镉铅胁迫对鱼腥草叶抗氧化酶系统的影响

2021-08-26岳洁丽周贤思

四川环境 2021年4期

赵敏，岳洁丽，周贤思，梁赟

(1.四川省眉山生态环境监测中心站，四川眉山 620010；2. 成都先导药物开发股份有限公司，成都 610200)

引言

土壤对生物圈的发展具有无可替代的地位[1]。在土壤中，重金属污染累积到一定程度就会对“土壤-植物”系统产生难以想象的毒害[2～4]，并间接危及人类健康[5]。利用超富集植物修复土壤重金属污染具有无可比拟的经济、社会、环境效益优势，作为一种新兴高效的生物修复技术，也是当今的一大研究热点[6～12]。

镉、铅是较为常见的两种典型土壤重金属污染物[13]，主要源于其在自然界中的广泛分布。他们通过物质循环，能影响植物的生长发育活动[14]，也能引起人体血液系统和神经系统病变[15]。目前对重金属污染土壤的植物修复研究大多只针对单个元素污染，而对两种及以上复合污染的研究还不够细致深入，且目前仅仅发现了很少一部分超富集植物[16～19]。镉、铅污染对生物圈的毒害机制十分复杂[20]，对不同研究对象得到的研究结果也是五花八门。尤其对植物在镉、铅胁迫下的抗氧化酶系统响应特征研究不够全面[21～23]，设置的重金属浓度组合有限，探讨的内容单一缺乏系统性。

鱼腥草生存能力强，在我国分布范围广，储量大，可作为食材，亦可入药[24]。已有许多研究课题表明鱼腥草对土壤中的镉和铅具有较强的吸附能力，但对其在吸附时所产生的生理生化特性变化研究尚不够深入具体。开展镉铅胁迫下鱼腥草的生理生化特性变化研究，特别是对其抗氧化酶系统的影响，对于探讨植物对重金属的富集机理、寻找超富集植物品种的意义重大。

1 材料与方法

实验材料来源及前处理、土培实验设计详见赵敏[25]的研究。

植物和土壤：以鱼腥草地下茎为种植基材，进行盆栽试验。植物和土壤均取自雅安三九中药材科技产业化有限公司的种植基地。供培土壤为水稻土，经除杂质、风干、碾碎并过筛(2目)后混匀方能使用。

采用二因素完全设计，Cd、Pb分别设5个水平、4个水平，共20种处理(详见表1中处理编码)，各处理水平均重复3次。盆栽试验培养基地设在四川农业大学雅安校区的教学科研园区大棚内。

以Cd(CH3COO)2·2H2O和Pb(CH3COO)2·3H2O 供给土壤Cd和Pb。称取土样18kg，加入无机肥(按N∶P2O5∶K2O比值为1∶ 0.42∶ 2.37，其中N以200mg/kg计)作为基肥，再按照表1浓度设置在相应组中加入Cd、Pb混匀，转入塑料盆中(盆直径36cm，盆高40cm)，每盆盛土6kg，重复3次。进行土壤预处理，加水至田间持水量的60%～70%，自然风干，再加水风干，钝化30d后再行土培试验。将鱼腥草地下茎种入处理后的土壤中(每盆6根)，并放入大棚内进行盆栽，定期浇水和除杂草。

待鱼腥草植株成熟后，取叶片按照相关方法[26]分析超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性。数据统计分析及制图主要采用Microsoft Excel 2007、SPSS Statistics 19以及OriginPro 2017等软件。

表1 土培实验设计Tab.1 Experiment design of soil cultivation (mg/kg)

2 结果与讨论

抗氧化酶主要包括POD、CAT和SOD，当植物受到重金属胁迫时，抗氧化酶活性会显著提高[27]。SOD、POD和CAT等酶系统的作用是清除动植物体内的活性氧和抗氧化物质[28]。机体代谢过程中产生的活性氧自由基对生物体的毒害作用很强。正常情况下植物体内活性氧的产生和清除过程是相对动态平衡的。如果植物处于逆境(例如重金属胁迫、干旱)条件下，其体内产生活性氧自由基的速度就可能会超出其清除自由基的能力，由此导致伤害。因此，常用SOD、CAT、POD的活性来衡量植物对毒物的敏感性，从分子水平上去显示逆境因子对生物带来的伤害[29-30]。镉铅胁迫对鱼腥草叶片中的POD、CAT、SOD的影响差异显著性对比见图1。观察图1，CAT、SOD、POD三指标各自的处理组之间凡有一个相同小写字母的，为差异不显著(0.05水平)；凡无相同字母的，为差异显著。因此，CAT中凡是含有f或(和)g、SOD中含有b或(和)c、POD中含有a或(和)b字母标识的处理组与空白对照组差异不显著。

注：①图中不同小写字母表示P<0.05水平下差异显著；②图中过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性单位依次为mgH2O2/g.minFW、OD470/g. minFW、U/g.FW。图1 镉、铅单一及交互作用对鱼腥草抗氧化酶系统的影响差异显著性对比Fig.1 Comparision of the effects of Cd and Pb on the Antioxidant enzyme system of Houttuyniae Herba

2.1 镉、铅胁迫对鱼腥草CAT活性的影响

观察图2(d)，铅单一污染时，随铅浓度的增加，CAT呈“V”字形变化。当加入铅浓度为250～500mg/kg时，CAT活性明显受抑制，而当铅浓度大于500mg/kg时，CAT活性开始增大，可能是由于CAT对高浓度铅比较敏感，高浓度铅能促进CAT活性。再观察图2(a)黑线，镉单一污染时，发现随镉浓度的增加，CAT活性先被促进然后受抑制，在镉浓度大于10mg/kg后又被促进。图2(a)其余几条线显示，在镉中加入铅浓度为250、500、1 000mg/kg时，CAT活性主要是受镉铅复合污染的控制。在镉中加入铅浓度为2 000mg/kg时，CAT活性与加入镉浓度成负相关，主要受镉浓度影响。

2.2 镉、铅胁迫对鱼腥草SOD活性的影响

在活性氧防御酶家族中，SOD对超氧物自由基的清除、脂质过氧化作用的减轻以及膜伤害方面作用重大[31]。

观察图2(d)，在铅单一污染时，随铅浓度增大，SOD活性先增大后减小再趋于稳定。在加入铅浓度小于250mg/kg时SOD活性上升，可能是受低浓度铅的刺激，将其激活。但铅浓度大于250mg/kg后，SOD活性下降则是受高浓度铅的抑制。当铅浓度大于1 000mg/kg以后，SOD活性趋于稳定，可能是由于土壤吸附的铅已经达到了饱和状态。再观察图2(b)中黑线，在镉单一污染时，SOD变化趋势先平稳下降再陡然上升最后又平稳下降，说明镉浓度在10mg/kg时最适合植物的生长需求。

注：图中过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性单位依次为mgH2O2/g.minFW、OD470/g. minFW、U/g.FW。图2 镉、铅单一及交互作用对鱼腥草抗氧化酶系统的影响Fig.2 Influence of Cd and Pb on the Antioxidant enzyme system of Houttuyniae Herba

图2(b)中，各镉铅复合污染曲线(除铅浓度为2 000mg/kg以外)与镉单一污染曲线变化趋势基本一致，可能是因为土壤中游离态的镉浓度达到一定程度时才能被鱼腥草根部吸收转运到叶片部位，从而激活SOD酶活性。当镉浓度超过10mg/kg后，各曲线变得稳定，说明土壤对镉的吸附达到饱和状态了。比较图2中各曲线，不难发现镉浓度50mg/kg-铅浓度250mg/kg组合是鱼腥草SOD对镉铅复合污染响应的一个极佳组合，并且铅镉复合污染时，鱼腥草SOD活性主要受镉浓度影响。

2.3 镉、铅胁迫对鱼腥草POD活性的影响

POD作为抗氧化酶系统的重要组员之一，在植物呼吸代谢过程中举足轻重。

观察图2(d)，铅单一污染时，POD的活性变化趋势随铅浓度的增加呈两个折线的组合。加入铅浓度0～250mg/kg时，可能是微量的铅是鱼腥草生长的必需营养，使得POD活性增大。但是铅加入浓度从250增加到1 000mg/kg时，POD活性又下降，表明POD活性受到抑制。然而当铅加入浓度大于1 000mg/kg后，POD活性又陡然上升。说明加入低浓度或者较高浓度的铅更能增加POD活性。再看图2(c)中黑线，即镉单一污染的曲线，其与铅单一污染曲线大致相同，但POD活性均较小，说明相较于铅，POD对镉浓度的变化更为敏感。

图2(c)中镉铅复合污染时，铅浓度为250、500、2 000mg/kg那3条曲线里POD变化趋势与铅、镉单一污染时恰好相反，说明这时POD活性主要受镉铅复合污染的影响。当在镉中加入的铅浓度为1 000mg/kg时，POD活性随镉浓度增加而显著上升，即促进了POD活性。

在镉浓度≤10mg/kg以及铅浓度≤500mg/kg情况下，镉单一胁迫和铅单一胁迫对鱼腥草CAT活性、SOD活性、POD活性的影响整体上呈现倒“V”形，这与许娜[32]、李铮铮[33]、孟晓霞[34]等人研究的镉、铅胁迫对鱼腥草抗氧化酶系统的影响规律基本一致。相较于许娜、李铮铮等人的营养液培养法以及孟晓霞的水培、土培下铅单一胁迫研究，本实验设计为土培，镉、铅浓度上限更高，同时探讨了镉、铅单一及复合污染对鱼腥草抗氧化酶的影响，实验方案更接近植物生长在受高浓度重金属污染或多种重金属复合污染的土壤天然环境中所诱发的生理生化指标变化特征。而由于鱼腥草在全球的分布原因，国外在研究重金属超富集植物时鲜有使用鱼腥草为研究对象的相关报导。另外，除鱼腥草以外，目前已发现多种植物对铅具有较强的富集能力，例如金丝草[35]、柳叶箬[36]、狗牙根[37]等。

2.4 镉、铅胁迫对鱼腥草抗氧化酶系统影响的相关性及多元回归分析

表2 镉、铅单一污染对鱼腥草抗氧化酶系统的影响相关性分析Tab.2 Correlation analysis on the Antioxidant enzyme system of Houttuyniae Herba caused by single Cd and single Pb pollution

由表2中的镉、铅单一污染对鱼腥草抗氧化酶系统影响的相关性分析检验发现：在镉单一污染情况下P值均大于0.05，所以四个指标在镉单一胁迫下，在a=0.05水平下线性关系不显著；在铅单一污染情况下P值均大于0.05，所以四个指标在铅单一胁迫下，在a=0.05水平下线性关系不显著。表明镉、铅单一污染下，鱼腥草的SOD、POD、CAT特性变化较为复杂，不能用简单的线性进行描述。

植物对重金属元素的富集通常不是单一富集，而是多种元素共同进行，他们彼此之间即可能相互促进，也可能相互抑制[38]。参照陈怀满和郑春荣[39]在研究Pb、Cd、Cu、Zn对水稻的复合污染时所采用的回归方程法模拟交互作用，结果见表3。从表3统计数据中可见影响CAT、SOD、POD的各因素大小排序依次分别为：Cd>Cd-Pb>Pb；Cd>Cd-Pb>Pb；Pb>Cd-Pb>Cd，但只有POD的P值<0.05，即镉铅交互作用对鱼腥草POD活性的影响显著。