甲醛脅迫條件下幾種園藝植物過氧化氫酶活性變化的研究

劉 皓，王立暉，呂春暉，安 娜

(天津現代職業技術學院 天津 300350)

1 現狀概述

1.1 室內甲醛的產生及危害

近年來，隨著人們經濟生活水平的不斷提高，建筑結構發生了較大改變，新型建筑、裝修材料和人造板材家具的大量使用，以及生活中各種香味劑、除臭劑的普遍應用，導致室內空氣中有害物質含量不斷增多，對人體健康的影響越來越嚴重，已成為社會普遍關注的重要環境問題之一。經過研究發現，室內裝修材料遇熱潮解時都會釋放出甲醛氣體，所以甲醛被認為是室內主要污染物之一。[1]

研究表明，甲醛為毒性較高的物質，人體長時間吸入甲醛氣體，可以引起結膜炎、咽喉炎、哮喘、支氣管炎和變態反應性疾病。[2]很多醫學報告指出，若人體皮膚直接接觸福爾馬林(甲醛的水溶液)，可能會引發過敏反應、皮膚炎或是濕疹，尤其工作中需要長期接觸福爾馬林的人，經常會有此類現象出現，因此需避免皮膚直接碰觸，不慎碰觸應迅速用清水沖洗。

很多科學研究與動物實驗早已指出，長期接觸福爾馬林可能會導致癌癥，其已被列為一種“疑似致癌物質”。微量甲醛在人體內的殘留性不強，代謝速度較快，約 35%,,可代謝為甲酸，在尿液中以甲酸鹽類形態排出，其余 65%,,可繼續代謝為CO2與水排出體外。在所有接觸者中，兒童和孕婦對甲醛尤為敏感，危害也更大，會引起妊娠綜合癥、新生兒染色體異常、白血病，造成青少年記憶力和智力下降等。研究發現，甲醛可能會造成細胞的變性，并且在細菌、人體分離細胞和動物細胞基因突變測試中呈陽性反應，不能排除其有致生物畸形可能。

目前，甲醛已被世界衛生組織確定為致癌和致畸形物質，是公認的變態反應源，也是潛在的強致突變物之一。美國加州政府已經把甲醛列入具有潛在致癌性化合物名單，[3]我國有毒化學品優先控制名單上，甲醛高居第 2位。我國衛生部規定，室內甲醛濃度的限值為0.1,mg/m3。[4]

1.2 逆境與植物活性氧的產生及清除

在自然界條件下，由于不同的地理位置和氣候條件以及人類活動等多方面原因，形成了各種不良環境，超出了植物正常生長、發育所能忍受的范圍，致使植物受到傷害甚至死亡。這些對植物產生傷害的環境稱為逆境(stress)或脅迫。而植物對不良環境的適應性和抵抗力為抗逆性(stress resistance)或抗性。逆境的種類多種多樣，可分為生物逆境和非生物逆境兩大類。

生物對污染物的抗性機制是外部排斥和內部忍耐的綜合結果，同時由于污染物對植物的侵蝕渠道多而廣，所以植物對環境中污染物的抗性機理是十分復雜的。[5]前蘇聯學者曾于1973年將植物的抗性劃分為3大類，即生物學抗性、形態解剖方面的抗性和生理生化方面的抗性。他們認為植物的抗性與植物中的系統位置、細胞內含物的還原能力有關。[6]

自由基傷害學說[7]認為，在正常情況下，植物細胞中存在活性氧的產生和消除兩個過程。逆境脅迫會促進活性氧產生，損傷膜系統。[8]

當植物遭受逆境脅迫時，植物體細胞內的活性氧平衡受到破壞，活性氧積累到致害水平時，可使細胞結構及功能受損、生長受抑，引發膜脂過氧化、生物大分子受損，從而導致氧化脅迫，影響植物的生長發育。[9]

活性氧是性質極為活潑，氧化能力很強的含氧物的總稱。其產生的主要部位為葉綠體和線粒體，是植物生命代謝中的產物。活性氧包括含氧自由基和含氧非自由基。主要活性氧有O2-(超氧自由基)、1O2(單線態氧)、OH-(羥基自由基)、RO-(烷氧自由基)和含氧非自由基(H2O2)等。

為使活性氧代謝保持平衡，植物體內形成了一套清除活性氧的機制，包括非酶系統和酶系統。[10]非酶系統包括許多具有還原性的生物分子，主要有還原性谷胱甘肽、抗壞血酸、半胱氨酸、類胡蘿卜素等。酶系統主要包括超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(Peroxidase，POD)和過氧化氫酶(Catalase，CAT)等。這 3種細胞保護酶在植物抵御有害氣體、干旱、低溫、高氧脅迫等逆境時起主要作用，其活性的高低是衡量植物抗逆性的重要指標之一。[11]它們和谷胱甘肽、多胺等物質一起，能夠清除細胞內的自由基。多胺能夠有效清除化學或酶反應產生的自由基，尤其是細胞內的氧自由基。谷胱甘肽參與生物解毒過程，可將H2O2還原為水，消除細胞內因脅迫誘導產生的過量活性氧自由基(OH-、O2-)及親電子劑，從而保護細胞膜、酶甚至核酸免受活性氧及親電子劑的攻擊。此外，SOD、抗壞血酸、POD、CAT等對提高植物的抗性也有積極作用。這種保護系統幾乎所有的植物都有。植物受到不良環境刺激時可誘發響應反應，使一些在正常條件下不存在的蛋白質的基因得以表達，從而獲得對不良環境的抵抗能力。

本實驗選取了綠蘿、蘆薈、吊蘭、虎皮蘭、常春藤等多種綠色植物，在飽和的甲醛脅迫條件下，分析植物的 CAT活性變化，探索甲醛對植物的傷害機理；比較不同植物對甲醛的耐受性，鑒定在凈化室內甲醛污染上有價值的植物種類，即既能夠耐受甲醛的脅迫，又能保持健康生長，從而有利于室內甲醛的吸收。

2 材料與方法

2.1 實驗材料與設備

2.1.1 實驗材料

選取生長狀態良好的綠蘿、蘆薈、吊蘭、虎皮蘭、常春藤等多種綠色植物，所用植物均從天津市曹莊子花市購買。

2.1.2 主要實驗設備

使用自制玻璃材質甲醛熏蒸箱進行植物甲醛脅迫處理，使用島津UV1240紫外可見分光光度計進行吸光度測定。

2.2 實驗試劑

實驗中所用試劑均為 AR級。主要試劑包括：提取液pH＝7.8(50,mM Tris-Cl pH＝8.0，10,mM MgCl2，8﹪甘油)，反應液(50,mmol/L PBS pH＝7.8，0.6﹪H2O2)

2.3 實驗方法

2.3.1 甲醛熏蒸

每種植物選取長勢良好并且生長狀況接近的植株，設置平行對照組，共同進行飽和甲醛蒸汽熏蒸；分別在 10,min、30,min、50,min、2,h、4,h、6,h、8,h、22,h、27,h、29,h、31,h 幾個時間點剪下小塊葉段，稱重后用于CAT提取。

2.3.2 CAT提取和活性測定

①研磨，提取酶液。將葉片剪成小段，加入5,mL預冷提取液，冰浴快速充分研磨，4,℃條件下 6,000,g離心 5,min，上清即為提取的酶液，低溫保存。②采用過氧化氫法，測定 240,nm處的吸光值。向 1,mL酶液中加入 3,mL反應液，迅速放入分光光度計中，在240,nm處測定OD值，記錄初始數值，并每間隔 30,s測一次，共測 6次。③CAT活性計算。以每 OD值每30,s下降0.1作為1個單位酶活。

2.3.3 數據分析

使用Execl和SAS進行數據統計分析。

3 結果與分析

本實驗設置了實驗組與平行對照組，將兩組中相同植物的 CAT活性進行比較后發現，每個時間點 CAT活性不盡相同，但是總體的變化趨勢大致相同(見 1～4)。這可能是由于植物的個體差異造成的。

如圖 1所示，實驗組綠蘿在薰蒸30,min時，其 CAT活性達到最大值，熏蒸50,min、2,h、4,h時CAT活性略有下降，但仍保持較高活性水平。當熏蒸至 6,h時，CAT活性急劇下降，8,h時，CAT又有了較大幅度的上升，熏蒸至29,h、31,h時，酶活性又有所下降。而平行對照組中綠蘿在 10,min、30,min、50,min、2,h、4,h、6,h、8,h的 CAT活性雖有波動，但總體維持在較高水平，22,h時急劇下降，29,h、31,h均維持在較低水平。

圖1 實驗組與平行對照組綠蘿CAT活性變化趨勢比較Fig.1 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of CAT activities of Epipremnum aureum

如圖 2所示，實驗組吊蘭在熏蒸 10,min、30,min、50,min、2,h時取樣可發現，其 CAT活性雖有所波動，但總體維持在較高水平，而 4,h、6,h、8,h、22,h、29,h 時取樣發現，CAT 活性有所下降，并且在此 5個時間點內的酶活性基本持平，均維持較低水平。當熏蒸到31,h時，CAT活性急劇上升。平行對照組吊蘭在 10,min時 CAT活性為最大，30,min時急速下降，50,min、2,h時有所上升，維持在較高水平，4,h時開始下降，8,h時有所回升，維持在較高水平，31,h下降到最低值。

圖2 實驗組與平行對照組吊蘭CAT活性變化趨勢比較Fig.2 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of Chlorophytum CAT activities

如圖 3所示，實驗組常春藤 CAT活性則是在 10,min、30,min、50,min由最大值持續下降到較低水平，2,h、4,h、6,h又有所上升，并維持在較高水平，到8,h時又急速下降，22,h時達到最低，29,h、31,h雖略有上升，但酶活性始終處于較低水平。而平行對照組的常春藤 10,min時 CAT活性處于較高水平，30,min時達到最大值，50,min時急劇下降到較低水平，2,h時緩慢上升，4,h時達第二個峰值，之后急速下降，一直維持在較低酶活水平。

圖3 實驗組與平行對照組常春藤CAT活性變化趨勢比較Fig.3 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of ivy CAT activities

圖4 實驗組與平行對照組蘆薈CAT活性變化趨勢比較Fig.4 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of aloe CAT activities

如圖4所示，實驗組蘆薈的CAT活性在前6個時間點都是維持在較低水平，8,h時有所上升，之后又下降到較低水平，到31,h時有所回升。平行對照組蘆薈的CAT活性始終處于較低水平，在 4,h時略有上升，8,h時又下降回原有水平，22,h略有上升，之后持續下降。

由圖 5、6可見，在相同的飽和甲醛蒸汽薰蒸條件下，不同時間點不同植物葉片中的CAT活性存在很大差異。

圖5 實驗組的幾種植物在飽和甲醛蒸汽薰蒸處理下CAT活性的變化Fig.5 CAT activity changes of plants in the experimental group after receiving a fumigation process using saturated steam formaldehyde

圖6 平行對照組的幾種植物在飽和甲醛蒸汽薰蒸處理下的CAT活性變化Fig.6 CAT activity changes of plants in the parallel control group after receiving a fumigation process using saturated steam formaldehyde

通過圖 5、6的對比可以發現，無論是實驗組還是平行對照組，綠蘿的CAT活性相對于其他3種植物始終處在較高水平，吊蘭的 CAT活性雖然相對綠蘿較低，但比另兩種植物的酶活高，而且其酶活變化幅度也較另兩種植物小，由此可以推測出，吊蘭對于甲醛的耐受性相對較強。常春藤的 CAT活性在熏蒸的初始階段也較高，但隨著熏蒸時間的延長，其酶活在急劇下降，可見常春藤對甲醛蒸汽的耐受力不如綠蘿和吊蘭。而蘆薈的CAT活性則始終處于較低水平。

4 討論與方法改進

4.1 討論

4.1.1 CAT活性與植物抗逆性

CAT普遍存在于植物體內，具有非常重要的生理功能，其中最主要的就是參與活性氧代謝過程。它在清除細胞內高濃度的 H2O2，將其還原成為水和氧分子的過程中發揮著至關重要的作用，所以 CAT活性的高低直接反映了植物體本身抗逆性的強弱。

4.1.2 虎皮蘭細胞內CAT濃度升高

植物體內的CAT可以清除細胞內因脅迫等原因生成的多余 H2O2，從而保護細胞免受傷害。本實驗中，虎皮蘭在飽和甲醛蒸汽脅迫下，細胞內 H2O2濃度在逐步升高，但這并不能單純說明 CAT在甲醛的作用下受到了明顯的抑制，導致酶活急劇下降，不能及時清除植物體內因逆境脅迫積累的 H2O2。因為在甲醛脅迫下，可能導致SOD活性升高，而SOD在清除體內的同時，也會產生 H2O2，從而使得植物細胞內的 H2O2濃度上升。所以在這種情況下，如果 CAT活性下降或者上升的幅度不如 SOD的升高幅度，都會導致多余的 H2O2不能被及時清除，從而出現本實驗的結果。

究竟是何種原因導致虎皮蘭在飽和甲醛蒸汽熏蒸條件下，葉片細胞內H2O2濃度逐步升高，尚待進一步實驗證明。

4.2 方法改進

本實驗設計的是用飽和甲醛蒸汽對植物進行熏蒸，利用過氧化氫法測定 CAT活性。在這樣的實驗條件設定下，整個實驗過程比較容易控制，但在實際生活中，空氣中甲醛濃度要遠遠低于飽和值，與實際情況相差較大，所以本實驗結果仍是處于實驗室階段。因此，可以在今后的實驗中設定一個比較實際的甲醛濃度梯度進行脅迫，這樣一方面可以避免由于過高濃度的甲醛蒸汽對植物體本身所造成的影響，另一方面也可以減少對實驗者本身的健康影響。同時，還可以找到更多、更適合凈化室內空氣的植物。

5 結 語

隨著飽和甲醛蒸汽薰蒸時間的延長，不同植物的 CAT活性均出現波動。其中綠蘿和吊蘭的 CAT活性比其余兩種植物高，并且在較長時間的甲醛蒸汽熏蒸過程中仍能保持較高水平的 CAT活性，對甲醛的耐受性較強。因此，針對由于室內裝修等原因引起的甲醛污染問題，綠蘿和吊蘭是比較理想的凈化室內空氣的植物。■

［1］蔡宏道.現代環境衛生學[M].北京：人民衛生出版社，1995.

［2］楊振洲，蔡同建.室內甲醛的危害及其預防[J].中國公共衛生，2003，19(6)：765-768.

［3］Broder I，Corey P，Brasher P，et al.Comparison of health of occupants and characteristics of houses among homes and homes insulated with area formaldehyde foam：III.Health and house variables following remedial work[J].Environmental Research，1988，45(2)：179-203.

［4］宋廣生.室內空氣質量標準解讀[M].北京：機械工業出版社，2003：109.

［5］王太明，胡丁猛，孫明高，等.植物對大氣污染的抗性機理[J].山東林業科技，2005(3)：15-16.

［6］王煥校.污染生態學[M].北京：高等教育出版社，2000.

［7］Mccord J M，Fridovich I.Superoxide dismutase：An enzymic function for erythrocuprein(hemocaprein)[J].BiolChem，1969，224(22)：6049-6055.

［8］陳少裕.膜脂過氧化對植物細胞的傷害[J].植物生理學通訊，1991，27(2)：84-90.

［9］潘瑞熾.植物生理學[M].北京：高等教育出版社，2004：282-284.

［10］李世東.超氧化物歧化酶及其與植物的抗病性、誘導抗病性原理和研究[M].北京：科學出版社，1995：54-62.

［11］孫建偉.二氧化硫對植物的影響及植物的自我修復[J].江西植保，2007，27(12)：64-67.