水培条件下镍对波士顿蕨的生理生态效应

摘要

背景目的:近年来快速城市化导致重金属污染增加。多年来，人类暴露在各种环境污染物中的数量急剧增加。本研究考察了微量镍对嗜肾瘦虫的影响，并确定了其作为水体中镍的生物指示剂的适用性。材料和方法:15株exaltata肾瘦菌暴露在浓度不断增加的镍溶液中(0.01,0.1和1ppm)，对照组60天。分别在0、30和60天时测定了蕨类植物的根、茎和叶的长度。对叶片化学成分进行了测定，并进行了褪绿和坏死检查。结果:0.01 ppm处理60 d后，高肾瘦菌根长增加;0.1 ppm和0.01 ppm的Ni处理在第60天叶片长度增加。高肾瘦菌在低浓度(0.1 ppm和0.01 ppm)时叶绿素产量显著增加。只有在较高浓度时，才可见到明显的毒性表现(黄化、叶片脱落和坏死)。 Conclusion: This study revealed that Nephrolepis exaltata cannot be used as a bio-indicator of Nickel in the environment since it shows toxicity at ≥ 1 ppm. However, the study revealed little sensitivity of the Nephrolepis exaltata (Boston fern) to trace amounts of Ni metal.

关键字

生态生理，污染，重金属，高肾病，镍毒性，水培溶液

介绍

近年来快速城市化导致重金属污染增加。人类暴露于各种环境这些年来，污染物急剧增加。大量的金属堆积在沉积物中，并最终进入食物链水或渗入地下水。重金属，例如这些环境污染物，也可被视为微量元素，因为它们在各种环境基质中以微量浓度存在(ppb范围至低于10ppm) [1]。根据环境法规指南的标准，金属离子的最大允许浓度约为每个1ppm。总限量不应超过5ppm。镍是这些污染物的一个例子，当过量时，已发现会抑制植物的发芽、叶绿素的产生和蛋白质[2]。此外，一些动物实验研究表明，癌症发病率的增加与长期接触镍有关[3.]。植物修复是一种经济有效的植物修复方法，近年来被广泛应用于污水和土壤的治理。它是利用植物来清除环境中的重金属。蕨类植物属于低维管植物科蕨类植物，叶片通常具有分枝脉系。它们有能力在组织内积累和代谢一些重金属[4，5]。使用蕨类植物去除这些重金属已被证明比大多数传统方法更好。植物被用作预测和识别环境压力的非常敏感的工具。肾瘦是一种多年生植物;它在干燥和潮湿的季节都可以使用，并且能够积累大量的生物量，可以适应食草动物的相互作用。它通常被称为普通剑蕨，而它在约鲁巴被称为“omu”[6]。“Omu”可以用作生态指标，例如，Asplenium bulbiferum (Mother Spleenwort)只生长在永久流动的水附近，通常在瀑布或瀑布附近。Reginaldo报告说，铜和镍等微量金属是一类重要的环境污染物，它们可以在生物组织中积累，从而产生毒性作用。在这方面，几项调查描述了在生态毒理学应用中使用植物作为生物指示生物，以评估重金属在受污染或受干扰环境中的影响。

生物指标用于确定单一污染物的生物效应，确定多种污染物对生物体的协同作用和拮抗作用，并用于早期识别污染物对植物的损害以及对人类的毒性危险[7，8]。因此，开展这项研究工作的目的之一是看看是否可以作为一种生物指示剂。

材料与方法

样本收集

Nephrolepis exaltata是从约瑟夫·阿约·巴巴罗拉大学的阿里兰河岸边采集的(图1)，位于大学主发电机房附近。植物样本是在手铲的帮助下获得的(图2)。同时还采集了被污染水的重金属样本分析。

实验设计

将采集的嗜肾瘦体引入20个容器中。20个容器分别装有从流经Joseph Ayo Babalola大学的河流中收集的3000 mL水样，被分为4组，分别为A组、B组、C组和G组。G组为对照组，不含重金属。镍以氯化盐的形式供给植物(NiCl₂.6H₂O).准备料浓度。引入的浓度以ppm为单位，分别稀释为100 mL、10 mL和0 mL。在前30天之后，用蒸馏水代替采样点的水样。在植物暴露于制备的镍浓度之前，使用原子吸收光谱法定量测量植物中的初始镍浓度。这些蕨类植物被放置了3周的时间来适应环境。驯化后，在水培溶液中加入镍之前，测量了蕨类的根、芽和叶的长度，使各组之间没有显著差异。对长度变化和颜色变化的观察也在60天内每隔30天进行一次。

将5 mL生长促进剂(Plantzyme农业可溶性肥料)，含N:P:K(5:1:50)稀释于5 L去离子水中，每30天加入100 mL溶液，放入20个容器中。

播前操作

所有玻璃器皿/塑料器皿用1m HNO浸泡_3.24小时，使用前用去离子水冲洗，然后用Barnstead E-pure®水冲洗。用蒸馏水轻轻冲洗采集的高脂肾瘦菌，去除残留在根上的任何形式的土壤。然后，轻轻地把它们放在种植容器里。还测量了生长参数(根长、梢长、叶长、湿重、干重)。

生长参数的测量

高原肾瘦虫生物量的测定:在高肾瘦菌引入水培液前、生长期和生长期后，分别测定和记录了其根系长度、枝条长度、叶片长度和颜色等生长参数。用游标卡尺测量根长、梢长和叶长。

干重测量:一部分干燥的蕨类材料被氮(HNO)的混合物消化_3.)和高氯酸(HClO4)，用Barnstead E-pure®水(18.2 m_cm¹;Barnstead/Thermolyne Corp.， Dubuque, IA, USA) (Miller 1998)。使用Akure联邦科技大学中央实验室的火焰原子吸收光谱仪(Buck AGP 170)分析提取物中的各种元素。同时还采集了废水样本进行分析。标准品和稀释品在0.1 M HNO中制备_3.为了解释矩阵效应。所有玻璃器皿/塑料器皿用1m HNO浸泡_3.24小时，使用前用去离子水冲洗，然后用Barnstead E-pure®水冲洗。

湿重测量:每个处理组各取1 g蕨类样品，用于叶绿素含量分析。

叶片颜色、褪绿、坏死检查:颜色，褪绿和坏死也通过肉眼检查可见症状。

化学参数:叶绿素含量(叶绿素a，叶绿素b，叶绿素a+b测定采用紫外/可见分光光度计(光谱实验室22Pc)。采用Rowan 's方法分析叶片化学成分[9]。叶绿素a、b和a+b的测定。叶绿素的主要功能是吸收光和转移光能源转化为产生葡萄糖和二氧化碳的化学能。自光合作用取决于叶片中色素如叶绿素a和叶绿素b对光的吸收，因此分析叶绿素含量。

Post-planting操作:生长参数的测量与种植前操作相同。

实验室分析

嗜肾瘦虫生物量测定:在种植前、种植中、种植后分别测定根长、茎长和叶长。这些都做了三次，并计算了平均值。

叶片化学成分测定:用紫外/可见分光光度计(Spectrum lab 22Pc)在649、664和665 nm处读取所得溶液的吸光度。在649、664和665 nm处测量提取物的吸收，并用Rowan等人(1989)使用的方程计算叶绿素a、b和a+b的浓度。获取叶绿素含量的程序如下:用电子称称1克湿叶片，定量地转移到刻度试管中，随后用铝箔包裹以防止太阳辐射穿透试管。加入10毫升乙醇，从叶片中提取叶绿素。在20℃的冰箱中保存24小时，以完成叶绿素的提取。采用紫外/可见分光光度计(Spectrum lab 22Pc)测定叶绿素含量。以乙醇为空白，将UV/VIS分光光度计校准至零(0)。校准后，试管(含有植物提取液)置于紫外分光光度计(Spectrum lab 22Pc)内，并进行读数。同时，重复三次，取均值作为吸光度。计算叶绿素含量的公式见表1。

表1。叶绿素含量计算。

金属吸收测定:测试方案来源于标准的7天生长抑制期超过8周。在暴露于不同浓度的每种金属7天后，测量蕨类的生长情况。为了本研究的目的，Ni被作为NiCl提供₂.6H₂将O. 20株高脂肾瘦体叶轻轻置于透明培养基中塑料装有不同浓度金属溶液的容器。剂量反应试验条件与栽培时相同。

统计分析

采用SPSS 17软件对结果进行统计评价。采用方差分析(双向ANOVA < 0.05)检验与GenStat version 8.1.0.152是否存在显著差异[10]。结果显示，对照组与各组在60天内存在差异。均数比较采用Fisher最小显著性差异“LSD”检验方法。采用Duncan相关系数(r, p < 0.05)检验植物间的相关性。

结果与讨论

的生长反应Nephrolepis exaltata对镍处理显示根、枝、叶的长度治疗从第0天到第60天，Ni对高肾瘦症有显著影响(图3)。用1ppm, 0.1 ppm和0.01 ppm的Ni对高肾病瘦症进行研究^{2 +}治疗方法。在1ppm Ni溶液中生长的高肾瘦菌在第0天和第60天的根生长有显著差异(图3)。在0.1 ppm的浓度下，蕨类植物的根系长度大幅增加。当用0.01 ppm的镍处理时，蕨类的根长度略有增加。苗长Nephrolepis exaltata与第0天相比，0.1 PPM和0.01 PPM在第60天表现出显著下降。在1ppm的Ni处理下，高肾瘦菌在第60天与第0天相比，叶片长度有更显著的减少。在第60天，观察到在1ppm Ni环境中生长的肾瘦菌叶片长度显著缩短。Nephrolepis exaltata0.01 ppm的Ni处理比其他处理有更显著的降低。

一般来说，在低浓度(≤1ppm)下，exaltata的根对镍处理表现出较高的耐受性，这一结果得到了[11]，他报告说，浮萍属gibba耐受性镍可达0.5 ppm。根、嫩枝和叶片对不同Ni处理的响应与处理天数的比较存在差异。生态系统中Ni的含量严重影响植物的生长发育[12，13]。水和水的污染问题污染近年来由于工业化和城市化而加剧[14]。Ni对植物的毒性作用包括降低笋的生长和缩小叶面积[15]。

在本研究中，除0.1 ppm和0.01 ppm的Ni处理外，其他处理均对提高肾瘦菌叶绿素含量有负影响。这个结果与[的结果一致。16他的研究主题是“甘露醇可以减轻模拟酸雾和荧光蒽对日本红松幼松的负面影响(p . densiflora摘要。调查。)”。他发现，在酸雾单独处理和酸雾加荧光蒽处理的幼苗中，即使在很短的暴露时间后，对常绿植物的损害也很明显。在本研究中，只有0.1 ppm和0.01 ppm的Ni含量显著增加了叶绿素含量。当用0.1 ppm和0.01 ppm的Ni处理肾瘦菌时，叶绿素含量的增加可能是由于引入重金属对蕨类植物的帮助。由于Ni的氧化态为+2，当植物开始遭受任何形式的胁迫时，它可能已经取代了叶绿素分子中的Mg原子，后者也具有+2的氧化态。也有可能Ni只增加了叶绿素的产生，特别是叶绿素a。

Chl在第0天和第60天的结果。a+b和Chl。A /b表示在表2和图4。的背影。0.1 ppm处理后60 da +b含量较对照显著增加。较低的Chl。a+b和Chl。一个背影。浓度为1ppm的Ni处理过的嗜肾瘦体叶肉类囊体的b比例可能是嗜肾瘦体光系统活性降低的结果[16]。

表2。叶绿素含量- Chl。A, b, A +b和A /b(前后)在Nephrolepis exaltata的叶样品。注:上下箭头分别表示增加和减少。A: Ni含量1ppm, B: Ni含量0.1 ppm, C: Ni含量0.01 ppm。

可见的褪绿和坏死症状

重金属已被发现可引起蕨类植物的明显症状[2]。然而，在本研究中，镍对高原肾瘦体的损伤非常小。在不同浓度的镍暴露60天后观察到明显的褪绿和坏死症状。在浓度分别为1ppm, 0.1 ppm和0.01 ppm时，它对exaltata肾瘦体造成了明显的损害(图5)。将高肾瘦菌暴露于Ni 1-60天后，观察到叶片变绿(叶片由绿变黄)和叶片脱落(叶片从菌落脱落)。黄化症可能是由于缺乏铁，也可能是由于植物吸收了某些重金属而产生的[17]。镍对蕨类的毒性较小;但在处理60天后，培养基中Ni含量分别为1ppm和0.1 ppm时，叶片出现明显的黄化和脱落现象。在同一组的其他蕨类植物也有类似的效果时，这一点更加明显。在1ppm浓度下生长的蕨类植物比在0.1 ppm和0.01 ppm浓度下生长的蕨类植物表现出更多的褪绿和坏死作用。然而，在1ppm的镍中生长的蕨类的褪绿作用表现在图5。在0.1 ppm浓度下生长的蕨类植物表现出更多的褪绿作用而不是坏死作用。然而，在0.1 ppm浓度下生长的一些蕨类植物的坏死效应也表现在图5。0.01 ppm的镍对蕨类的影响很小。在研究中[18]，所显示的症状图1结果表明，与对照处理相比，暴露于氟蒽(FLU)和菲(PHE)的松苗针叶出现了高度的褪绿和红褐色坏死。

结论和未来建议

在含镍的水培溶液中引入了镍处理Nephrolepis exaltata蕨类植物对蕨类的生长产生了显著的正、负效应。镍在1ppm时对蕨类的毒性更大，如图所示图3和表2。根和叶的长度均显著缩短。

高肾瘦菌在低浓度(0.1 ppm和0.01 ppm)时叶绿素产量显著增加。然而，当在1ppm的Ni中生长时，可以看到明显的毒性迹象(黄化、叶片脱落和坏死)(图5)。因此，高肾瘦体不能作为环境中镍的生物指示剂。然而，本研究表明，波士顿蕨(Nephrolepis exaltata)对微量Ni污染物敏感。

进一步的研究还可以通过增加镍的浓度强度来进行。在水培条件下，可以用其他蕨类植物作为试验植物来评价镍的生理反应。

确认

该研究由研究小组出资资助，尼日利亚Ikeji-Arakeji osun州Joseph Ayo Babalola大学管理层也提供了研究所需的试剂和设备。因此，该研究工作的巨大贡献得到了高度评价。

意义的声明

这项研究发现了镍在增加浓度(≥0.1 ppm)时对肾瘦菌(Nephrolepis exaltata)的有害影响，因为它暴露了镍对蕨类植物叶片化学成分的毒性作用。研究表明，波士顿蕨(Nephrolepis exaltata)可以从污染的水中吸收微量的镍，从而通过食物链，增加了获得饮用水、可食用食物的机会，减少了疾病的传播，甚至减少了生物的死亡。

参考文献

1. Kabata-Pendia。土壤和植物中的微量元素(第三版)。博卡拉顿，2009;203-209。
2. 周旭，等。镍、铬酸盐和亚砷酸盐对组蛋白3赖氨酸甲基化的影响。应用药物。2009; 236:78 - 84。
3. Arita A，等。金属致癌的表观遗传学:镍，砷，铬和镉。Metallomics。2009;1:222 - 228。
4. Kamal M，等。水生植物对重金属的植物积累。环境科学学报2004;29:1029-1039。
5. Sabreen S，等。10种牧草耐镉性与相对生长速率的权衡。环境科学学报，2008;29(3):327-332。
6. Oloyede F A，等。黄肾瘦虫(l.)的化学、营养和抗营养成分Schott。中国生物医学工程学报(英文版);2014;
7. 空气污染的生物指标。在:Unsworth, m.h.， Ormrod, d.p.(编辑)，气体空气污染在农业和园艺中的影响。Butterworth Scientific，伦敦，2012;27-42。
8. Oguntimehin I等人。氟蒽对番茄植株(Lycopersicon esculentum Mill)生态生理的负面影响:氟蒽雾对番茄植株有负面影响。臭氧层。2010;78:877 - 884。
9. 罗文KS。藻类光合色素，xiii, 334p。剑桥大学出版社，1989年出版。英国J Mar生物学协会。1990; 70:685。
10. 佩恩RW光碟。GenStat发布8参考手册。(VSN国际:Hamperdeen，英国)。2009.
11. Khellaf N，等。浮萍对铜镍植物积累的生长响应。生态毒理学。2010;19:1363 - 1368。
12. Oguntimehin I等人。使用凤仙花(凤仙花属)作为一些模拟空气污染物的生物指示剂-使用观赏植物作为生物指示剂。臭氧层。2010:1;81(2):273 - 281。
13. Yusuf M，等。28-高油菜素内酯对不同镍含量小麦品种的保护反应。中国环境科学。2011;60:68-76。
14. 生物指标:类型、开发和在生态评估和研究中的应用。环境生物指标。2006;1:22-39。
15. •我。重元素:化学、环境影响和健康影响。帕加马》1990。
16. 亨利RJ。铅和汞的植物修复概述，美国环境保护署固体废物和应急响应技术创新办公室，华盛顿，美国。2009; 1 - 9。
17. Oguntimehin I等人。常绿针叶树日本红松(Pinus densiflora Sieb)针叶表面沉积的荧光蒽和菲的植物毒性。调查)。环境科学学报，2008;
18. L'Huillier L等。镍对两个玉米品种(Zea mays)的影响:生长、结构、镍浓度和定位。陈建平，1996;4:457 - 457。