镉、铅胁迫对芹菜生长及抗氧化酶活性的影响

肖旭峰，解庆娓，范淑英，刘威砾，黄 敏

(1.江西农业大学 农学院，江西 南昌 330045;2.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045)

近年来，随着城市工业迅速发展、垃圾废弃物乱堆放和农用化学物质使用不合理等，重金属污染日益成为制约我国经济和社会可持续发展的主要障碍［1］。据统计，我国受重金属污染的耕地面积已超过2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5，因重金属污染导致的粮食经济损失高达200亿元［2］。大量含重金属的废弃物被排放到水体内，不仅严重危害动植物的正常生长，而且直接威胁水体周边人群的饮用水和食品安全。镉(Cd)、铅(Pb)是环境中毒性最强，对菜地污染最为严重的两种重金属［3-4］，而二者的伴生污染研究更能客观体现污染物与生物体之间相互作用的规律和机理。目前，小白菜、辣椒、黄瓜、草莓、茭白等作物对Cd、Pb反应及生理生化的研究已有相关报道［5-9］，但同等浓度下，作物种类不同，重金属吸收量及对作物生理生态过程的影响也存在差异。

芹菜是江西省蔬菜种植面积较大的蔬菜种类之一。近年来鄱阳湖区的大力开发，芹菜的生产环境受Cd、Pb等重金属污染的程度日益加剧，尤其是“工矿业”较发达地区的污染更为严重。Cd、Pb复合污染对芹菜的生理生态效应与单一污染物作用存在差异，但目前该方面的系统研究报道较少。本研究以“美国西芹”为研究材料，通过营养液培养研究不同浓度Cd、Pb单一及复合胁迫下芹菜全生长周期的生长及抗氧化酶变化规律，旨在从理论基础上为芹菜重金属污染研究提供理论依据，同时为解决鄱阳湖区芹菜的安全生产提供参考的依据。

1 材料与方法

1.1 材料培养及试验设计

试验于2013年9—12月在江西农业大学园艺系实验室进行。芹菜品种为美国西芹(Apium graveloens L.)。种子经消毒处理后播种于育苗盘，待幼苗长至5～6 cm时，挑选生长一致的植株移栽至装有1 L营养液的塑料桶中，每桶6株。水培营养液配方参照刘仕哲［10］方法进行。预培养2周后，向营养液中加入CdCl2·2.5H2O和Pb(AC)2·3H2O，以水的总体积为标准，外源重金属添加量分别为Cd2+:2 mg/L(Cd2)，4 mg/L(Cd4)，6 mg/L(Cd6)，8 mg/L(Cd8);Pb2+:20 mg/L(Pb20)，40 mg/L(Pb40)，60 mg/L(Pb60)，80 mg/L(Pb80);Cd2+和 Pb2+复合污染:(2+20)mg/L(Cd2+Pb20)，(4+40)mg/L(Cd4+Pb40)，(6+60)mg/L(Cd6+Pb60)，(8+80)mg/L(Cd8+Pb80)，以不添加重金属为对照(CK)，每处理重复3次。营养液每5 d更换1次，每天搅拌3次。处理以每隔10 d为1个周期测定相关生理特性指标，40 d后收获植株。

1.2 测定指标及方法

测定芹菜全株生物量(g)和芹菜株高(cm)。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定，以单位时间单位质量鲜根的四氮唑还原强度［mg/(L·h)］表征［11］;脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸提取及茚三酮显色法(μg/g)测定;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)还原法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定［11-12］。

1.3 数据分析

采用Excel 2003和SPSS软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 镉、铅胁迫对芹菜植株生物量及株高的影响

Cd、Pb单一、复合胁迫对芹菜生物量及株高的影响均表现为随浓度增加先升高后降低趋势(图1)。低浓度Cd(≤2 mg/L)、Pb(≤20 mg/L)及Cd－Pb(≤(2+20)mg/L)条件下，处理对芹菜植株生长均具有促进效应，但增幅随植株生长程度呈下降趋势，其中Cd－Pb复合浓度(2+20)mg/L分别培养至10 d，20 d时，芹菜的生物量和株高比CK分别增长79.4%和27.7%。当Cd、Pb及复合浓度达到4，40，(4+40)mg/L水平时，芹菜生物量和株高的增长受到显著抑制(P＜0.05);当浓度为6，60，(6+60)mg/L水平时，Cd、Pb单一及复合污染对芹菜全生长期内株高及生物量抑制均达极显著水平(P＜0.01)。随重金属浓度增加、生长期延长，芹菜的生物量和株高被抑制程度由高到低依次为Cd－Pb交互、Cd、Pb、CK，高浓度Cd－Pb联合作用更加剧了对植物的毒害作用。

图1 不同天数及浓度Cd、Pb单一及复合胁迫对芹菜株高和生物量的影响Fig.1 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on height and biomass of Apium graveloens plants

2.2 镉、铅胁迫对芹菜根系活力的影响

Cd－Pb复合胁迫处理对芹菜的根系活力影响最大，Cd次之，Pb最低(图2)。当外源Cd2+、Pb2+及Cd2+－Pb2+胁迫维持一定水平时，芹菜的根系活力较CK呈下降趋势，但差异不明显(P＞0.05)。当Cd(≥4 mg/L)、Pb(≥40 mg/L)及 Cd－Pb(≥(4+40)mg/L)时，芹菜的根系活力显著下降(P ＜0.05);当浓度为6，60，(6+60)mg/L水平时，芹菜全生长期内根系活力均呈现极显著水平(P＜0.01);当Cd4处理30 d及Cd6+Pb60复合处理20 d后，根系活力急剧下降，以致TTC还原力为负值，表明根系生长受到严重抑制，根尖腐烂变黑，且干枯死亡。

图2 不同天数及浓度Cd、Pb单一及复合胁迫对芹菜根系活力的影响Fig.2 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on root activity of Apium graveloens plants

2.3 镉、铅胁迫对芹菜脯氨酸含量的影响

芹菜脯氨酸含量随Cd、Pb污染浓度的增加而增加，呈现明显的剂量－效应关系，变化规律由大到小依次为Cd－Pb交互、Cd、Pb、CK(图3)。在Cd8+Pb80处理组培养至40 d时，芹菜体内的脯氨酸含量极显著增加(P ＜0.01)，达到了峰值(245.76 μg/g)，是 CK 组的1.60 倍。

2.4 镉、铅胁迫对芹菜抗氧化酶(SOD和POD)活性的影响

芹菜受重金属离子伤害的程度，与重金属离子的浓度、处理时间及复合胁迫有关(图4)。具体表现为:低浓度、短时间的Cd2+、Pb2+能促进SOD及POD酶活性的增加，在一定程度上减轻了Cd2+、Pb2+胁迫引起膜脂过氧化造成的伤害作用;当处理浓度分别为Cd2+6 mg/L、Pb2+60 mg/L及Cd2+－Pb2+(8+80)mg/L时，POD活性降低，保护酶活性已不能弥补因Cd2+、Pb2+对芹菜植株造成的损伤;而随Cd2+、Pb2+浓度增加，胁迫时间延长，SOD酶活性先升高后降低，表明芹菜对Cd2+、Pb2+的毒害作用有一定的耐受范围。此外，复合胁迫下芹菜SOD及POD受重金属离子的胁迫伤害程度大于单一胁迫，表明Cd2+、Pb2+的复合胁迫间存在一定的协同作用。

图4 不同天数及浓度Cd、Pb单一及复合胁迫对芹菜SOD和POD的影响Fig.4 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on SOD and POD of Apium graveloens plants

3 讨论与结论

Cd、Pb污染是国内外专家重点关注的生态环境问题之一，目前有关植物对重金属的吸收、积累和生理生态特性已成为国际环境科学领域的研究热点。Cd、Pb对植物的毒害作用通常表现为剂量效应，二者的互作大多强于单一污染。在Cd、Pb复合污染处理下，Cd存在抑制植物对Pb的吸收，而Pb则促进植物对Cd的吸收，然而一些研究也得出了不同的结果。

芹菜是重金属重度累积型蔬菜，尤其对Cd、Pb吸收累积程度较高［13］。本研究中，不同浓度的Cd、Pb及复合处理对芹菜生物量、株高、脯氨酸、根系活力及抗氧化酶均有影响，但影响程度随胁迫浓度、生育期不同存在差异。高浓度Cd、Pb胁迫下芹菜的根系及叶片受损较严重，表现为叶片褪绿萎缩、植株变矮、生长缓慢、根尖腐烂变黑、产量下降等。

Cd、Pb复合污染对芹菜的生长存在交互作用。当Cd添加量≥4 mg/L时，芹菜生物量及株高明显下降;而当Pb添加量≤20 mg/L时，可促进芹菜生长，当铅添加量≥40 mg/L时，芹菜生物量及株高略有下降。Cd、Pb共存时，Pb协同芹菜对Cd的吸收，而Cd却抑制芹菜对Pb的吸收，因此Cd、Pb共存时，Cd是芹菜生长的主要毒害因子，控制着芹菜全生长周期的变化趋势。Cd与Pb联合作用效应因Pb的添加量不同而不同。当低浓度Pb(0～20 mg/L)与Cd共存时，二者对芹菜生长影响表现为协同作用;当较高浓度Pb(40～80 mg/L)与Cd共存时，则转为拮抗作用。

根系是芹菜直接与重金属接触的部位，根系活力的大小直接反映根系的生长情况。随着Cd、Pb处理浓度的增加，芹菜的根系活力一直降低，但在生长前期二者没有显著下降;当Cd、Pb及复合处理达到一定浓度后，根系活力急剧下降，这说明芹菜根系对Cd、Pb毒害作用有一定的补偿－调节机制，当Cd、Pb浓度较低时，根系生长受到一定程度的抑制，但植物的自我调节作用使得芹菜根系活力下降程度不显著，而高浓度的Cd、Pb具有较强的毒害作用，破坏了植物的自我调节功能，从而使得芹菜根系活力出现极显著抑制效应。

重金属Pb对芹菜叶片脯氨酸含量的影响与重金属Cd有着相同的发展趋势，即随着Cd、Pb质量分数的增加，脯氨酸的含量均呈现上升趋势。高浓度重金属胁迫下，芹菜产生活性氧类物质(ROS)而抑制植株的生长，脯氨酸是重要的渗透调节物质，它的积累可有效地缓解重金属胁迫导致的伤害［14］。本试验中，芹菜叶片中脯氨酸随Cd、Pb胁迫浓度呈增加的变化趋势，说明植物在抵抗外界伤害中启动了自身生理反应，脯氨酸的合成受到刺激，表明脯氨酸在消除重金属毒害过程中起着重要作用，这与Luis等［15］的结果一致。

SOD、POD等酶系统的作用是共同清除各种逆境作用下产生的O－和H2O2。在Cd2+、Pb2+胁迫下，芹菜叶片中的SOD和POD的活性变化趋势一致，均表现为“升高—降低”，说明这两种酶在芹菜对Cd、Pb的抗性中起到重要作用，这与李佩华［16］、李丽锋［17］、周建刚［18］等试验结果一致。低浓度、短时间内POD酶活性增加，能十分有效地帮助芹菜清除体内的过氧化物和自由基;而SOD活性的上升说明Cd、Pb产生的O2·－激活了SOD的表达。当重金属Cd、Pb的浓度超过了芹菜自我保护的范围，抗氧化系统酶受到了破坏，无法保护芹菜的正常生长，因此造成芹菜生长发育受到抑制。

［1］Cao H B，Chen J J，Zhang J，et al.Heavy metals in rice and garden vegetables and their potential health risks to inhabitants in the vicinity of an industrial zone in Jiangsu，China［J］.Journal of Environmental Sciences，2010，22:1792-1798.

［2］Renella G，Ortiaoza A L R，Landi L，et al.Additive effects of copper and zinc on cadmium toxicity on phosphatase activities and ATP content of soil as estimated by the ecological dose(ED50)［J］.Soil Biology ＆.Biochemisity，2003，35(9):1203-1210.

［3］Landis W G，Yu M.Introduction to environmental toxicology:impacts of chemicals upon ecological systems［M］.2nd ed.New York:Lewis Publishers，1999:211-221.

［4］Oliveirada S A L，Barrocas P G，Jacob S C，et al.Dietary intake and health effects of selected toxic elements［J］.Brazil Journal of Plant Physiology，2005，17:79-93.

［5］杨菲，吴琦，季辉，等.土壤重金属Pb和Cd在小白菜中的富集特征及产地环境安全临界值［J］.中国农学通报，2011，27(13):194-198.

［6］黎佳佳，胡红青，付庆灵，等.Cd、Pb单一与复合污染对辣椒生物量及重金属残留的影响［J］.农业环境科学学报，2006，25(1):49-53.

［7］陈新红，叶玉秀，庞闰瑾.镉、铅及其互作对黄瓜种子发芽及幼根生长的影响［J］.北方园艺，2009，5:13-16.

［8］林笠，周婷，汤帆，等.镉铅污染灰潮土中添加磷对草莓生长及重金属累积的影响［J］.农业环境科学学报，2013，32(3):503-507.

［9］杨凯.重金属镉铅对茭白生长发育的影响及吸收分配的差异［D］.扬州:扬州大学，2006.

［10］刘仕哲.现代农业无土栽培技术［M］.北京:中国农业出版社，2001.

［11］李合生.植物生理生化实验原理和技术［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［12］中国科学院上海植物生理研究所.现代植物生理学实验指南［M］.北京:科学出版社，1999.

［13］黄爱缨，吴珍龄.水稻谷胱甘肽过氧化物酶的测定法［J］.西南农业大学学报，1991，21(4):324-327.

［14］Miesch J，Tschimedbalshir M，Barlocher F.Heavy metals and thiol compounds in Mucor racemosus and Articulospora tetracladia［J］.Mycological Research，2001，105:883-889.

［15］Luis G S，Claudia P，Femanda C.Effects of heavy metals on the production of thiol compounds by the aquatic fungi Fontanospora fusiramosa and Flagellospora curta［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2007，66(1):36-43.

［16］李佩文，刘小文.重金属铅、镉对马铃薯生长及抗氧化酶系统的影响［J］.云南农业大学学报，2014，29(5):746-751.

［17］李丽锋，卢佳，苏芳莉.镉(Cd)胁迫对芦苇叶片SOD、POD活性影响及动力学分析［J］.沈阳农业大学学报，2014，45(3):326-330.

［18］周建刚，陈丹丹，刘志松，等.铅离子对苎麻中SOD、POD、CAT影响的研究［J］.武汉科技学院学报，2007(2):43-45.