水各10min。脫水後立即将樣品固定在載破片上, 置密閉容器内自然晾幹。離子濺射儀鍍膜, Leica S440型掃描顯微鏡觀察, 拍照。
能譜分析 (EDS)
在掃描電鏡視野裡, 選擇一個有代表性的完整鱗片。在該鱗片的翼狀細胞、環狀細胞和碟狀細胞的不同位置, 設定一個固定的點進行點掃描, 分析該點的主要元素和鉛的含量。試驗資料用SPSS 18.0統計軟體進行單因素方差分析以比較不同處理的差異顯著性。
15 d内每天都用不同濃度的PbNO3溶液對硬葉空鳳進行脅迫, 實驗結束後所有植株都沒有明顯死亡症狀。以0～10 mg/L PbNO3溶液處理的植株仍然保持綠色, 但以50 mg/L和100 mg/L PbNO3處理的植株開始出現葉片變黃現象, 葉尖開始幹枯, 且100 mg/L PbNO3處理的植株葉片變黃和幹枯的面積更大。
不進行鉛脅迫處理的硬葉空鳳植株體内也檢測到鉛元素的存在, 可達到0.31μg/g。随着污染物濃度的增高, 空氣鳳梨葉片對污染物的吸附和積累越多 (表1) 。統計分析表明, 在PbNO3溶液脅迫下, 硬葉空鳳吸附和累積的鉛含量随着處理濃度的升高而顯著增加 (p<0.05) 。
表1
硬葉空鳳葉表鱗片對鉛的吸附特征
掃描電鏡分析 (SEM) 表明硬葉空鳳葉表覆寫有白色的鱗片, 呈特殊的“葵花”狀。鱗片由翼狀細胞、環狀細胞和碟狀細胞3類細胞構成 (圖1) 。鱗片由3層細胞構成, 最中央一層有4個細胞, 呈碟狀, 即碟狀細胞 (Disc cell) ;碟狀細胞之外環繞着一層細胞, 共8個, 即環狀細胞 (Ring cell) ;鱗片的最外層是長長的翼狀細胞 (Wing cell) , 翼狀細胞互相之間連接配接緊密, 邊緣有鋸齒。能譜分析 (EDS) 表明, 在3類細胞上均可檢測到C、N、O、Mg、Al、Si和Ca等植物必須的元素, 其中C和O所占的比例最高。
不進行鉛脅迫處理的硬葉空鳳植株葉表鱗片細胞中可檢測到鉛元素的存在 (圖1) , 經過硝酸鉛溶液處理的植株中也均檢測到鉛元素的存在 (圖2) 。不論以何種濃度處理硬葉空鳳植株, 鉛元素所占的比例總是在最外部的翼狀細胞中最低、中間的環狀細胞中次之, 最内部的碟狀細胞中最高 (表2) 。
表2
做為污染監測的訓示植物通常需具有以下2個基本條件, 一是對污染物的反應敏感, 即使在很低的污染物濃度下也能在形态或生理上表現出明顯的特征, 進而能夠反映污染物的濃度變化。二是對污染物具有很強的抗性, 不會受污染後很快緻死。實驗表明, 随着鉛溶液濃度的提高, 硬葉空鳳富集的鉛含量顯著升高 (表1) , 表明這種空氣鳳梨可對鉛元素進行有效的吸附和富集。而且, 硬葉空氣鳳梨在很低濃度的鉛處理下, 在其葉片中也能很快檢測出這些污染物的存在, 展現了其快速、有效監測污染物的能力, 進而具備了做為訓示植物的第一個基本條件。
另外, 在不同濃度鉛處理下, 硬葉空氣鳳梨表現出很強的抗污染能力, 即使在非常高的污染物濃度下 (100 mg/L) , 這種空氣鳳梨也能生存半月以上。而在自然情況下, 污染大氣和水體中鉛的濃度是很少能達到100 mg/L的。是以可以說, 硬葉空氣鳳梨對鉛污染均具有很強的耐性, 具備了應用于鉛等重金屬元素污染監測方面的第二個基本條件。盡管我們是用鉛溶液處理空氣鳳梨, 但考慮到不管是空氣中還是溶液中, 鉛在被植物吸收時總是以離子的形式存在。是以, 将對溶液中鉛吸收能力強的空氣鳳梨應用于大氣鉛污染監測也是可行的。
硬葉空鳳能夠有效地富集鉛等污染物質是與其獨特的生物學特性息息相關的。作為可以在空氣中生存的特殊植物, 空氣鳳梨必須依賴其葉片吸收空氣中的水分和養分, 其葉片具有很強的吸收能力, 很多研究也證明了這一點。空氣鳳梨吸收水分和養分的結構是葉片表面的鱗片。
利用顯微技術對松蘿空氣鳳梨吸收Hg粒子的研究也表明, 絕大部分Hg顆粒被葉表鱗片所吸附, 少部分由表皮細胞吸附, 而葉片内部的葉肉細胞中沒有發現任何Hg的存在。我們的研究也表明, 不管以任何濃度的鉛溶液處理硬葉空鳳, 在其葉表鱗片中都可檢測到鉛元素的存在。進一步證明了葉表鱗片不光是水分和養分吸收的主要結構, 也是重金屬元素的主要富集結構。
能譜分析表明, 空氣鳳梨葉表鱗片的3類細胞在富集鉛時所起的作用是不同的, 最内部的碟狀細胞中鉛的含量要大于中間的環狀細胞, 更大于最外部的翼狀細胞 (表2) 。空氣鳳梨葉表鱗片呈葵花狀, 通過幾個通道細胞與葉片内部的葉肉細胞相連。在成熟的鱗片中, 鱗片中的3類細胞先吸收外部環境中的水分、養分等物質, 然後再通過通道細胞運輸到葉肉細胞中, 這不是一個被動吸收的過程, 而是一個主動吸收的過程, 否則吸收的水分和養分等物質會倒流到外部環境中。
另外, 對玉米 (Zea mays) 的組織化學研究證明, 玉米幼根對鉛的吸收情況與植物對有益礦質元素的吸收相似, 植物體内薄壁細胞等部位的ATP酶及酸性磷酸酶活性的增加, 說明鉛的遷移是需要消耗能量的, 是一種代謝性主動吸收過程。是以, 盡管我們在脅迫硬葉空鳳時, 是将其浸泡在鉛溶液中, 鱗片中的3類細胞有均等的機會接觸鉛粒子, 但主動吸收使得鉛元素存在一個從最外部的翼狀細胞、中間的環狀細胞到最内部的碟狀細胞進行遷移的趨勢, 進而使得最内部的細胞中所含鉛元素的含量最大。