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1 第 32 卷第 6 期 2013 年 6 月环境化学 ENVIRONMENTAL CHEMISTRY Vol. 32, No. 6 June 2013 DOI: / j. issn Pb Zn 及其交互作用对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素含量的影响夏红霞朱启红 ( 重庆文理学院水环境修复重点实验室, 重庆, ) 摘要采用水培实验的方法, 研究了 Pb Zn 及其交互作用对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素含量的影响. 实验结果显示,Pb 浓度在 0 50 mg L - 1 时, 蜈蚣草叶绿素含量随 Zn 浓度增加逐渐升高 MDA 含量逐渐降低,Pb Zn 交互作用可促进植株叶绿素合成. Pb 浓度在 mg L - 1 时,Pb Zn 交互作用则降低叶绿素含量 ; 在 Pb 浓度 400 mg L - 1 时,Pb Zn 交互作用显著增加 MDA 含量. 实验结果还显示, 在 Pb 浓度固定时, 蜈蚣草叶片 SOD CAT 的活性随 Zn 浓度增加呈现先上升后下降的趋势 ;POD 随着 Zn 处理浓度的增加持续增加. 在 Zn 浓度一定时, 蜈蚣草叶片 SOD CAT POD 的活性随 Pb 浓度增加先上升后下降. 由此可见, 在低 Pb Zn 浓度下, Pb Zn 交互作用表现为协同作用 ; 在高 Pb Zn 浓度下,Pb Zn 交互作用表现为拮抗作用. 关键词 Pb, Zn, 交互作用, 蜈蚣草, 抗氧化酶, 叶绿素. 在自然界中, 单一污染很少, 通常是多种污染物共存的复合污染 [1]. 在复合污染情况下污染物的毒性将对植物生物量及其它生物指标产生重要影响, 从而改变植物对各元素的吸收能力 [2]. 因此, 研究不同污染水平下的复合污染对富集植物的影响, 对于污染土壤的安全利用土壤环境质量标准的修订以及重金属污染土壤的植物修复具有理论和实践意义 [1,3]. 蜈蚣草 (Pteris vittata) 是砷超富集植物, 对 Pb Zn 等重金属具有较强的耐性 [4] [5]. 谢景千等研究发现, 在土壤中 Pb Zn 含量高达 mg kg - 1 时, 不会显著降低蜈蚣草的生物量, 蜈蚣草植株地上部 Pb Zn 含量可高达 mg kg - 1, 体现出较强的富集能力. 但对蜈蚣草富集重金属 Pb Zn 机理方面的研究不多, 尚未见到有关 Pb Zn 复合污染对蜈蚣草抗氧化酶叶绿素影响方面的报道. 植物体内的超氧化物歧化酶 (SOD) 过氧化氢酶 (CAT) 和过氧化物酶 (POD) 是一类重要的抗氧化酶, 在清除重金属等诱导产生的氧自由基和过氧化物抑制膜脂过氧化保护细胞免遭伤害等方面起着重要作用 [6-7], 可有效调节逆境对植株的胁迫效应. 因此, 研究重金属对植物酶系统方面的影响对于揭示超富集植物的耐性机理和富集能力至关重要. 本文研究了 Pb Zn 复合污染对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素的影响, 旨在为利用蜈蚣草修复 Pb Zn 复合污染土壤提供理论依据. 1 材料与方法 1. 1 供试植物蜈蚣草采集于重庆永川区黄瓜山, 将野外采集到的蜈蚣草选取大小均一的植株先用自来水进行冲洗, 再用去离子水清洗后培养于 Hoagland 营养液中, 进行纯化. 待植株长出新叶后, 用于水培盆栽实验实验设计将纯化后的植株放入添加有不同 Pb Zn 浓度的 Hoagland 营养液中进行培养 (Hoagland 营养液中需平衡 Pb(NO 3 中的氮素 ). 按照实验设计条件计算出添加 Pb(NO 3 所引入的氮数量, 在配制 Hoagland 2012 年 9 月 3 日收稿. 重庆市自然科学基金项目 (cstc2011jja1236) 资助. 通讯联系人, zhuqh05@ 163. com

2 960 环境化学 32 卷营养液时直接减去这部分氮素, 以避免添加 Pb(NO 3 而造成氮素过量. 实验设计采用二因素完全设计,Pb Zn 各设 3 个水平, 以不加重金属处理为对照, 具体设计见表 1. 营养液中 Pb Zn 分别以 Pb(NO 3 ZnSO 4 7H 2 O( 分析纯 ) 加入. 此时所有营养液中的 KH 2 PO 4 浓度减少为 mmol L - 1, 以避免产生沉淀. 保持 24 h 连续通气, 每 3d 更换一次营养液, 处理 21 d 后收获测定相应指标. 处理期间每天观察植物的长势和症状表现. 每处理重复 3 次, 取其平均值用于统计分析. 表 1 营养液培养实验设计 Table 1 Experimental design of nutrient solution culture Pb 2 + / (mg L - 1 ) Zn 2 + / (mg L - 1 ) 处理 1 处理 4 处理 7 10 处理 2 处理 5 处理 8 50 处理 3 处理 6 处理样品采集与测定实验过程中测定叶片叶绿素含量丙二醛超氧化物歧化酶 (SOD) 活性过氧化物酶 (POD) 活性过氧化氢酶 (CAT) 活性以及植株中 Pb Zn 的含量. 叶绿素采用丙酮浸提法测定, 丙二醛含量测定参照硫代巴比妥酸法,SOD 活性按照 Bewley 等所改进的 NBT 光还原法测定 POD 活性采用愈创木酚法测定 CAT 活性按照碘量法测定,Pb Zn 用原子吸收分光光度法测定 [8]. 2 结果与讨论 2. 1 植株株高由表 2 可见, 在 Zn 浓度不变条件下, 蜈蚣草株高增长率随 Pb 浓度增加而先增加后降低 ;Pb 浓度不变时, 蜈蚣草株高增长率随 Zn 浓度增加也呈现出相似变化. 但在 Pb 浓度为 100 mg L - 1 各处理植株株高增长率 ( 处理 4 5 6) 明显高于其它处理植株, 而 Pb 浓度为 400 mg L - 1 各处理植株株高增长率 ( 处理 7 8 9) 则明显降低. 这说明在 Pb 浓度为 100 mg L - 1 时, 重金属 Pb Zn 交互作用促进了蜈蚣草的生长, 高浓度的 Pb 则明显抑制蜈蚣草生长. 表 2 Pb Zn 交互作用对蜈蚣草株高的影响 Table 2 Effect of Pb and Zn interaction on the plant height of Pteris vittata 处理号实验前 / cm 实验后 / cm 株高增长率 / % 处理号实验前 / cm 实验后 / cm 株高增长率 / % 对照处理处理处理处理处理处理处理处理处理叶绿素含量叶绿素是植物进行光合作用的主要色素 [9], 在光能的吸收传递及光化学反应中具有重要作用, 能客观反映植物利用光照的能力. 叶绿素含量的高低与叶片衰老氧化密切相关 [10], 往往可以作为判断植物光合能力受重金属胁迫状况的重要指标 [11]. 由图 1 所示, 与对照相比,Pb Zn 交互作用下蜈蚣草叶绿素含量发生明显变化. 在 Zn 浓度不变条件下, 蜈蚣草叶绿素含量随 Pb 浓度增加逐渐降低 ; 在 Pb 浓度为 50 mg L - 1 时, 蜈蚣草叶绿素含量随 Zn 浓度增加逐渐升高 ; 在 Pb 浓度为 mg L - 1 时, 蜈蚣草叶绿素含量随 Zn 浓度增加而逐渐降低. 在 Pb Zn 浓度均为 50 mg L - 1 时, 蜈蚣草叶绿素含量达到最大值. 这可能是因为作为植物生长必需的营养元素 Zn 促进了蜈蚣草的生长, 增强了植株的光合作用, 并降低了重金属 Pb 对植株的毒害作用 ; 但随着重金属 Pb 浓度进一步增加,Pb 对蜈蚣草的毒害作用开始显现. 高浓度的 Pb 破坏了蜈蚣草叶片叶绿素和叶绿体的结构, 影响叶绿素合成过程并降低叶绿素合成酶的活性 [11]. Pb 进入植物体内导致叶绿体蛋白质的组成酶的组成和酶的空间结构发生变化, 破坏叶绿

3 6 期夏红霞等 :Pb Zn 及其交互作用对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素含量的影响 961 体的功能, 抑制叶绿素合成酶的活性, 影响叶绿素合成前体物质的形成, 使叶绿素的合成受阻 [12] MDA 含量膜质过氧化是膜上不饱和脂肪酸中所发生的一系列活性氧反应, 其最重要的产物是 MDA, 其含量变化是反映逆境下植物受伤害程度的重要指标之一 [13-14]. 由图 2 所示, 在处理 1 5 条件下, 蜈蚣草叶片 MDA 含量逐渐下降, 并低于对照植株 ; 在处理 6 9 时, 蜈蚣草叶片 MDA 含量急剧上升. 这说明低浓度 Pb 以及中浓度 Pb Zn 交互作用下, 利于蜈蚣草生长 ; 在高浓度 Pb 环境下,Pb Zn 交互作用使蜈蚣草生长受损, 蜈蚣草叶片细胞膜受到伤害, 细胞内的离子和有机物大量外渗, 外界毒物侵入细胞, 导致膜系统稳定性下降, 植株叶片受损程度加剧. 图 1 Pb Zn 含量对叶绿素含量的影响 Fig. 1 Effect of Pb and Zn contents on chlorophyll concentration 图 2 Pb Zn 含量对 MDA 含量的影响 Fig. 2 Effect of Pb and Zn contents on MDA concentration 2. 4 抗氧化系统正常生长条件下植物体内活性氧产生处于动态平衡, 自由基浓度较低, 不会引起植物伤害. 当处于各种逆境胁迫条件下或植物衰老时, 植物体内活性氧产生和消除的平衡遭到破坏. 当活性氧浓度超过一定阈值时, 植物细胞内的大分子物质发生过氧化, 引起膜脂相分离, 导致植物生长异常 [15]. SOD 是目前在植物或其它组织中发现的唯一能把 O 2 - 还原为 H 2 O 2, 同时将 O 2 - 氧化为 O 2 的抗氧化酶 [16]. 在逆境条件下, 植物体内含一定量的 SOD 可保持植物清除氧自由基的生理功能 [17], 使细胞免受毒害, 以增加植物抗逆能力 [18]. 由图 3 可见, 当 Pb 浓度相同时, 随着 Zn 浓度的增加植株 SOD 活性先增加后减小, 在 Pb 浓度为 100 mg L - 1 条件下各处理植株 SOD 活性均高于其它交互作用处理. 在 Zn 浓度相同条件下, 植株 SOD 活性也呈现出相同的变化趋势. 在处理 5 条件下 ( Pb + Zn 浓度 mg L - 1 ) 达到最大值, 在处理 3 条件下 (Pb + Zn 浓度 mg L - 1 ) 达到最小值. 这说明在重金属 Pb Zn 交互作用下, 适宜浓度的 Pb 可促进植株 SOD 增高, 而重金属 Zn 则表现出较强的抑制作用. 过氧化物酶 (POD) 是植物体内分布较广的一类氧化还原酶, 为植物体内清除活性氧伤害的酶保护系统的重要组成之一, 其具有重要的生理功能, 在清除超氧自由基控制膜脂的过氧化作用和保护细胞膜的正常代谢方面起重要作用 [19]. 图 4 表明, 当 Pb 浓度相同时,POD 活性基本上随着 Zn 浓度的增加而持续上升 ; 而当 Zn 浓度相同时,POD 活性随 Pb 浓度的增加呈现先上升后下降的趋势. POD 活性上升可能是植物体内活性氧超氧自由基等物质随重金属浓度增加而升高, 即在重金属胁迫下, 植株叶片 POD 底物浓度增加, 从而使 POD 活性上升以清除胁迫产生的大量超氧自由基, 控制膜脂的过氧化作用和保护细胞膜的正常代谢. POD 活性降低则是重金属浓度超出了蜈蚣草的忍耐极限, 导致植物体内超氧自由基的生成超出 POD 所能清除的能力, 对植株产生毒害作用, 迫使 POD 的活性急剧下降 [20]. 过氧化氢酶 (CAT) 属于含 Fe 的血红蛋白酶类, 可催化 H 2 O 2 分解成 H 2 O, 在植物体内可与 SOD 和 POD 等抗氧化酶协同作用, 清除植物体内的氧自由基等 [21]. CAT 能有效地降低植物体内的过氧化氢对细胞的氧化作用, 因此植物体内存在 CAT 是确保自身免受活性氧自由基毒害的关键因素之一 [22]. 图 5 表明, 在 Pb 浓度相同时, 植株 CAT 活性随 Zn 浓度的增加呈现先上升后下降的趋势, 在 Zn 浓度为

4 962 环境化 32 卷学 10 mg L - 1 处理下( 处理 2 5 8),植株 CAT 活性较高. 在 Zn 浓度相同时,植株 CAT 活性也呈现相同的变化趋势,在 Pb 浓度为 100 mg L - 1 处理下( 处理 4 5 6),植株 CAT 活性较高. 图3 Fig. 3 Pb Zn 含量对 SOD 活性的影响图4 Effect of Pb and Zn contents on SOD activity 图5 Fig. 5 Fig. 4 Pb Zn 含量对 POD 活性的影响 Effect of Pb and Zn contents on POD activity Pb Zn 含量对 CAT 活性的影响 Effect of Pb and Zn contents on CAT activity 由此可知,轻度胁迫( 胁迫初期或胁迫浓度较低时) 可使植物体内的活性氧清除系统被激活,表现为 SOD CAT 活性上升,从而清除自由基,保护植物生长;高度胁迫( 胁迫后期或 Pb 胁迫浓度较高时) 则对 SOD CAT 产生毒害,使它们的活性降低,清除自由基的能力下降 [23]. 而 POD 随着 Zn 处理浓度的增加一直增加,这是由于 Zn 进入植物组织后,通过一系列生理生化反应产生了一些对植物体有害的过氧化物,而 POD 具有催化这些对自身有害的过氧化物的氧化分解的功能,因此随着植物体内这些 POD 酶底物浓度的增加,诱使 POD 活性增加 [24]. 3 结论 (1) 实验结果表明,在 Pb Zn 复合污染下,蜈蚣草叶绿素 MDA 抗氧化酶发生显著变化. 在 Zn 浓度不变的条件下,蜈蚣草叶绿素含量随 Pb 浓度增加逐渐降低;在低 Pb 浓度(50 mg L - 1 ) 时,Pb Zn 交互作用使蜈蚣草叶绿素含量随 Zn 浓度增加逐渐升高,MDA 含量逐渐降低( 处理 6 时除外),降低了重金属 Pb 的毒害作用,表现出较好的协同作用. (2) Pb Zn 复合污染对蜈蚣草体内 3 种抗氧化酶活性的影响效应明显不同. 在 Pb 浓度固定时,蜈蚣草叶片 SOD CAT 的活性随 Zn 浓度增加呈先上升后下降的趋势;POD 基本随着 Zn 处理浓度的增加持续增加. 在 Zn 浓度一定时,蜈蚣草叶片 SOD CAT POD 的活性随 Pb 浓度增加而先上升后下降. 这说明在 Pb Zn 复合污染胁迫下,Pb Zn 复合浓度较低时,蜈蚣草体内 CAT 活性被激活以抵抗 Pb Zn 污染,而高 Pb 浓度下的 Pb Zn 复合污染使植株表现出明显的受害症状. 参 [1] 考文献许中坚,吴灿辉,邱喜阳,等. 铅-锌-镉复合污染物在土壤-芥菜 / 油菜系统中的迁移及交互作用[ J]. 水土保持学报,2007,21(6) : 1-6

5 6 期夏红霞等 :Pb Zn 及其交互作用对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素含量的影响 963 [ 2 ] 林大松, 徐应明, 孙国红, 等. 土壤重金属污染复合效应对小白菜生长及重金属累积的影响 [J]. 农业环境科学学报,2006,25:72-75 [ 3 ] 朱启红, 夏红霞. 蜈蚣草对 Pb Zn 复合污染的响应 [J]. 环境化学,2012,31(7): [ 4 ] Xiao X Y, Chen T B, An Z Z, et al. Potential of Pteris vittata L. for phytoremediation of sites co-contaminated with cadmium and arsenic: The tolerance and accumulation[ J]. Journal of Environmental Sciences,2008,20(1): [ 5 ] 谢景千, 雷梅, 陈同斌, 等. 蜈蚣草对污染土壤中 As Pb Zn Cu 的原位去除效果 [J]. 环境科学学报,2010,30(1): [ 6 ] 刘俊祥, 孙振元, 巨关升, 等. 结缕草对重金属镉的生理响应 [J]. 生态学报,2011,31(20): [ 7 ] 刘英, 郭沛涌, 廖纪华. 美人蕉和绿萝在修复富营养化水体过程中对 Cr( Ⅵ) 胁迫的生理生化响应 [ J]. 浙江大学学报 ( 理学版 ), 2011,38(1):78-83 [ 8 ] 张志良, 瞿伟菁. 植物生理学实验指导 ( 第三版 )[M]. 北京 : 高等教育出版社,2007 [ 9 ] 张永霞, 石贵玉, 李霞, 等. 铬胁迫对罗汉果幼苗生理生化指标的影响 [J]. 中国农学通报,2011(2): [10] 张银秋, 台培东, 李培军, 等. 镉胁迫对万寿菊生长及生理生态特征的影响 [J]. 环境工程学报,2011,5(1): [11] 何冰, 叶海波, 杨肖娥. 铅胁迫下不同生态型东南景天叶片抗氧化酶活性及叶绿素含量比较 [J]. 农业环境科学学报,2003,22(3): [12] 鲁先文, 宋小龙, 王三, 等. 重金属铅对小麦叶绿素合成的影响 [J]. 潍坊教育学院学报,2008,21(2):47-48,59 [13] Stoynova Bakalova E, Toncheva Panova T. Subcellular adaptation to salinity and irradiance in Dunaliella salina[ J]. Biol Plant,2003,47, [14] 刘周莉, 何兴元, 陈玮. 镉胁迫对金银花生理生态特征的影响 [J]. 应用生态学报,2009,20(1):40-44 [15] Asada K. The water-water cycle as an alternative photon and electronsinks[ J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B:Biological Sciences,2000,355(1402): [16] 张杰, 黄永杰, 周守标. 铜胁迫下镧对水稻幼苗生长及抗氧化酶活性的影响 [J]. 环境化学,2010,29(5): [17] 刘筱, 易守理, 高素萍. 铅胁迫对紫萼玉簪幼苗 SOD,POD 和 CAT 活性的影响 [J]. 安徽农业科学,2011,39(14): [18] 张太平, 潘伟斌. 重金属污染来源的玉米的 POD 对 Pb 2 + 胁迫反应 [J]. 华南理工大学学报 : 自然科学版,2003,31(2):5-8 [19] 蔡建秀, 王慧云, 王春风. 铅胁迫对桐花树幼苗根叶蛋白质及根抗氧化酶活性的影响 [J]. 安徽农业科学,2010,38(6): [20] 仇硕, 黄苏珍, 王鸿燕. Cd 胁迫对黄菖蒲幼苗 4 种抗氧化酶活性的影响 [J]. 植物资源与环境学报,2008,17(1):28-32 [21] 刘素纯, 萧浪涛, 廖柏寒, 等. 铅胁迫对黄瓜幼苗抗氧化酶活性及同工酶的影响 [J]. 应用生态学报,2006,17(2): [22] Kodela P G,Tindalem D. Acacia dealbata subsp. subalpina( Fabaceae: Mimosodeae),a new subspecies from south-eastern Australia[ J]. Telopea,2001,9(2): [23] 庞欣, 王东红, 彭安. 镧对铅胁迫下小麦幼苗抗氧化酶活性的影响 [J]. 环境化学,2002,21(4): [24] 尚英男, 尹观, 倪师军, 等. 成都市土壤 - 植物系统铅污染状况初步研究 [J]. 广东微量元素科学,2005,12(3): 8-13 Effect of Pb and Zn interaction on antioxidant enzymes and chlorophyll content of Pteris vittata XIA Hongxia ZHU Qihong ( Key Laboratory of Water Environmental Restoration, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing, , China) ABSTRACT The effect of Pb and Zn interaction on antioxidant enzymes and chlorophyll content in Pteris vittata were evaluated by the nutrient solution culture experiments. The results showed that when Pb concentration was between 0 50 mg L - 1, chlorophyll content of Pteris vittata gradually increased and MDA content decreased with increasing Zn concentrations. Pb and Zn interaction promoted the synthesis of chlorophyll. When the Pb concentration was between mg L - 1, Pb and Zn interaction decreased chlorophyll content. When the Pb concentration was 400 mg L - 1, the interaction increased MDA content significantly. The experimental results also showed that when Pb concentration was fixed, SOD and CAT activities in Pteris vittata increased first and then decreased with increasing Zn concentrations, and POD activity increased continuously. When Zn concentration was fixed, SOD,CAT and POD activities increased first and then decreased with increasing Pb concentration. It can be seen that at low Pb and Zn concentrations, their interaction presented synergistic, while at high concentrations,they showed antagonistic effect. Keywords: Pb, Zn, interaction, Pteris vittata, antioxidant enzymes, chlorophyll.

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中草药致谢李沛赵继敏郑智敏江亚楠等病理生理学教研室老师在实验中给予的指导和帮助狄建彬顾振纶赵笑东钱培刚蒋小岗郭次仪中草药中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 8 期 10 年 8 月 1324 LDL C 非常明显升高 (