土壤萘污染对菖蒲生理特性的影响

朱业晋　刘珊　彭琪琦　张晓媛　赖闻玲

摘要：采用土壤培养方法，研究了不同浓度（100、200、300 mgkg） 污染物萘和污染时间对菖蒲（Acorus calamus L）叶片叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性的影响。结果发现，对在萘污染初期（20 d），菖蒲叶绿素含量显著下降、脯氨酸和MDA积累增加、SOD和POD活性显著增强；经过一段时间以后，叶绿素含量、脯氨酸和MDA积累、SOD活性都基本恢復正常。以上结果表明，菖蒲忍耐萘污染的能力较强，具有修复潮湿土壤萘污染的潜力。

关键词：萘；菖蒲；生理特性；土壤修复

中图分类号： X53文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0311-03

收稿日期：2016-05-29

基金项目：国家自然科学基金（编号：51309054）；江西省自然科学基金（编号：2011ZBAB204015，20122BAB204006）；江西省教育厅科学技术研究项目（编号：GJJ125656）。

作者简介：朱业晋（1974—），男，江西赣州人，硕士，副教授，主要从事植物资源与水环境保护研究。E-mail：664542890@qqcom。

通信作者：赖闻玲，博士，副教授，硕士生导师，主要从事植物资源与水环境保护等研究。E-mail：664542890@qqcom。

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是指2个或2个以上苯环以线状、角状或簇状排列组合成的一类稠环化合物1]。由于城市化和工业化的发展，PAHs已广泛积累于土壤、水、沉积物和大气中，进入了生物圈2]。PAHs具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性等特点3]，对生态系统和人类的身体健康造成严重的危害，因此对环境中的PAHs进行监测和修复具有重要意义4]。

目前关于含PAHs土壤的修复技术主要有：化学修复、物理修复和生物修复，前2种方法费用高昂，而且容易造成二次污染甚至生态系统破坏；与之相比，生物修复是利用包括植物、动物、微生物在内的特定生物种类，或其中任意2种以上生物相结合，在特定条件下对污染物富集或降解，其中植物修复技术因为成本低、操作简便、不破坏生态环境和自然景观、不造成二次污染等优点成为热点4]。不同类型的植物对多环芳烃的修复效果不同，有研究表明木本植物对PAHs的土壤污染修复能力不及草本植物，如油菜、黑燕麦、高羊茅对菲和芘的去除率都很高，达80%以上4]。利用草本植物净化土壤中PAHs的研究主要集中在旱生环境，如苜蓿、灯芯草、玉米、黑麦草等，并且取得了一定的成果5]。但对于潮湿甚至淹水土壤，只能选择水生植物作为修复材料。作为适应能力强，有强大须根系的水生植物菖蒲（Acorus calamus L）被视为理想研究对象。菖蒲生性粗放，无需特别管理，是多年生水生草本植物。菖蒲常被应用于净化铅、镉、铜等重金属及富营养化水体的科学研究中，在水体生态修复工程中具有良好的应用前景6-8]，但应用于修复多环芳烃污染物方面的研究尚未见报道，因此被寄予厚望。本试验以萘作为多环芳烃的代表物质，研究了淹水土壤中萘对菖蒲体内的脯氨酸、过氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）的影响，以便进一步了解净化过程中，萘污染对菖蒲生理生化的影响。

1材料与方法

11材料与试验设计

培养容器为市售红色橡胶桶（上口内径36 cm，桶底内径32 cm，桶高40 cm），内装从菜地挖取而来经风干过筛的土壤20 kg。用丙酮作助溶剂，配制不同浓度萘有机溶液分别均匀灌溉于桶中，过夜待丙酮挥发后将桶中土壤搅拌均匀，最终土壤中设置3个萘污染量梯度（100、200、300 mgkg），以不加萘为对照，每个处理3个重复。试验植物为事先培养的菖蒲，选取长势健壮、大小一致的菖蒲种植在桶中，保持淹水状态，自然光下培养。每20 d取1次样，每株剪取适量成熟菖蒲叶片，作为测定各项指标的试验材料。

12测定方法

叶片叶绿素含量采用分光光度计法9]测定，单位mgg FW。脯氨酸含量采用酸性茚三酮法10]测定，单位μgg FW。MDA含量采用硫代巴比妥酸显色法9]测定，单位μmolg FW。SOD活性测定采用NBT法9]，以抑制NBT光化还原50%的酶量为1个酶活性单位计算酶活性，单位U（g·min）。POD活性采用愈创木酚法9]测定，以每分钟OD470增加001为1个酶活单位计算其活性，单位 U（g·min）。

13数据处理方法

运用Microsoft Excel 2003软件统计平均值、标准差，并生成图表。运用SPSS 130软件进行相关性、组间和时间之间方差分析及差异性（双尾）分析，采用双因素方差分析方法分析不同时间、不同萘浓度处理及两者交互作用的影响。

2结果与分析

21土壤萘污染对菖蒲叶绿素的影响

受萘的污染，菖蒲叶片中的叶绿素含量基本呈先降后升的趋势（图1）。其中低污染量（100 mgkg）污染对叶绿素含量的影响最大，在试验的所有时间里都显著地低于对照（P=0000）。较高含量萘污染（200、300 mgkg）在初期对叶绿素含量影响较大，20 d时二者显著低于对照（P=0000、0012），但随时间延长叶绿素含量逐渐恢复，40 d和60 d时与对照差异不显著，并且两污染量间差异不显著，但与低污染量（100 mgkg）之间差异显著（P=0000、0001）。

双因素方差分析结果表明，萘污染量和污染时间都极显著影响菖蒲叶片中叶绿素含量（P<001），但污染量和污染时间之间的交互作用对叶绿素含量的影响不显著（表1）。

22土壤萘污染对菖蒲脯氨酸的影响

萘污染造成菖蒲叶片中脯氨酸含量在短期内（20 d）急剧升高（图2），3种污染量影响下菖蒲叶片脯氨酸含量都极显著高于对照（P=0000、0000、0000），其中中等污染量（200 mgkg）影响下的脯氨酸含量最高，但其与低污染量（100 mgkg）和高污染量（300 mgkg）之间差异不显著。随着时间延长，脯氨酸含量下降，40 d后各污染量之间及与对照之间差异不显著。双因素方差分析结果显示，污染时间极显著影响菖蒲叶片中脯氨酸含量（P<001），萘污染量对脯氨酸含量影响不显著，而污染量和污染时间之间的交互作用对脯氨酸含量影响极显著（P<001）（表1）。

23土壤萘污染对菖蒲MDA的影响

萘影响下菖蒲叶片中的MDA含量总体呈先上升后下降的趋势，其中低污染（100 mgkg）和高污染（300 mgkg）引起的反应较快，而中等污染（200 mgkg）引起的反应较慢。初期时（20 d）菖蒲叶片中的MDA含量都升高并高于对照，但各污染量之间及与对照之间都没有显著差异。中期时（40 d）低污染（100 mgkg）和高污染（300 mgkg）MDA含量降至与对照无显著差异，而萘污染量200 mgkg的MDA含量继续上升至与其他污染量及对照都有显著差异（P=0011、0035、0026）。到污染的后期（60 d），中、高污染的MDA继续下降，而低污染的MDA略有升高，但各组之间及与对照之间差异均不显著。双因素方差分析结果表明，污染时间极显著影响菖蒲叶片中MDA含量（P<001），萘污染量对MDA含量影响不显著，而污染量和污染时间之间的交互作用对脯氨酸含量影响极显著（P<001）（表1）。

24土壤萘污染对菖蒲SOD的影响

菖蒲叶片SOD活性萘污染的响应依污染量而不同。中、高污染量刺激SOD活性先升高再下降，在20 d时显著高于对照（P=0025、0020），而低污染量（100 mgkg）在初期时（20 d）使得SOD活性显著下降而低于对照（P=0012），在40 d时所有污染量SOD达到最大，而后降低。初期时（20 d）低污染量影响SOD活性显著低于对照和中、高污染量，其他时间各组之间无显著差异。从双因素方差分析结果来看，萘污染量和污染时间都显著影响菖蒲叶片中SOD活性（P<005），污染量和污染时间之间的交互作用对SOD活性的影响显著（P<005）（表1）。

25土壤萘污染对菖蒲POD的影响

萘污染对菖蒲叶片POD活性的影响非常显著。不同污染量在不同时间均刺激POD活性显著高于对照（P<005），不同污染量基本都随时间推移而刺激作用加强，到后期（60 d）POD活性與污染量成正比，不同污染量之间差异显著（P<005）。双因素方差分析结果也表明，萘污染量、污染时间、污染量和污染时间之间的交互作用都极显著影响菖蒲叶片中POD含量（P<001）（表1）。

3讨论

植物在遭受污染胁迫时，体内的各项生理特性会做出响应，这些生理指标的变化往往可以作为衡量污染物毒性和植物抗污染能力的表征。

叶绿素是植物生长的重要指标之一， 研究报道大多数植

FK（W12]TPZYJ5tif]

物在盐、水分、重金属、有机物的胁迫下叶绿素含量会下降11-14]，部分植物在重金属胁迫下叶绿素含量会上升15]。在对多环芳烃胁迫的研究中显示，经过一段时间的胁迫，一些植物如拟南芥16]、水葫芦17]、狐尾藻18]等植物的叶绿素含量会因多环芳烃胁迫而降低，而玉米幼苗受萘胁迫反应为叶绿素含量增加19]。这些研究表明植物种类、胁迫方式、污染的强度、污染时间可能都会影响试验结果。对金鱼藻的研究显示，受萘胁迫金鱼藻体内叶绿素含量先升后降，研究者认为前期植物根对环境中污染物快速吸收而促进生长，后期污染物逐渐分散和积累在植物组织中，表现为对光合作用生理活动的抑制18，20]。本试验中，菖蒲叶片叶绿素含量在萘胁迫下变化的趋势为先降后升，与前者的结果不同。在对金鱼藻的研究中，采用水培直接污染的方式，植物直接吸收是主要影响方式，因此前述机理可以较好地解释试验现象，而本研究中萘在土壤中被吸附、迁移和转化，对比植物的直接吸收，更多的可能是萘对土壤理化性质产生影响而影响菖蒲的生长，笔者推测土壤萘污染短期内使土壤理化性质发生不利的变化，随着时间延长，土壤微生物等作用使得土壤理化性质得以不同程度恢复，从而出现本研究中的现象。以往的研究中，在水培条件下受胁迫植物叶绿素降低程度与胁迫程度呈正比，但本研究中呈现的规律相反，同样是污染土壤中培育的玉米也出现叶绿素变化与胁迫程度的不规律关联性，笔者推测可能与土壤复杂的理化性质和微生物群落结构有关，具体的机理还有待进一步研究。本研究结果还表明在此试验萘含量下，菖蒲生理在短时间内受一定影响，但可以逐渐恢复。

逆境条件下植物容易产生大量活性氧，使植物细胞膜产生脂质过氧化，其产物MDA含量通常来表征植物在胁迫因子作用下的损伤程度16-17]。受萘胁迫，菖蒲叶片MDA含量初期时增大，表明短期内细胞膜产生脂质过氧化而被损伤，但随着时间推移MDA含量逐渐下降，显示菖蒲叶片细胞膜逐渐恢复。双因素方差分析显示MDA受时间的影响显著。Heath等认为，叶绿素的破坏与MDA的产生是同时发生的，叶绿体的脂质过氧化可对叶绿素的形成过程产生抑制作用，合成叶绿素所需的酸受到破坏，使叶绿素含量降低，最终可能导致光合系统的失活21]。本研究结果与其一致，MDA在初期增多，后期逐渐恢复，趋势与叶绿素变化相反。

脯氨酸是植物细胞渗透调节物质，并可帮助清除多余氧自由基，受到逆境胁迫时许多植物会积累高水平的脯氨酸11，15，17]，因此脯氨酸积累通常被当作植物受胁迫的一种信号和抗胁迫的指标。本研究中脯氨酸含量的反应类似于MDA，同时双因素方差分析显示，脯氨酸和MDA都受作用时间、时间与萘含量之间交互作用的影响显著，而萘含量对其影响不显著，说明萘对菖蒲的影响主要集中在污染初期。

在逆境條件下植物抗氧化酶系统具有应激反应，其中SOD、POD是植物防御系统的关键酶21]。SOD主要清除植物体内超氧化物自由基（O-2KG-2]· ），为抗氧化的第一道防线，POD则清除多余的H2O2。当植物暴露在多环芳烃环境中，植物抗氧化酶活性随浓度和作用时间反应不同。萘胁迫的前期（15 d）白骨壤幼苗子叶SOD和POD活性升高，随胁迫时间延长而活性降低22]。金鱼藻体内的SOD活性因萘污染而降低，在萘浓度较高时显著降低，而POD活性没有显著变化18]。秋茄幼苗的根尖和子叶SOD、POD受萘和芘诱导活性增加23]。菲胁迫初期（12 h）时，拟南芥叶片SOD及POD活性明显高于对照24]。本研究中，除低污染量（100 mgkg）条件下SOD降低以外，其他条件下SOD和POD都在污染的初期即产生增强反应，说明污染初期菖蒲体内氧自由基增多，抗氧化酶系统防御作用增强。SOD活性在20 d后逐渐恢复正常，规律与脯氨酸、MDA类似，而POD活性持续升高，并且与污染量成正比。可能萘胁迫导致菖蒲体内积累的自由氧以H2O2为主。

4结论

菖蒲对萘污染在初期（20 d）受伤害，清除超氧离子自由基（ O-2KG-2]· ）及过量H2O2的机制随之启动，表现为叶绿素含量显著下降、脯氨酸和MDA积累增加、SOD和POD活性显著增强，但没有表现出与污染量之间的显著相关性；经过一段时间以后，叶绿素含量、脯氨酸和MDA积累、SOD活性都基本恢复正常。菖蒲忍耐萘污染的能力较强，具有修复潮湿土壤萘污染的潜力。

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