重金屬Cd對粟米生理生化指標的影響

劉麗欣+遲鑫+王建+劉明飛+徐歡+李銘

摘 要：為了給油田開采地區(qū)的粟米種植和生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)，同時豐富重金屬Cd的毒理學基礎知識，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，研究不同濃度的Cd離子溶液（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mg/L）對粟米幼苗生理生化指標的影響。結果表明：隨著Cd離子濃度的增加，粟米幼苗的可溶性蛋白含量先降低后增加，但均低于對照組水平；可溶性糖含量逐漸增加，均高于對照組水平；丙二醛（MDA）含量除0.5mg/L組和1.0mg/L組，其他實驗組均顯著增加；而葉綠素a和葉綠素b含量均顯著降低?？梢?，粟米對重金屬Cd敏感，較低濃度的Cd離子脅迫即可對粟米幼苗產(chǎn)生較為明顯的毒害作用，該農(nóng)作物不適合在有石油污染的區(qū)域種植。

關鍵詞：Cd；粟米；生理生化指標

中圖分類號 S451 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）07-0027-04

Abstract：For the cultivation and production of corn in the mining area，providing reliable theoretical basis and rationalization proposals and enriching the toxicology of heavy metal Cd ，using the nutrient solution culture method，the group studies the effects of different concentrations of Cd ion solution（0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mg/L）on the physiological and biochemical indexes of maize seedlings.The results showed that with the increase of Cd concentration，the soluble protein content of maize seedlings decreased firstly and then decreased .The content of soluble sugar was higher than that of the control group increased gradually. The content of malondialdehyde（MDA）except to 0.5mg/L group and 1.0mg/L group，the other experimental groups were significantly increased；and chlorophyll a and chlorophyll b content were prominently reduced.The results conclued that maize was more sensitive to heavy metal Cd，and Cd（superscript 2+）could produce more obvious toxic effects on maize seedling than others.So the crop was not suitable for cultivation in oil-contaminated areas.

Key words：Cadmium；Sweet corn；Physiological and biochemical index

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程不斷推進，但與此同時，生態(tài)環(huán)境也日益遭到破壞，重金屬污染是其中危害最大的問題之一。Cd作為一種有毒害的重金屬元素，毒性僅次于Hg，且Cd不是植物生長必需的微量元素，不構成作物結構，也不參與作物體內(nèi)代謝活動，但易被作物吸收。研究表明，當Cd在植物體內(nèi)大量蓄積達一定程度后，可對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生強烈的抑制效應，導致作物生長緩慢，植株矮小，根系受到抑制，造成生長障礙降低產(chǎn)量，高濃度時甚至死亡。另外，Cd在作物中的大量積累不僅嚴重影響生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物的生長發(fā)育，而且還可經(jīng)過食物鏈危及動物和人類。

對于Cd對農(nóng)作物的毒理學效應已有部分報道?？聭c明等采用水培試驗的方法研究Cd脅迫對水稻生理生化特性的影響。結果表明，不同濃度（0、5、10mg/kg）Cd脅迫改變丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）活性[1]。廖柏寒等分別用0、0.25、0.50、1.00、2.50、5.00、10.00mg/kg Cd溶液處理大豆種子，結果表明，大豆植株的生長在3個生長期均表現(xiàn)為低濃度Cd（≤0.50mg/kg）下的刺激效應和高濃度Cd（≥1.00mg/kg）下的抑制效應[2]。李曄等用不同濃度Cd處理玉米種子，研究了Cd脅迫對不同玉米品種生理生化指標的影響，結果表明，隨著Cd離子濃度的增加，對Cd耐受程度不同的玉米品種其幼苗生長及其外滲電導率、葉綠素含量等生理生化指標產(chǎn)生明顯差異[3]。

從已發(fā)表文獻來看Cd對農(nóng)作物種子的毒理學效應僅見水稻、大豆、玉米等，而對粟米的尚未見報道。國內(nèi)各大油田由于石油開采和工業(yè)發(fā)展存在嚴重的重金屬Cd污染，而粟米是我國廣大地區(qū)重要的糧食作物之一?；谏鲜鰧嶋H情況，本文擬通過考察Cd對粟米幼苗的生理生化影響初步調(diào)查Cd對粟米的毒害作用，以期為石油開采地區(qū)粟米種植過程中的重金屬Cd污染防治提供基本的理論依據(jù)，也對環(huán)境監(jiān)測中Cd污染的評價提供更全面充實的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料 廣東特產(chǎn)紅素粟種子。

1.2 材料培養(yǎng)

1.2.1 材料消毒 用0.4%KMNO4溶液，對粟米種子消毒6min。再用蒸餾水反復沖洗5遍，將種子放入蒸餾水中浸泡6h。

1.2.2 催芽及Cd離子處理 將浸透過的種子擺在鋪有一層薄脫脂棉的培養(yǎng)皿中，每皿擺200粒且每皿設置3個平行，用混有不同濃度Cd離子的營養(yǎng)液（參照Hoagland營養(yǎng)液配方）澆注培養(yǎng)皿內(nèi)的種子，每隔6h澆注一次。在25℃恒溫培養(yǎng)箱（Hpp-9162）中進行催芽（12h），種子萌發(fā)后，立即轉(zhuǎn)入光照培養(yǎng)箱，培養(yǎng)36h后，停止?jié)沧ⅰ为氂脿I養(yǎng)液每6h澆注一次。

1.3 設計實驗 實驗組Cd離子濃度為0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L，對照組為蒸餾水，各處理設置3個平行。實驗過程中，粟米幼苗在光照培養(yǎng)箱中，光照黑暗相互交替，每6h更換一次營養(yǎng)液。不同時間觀察、記錄需檢測的指標。

1.4 樣品處理與指標檢測

1.4.1 樣品幼苗處理 取適量粟米幼苗放入研缽中，加入蒸餾水研磨成勻漿，移到離心管中，進行離心。取上清液待測（注：在研磨成勻漿前，不同的指標需加入不同的化學藥品，如：可溶性糖和MDA需加入10%三氯乙酸和少量碳酸鈣粉；葉綠素需加入95%乙醇和少量碳酸鈣粉）。

1.4.2 生理生化指標檢測方法 可溶性蛋白含量：采用考馬斯亮藍法測定[4]；葉綠素含量：采用丙酮和乙醇浸提法測定[4]；可溶性糖含量：采用蒽酮比色法測定[5]；丙二醛（MDA）含量：采用硫代巴比妥酸顯色法[6]。

1.5 數(shù)據(jù)分析 采用mean±SE表示平均值±標準誤差，對各組實驗數(shù)據(jù)進行一維方差分析，組間比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的Cd溶液對可溶性蛋白含量的影響 可溶性蛋白質(zhì)含量是衡量植物是否發(fā)生重金屬脅迫的重要指標[7]。如圖1所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd離子濃度下的可溶性蛋白質(zhì)含量分別為1.093±0.029mg/g，0.6877±0.024mg/g，0.6407±0.019mg/g，0.6590±0.022mg/g，0.7893±0.040mg/g，0.9143±0.037mg/g，1.041±0.043mg/g。Cd離子濃度為0.5、1.0、1.5和2.0mg/L時，粟米幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量彼此差異不顯著，但與對照組相比，含量均顯著下降，比對照組分別降低了37.1%，41.4%，39.7%，27.8%。Cd離子濃度為3.0mg/L時，蛋白含量與對照組相比，差異不顯著。在0.5～3.0mg/L的濃度范圍內(nèi)，可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸增加，但均低于對照組水平。整體上，可溶性蛋白質(zhì)含量在不同濃度的Cd離子脅迫下，不是呈線性的劑量-效應關系，而是呈明顯的U字形劑量-效應關系。

2.2 不同濃度的Cd溶液對可溶性糖和丙二醛（MDA）含量的影響 某些植物為適應逆境條件，其體內(nèi)的物質(zhì)如可溶性糖和丙二醛（MDA）的含量要不斷增加。0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L的Cd離子脅迫處理后，幼苗的可溶性糖含量分別為4.778±0.143mmol/L，5.246±0.047mmol/L，5.410±0.097mmol/L，5.586±0.168mmol/L，5.831±0.035mmol/L，5.995±0.062mmol/L，6.054±0.182mmol/L。除0.5mg/L Cd離子脅迫組以外，所有實驗組可溶性糖含量較對照組相比均顯著增加（P<0.05）；0.5～2.0mg/L各處理組相比，可溶性糖含量彼此差異不顯著；3.0mg/L組與對照組相比，差異顯著（P<0.05），可溶性糖含量最高。在不同濃度的Cd離子脅迫下，可溶性糖含量呈增加趨勢，分別比對照組增加了10.0%，15.3%，17.0%，22.0%，25.5%，26.7%，結果表明：Cd離子濃度與粟米幼苗的可溶性糖含量呈現(xiàn)明顯的劑量-效應關系（圖2）。

MDA與可溶性糖有相似的增長趨勢。當Cd離子濃度為0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L時，MDA含量分別是對照組的0.11、1.02、1.21、1.28、1.41、1.49倍，對應的MDA含量分別為0.4780±0.019mmol/L，0.5473±0.031mmol/L，0.6490±0.020mmol/L，0.6883±0.018mmol/L，0.7583±0.017mmol/L，0.8023±0.032mmol/L。除了0.5mg/L組和1.0mg/L組，其余實驗組與對照組相比，差異均顯著（P<0.05）；1.5～3.0mg/l各處理組相比，MDA含量彼此差異不顯著；0.5mg/L Cd離子脅迫處理后，MDA含量最低。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產(chǎn)物，會嚴重損傷細胞膜系統(tǒng)，細胞膜系統(tǒng)受到破壞后，透性增加，MDA反映了膜受損程度。由實驗結果可知，0.5mg/L的低濃度Cd離子脅迫對細胞具有正向的抗氧化作用，而2.5～3.0mg/L的高濃度的Cd離子處理粟米幼苗，其膜受損程度則較為嚴重（圖3）。

2.3 不同濃度的Cd溶液對葉綠素含量的影響 葉綠素含有葉綠素a和葉綠素b，是植物光合作用的物質(zhì)基礎，葉綠素含量是衡量葉片生長狀況的重要指標[8]。如圖4所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L的Cd離子濃度脅迫處理后，對應葉綠素a含量分別為11.26±0.451mg/L，9.098±0.166mg/L，7.181±0.351mg/L，6.126±0.380mg/L，5.669±0.226mg/L，5.044±0.189mg/L，4.814±0.052mg/L。所有實驗組與對照組相比，差異均顯著（P<0.05）；1.0～3.0mg/L組與0.5mg/L組相互比較，差異均顯著（P<0.05）。2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd離子濃度對應的葉綠素a含量彼此差異不顯著，但與1.0mg/L組比較，差異顯著（P<0.05）。

如圖5所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd離子濃度脅迫下葉綠素b的含量分別為11.29±0.466mg/L，9.535±0.140mg/L，7.799±0.296mg/L，7.243±0.158mg/L，6.176±0.067mg/L，5.442±0.354mg/L，4.902±0.061mg/L。各實驗組與對照組相比，葉綠素b含量均顯著降低（P<0.05）；1.5～3.0mg/L的濃度范圍內(nèi)，葉綠素b含量差異不顯著；Cd離子濃度從0.5增加到1.0mg/L時，葉綠素b含量下降的幅度是最大的。

隨著Cd離子脅迫濃度的增加，葉綠素a和葉綠素b的含量均呈下降趨勢。各處理組葉綠素a的含量比對照組分別減少了19.2%、36.2%、45.6%、49.7%、55.2%、57.2%。同樣，葉綠素b的含量各處理組比對照組分別減少了15.1%、31.0%、35.8%、45.3%、51.8%、56.6%。葉綠素a和葉綠素b含量均與Cd離子濃度呈明顯的反比例關系，其含量降低是重金屬對植物毒害作用的重要標準之一。

3 結論與討論

（1）可溶性蛋白含量隨污染物濃度的變化近年來有各種不同的研究結果[9-10]。王錦文等采用紫外吸收法測定不同Cd濃度處理條件下水稻種子根的可溶性蛋白質(zhì)含量，結果表明，隨著Cd脅迫濃度的增加，其含量逐漸下降。本實驗的研究結果與王錦文等的研究結果有所不同，隨著Cd離子濃度的增加，粟米幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量先降低后增加，但均顯著低于對照組，比對照組分別降低了37.1%，41.4%，39.7%，27.8%、16.3%、4.8%。由此可見，Cd的脅迫濃度為2.0～3.0mg/L時，蛋白含量是逐漸增加的。這可能是由于植物為適應高濃度的Cd脅迫所做出的一種生理反應。

（2）某些研究結果表明，重金屬（Cd、Pb、Hg）污染會影響植物體內(nèi)可溶性糖含量，即可使其升高也可使其降低，尚無一致結論[11-12]。本研究結果表明，隨著Cd離子濃度的增加，可溶性糖含量逐漸增加，均大于對照組含量。重金屬處理下植物可溶性糖含量增加的原因可能是葉片內(nèi)不溶性糖降解以及光合產(chǎn)物運輸受阻的結果。也有可能是葡萄糖酶、蔗糖酶活性異常所致[13]。

（3）Elstner等[14]認為，鎘與植物膜脂過氧化有密切關系。羅立新等[15-16]研究也證實了鎘脅迫的小麥葉片中H2O2、超氧化物自由基O2-·積累，伴隨丙二醛升高。本實驗研究結果有所不同：在不同Cd離子濃度脅迫下，MDA含量與可溶性蛋白含量有相似變化的趨勢，都是先降低后增加，說明高濃度的Cd對粟米幼苗有較強的毒害作用。而低濃度的Cd降低了MDA含量，可能是低濃度的重金屬對植物有積極的刺激作用（參照周青實驗）。

（4）Lagriffoul等[17]在研究鎘對玉米生長的影響時發(fā)現(xiàn)，當處理液中鎘濃度為1.7μmol/L時，玉米葉綠素含量明顯降低。本研究結果表明，隨著Cd離子濃度的增加，葉綠素含量逐漸下降。其下降原因可能是重金屬與葉綠體中蛋白質(zhì)的-SH結合或是Fe2+、Mg2+等離子被取代后葉綠體的結構和功能受到破壞，致使葉綠素分解[13]。也可能是由于重金屬毒害引起細胞內(nèi)膜結構的破壞導致葉綠素含量的降低[18]。因此，鎘能抑制葉綠素的生物合成，在一定程度上反映了環(huán)境因子對植物的影響。

（5）與玉米、大豆等農(nóng)作物相對比較而言，粟米對Cd的敏感程度較高，不適合在有石油污染的區(qū)域種植，其不具備降解石油的功效[19，20]。

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（責編：張宏民）