稀土鈰對芥菜生理效應(yīng)及其土壤酶系統(tǒng)影響研究

游露 安禮航 劉敏超

摘要：通過水培—土培實驗，研究了芥菜在Ce的6個濃度梯度下的葉綠素含量、根系活力、抗氧化酶活性和土壤酶活性。結(jié)果表明：低濃度Ce處理能促進(jìn)植物的生長，而當(dāng)其超過某一濃度時則對植物起抑制作用，并對植物產(chǎn)生毒害，到土壤Ce含量為1500 mg/L時，植株生長已受到明顯抑制作用;植物的生理效應(yīng)能很好的反映植株的健康情況，隨著土壤Ce含量增加，芥菜中葉綠素含量、根系活力、SOD活性、POD活性、CAT活性總體上均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)超過某一濃度（1500 mg/L）后，Ce對芥菜的毒害作用隨Ce濃度增加而增強;土壤酶活性不僅受到根際土壤環(huán)境的影響，而且不同種類的酶受到根際土壤影響的效應(yīng)也不相同。芥菜根際土壤中，土壤腺酶、磷酸酶、纖維素酶、轉(zhuǎn)化酶時Ce均表現(xiàn)為激活效應(yīng)，而過氧化氫酶則表現(xiàn)為先激活后抑制。本研究旨在為芥菜對鈰污染土壤的修復(fù)能力提供實驗數(shù)據(jù)，同時進(jìn)一步為受污區(qū)特別是稀土礦區(qū)的蔬菜食用安全提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：稀土鈰;芥菜;生理效應(yīng);土壤酶活性

中圖分類號：S154.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0075-04

1 引言

中國是世界稀土資源最為豐富的國家。同時也承擔(dān)著世界90%以上的市場需求。近年來，由于稀土不合理開采、冶煉及稀土微肥的廣泛使用，導(dǎo)致土壤中稀土元素含量不斷提高，稀土污染日益嚴(yán)重，蔬菜中稀土元素的積累量也有上升趨勢[1，2]。Liang[3]等研究顯示，我國稀土礦區(qū)水、土壤環(huán)境中稀土含量較高，導(dǎo)致蔬菜等作物稀土含量大于國家食物限量標(biāo)準(zhǔn)的10～20倍。李小飛[4]等研究也發(fā)現(xiàn)，福建省長汀縣稀土礦區(qū)芋頭與空心菜稀土元素的含量分別可達(dá)3.68 mg/kg和0.92mg/kg，超過了蔬菜衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值（0.7 mg/kg）。

本研究以芥菜為材料，研究了鈰脅迫下芥菜的生理效應(yīng)及其土壤酶活性變化規(guī)律，旨在為受污區(qū)特別是稀土礦區(qū)的蔬菜食用安全提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

本實驗所采用的蔬菜包括油麥菜、芥菜等在內(nèi)的17種蔬菜。種子購于江門市利隆種業(yè)有限公司。種植前，選取優(yōu)良種子于水中浸泡24 h，之后用紗布包好放入培育箱控溫催芽，待種子露出白牙尖后均勻的播種于施足基肥的土壤里，待長大2～3片真葉后用于盆栽實驗。供試土壤取自廣東省江門市東湖公園園林土，土壤經(jīng)風(fēng)干、壓碎過5 mm篩。

2.2 試驗設(shè)計與方法

2.2.1 篩選實驗

選取苗期約15 d，生長基本一致的供試植物的植株培養(yǎng)于1/4 Hoagland營養(yǎng)液中，每盆種植3株，pH值保持在6～6.5，每3天更換一次營養(yǎng)液，保持連續(xù)通氣，等到菜苗適應(yīng)了盆中營養(yǎng)液環(huán)境后，按濃度加入CeCl2·7H20，質(zhì)量濃度設(shè)置為50 mg，/L（以Ce3+計）。每處理重復(fù)3次，自然條件下培養(yǎng)22 d后收獲。并將其分可食部分與不可食部分進(jìn)行采樣分析，測定Ce元素含量。

2.2.2 濃度梯度實驗

供試植物為芥菜，Ce3+設(shè)6個質(zhì)量濃度（單位為mg/L）：100、300、600、900、1 200、1500，以CeC13·7H20形態(tài)加入。

2.3 樣品處理與測定方法

2.3.1 樣品的預(yù)處理

植物樣品：用電子天平稱取一定量的樣品于干凈的瓷坩堝中，用電熱板低溫炭化2～3 h，之后用坩堝鉗將瓷坩堝轉(zhuǎn)置馬弗爐內(nèi).以每升湍100℃停半小時直至600℃，5～6 h即可灰化完畢[8]。冷卻至室溫后，向瓷坩鍋內(nèi)加入5 mL 10%的HNO3，置電熱板上進(jìn)行低溫消化，直到堝內(nèi)快蒸干時，加入3 mL1%的稀硝酸，溶解并轉(zhuǎn)入容量瓶中，搖勻定容，以備測定。

土壤樣品：取出土樣，自然風(fēng)干，壓碎后進(jìn)行研磨并過100目尼龍篩，封裝并貼好標(biāo)簽置于陰涼處，以備后期測定。

2.3.2 測定方法

葉綠素含量：采用乙醇提取法;根系活力采用TTC法，具體操作參照李合生主編植物生理生化實驗原理和技術(shù)測定方法[6];SOD活性：NBT光化還原法;CAT活性：高錳酸鉀滴定法;POD：愈創(chuàng)木酚法;土壤過氧化氫酶活性：高錳酸鉀滴定法;磷酸酶活性：苯磷酸二鈉法;脲酶活性：奈氏比色法;土壤轉(zhuǎn)化酶：比色法;土壤纖維素酶活性：3，5-二硝基水楊酸比色法。具體操作參照關(guān)松萌等主編土壤酶及其研究中測定方法[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 篩選實驗

一般來說，某種植物對某種元素的吸收特點，常用富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)來描述。富集系數(shù)為植物地上部重金屬含量與介質(zhì)中重金屬含量的比值，在一定程度上標(biāo)志著介質(zhì)一植物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度[8];轉(zhuǎn)運系數(shù)為植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量的比值。17種蔬菜對稀土元素鈰的累積吸收情況詳見表1。

從表1可以看出，不同種類蔬菜對稀土元素鈰的吸收不同，17種蔬菜對鈰的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)存在著較犬的差異。從富集系數(shù)來說，芥菜的富集系數(shù)最大，可達(dá)1.96，而17種蔬菜的轉(zhuǎn)運系數(shù)都較小，其轉(zhuǎn)運能力普遍較低。結(jié)合本實驗?zāi)康?，故選取鈰高積累蔬菜芥菜作為下面實驗的供試植物。

3.2

Ce脅迫對芥菜葉綠索含量的影響

葉綠素含量高低與葉片的衰老氧化緊密相關(guān)，葉片組織內(nèi)產(chǎn)生的氧自由基會對葉綠素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[9]，各種環(huán)境脅迫也可導(dǎo)致植物體內(nèi)葉綠素破壞與降解。從圖1中可以看出，隨著Ce處理濃度的增加，芥菜葉片中的葉綠素含量變化呈先上升后下降的趨勢。在Ce濃度為600 mg/kg時，達(dá)到其最大值3.47 mg/g，高于對照組91.7%，超過600 mg/kg時，葉綠素含量明顯下降，直至低于對照水平。由此可見，低濃度Ce處理促進(jìn)了芥菜對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，刺激了植物體葉綠素的合成，對芥菜光合作用具有促進(jìn)作用;高濃度Ce處理對芥菜光合作用起阻礙作用，嚴(yán)重影響芥菜的生長，此結(jié)果同Ce對其生物量的影響趨勢相似，與陳祖義等[10]研究結(jié)果相似。

3.3

Ce脅迫對芥菜根系活力的影響

根系是植物吸收水分與養(yǎng)分的重要器官，它生長發(fā)育狀況的好壞將直接影響到整個植株的生命活力，因此，根系活力可以直接反映根系的發(fā)育狀況和植物的生長情況。

從圖2可看出，隨著Ce濃度的增加，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趨勢。在芥菜根系中，Ce處理濃度為600 mg/kg時其根系活力達(dá)到最大值，為6.77mg/（ g/h），高于對照的213.4%，當(dāng)Ce處理濃度大于600 mg/kg時，根系活力上升速度下降，直至根系開始失活，1500 mg/kg時芥菜葉子邊緣已發(fā)黃，植株已出現(xiàn)輕度中毒現(xiàn)象，根系幾乎失活。因此，低濃度Ce能增強芥菜的根系活力，當(dāng)超過允許的濃度后對芥菜根系活力呈毒害作用，抑制其根系活力增強。

3.4 Ce脅迫對芥菜體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的影響

抗氧化酶是指超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD），它們是植物活性氧清除系統(tǒng)中重要的酶，能維持活性氧自由基產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡[11]，其活性被看作重金屬脅迫下植物能耐受的指標(biāo)之一。

由圖3可知，隨著Ce濃度逐漸增加，芥菜體內(nèi)SOD活性、POD活性、CAT活性總體上都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)Ce濃度在O～600 mg/kg范圍內(nèi)，SOD活性、POD活性、CAT活性都呈上升的趨勢;并在600 mg/kg時達(dá)到最大值，分別為367.64u/g、218.3U/（g/min）、349.47 mg/（g/min）;當(dāng)Ce濃度大于600mg kg-l時，SOD活性、POD活性、CAT活性均下降，其中POD活性和SOD活性低于對照組。

實驗表明，在較低Ce濃度處理下，由于稀土作為微量元素能促進(jìn)植物生長發(fā)育，對植物生長副作用不明顯，抗氧化酶活性保持較低的水平，但濃度超過-定范圍后，植物受到迫害，刺激芥菜抗氧化酶的活性，增強了芥菜抵御活性氧傷害的能力，減輕了高濃度Ce給植物帶來的傷害，直至防御系統(tǒng)被破壞。

3.5

Ce脅迫對土壤酶活性的影響

土壤酶是具有高度催化作用的生物催化劑，土壤中的一切生物化學(xué)過程都是在土壤酶的作用下進(jìn)行的。土壤酶在土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)中起著非常重要的作用，它作為土壤的重要組成部分，與土壤理化性質(zhì)之間具有較好的關(guān)聯(lián)性[12]?？梢苑从惩寥乐猩锎x和物質(zhì)轉(zhuǎn)化狀況[13]，能較好地反映土壤的表觀肥力[14]。此外，許多研究者認(rèn)為，土壤酶活性對重金屬的激活或抑制作用非常的敏感，且某些酶的活性與重金屬的污染程度存在著一定的相關(guān)性，可作為反映重金屬污染程度的有效指標(biāo)[15]。

本研究是在稀土污染的影響下，探討酶活性變化的情況，并通過加入外源稀土金屬Ce，達(dá)到實驗預(yù)設(shè)的土壤稀土濃度值，再測定根際土壤中過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶的活性。然后分析稀土Ce對土壤酶的影響，為稀土農(nóng)用過程巾對生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)評價提供科學(xué)依據(jù)，同時進(jìn)一步為受污染區(qū)特別是稀土礦區(qū)的蔬菜食用安全提供科學(xué)依據(jù)。

由圖4可知，隨著土壤Ce質(zhì)量濃度的逐漸增加，土壤酶活性總體上都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在芥菜根際土壤中，當(dāng)Ce濃度為600 mg/kg時，過氧化氫酶活性和磷酸酶活性達(dá)到最大值，分別為1.67 mL/g和0.86 mg/g;當(dāng)Ce濃度為900 mg/kg時，脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性達(dá)到最大值，分別為0.22 mg/kg，3.67 mg/g，1.01 mg/g。在實驗范圍內(nèi)Ce對土壤酶的活性有一定的刺激作用，并且隨著濃度的逐漸增加，刺激作用由強變?nèi)?，此研究結(jié)果與褚海燕等人[16，17]研究結(jié)果變化趨勢相符。

4 討論與分析

通過在含稀土Ce六個水平濃度梯度的土壤中盆栽篩選的蔬菜芥菜，待其成熟收割后，取其植株與根際土壤測定植物生理指標(biāo)和5種常見的土壤酶活性，結(jié)果如下：

（1）礦區(qū)農(nóng)田稀土污染情況日趨嚴(yán)峻，使蔬菜受稀土污染的情況也愈發(fā)嚴(yán)重。如何有效利用污染土壤意義重大，篩選重金屬高低積累植物被認(rèn)為是一種有效的方法。在本實驗中，通過對17種蔬菜進(jìn)行實驗后分析可得出芥菜可食部分稀土金屬含量為98.21 mg/kg，是17種蔬菜中可食部分稀土金屬含量最高的蔬菜，故選擇芥菜作為接下來的供試植物。

（2）葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的最重要的色素。實驗表明，芥菜葉片中葉綠素含量先上升后下降，且在Ce濃度為600 mg/kg時達(dá)到最大，為3.47 mg/g。當(dāng)Ce濃度小于600 mg/kg時，此時稀土Ce對芥菜葉綠素含量起促進(jìn)作用，葉綠素含量隨著稀土Ce濃度升高而增加;當(dāng)Ce濃度大于600 mg/kg時，稀土Ce對芥菜葉綠素含量的促進(jìn)作用降低，當(dāng)芥菜葉綠素含量低于對照組葉綠素含量時，表明高濃度的稀土Ce處理會抑制植物葉綠素的合成，從而影響植物的光合作用，進(jìn)而影響植物的生長，與陳祖義等人研究結(jié)果相似。

（3）植物的旺盛生長離不開一個強大的根系系統(tǒng)，根系活力作為反映根系代謝和植物生長的指標(biāo)就顯得尤為重要。研究表明，在稀土Ce處理下，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趨勢。且在Ce濃度為600 mg/kg時達(dá)到最大，為5.02 mg，/（g/min）。當(dāng)Ce濃度小于600m/kg時，此時稀土Ce對芥菜根系活力起促進(jìn)作用，根系活力隨著稀土Ce濃度升高而增大;當(dāng)Ce濃度大于600 mg/kg時，稀土Ce對芥菜根系活力的促進(jìn)作用降低，當(dāng)芥菜根系活力低于對照組根系活力時，表明高濃度的稀土Ce處理會抑制植物的根系活力。可能的原因是根部細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而致使植物根活力下降深知失活。

（4）生物體在生命活動中不斷地產(chǎn)生自由基，正常情況下，機體內(nèi)存在的SOD、POD、CAT通過形成一個自由基清除系統(tǒng)使自由基水平處于一種相對的動態(tài)平衡狀態(tài)[18]。而當(dāng)植物體受到外界環(huán)境的脅迫時有可能會破壞這種平衡。此次研究表明，隨著土壤Ce含量的增加，芥菜葉片SOD、POD、CAT活性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;可能的原因是低濃度的Ce處理雖然對芥菜的生長起促進(jìn)作用，但植物體內(nèi)活性氧（ROS）增幅不大，其葉片內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)未完全啟動來清除過量的ROS，所以SOD、POD、CAT活性增幅不大：隨著Ce處理濃度的增加，植物體內(nèi)ROS增幅較大，需增加大量的SOD、POD、CAT來清除過多的ROS。但抗氧化防御系統(tǒng)這種保護(hù)作用是有限的，當(dāng)Ce質(zhì)量濃度繼續(xù)上升時，植物體內(nèi)防御系統(tǒng)功能紊亂，清除ROS能力減弱，ROS在細(xì)胞內(nèi)過量積累，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化加強[19].高濃度的Ce處理使SOD、POD、CAT活性降低，直至低于對照組。

（4）土壤酶活性不僅受到根際土壤環(huán)境的影響，而且不同種類的酶受到根際土壤影響的效應(yīng)也不相同。由土壤酶活性變化規(guī)律表明：芥菜根際土壤中過氧化氫酶先被激活再被抑制，脲酶、磷酸酶、纖維素酶、轉(zhuǎn)化酶對Ce的敏感性影響趨勢相似，均表現(xiàn)為激活效應(yīng)，激活作用先增強后減弱。當(dāng)Ce濃度為600 mg/kg時，為過氧化氫酶，磷酸酶活性值大小的分界點;當(dāng)Ce濃度為900 mg/kg時，為脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性值大小的分界點。可能的原因是：土壤酶對稀土元素有一定的耐性，在濃度允許的范圍內(nèi)對土壤酶活性呈增強作用，而當(dāng)超過允許濃度后土壤酶活性有減弱的趨勢，直至出現(xiàn)抑制作用。在芥菜根際土壤中，脲酶對鈰的敏感性相對于過氧化氫酶來說差異性更大，脲酶活性最大相差0.14 mg/g。

5 結(jié)論

研究中選取常見蔬菜芥菜在Ce濃度水平為50mg/L條件下水培.然后進(jìn)一步對芥菜進(jìn)行盆栽土培試驗，通過土培實驗分析了稀土Ce對芥菜的葉綠素含量、根系活力、抗氧化酶和土壤酶活性的影響得到以下主要結(jié)論。

（1）本研究中，芥菜的富集系數(shù)最大，可達(dá)1.96，說明芥菜對Ce有較強的富集能力。再結(jié)合蔬菜的實際生長情況，認(rèn)為芥菜可食部分對Ce有較高的富集，因此選擇高Ce積累芥菜作為下面實驗的供試植物。

（2）芥菜葉片中葉綠素含量先上升后下降，且在Ce濃度為600 mg/kg時達(dá)到最大，為3.47 mg/g。當(dāng)Ce濃度小于600 mg/kg時，此時稀土Ce對芥菜葉綠素含量起促進(jìn)作用，葉綠素含量隨著稀土Ce濃度升高而增加;當(dāng)Ce濃度大于600 mg/kg時，稀土Ce對芥菜葉綠素含量的促進(jìn)作用降低，直至低于對照組并對植物產(chǎn)生毒害作用。

（3）在稀土Ce處理下，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趨勢。且在Ce濃度為600 mg/kg時達(dá)到最大，為5.02 mg/（ g/min）。當(dāng)Ce濃度小于600 mg，/kg時，此時稀土Ce對芥菜根系活力起促進(jìn)作用，根系活力隨著稀土Ce濃度升高而增大;當(dāng)Ce濃度大于600 mg/kg時，稀土Ce對芥菜根系活力的促進(jìn)作用降低，直至植物根系失活。

（4）研究表明，植物的生理效應(yīng)能很好的反映植株的健康情況，隨著土壤Ce含量增加，芥菜中SOD活性、POD活性、CAT活性總體上均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)超過某一濃度后，Ce對芥菜的抑制作用隨Ce濃度增加而增強。

（5）實驗結(jié)果顯示，土壤酶活性不僅受到根際土壤環(huán)境的影響，而且不同種類的酶受到根際土壤影響的效應(yīng)也不相同。芥菜根際土壤中，土壤脲酶、磷酸酶、纖維素酶、轉(zhuǎn)化酶對Ce的敏感性影響趨勢相似，均表現(xiàn)為激活效應(yīng)，激活作用先增強后減弱。而過氧化氫酶則表現(xiàn)為先激活后抑制，表明過氧化氫酶對Ce更敏感?？傊⊥猎谻e是影響酶活性的重要因素之一。

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