烯草酮和镉对芹菜生理生化过程的影响及其毒性机理

黄思达 郭留阳 武延利 黄颖 绳慧珊 崔新仪

摘要：通过盆栽试验，评价烯草酮和镉单一污染及复合污染对芹菜生理生化过程的影响，探究复合污染的危害及两者之间是否具有相互作用。对不同处理下芹菜中的SOD、POD、CAT、GSH等酶活性，以及丙二醛、脯氨酸、总酚和镉含量的变化进行研究。结果表明，复合污染相比于单一因素处理，对芹菜有更大的毒害作用，氧化酶系统在受到伤害时，芹菜同时表现出GSH、总酚和脯氨酸含量升高，减轻植株受到的氧化损伤，致使丙二醛的含量有一定的下降。烯草酮和镉复合污染，两者之间存在拮抗作用，烯草酮的施加对于芹菜中镉的富集有一定的抑制作用，且在镉浓度为0.7 mg/kg时，抑制效果明显。

关键词：烯草酮；镉；芹菜；酶活性；复合污染

中图分类号：S636.3；X173 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）16-0037-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.009 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Physiological and Biochemical Processes Effect and the Toxicity Mechanism of Celery under Cadmium and Clethodim Stresse

HUANG Si-da，GUO Liu-yang，WU Yan-li，HUANG Ying，SHENG Hui-shan，CUI Xin-yi

（College of Horticulture and Garden，Tianjin Agricultural College，Tianjin 300384，China）

Abstract： Through pot experiment， an evaluation of the single and combined stress effects of the cadmium and clethodim on the physiological and biochemical process of celery were made. Meanwhile the study explored the interaction between the two combined pollution. The experiment determines the enzyme activities of SOD， POD， CAT， GSH and the content of MDA， proline， total phenols and cadmium content. The results showed that the combined pollution of clethodim and cadmium had more damage to celery， compared to the single factor treatment. The enzymes hurted was one of toxic mechanism of clethodim and cadmium， celery showed the increase of total phenols， proline and GSH， which could alleviate the oxidative damage and decrease the content of MDA. There was a certain antagonism between clethodim and cadmium， Clethodim had certain inhibitory effect on the enrichment of cadmium in celery， when the concentration of cadmium was 0.7 mg/kg， the inhibitory effect was obvious.

Key words： clethodim； cadmium； celery； enzymatic activity； combined pollution

蔬菜營养丰富，对人体健康有益[1]。但蔬菜生长过程中富集重金属[2]，影响蔬菜品质。

在农业生产过程中，由于农药的不合理和过量使用造成了水体、土壤污染，影响农产品的品质，对人体健康造成危害[3]。除草剂的使用在清除杂草的同时，也会对植株产生不良的影响。陈元琦[4]使用丁草胺对苋菜进行不同浓度的处理，发现丁草胺可以推迟苋菜发芽，缩短幼苗的成活期，当丁草胺的施用浓度达到50 mg/kg时，会使苋菜幼苗逐渐枯萎死亡。烯草酮是一种防除阔叶作物中禾本科杂草的广谱芽后除草剂，对双子叶植物或莎草活性很小或无活性[5]，适用于大豆、亚麻、烟草、西瓜和芹菜等40余种作物的农田除草。该除草剂为内吸传导型茎叶处理剂，进行茎叶处理后经叶片迅速吸收，传导到分生组织和根部，使其细胞分裂遭到破坏，抑制植物分生组织的活性，在施药1～3周植株退绿，随后叶干枯而死亡[6]。

镉是华北污灌区碱性盐化土壤中最重要的污染元素，迁移性强，极容易被植物吸收和积累，通过食物链进入人体，对人类的身体健康造成危害，造成一系列疾病[7]。镉会抑制植物种子萌发、对植物体内的糖、脂、蛋白质、核酸等生物大分子的组成以及各类营养物质的吸收产生影响，导致植物生理生化过程改变，影响植物正常生长。不同作物（品种）间受镉毒害的症状有所差异，镉对植物生长的影响存在剂量效应[8，9]。

黄欣等[10]研究镉对土壤中丁草胺降解作用的影响，表明镉对丁草胺的降解具有一定的抑制作用，且抑制程度与金属离子浓度有关。陈莹莹等[11]研究丁草胺和镉复合污染对土壤呼吸强度的影响，表明镉对丁草胺有一定的拮抗作用。这些研究都表明镉和除草剂在土壤中具有一定的拮抗作用。重金属和农药污染已经成为环境科学领域中的热点[12]，且复合污染现象较普遍，不同污染物之间的复合污染效应要比单一污染复杂得多。土壤中农药和重金属的复合污染会对农作物造成一定的损害，通过食物链影响人们的身体健康。

烯草酮作为芹菜种植中常见除草剂，使用广泛[13]。有关镉和烯草酮对芹菜的复合污染鲜见报道，本试验探究镉和烯草酮对芹菜生理生化的影响，了解复合污染的危害，揭示蔬菜中烯草酮和镉的毒性机理。

1 材料与方法

1.1 材料

芹菜（西芹，品种为精选皇菲）作为植物材料。

仪器主要有紫外分光光度计（UH5300）、火焰原子吸收分光光度计（岛津，AA-6300CF）。

1.2 试验设计

西芹种子催芽，冒白尖后，播在穴盘中，浇透水，保持湿度。两周后，选择长势相近的小苗移栽。

穴盘中使用草炭和蛭石混合作为栽培基质。盆栽中使用高温灭菌后的园土与营养土混合作为栽培基质，其基质中镉的含量为0.37 mg/kg。育苗盆大小为6 cm×9 cm（底径×高），每盆中移栽4株西芹。

试验共设9个处理（包括对照（CK）），每个处理4盆，进行3次重复，移栽后，至2～3片真叶期进行处理，烯草酮采用叶面喷施，镉（硫酸镉）采用灌施，1个月后（葉丛生长期）采摘芹菜叶片进行测定（表1）。

1.3 测定指标与方法

对芹菜中CAT、SOD、POD、PAL、丙二醛（MDA）、蛋白质、总酚、脯氨酸和还原性谷胱甘肽（GSH）这9个指标以及镉含量进行测定。

CAT的测定参照王学奎[15]的紫外吸收法，SOD活性的测定参照李合生[16]的氮蓝四唑法（NBT），略作修改。POD酶活性测定使用愈创木酚法；PAL使用紫外分光光度法测定；MDA的测量使用TBA（硫代巴比妥酸）显色法；蛋白质的测定使用考马斯亮蓝法进行测量；总酚使用Folin-酚试剂法进行测定；游离脯氨酸的测定采用酸性水合茚三酮显色法；GSH的测定根据黄爱缨等[17]的直接测定方法略有改动，测定GSH在单位时间内的减少量。芹菜样品进行湿法消化后，使用火焰原子吸收法测定重金属镉含量。

1.4 数据分析

采用SPSS 12.0分析软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 烯草酮、镉处理下芹菜中SOD、POD及CAT活性变化

由图1可知，在烯草酮、镉单一处理时，随着施加浓度的增加SOD活性明显下降，且两因素之间不存在显著差异。表明烯草酮和镉单因素处理都对芹菜有很大的毒害作用。镉和烯草酮复合污染，在镉浓度为0.35 mg/kg时，随着烯草酮浓度的升高，其SOD活性逐渐下降，其差异不显著，与CK相比呈现下降的趋势，但与镉、烯草酮单一处理相比，有一定程度的增加；镉浓度为0.7 mg/kg时，烯草酮浓度为240 μL/L的处理，相比于烯草酮浓度为120 μL/L的处理，SOD含量显著低于0.35 mg/kg镉单一处理、烯草酮单一处理和CK。SOD活性下降了13.7%。当烯草酮浓度为120 μL/L时，高浓度镉相比于低浓度镉处理，SOD活性下降39.6%；烯草酮浓度为240 μL/L时，高浓度镉与低浓度镉处理相比，下降了40.7%。表明在烯草酮和镉复合污染中，镉占据主导作用。

由图2可知，烯草酮和镉单一处理随着处理浓度的增加POD活性表现为一致的上升趋势；但与CK相比，烯草酮处理下，POD活性有一定的增长，而镉处理下，POD活性分别下降了30.4%和9.1%。表明镉处理较烯草酮处理对芹菜的毒害作用更强。两者复合污染，在镉浓度为0.35 mg/kg时，随着烯草酮浓度的升高，POD活性逐渐下降，同时在镉浓度为0.7 mg/kg时，随着烯草酮浓度的升高POD活性也呈下降趋势，但均显著高于CK。

不同处理对芹菜CAT活性的影响如图3所示，烯草酮和镉单一处理下，与CK相比，CAT活性呈下降趋势；且镉处理下CAT活性下降更为明显，受到的影响更为严重。两者复合污染，CAT也都表现为下降的趋势，当烯草酮浓度为240 μL/L，镉浓度为0.7 mg/kg时，CAT活性较对照下降55.2%，达到显著性差异。

2.2 烯草酮、镉处理下芹菜中MDA、脯氨酸、GSH和总酚含量的变化

2.2.1 烯草酮、镉处理下芹菜中MDA含量的变化 MDA在不同处理下的变化如表2所示，在烯草酮、镉单一处理下，MDA含量较CK均没有显著的变化；两因素复合污染下，当镉浓度为0.35 mg/kg，烯草酮浓度为120、240 μL/L（处理5、处理6）时，其MDA含量虽显著低于CK，但两处理间差异不显著，当烯草酮和镉的处理浓度均达到最高时，其MDA含量达到最小值，显著低于其他各处理。

2.2.2 烯草酮、镉处理下芹菜中脯氨酸、GSH和总酚含量的变化 脯氨酸含量在烯草酮单一处理下，与CK相比无显著差异；而镉处理下，脯氨酸含量均有一定程度增加，且当镉浓度为0.35 mg/kg时，脯氨酸含量显著高于CK和烯草酮单一处理。两者复合污染，在镉胁迫浓度为0.35 mg/kg时，随着烯草酮施加浓度的升高，与CK相比并没有显著的变化；在镉和烯草酮的添加浓度均为最高时，脯氨酸含量急剧增加，显著高于其他各处理（表2）。

GSH含量在烯草酮和镉的胁迫下，较CK都有很大程度的增加，且各个处理之间差异均不显著。

样品中总酚的含量在烯草酮、镉单一处理下，与CK相比，差异均不显著；在镉处理浓度为0.7 mg/kg时，烯草酮浓度的升高，会促使样品中总酚的含量也呈现上升的趋势，当两者浓度都达到最高（处理8）时，总酚含量较CK增加69.4%，显著高于CK。

2.3 芹菜中重金属镉含量的影响

由图4可知，烯草酮和镉复合污染，在镉处理浓度为0.35 mg/kg时，施加不同浓度的烯草酮，对芹菜中镉的含量无明显的影响。但当镉处理浓度为0.7 mg/kg时，随着烯草酮浓度的升高，芹菜中镉的含量呈现明显的下降趋势。与镉处理浓度为0.7 mg/kg时相比，镉处理浓度为0.35 mg/kg处理随烯草酮浓度由低到高分别下降25.4%和36.7%。表明两者复合污染，烯草酮的施加，芹菜对于镉的富集能力受到一定的抑制作用，且烯草酮浓度越高，其抑制能力越强。

3 讨论

3.1 对芹菜中氧化酶系统的影响

植物在外界不良条件胁迫下，会产生大量的活性氧，影响植物正常的生理和代谢[18]，而且当产生的ROS活性氧浓度过高时，会对植物产生毒害作用[19]。除草剂可以通过抑制植物生理过程中的关键酶[20]，同时诱导ROS的生成，削弱植物的抗氧化防御能力[21]。在镉胁迫下，也会诱导植物体内产生ROS活性氧[22]，进而干扰芹菜的正常生长代谢过程。

SOD、POD、CAT作为内源活性氧清除剂，能够在一定程度上清除体内过剩的活性氧，维持活性氧代谢平衡，保护膜结构，使植物具有抵抗逆境胁迫的能力。当胁迫超过植物的承受极限时，SOD、POD、CAT活性会下降或遭到破坏，细胞的正常代谢被破坏，植物的生长会受到抑制[23]。杨居荣等[24]研究表明镉污染会使SOD、POD、CAT活性下降，但在一定浓度范围内，3种酶的活性会得以维持不变或者有一定的提高，当镉浓度超过这个范围时，3种酶的活性就会下降。本研究中，镉单一处理时，SOD、POD、CAT的活性都明显受到抑制；烯草酮单一处理，SOD、CAT活性都明显下降，而POD活性却有一定程度的升高，可能是由于CAT活性的下降，会引起H2O2的增加，诱导植物体内POD酶产生，对多余的H2O2进行分解。郭华武[25]报道铅和丁草胺交互作用对油麦菜中POD和CAT均表现出抑制作用，且浓度越高，抑制作用越强，说明两者之间具有增效作用，可以加强对油麦菜的毒害。烯草酮和镉复合污染，对芹菜中SOD和CAT两种酶造成很强的抑制作用，并随着处理浓度的升高抑制作用也逐渐加强；POD活性相比于CK和单一处理有明显的增长，但随着处理浓度的升高，有一定程度的下降，表明所受胁迫已经开始超过植物本身所能承受的极限。

3.2 烯草酮和镉对芹菜的毒性机理

植株体内一般存在完善的防卫系统，能够清除活性氧，但在受到外界不良条件胁迫时，其活性氧代谢容易失衡[26]，进而导致抗氧化酶活性降低，不能有效清除活性氧，产生大量MDA并积累，对植株膜系统造成伤害[27]。本研究中，使用烯草酮和镉进行复合污染，样品中MDA含量相比于CK并没有很明显的变化，仅在两种处理为最高浓度时，MDA含量显著低于CK。造成不同表现的原因，一方面由于复合污染下POD活性的增加，能够清除部分细胞所受到的氧化伤害；另一方面，脯氨酸作为植物体内重要的渗透调节物质，能够有效降低MDA的含量[28]，提高植物的抗逆性。与CK相比，各处理中脯氨酸的含量均有一定程度的增加，尤其在烯草酮和镉处于最高浓度处理时，脯氨酸含量增加343.3%，这可能是造成该处理下MDA含量骤降的主要原因。

谷胱甘肽是植物控制细胞重金属的重要螯合物前体，并且是重要的抗氧化剂和还原缓冲剂，还具有控制细胞分裂的氧化还原作用[29]，臧丽丽[30]研究表明，在低浓度下，草除灵对油菜叶片的谷胱甘肽含量没有很大的影响，但是在高浓度下草除灵会促进GSH参与抗氧化防御，进而生成GSSG，促使GSH含量降低。烯草酮和镉复合污染下，与CK相比GSH含量都有一定的增加，但是除CK外，各处理间GSH含量差异不显著，原因可能是由于当植物受到胁迫时，GSH的含量会有一定的增长，但在酶的调控作用下，植物体内GSH和GSSG始终处于动态平衡中[31，32]，从而维持植物生命体的正常生长；同时，芹菜中的总酚含量随着烯草酮和镉复合污染浓度的上升而上升，诱导植物生成大量的酚类化合物，清除由胁迫产生的自由基，进而降低外界胁迫对植物造成的氧化伤害。

烯草酮可以抑制脂肪酸和黄酮类化合物的合成，抑制植物的分生组织[33]；镉诱导植株体内产生大量活性氧，破坏植株的活性氧代谢平衡，进而对植株造成过氧化伤害。烯草酮和镉复合污染下，由于两者对于植株的作用位点不同，与单一污染相比，会对植株产生更强的毒害作用；但是烯草酮的喷施会抑制植株对于镉的富集，在镉处理为低浓度时，烯草酮的施用对镉的富集并没有显著影响；在镉处理为高浓度时，烯草酮处理会降低芹菜中镉的含量，且两者之间存在剂量关系，可能由于复合污染多具伴生性和综合性[34]，与重金属共存时，可改变重金属的生物可利用性，因而对重金属的毒性有一定的影响[35]。

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