鎘脅迫下曼陀羅體內(nèi)鎘累積和氧化應(yīng)激生理研究

王建武，相微微，郭建華

（榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000）

有毒重金屬污染對(duì)土壤及水源的污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的一個(gè)重要問(wèn)題，嚴(yán)重危害到人類的健康[1]。鎘作為一種有毒重金屬而廣泛存在于自然界，它是人體非必需元素，在自然界中鎘與鋅、鉛常以化合物狀態(tài)存在，含量較低。若土壤受到重金屬鎘污染后，鎘可以通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)富集，繼而使人引起慢性中毒。目前，修復(fù)重金屬污染土壤的途徑主要有2 種：一是將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ蛊浯媪魸舛冉咏虻陀诒尘爸担欢菍⑼寥乐械闹亟饘俟潭ǎ淖兺寥乐械闹亟饘傩螒B(tài)，使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，減弱重金屬的移動(dòng)性和生物毒性。其修復(fù)方法主要可分為物理方法、化學(xué)方法、生物方法和聯(lián)合修復(fù)法[2-3]，其中尤其以生物方法中的植物修復(fù)更為突出，此方法成本低、操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生2 次污染，可大面積推廣應(yīng)用，具有廣闊的研究前景。

對(duì)于大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，環(huán)境中一定濃度的重金屬鎘會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的脅迫作用，一旦這種脅迫超過(guò)了植株的忍受范圍，就會(huì)危害到植株的正常發(fā)育，使得植株體內(nèi)代謝紊亂、生理活性以及生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植株因重金屬毒害而死亡[4-5]。同時(shí)，鎘會(huì)降低植物葉綠素的含量以及降低植物中可溶性蛋白的含量，加大質(zhì)膜過(guò)氧化作用，影響SOD，CAT 和POD 等抗氧化酶的活性，使得植株的細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)受損[6-7]。生物修復(fù)中的植物修復(fù)需要有重金屬耐受性甚至是超富集植物來(lái)完成。

目前，國(guó)際上已報(bào)道的重金屬超富集植物已有500 多種，其中，80%是鎳的超富集植物。就鎘的超富集植物來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的有天藍(lán)遏藍(lán)菜[8]、印度芥菜[9]、芥菜型油菜（川油 II-10）[10]、礦山型東南景天[11]、寶山堇菜[12]、龍葵[13]等。曼陀羅（Datura stramonium Linn.）又叫曼荼羅、山茄子等，在我國(guó)各地均有分布，且曼陀羅耐受性強(qiáng)[14]。研究表明，曼陀羅對(duì)鎘具有較好的積累、富集能力，但對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較差[15-17]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)就鎘脅迫對(duì)曼陀羅生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化的影響進(jìn)行研究，旨在闡明曼陀羅對(duì)鎘的吸收積累特征及曼陀羅鎘吸收積累隨時(shí)間變化的規(guī)律，為發(fā)展和豐富植物修復(fù)重金屬鎘污染土壤的理論研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

野生白花曼陀羅（Datura stramonium）種子采于榆林市榆陽(yáng)區(qū)。

1.2 試驗(yàn)方法

曼陀羅種子發(fā)芽及幼苗的培養(yǎng)參考張鴻等[18]的方法，待植株長(zhǎng)至15 cm 時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行處理，其中，試驗(yàn)組用含 100 μmol/L 的 CdCl2的1/8 Hoagland 培養(yǎng)液處理，對(duì)照組只用1/8 Hoagland培養(yǎng)液處理。其余條件相同，并設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，測(cè)定結(jié)果取其平均值。處理后，每5 d 進(jìn)行一次樣本采樣，持續(xù)30 d 左右，并對(duì)樣本的葉綠素含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和 MDA 含量生理指標(biāo)以及鎘含量進(jìn)行測(cè)定分析。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用Lichtenthaler 法[19]進(jìn)行葉綠素含量的測(cè)定；采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法[20]測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）；采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法[20]測(cè)定丙二醛（MDA）含量；采用紫外吸收法[21]測(cè)定過(guò)氧化氫酶（CAT）活性；采用張志良等[22]的愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）的活性；采用ICP-MS 法測(cè)定鎘的含量。測(cè)定材料均為曼陀羅鮮葉，每個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行3 次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中均使用Excel 2010 和SigmaPlot 10.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與處理，并繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下曼陀羅生理生化指標(biāo)的測(cè)定

2.1.1 鎘脅迫對(duì)葉片葉綠素含量的影響 從圖1可以看出，與對(duì)照相比，鎘脅迫下，曼陀羅葉綠素含量呈下降趨勢(shì)，處理15 d 后低于對(duì)照。說(shuō)明鎘脅迫對(duì)曼陀羅葉綠素的合成起到了一定的抑制作用。

2.1.2 鎘脅迫對(duì)SOD 活性的影響 從圖2可以看出，在鎘脅迫下，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，曼陀羅SOD活性呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，并均高于對(duì)照；在鎘處理 10 d 時(shí)，SOD 活性達(dá)到最大，為 101.94 U/g；但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，曼陀羅SOD 活性越來(lái)越低。說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間的處理使曼陀羅植株對(duì)重金屬鎘的耐受力降低。

2.1.3 鎘脅迫對(duì)POD 活性的影響 由圖3可知，鎘脅迫下，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，POD 活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，且均比同期對(duì)照高，在鎘處理10 d時(shí)，POD 活性達(dá)到最大值；但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，曼陀羅中POD 活性逐漸降低。表明曼陀羅植株可通過(guò)提高其POD 活性來(lái)抵御一定濃度范圍內(nèi)對(duì)其毒害或生長(zhǎng)的抑制。

2.1.4 鎘脅迫對(duì)MDA 含量的影響 從圖4可以看出，鎘脅迫下，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，MDA 含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，且均比同期對(duì)照高，處理10 d后的曼陀羅植株MDA 含量最高，約為同期對(duì)照的1.9 倍。但隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)，曼陀羅中MDA 的含量逐漸降低。

2.1.5 鎘脅迫下CAT 活性的影響 從圖5可以看出，在鎘脅迫下，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，CAT 活性呈先增強(qiáng)后降低的變化趨勢(shì)，至15 d 時(shí)，CAT 活性達(dá)到最高，且在5～25 d 時(shí)，CAT 活性均高于同期對(duì)照組，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，曼陀羅中CAT 活性有下降的趨勢(shì)。

2.2 鎘脅迫下曼陀羅葉片中鎘的含量變化

圖6結(jié)果表明，在鎘脅迫下，老葉（EO）和新葉（EN）中鎘的含量顯著高于對(duì)照，只有處理7 d 時(shí)，新葉中鎘含量高于老葉，16 d 后老葉中的鎘含量略高于新葉。說(shuō)明曼陀羅對(duì)重金屬鎘具有較強(qiáng)的富集能力，但轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低。

3 結(jié)論與討論

在鎘脅迫下，曼陀羅葉片葉綠素含量逐漸下降，說(shuō)明在鎘污染脅迫條件下，曼陀羅的光合作用受到影響，葉綠體的膜結(jié)構(gòu)受到損傷，葉綠體內(nèi)的光合酶含量降低，葉綠素合成受到一定的抑制。

高濃度鎘能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量活性氧（ROS），對(duì)細(xì)胞膜、蛋白和核酸等生物大分子具有破壞作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡[23]。因此，在鎘脅迫下，植物體內(nèi)參與氧化應(yīng)激的酶活性會(huì)發(fā)生劇烈變化。葉片膜保護(hù)酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD），這3 種酶的活性是衡量植物抗重金屬脅迫能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在重金屬脅迫下，植物的器官會(huì)發(fā)生膜質(zhì)過(guò)氧化作用，丙二醛是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可反映植物受逆境傷害的程度，也是衡量植物抗性的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)。SOP，CAT，POD和MDA 在重金屬鎘脅迫處理中活性（含量）變化趨勢(shì)基本一致，雖然變化幅度有所不同，但整體均呈先上升后下降趨勢(shì)，表明當(dāng)植株受到鎘脅迫時(shí)會(huì)通過(guò)升高其部分酶的活性來(lái)降低重金屬對(duì)其自身的毒害。在鎘脅迫至10～15 d 時(shí)，酶活性（含量）達(dá)到最大，之后隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明曼陀羅對(duì)鎘的耐受性有一定的限度，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，鎘的積累量逐漸增加，曼陀羅對(duì)鎘的耐受性逐漸降低。

鎘脅迫下，曼陀羅對(duì)鎘的吸收量呈逐漸上升的趨勢(shì)，只有在處理7 d 時(shí)，新葉中鎘含量高于老葉，16 d 后老葉中的鎘含量略高于新葉。說(shuō)明曼陀羅對(duì)重金屬鎘具有較強(qiáng)的富集能力，但轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低。同時(shí)隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片只是明顯出現(xiàn)黃色斑點(diǎn)，曼陀羅雖然受到鎘的毒害，但并不影響其正常的生命活動(dòng)，說(shuō)明曼陀羅具有很強(qiáng)的耐受性。

BAKER 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小的植物，只要其生長(zhǎng)量大，那么該植物的生長(zhǎng)量與污染元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積（即污染元素吸收總量）就比其他植物的值大，該植物的污染元素富集能力就強(qiáng)。例如盡管遏藍(lán)菜（Thlaspi caeulescens）吸收重金屬能力很強(qiáng)，但其生物量小，而印度芥菜（Brassica juncea） 對(duì)重金屬的富集能力雖不如Thlaspi caeulescens，但其生物量至少是它的20 倍，因而顯示，Brassica juncea 在植物修復(fù)上具有更大的潛力。曼陀羅生物量大、水肥條件好時(shí)，株高可以達(dá)到1.5 m，綜合抗逆性強(qiáng)，適合北方地區(qū)的干旱、寒冷及土壤偏鹽堿的生長(zhǎng)條件。基于以上2 個(gè)方面的考慮，曼陀羅可以作為通過(guò)植物修復(fù)方法治理北方重金屬污染土壤的候選植物。

本研究結(jié)果表明，在100 μmol/L CdCl2脅迫下，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，除葉綠素含量逐漸下降外，曼陀羅的 SOD，CAT，POD，MDA 均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，說(shuō)明在一定的處理時(shí)間內(nèi)，當(dāng)受到重金屬鎘脅迫時(shí)，曼陀羅會(huì)升高其部分生理指標(biāo)來(lái)抵御鎘的毒害作用，但葉綠素的合成受到了一定的抑制。曼陀羅葉片對(duì)鎘的吸收量呈逐漸上升的變化趨勢(shì)，只是老葉中的鎘含量略高于新葉，但并不影響曼陀羅的正常生命活動(dòng)，說(shuō)明曼陀羅對(duì)重金屬鎘具有很強(qiáng)的耐受性和較強(qiáng)的富集能力。因此，曼陀羅是一種重金屬耐受型植物但不是重金屬超富集植物。