肖旭峰，解慶娓，范淑英，劉威礫，黃 敏

(1.江西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，江西 南昌 330045;2.江西農(nóng)業(yè)大學 林學院，江西 南昌 330045)

近年來，隨著城市工業(yè)迅速發(fā)展、垃圾廢棄物亂堆放和農(nóng)用化學物質(zhì)使用不合理等，重金屬污染日益成為制約我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的主要障礙［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國受重金屬污染的耕地面積已超過2 000萬hm2，約占耕地總面積的1/5，因重金屬污染導致的糧食經(jīng)濟損失高達200億元［2］。大量含重金屬的廢棄物被排放到水體內(nèi)，不僅嚴重危害動植物的正常生長，而且直接威脅水體周邊人群的飲用水和食品安全。鎘(Cd)、鉛(Pb)是環(huán)境中毒性最強，對菜地污染最為嚴重的兩種重金屬［3-4］，而二者的伴生污染研究更能客觀體現(xiàn)污染物與生物體之間相互作用的規(guī)律和機理。目前，小白菜、辣椒、黃瓜、草莓、茭白等作物對Cd、Pb反應及生理生化的研究已有相關(guān)報道［5-9］，但同等濃度下，作物種類不同，重金屬吸收量及對作物生理生態(tài)過程的影響也存在差異。

芹菜是江西省蔬菜種植面積較大的蔬菜種類之一。近年來鄱陽湖區(qū)的大力開發(fā)，芹菜的生產(chǎn)環(huán)境受Cd、Pb等重金屬污染的程度日益加劇，尤其是“工礦業(yè)”較發(fā)達地區(qū)的污染更為嚴重。Cd、Pb復合污染對芹菜的生理生態(tài)效應與單一污染物作用存在差異，但目前該方面的系統(tǒng)研究報道較少。本研究以“美國西芹”為研究材料，通過營養(yǎng)液培養(yǎng)研究不同濃度Cd、Pb單一及復合脅迫下芹菜全生長周期的生長及抗氧化酶變化規(guī)律，旨在從理論基礎上為芹菜重金屬污染研究提供理論依據(jù)，同時為解決鄱陽湖區(qū)芹菜的安全生產(chǎn)提供參考的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)及試驗設計

試驗于2013年9—12月在江西農(nóng)業(yè)大學園藝系實驗室進行。芹菜品種為美國西芹(Apium graveloens L.)。種子經(jīng)消毒處理后播種于育苗盤，待幼苗長至5～6 cm時，挑選生長一致的植株移栽至裝有1 L營養(yǎng)液的塑料桶中，每桶6株。水培營養(yǎng)液配方參照劉仕哲［10］方法進行。預培養(yǎng)2周后，向營養(yǎng)液中加入CdCl2·2.5H2O和Pb(AC)2·3H2O，以水的總體積為標準，外源重金屬添加量分別為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+復合污染:(2+20)mg/L(Cd2+Pb20)，(4+40)mg/L(Cd4+Pb40)，(6+60)mg/L(Cd6+Pb60)，(8+80)mg/L(Cd8+Pb80)，以不添加重金屬為對照(CK)，每處理重復3次。營養(yǎng)液每5 d更換1次，每天攪拌3次。處理以每隔10 d為1個周期測定相關(guān)生理特性指標，40 d后收獲植株。

1.2 測定指標及方法

測定芹菜全株生物量(g)和芹菜株高(cm)。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定，以單位時間單位質(zhì)量鮮根的四氮唑還原強度［mg/(L·h)］表征［11］;脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸提取及茚三酮顯色法(μg/g)測定;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)還原法測定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定［11-12］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘、鉛脅迫對芹菜植株生物量及株高的影響

Cd、Pb單一、復合脅迫對芹菜生物量及株高的影響均表現(xiàn)為隨濃度增加先升高后降低趨勢(圖1)。低濃度Cd(≤2 mg/L)、Pb(≤20 mg/L)及Cd－Pb(≤(2+20)mg/L)條件下，處理對芹菜植株生長均具有促進效應，但增幅隨植株生長程度呈下降趨勢，其中Cd－Pb復合濃度(2+20)mg/L分別培養(yǎng)至10 d，20 d時，芹菜的生物量和株高比CK分別增長79.4%和27.7%。當Cd、Pb及復合濃度達到4，40，(4+40)mg/L水平時，芹菜生物量和株高的增長受到顯著抑制(P＜0.05);當濃度為6，60，(6+60)mg/L水平時，Cd、Pb單一及復合污染對芹菜全生長期內(nèi)株高及生物量抑制均達極顯著水平(P＜0.01)。隨重金屬濃度增加、生長期延長，芹菜的生物量和株高被抑制程度由高到低依次為Cd－Pb交互、Cd、Pb、CK，高濃度Cd－Pb聯(lián)合作用更加劇了對植物的毒害作用。

圖1 不同天數(shù)及濃度Cd、Pb單一及復合脅迫對芹菜株高和生物量的影響Fig.1 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on height and biomass of Apium graveloens plants

2.2 鎘、鉛脅迫對芹菜根系活力的影響

Cd－Pb復合脅迫處理對芹菜的根系活力影響最大，Cd次之，Pb最低(圖2)。當外源Cd2+、Pb2+及Cd2+－Pb2+脅迫維持一定水平時，芹菜的根系活力較CK呈下降趨勢，但差異不明顯(P＞0.05)。當Cd(≥4 mg/L)、Pb(≥40 mg/L)及 Cd－Pb(≥(4+40)mg/L)時，芹菜的根系活力顯著下降(P ＜0.05);當濃度為6，60，(6+60)mg/L水平時，芹菜全生長期內(nèi)根系活力均呈現(xiàn)極顯著水平(P＜0.01);當Cd4處理30 d及Cd6+Pb60復合處理20 d后，根系活力急劇下降，以致TTC還原力為負值，表明根系生長受到嚴重抑制，根尖腐爛變黑，且干枯死亡。

圖2 不同天數(shù)及濃度Cd、Pb單一及復合脅迫對芹菜根系活力的影響Fig.2 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on root activity of Apium graveloens plants

2.3 鎘、鉛脅迫對芹菜脯氨酸含量的影響

芹菜脯氨酸含量隨Cd、Pb污染濃度的增加而增加，呈現(xiàn)明顯的劑量－效應關(guān)系，變化規(guī)律由大到小依次為Cd－Pb交互、Cd、Pb、CK(圖3)。在Cd8+Pb80處理組培養(yǎng)至40 d時，芹菜體內(nèi)的脯氨酸含量極顯著增加(P ＜0.01)，達到了峰值(245.76 μg/g)，是 CK 組的1.60 倍。

2.4 鎘、鉛脅迫對芹菜抗氧化酶(SOD和POD)活性的影響

芹菜受重金屬離子傷害的程度，與重金屬離子的濃度、處理時間及復合脅迫有關(guān)(圖4)。具體表現(xiàn)為:低濃度、短時間的Cd2+、Pb2+能促進SOD及POD酶活性的增加，在一定程度上減輕了Cd2+、Pb2+脅迫引起膜脂過氧化造成的傷害作用;當處理濃度分別為Cd2+6 mg/L、Pb2+60 mg/L及Cd2+－Pb2+(8+80)mg/L時，POD活性降低，保護酶活性已不能彌補因Cd2+、Pb2+對芹菜植株造成的損傷;而隨Cd2+、Pb2+濃度增加，脅迫時間延長，SOD酶活性先升高后降低，表明芹菜對Cd2+、Pb2+的毒害作用有一定的耐受范圍。此外，復合脅迫下芹菜SOD及POD受重金屬離子的脅迫傷害程度大于單一脅迫，表明Cd2+、Pb2+的復合脅迫間存在一定的協(xié)同作用。

圖4 不同天數(shù)及濃度Cd、Pb單一及復合脅迫對芹菜SOD和POD的影響Fig.4 Effects of Cd，Pb single and combined pollution on SOD and POD of Apium graveloens plants

3 討論與結(jié)論

Cd、Pb污染是國內(nèi)外專家重點關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一，目前有關(guān)植物對重金屬的吸收、積累和生理生態(tài)特性已成為國際環(huán)境科學領域的研究熱點。Cd、Pb對植物的毒害作用通常表現(xiàn)為劑量效應，二者的互作大多強于單一污染。在Cd、Pb復合污染處理下，Cd存在抑制植物對Pb的吸收，而Pb則促進植物對Cd的吸收，然而一些研究也得出了不同的結(jié)果。

芹菜是重金屬重度累積型蔬菜，尤其對Cd、Pb吸收累積程度較高［13］。本研究中，不同濃度的Cd、Pb及復合處理對芹菜生物量、株高、脯氨酸、根系活力及抗氧化酶均有影響，但影響程度隨脅迫濃度、生育期不同存在差異。高濃度Cd、Pb脅迫下芹菜的根系及葉片受損較嚴重，表現(xiàn)為葉片褪綠萎縮、植株變矮、生長緩慢、根尖腐爛變黑、產(chǎn)量下降等。

Cd、Pb復合污染對芹菜的生長存在交互作用。當Cd添加量≥4 mg/L時，芹菜生物量及株高明顯下降;而當Pb添加量≤20 mg/L時，可促進芹菜生長，當鉛添加量≥40 mg/L時，芹菜生物量及株高略有下降。Cd、Pb共存時，Pb協(xié)同芹菜對Cd的吸收，而Cd卻抑制芹菜對Pb的吸收，因此Cd、Pb共存時，Cd是芹菜生長的主要毒害因子，控制著芹菜全生長周期的變化趨勢。Cd與Pb聯(lián)合作用效應因Pb的添加量不同而不同。當?shù)蜐舛萈b(0～20 mg/L)與Cd共存時，二者對芹菜生長影響表現(xiàn)為協(xié)同作用;當較高濃度Pb(40～80 mg/L)與Cd共存時，則轉(zhuǎn)為拮抗作用。

根系是芹菜直接與重金屬接觸的部位，根系活力的大小直接反映根系的生長情況。隨著Cd、Pb處理濃度的增加，芹菜的根系活力一直降低，但在生長前期二者沒有顯著下降;當Cd、Pb及復合處理達到一定濃度后，根系活力急劇下降，這說明芹菜根系對Cd、Pb毒害作用有一定的補償－調(diào)節(jié)機制，當Cd、Pb濃度較低時，根系生長受到一定程度的抑制，但植物的自我調(diào)節(jié)作用使得芹菜根系活力下降程度不顯著，而高濃度的Cd、Pb具有較強的毒害作用，破壞了植物的自我調(diào)節(jié)功能，從而使得芹菜根系活力出現(xiàn)極顯著抑制效應。

重金屬Pb對芹菜葉片脯氨酸含量的影響與重金屬Cd有著相同的發(fā)展趨勢，即隨著Cd、Pb質(zhì)量分數(shù)的增加，脯氨酸的含量均呈現(xiàn)上升趨勢。高濃度重金屬脅迫下，芹菜產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)(ROS)而抑制植株的生長，脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它的積累可有效地緩解重金屬脅迫導致的傷害［14］。本試驗中，芹菜葉片中脯氨酸隨Cd、Pb脅迫濃度呈增加的變化趨勢，說明植物在抵抗外界傷害中啟動了自身生理反應，脯氨酸的合成受到刺激，表明脯氨酸在消除重金屬毒害過程中起著重要作用，這與Luis等［15］的結(jié)果一致。

SOD、POD等酶系統(tǒng)的作用是共同清除各種逆境作用下產(chǎn)生的O－和H2O2。在Cd2+、Pb2+脅迫下，芹菜葉片中的SOD和POD的活性變化趨勢一致，均表現(xiàn)為“升高—降低”，說明這兩種酶在芹菜對Cd、Pb的抗性中起到重要作用，這與李佩華［16］、李麗鋒［17］、周建剛［18］等試驗結(jié)果一致。低濃度、短時間內(nèi)POD酶活性增加，能十分有效地幫助芹菜清除體內(nèi)的過氧化物和自由基;而SOD活性的上升說明Cd、Pb產(chǎn)生的O2·－激活了SOD的表達。當重金屬Cd、Pb的濃度超過了芹菜自我保護的范圍，抗氧化系統(tǒng)酶受到了破壞，無法保護芹菜的正常生長，因此造成芹菜生長發(fā)育受到抑制。

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