Cd胁迫对水浮莲中Cd积累和生理特征的影响

Cd胁迫对水浮莲中Cd积累和生理特征的影响摘要：考察了不同浓度[0（对照组）、0.25、0.50、1.50、2.50、5.00和10.00 mg/L]镉（Cd）对水浮莲（Pistia stratiotes L.）植株的生长和Cd积累的影响，同时分析了矿物质元素、叶绿素含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化情况。

结果表明，经过31 d的培养，水浮莲的生长率与Cd的胁迫浓度呈极显著负相关（P<0.01，n=21），而含水率无显著差异（P>0.05，n=21）。

Cd主要积累于水浮莲的根部，且地上部分和根部的Cd含量与Cd的胁迫浓度均呈极显著正相关（P<0.01，n=21）。

此外，Cd胁迫促进了水浮莲对Cu、Zn、Mg和Fe的吸收，但是抑制了其对Ca的吸收，并且还抑制了水浮莲叶绿素的合成，降低了超氧化物歧化酶（SOD）的活性。

与对照组相比，当Cd的胁迫浓度≥0.50 mg/L时，叶绿素a和b的含量均显著降低（P<0.05），当Cd的胁迫浓度≥1.50 mg/L，超氧化物歧化酶活性显著降低（P<0.05）。

关键词：水浮莲（Pistia stratiotes L.）；Cd胁迫；叶绿素；超氧化物歧化酶水浮莲（Pistia stratiotes L.）是一种多年生浮水草本植物，分布广泛，根系发达，在环境修复领域应用广泛。

水浮莲不仅能修复富营养化水体[1]，还可以吸附水体中多种重金属[2]，甚至可作为水体重金属污染的指示生物[3]。

目前关于水浮莲修复水体重金属污染的研究主要侧重于对重金属的富集能力以及重金属对水浮莲过氧化反应和光合作用的影响[4，5]，而重金属胁迫对水浮莲吸收矿物质元素的影响鲜有报道。

因此，本研究以水生植物水浮莲为吸附材料，考察了在不同浓度镉（Cd）的胁迫下，水浮莲生长及Cd积累的情况，同时分析了矿质元素、叶绿素含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化情况，为水浮莲吸附修复水体重金属污染提供参考依据。

1 材料与方法1.1 材料水浮莲样品采集于广州市南海潘生水生植物养殖场，清洗后在生态温室中采用Hoagland营养液（pH 5.8±0.2，下同）预培养4 d后，作为供试植物。

1.2 方法1.2.1 试验方法分别选取长势较好，且大小、质量均匀的水浮莲各3株，清洗后用滤纸吸净并称重，然后置为1盆，共7盆。

每盆分别添加CdCl2·2.5H2O，设置培养液Cd浓度为：0（对照组）、0.25、0.50、1.50、2.50、5.00和10.00 mg/L。

培养31 d后，取出清洗再用滤纸吸净。

各取1株取下新鲜叶片放于4 ℃冰箱中保存，余下部分则分为地上部和根部，称重后在105 ℃烘箱中烘干至恒重，再次称重并粉碎、分装保存。

1.2.2 分析方法经培养后水浮莲植株增加的质量与培养前质量的比值即为水浮莲生长率。

培养后水浮莲植株鲜重减去干重之差与鲜重的比值即为水浮莲含水率。

取粉碎后的水浮莲地上部分和根部样品各1 g，采用H2SO4+H2O2法消解后，稀释适当倍数采用ICP发射光源的光谱分析法测定Cd和矿物质元素含量。

取水浮莲鲜叶片样品参照文献[6]测定叶绿素含量，参照南京建成生物工程研究所提供的超氧化物歧化酶测定试剂盒的方法测定超氧化物歧化酶（SOD）的活性。

数据分析采用Excel和SPSS软件，数据用平均数±标准差来表示。

2 结果与分析2.1 Cd胁迫对水浮莲生长的影响如图1所示，在不同浓度的Cd胁迫下，水浮莲的生长均受到了抑制，并且水浮莲的生长率与Cd的胁迫浓度呈极显著负相关（P<0.01，n=21），相关系数（r）=-0.863 0，说明Cd的胁迫浓度越高，抑制作用越明显。

但在不同浓度Cd 的胁迫下，水浮莲的含水率无显著差异（P>0.05，n=21）。

当Cd的胁迫浓度超过5.00 mg/L时，水浮莲植株变褐发黄甚至枯萎，呈现负增长，即说明当Cd的胁迫浓度超过5.00 mg/L时，会对水浮莲产生明显的毒害作用。

李华等[7]研究发现剑兰（Gladiolus hortulanus）、台湾水韭（Isoetes taiwanensis）、尖叶皇冠（Echinodorus amazonicus）在Cd浓度为5.00～20.00 mg/L的胁迫下都会出现不同程度的黄尖和枯萎的现象。

而一些其他科的植物如金银花（Lonicera japonica）[8]、小麦（Triticum aestivumlinn）[9]，在Cd的胁迫浓度超过50.00 mg/L时才会出现严重毒害现象。

故当水体Cd污染浓度不超过5.00 mg/L时，可考虑采用水浮莲吸附修复技术。

2.2 Cd胁迫对水浮莲中Cd积累的影响由表1可知，随着Cd胁迫浓度的增加，水浮莲地上部分Cd含量和根部的Cd含量均呈增加趋势，且都与Cd的胁迫浓度呈极显著正相关（P<0.01，n=21），r=0.992 7、0.974 6。

水浮莲中Cd的积累情况还可以通过富集系数和迁移系数来表达。

水浮莲地上部分对Cd的富集系数与Cd的胁迫浓度呈显著正相关（P<0.05，n=21），r=0.526 0，而水浮莲根部对Cd的富集系数与Cd的胁迫浓度却呈负相关。

水浮莲根部对Cd的富集系数远大于地上部分，地上部分的富集系数在Cd的胁迫浓度为5.00 mg/L时有最大值255.41±27.72，根部的富集系数在Cd的胁迫浓度为0.50 mg/L时有最大值2 259.89±265.28。

Cd在水浮莲中的迁移系数与Cd的胁迫浓度呈极显著正相关（P<0.01，n=21），r=0.882 0，并且在Cd的胁迫浓度为10.00 mg/L时，出现最大值0.21±0.01。

通常认为大多数植物吸附的重金属主要积累在根部，而地上部分的含量都较低。

Upadhyaya等[10]和Su？觡e等[11]研究都发现重金属主要富集在水生植物的根部。

水浮莲根部吸收Cd能力大于地上部分的原因可能是：水浮莲根部的比表面积为4.9 m2/g[10]，有较强物理化学吸附能力；水浮莲对Cd毒害的适应过程将Cd阻滞于根部[12]。

因此可以说明，水浮莲在Cd的胁迫下能富集Cd，且根部的富集能力大于地上部分。

此外，水浮莲地上部分和根部的Cd含量都与水浮莲生长率呈极显著负相关，说明水浮莲在富集Cd的同时也受到了Cd的毒害作用。

2.3 Cd胁迫对水浮莲中矿物质元素含量的影响水生植物对矿物质元素的吸收是一个重要的生理特征。

由表2可知，水浮莲地上部分的Zn、Mn和Fe含量与Cd的胁迫浓度呈极显著正相关（P<0.01，n=21），Cu和Mg含量与Cd的胁迫浓度呈显著正相关（P<0.05，n=21）。

由表3可知，水浮莲根部的Cu和Fe含量与Cd的胁迫浓度呈极显著正相关（P<0.01，n=21），Zn和Mg含量与Cd的胁迫浓度呈显著正相关（P<0.05，n=21），Mn和Na含量与Cd的胁迫浓度呈极显著负相关（P<0.01，n=21），Ca含量与Cd的胁迫浓度呈显著负相关（P<0.05，n=21）。

在Cd的胁迫下，水浮莲地上部分和根部对Ca的吸收都呈现降低趋势。

这是因为Cd在水浮莲中积累的过程占用了Ca2+通道，抑制了其对Ca2+的吸收[13]。

有研究表明，Cr能导致植物叶片肿胀，增强对Mg摄取[14]，Cd胁迫促进水浮莲对Cu、Zn、Mn、Fe和Mg的吸收，也有可能是Cd胁迫使水浮莲植株肿胀，再加上水浮莲植株自身物理化学吸附引起的。

Cd胁迫影响植物对矿物质元素的吸收的机理比较复杂，不同植物对矿物质元素的吸收受Cd胁迫的影响也不完全相同，如玉米幼苗对Ca、Mg、Fe和Cu的吸收量随Cd的胁迫浓度提高呈增加趋势，对K、Zn则呈降低趋势[15]，而水稻的叶和鞘中Ca、Cu、K、Mg和Mn的含量也会受到Cd的抑制[16]。

2.4 Cd胁迫对水浮莲叶绿素含量的影响光合作用是植物的核心代谢过程[17]，而叶绿素含量是影响光合作用的重要因素。

因此，研究叶绿素含量的变化情况可以反映出植物光合作用的强弱。

叶绿素中又以叶绿素a为主要色素，叶绿素b和类胡萝卜素等都是辅助色素[18]。

如图3所示，随着Cd的胁迫浓度不断增加，水浮莲叶绿素a和b的含量均有降低趋势，而叶绿素a与叶绿素b的比值则呈增大趋势。

说明Cd胁迫能抑制水浮莲的光合作用，且对叶绿素a的抑制作用小于叶绿素b。

当Cd的胁迫浓度为0.50 mg/L时，叶绿素a和b的含量分别为0.23±0.01和0.62±0.07 mg/g。

与对照组（0.37±0.07、0.76±0.0 mg/g）相比，当Cd的胁迫浓度≥0.50 mg/L 时，叶绿素a和b的含量均有显著差异（P<0.05）。

徐楠[16]在研究浮萍时也发现叶绿素含量与Cd的胁迫浓度呈极显著负相关。

重金属Cd抑制植物叶绿素合成的主要原因可能是Cd进入植物叶内后，产生与叶绿体蛋白质的-SH结合物[19]和脂类过氧化物，破坏了叶绿体的功能与结构[20]。

此外Cd还有可能阻碍一些营养元素在水浮莲植株体内运输，从而影响叶绿素的合成。

叶绿素a和b的含量与叶片中的Cd含量呈极显著负相关（P<0.01，n=21），进一步表明Cd胁迫能阻碍水浮莲叶绿素的合成，抑制其光合作用。

2.5 Cd胁迫对水浮莲SOD活性的影响超氧化物歧化酶（SOD）是植物适应外界逆境胁迫的一种重要酶类，可以清除氧自由基保护机体。

如图4所示，当Cd的胁迫浓度逐渐增加时，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈降低趋势。

当Cd的胁迫浓度≥1.50 mg/L时，与对照组138.73±17.78 U/（mg·prot）相比，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的活性显著降低（P<0.05），并且在Cd的胁迫浓度为10.00 mg/L，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的活性出现了最低值，为43.21±2.74 U/（mg·prot）。

一般认为Cd胁迫能促进细胞内活性氧组分的合成，加剧细胞的氧化胁迫[21]，进而导致植物体内超氧化物歧化酶（SOD）活性降低。

然而不同植物在Cd胁迫下的表现也不一样。

小麦种子超氧化物歧化酶（SOD）的活性随着培养液Cd的浓度增加而减少[22]，而玉米超氧化物歧化酶（SOD）的活性随着培养液Cd的浓度增加而增加[23]。

这可能是由于不同植物体之间差异引起的，此外不同种类超氧化物歧化酶（如Mn-SOD、Fe-SOD、CuZn-SOD I、CuZn-SOD II）的活性受Cd的影响不相同[24，25]，也是超氧化物歧化酶（SOD）活性受Cd影响差异的原因之一。