土壤中重金屬鎘污染對潤草1號生理生化指標的影響

摘要：潤草1號是2012年育成的新型草坪草品種。通過盆栽實驗的方法，研究了土壤中重金屬鎘對潤草1號生理生化指標的影響。結果表明，隨著重金屬鎘溶液處理濃度的增大，潤草1號游離脯氨酸和葉綠素的含量均表現為先升高后降低，而根系活力表現為逐漸降低，細胞膜透性表現為逐漸升高。

關鍵詞：潤草1號；鎘脅迫；生理生化指標

中圖分類號：Q945 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）19-4952-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.19.013

Abstract：Nourishing Grass 1 is a new type of lawn grass bred in 2012. The method of pot experiment，effects of heavy metal cadmium in soil on physiological and biochemical indexes of Nourishing Grass 1 were studied. The results showed that，with the increase of the concentration of heavy metal cadmium solution，free proline content and chlorophyll content of Nourishing Grass 1 were increased first and then decreased，but the vitality of root system was gradually decreased，cell membrane permeability was gradually increased.

Key words：Nourishing Grass 1；cadmium stress；physiological and biochemical indexes

潤草1號是一種新型的草坪草品種，于2012年由江蘇農林職業技術學院培育而成。潤草1號屬于低矮型草種，坪用性狀優良。潤草1號具有較強的耐蔭、耐熱性能，抗倒伏和抗病能力強，適宜南方地區露地栽培，是中國草坪綠化常用的草坪植物之一，主要用于觀賞草坪的建植，對于降低環境污染、城市綠化及美化起著非常重要的作用。

重金屬鎘不是植物生長所必需的營養元素，對環境造成的污染和危害大。越來越多的重金屬鎘，隨著工業和交通不斷地發展，被釋放到了人們賴以生存的環境中，并大量地積累在土壤中。土壤被重金屬鎘污染后，不僅會造成土壤的質量下降、使土壤喪失正常的功能，還會毒害生長的植物，進而給人類身體健康帶來危害。在南方地區的土壤中，重金屬鎘是最常見的污染元素，其含量在土壤中已超過正常值的3～4倍[1]。土壤中重金屬鎘污染可以利用草坪來修復，不僅凈化了土壤，而且對人類的生產、生活條件和環境條件都產生了有益的影響。本試驗通過研究土壤中不同濃度重金屬鎘對潤草1號生理生化指標的影響，以期為重金屬污染地區的土壤中重金屬含量標準的制定、草坪綠地建設規劃提供有利的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用的材料為潤草1號，由江蘇農林職業技術學院提供。盆栽土壤取自江蘇農林職業技術學院花房土質較好的表層土壤，測得pH為7.2，土壤重金屬鎘含量為0.056 g/kg。重金屬鎘添加形式為3CdSO4·8H2O，分析純。

1.2 試驗設計

于2014年9月15日，將供試土壤充分粉碎后過0.5 cm篩，再將作基肥的5%草炭按1∶3的體積比拌入供試土壤中，充分混合。將混合后的土壤稱重5.5 kg，分別裝入20只塑料花盆中，其中所用花盆的上口直徑、下口直徑和高分別為25.8、16.3、22.5 cm。試驗時以不使用重金屬鎘的處理作為對照，重金屬鎘的脅迫濃度分別設定為5、20、50、100 mg/kg（不含背景值，重金屬鎘的脅迫濃度以Cd2+計），每次處理重復4次。

按照設定的重金屬鎘的脅迫濃度，在每只花盆中添加4種不同濃度的重金屬鎘溶液各1 000 mL，每天噴施清水100 mL。平衡14 d后，播種用蒸餾水浸泡24 h的潤草1號種子，播種量為每盆中300粒，保持土壤含水量為田間最大持水量的70%。種植1個月后，分別取樣分析。

1.3 測定方法

生理生化指標的測定按照張治安[2]的方法，葉綠素采用95%乙醇提取，UV-2100型紫外/可見分光光度計測定；根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法；細胞膜透性測定采用電導法，使用DDS-12AW型電導儀測定；游離脯氨酸采用磺基水楊酸提取法測定。

2 結果與分析

2.1 重金屬鎘脅迫對根系活力的影響

根系不僅是植物吸收水分、礦物質營養的主要器官，也是合成氨基酸、激素等物質的重要部位，同時合成并輸送感受外界刺激的信息物質。根系的生長狀況和活力對于地上部的營養、生長和最終產量的形成至關重要。根系活力是指植物根系自身具有的合成、吸收、還原及氧化能力等，可以用來衡量植物根系長勢優劣和標示植物生長情況的重要生理指標。根系活力大小反映了植物根系代謝強度的大小。如果根系活力越大，則表明根系組織的代謝能力越強，根系長得越粗壯，這對整個植株的生長發育是十分有利的[3]。從圖1可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤草1號的根系活力低于對照組，隨著重金屬鎘濃度的逐浙增大，根系活力表現為逐漸降低。當重金屬鎘濃度小于5 mg/kg時，根系活力是與對照組相近的，這說明該濃度對潤草1號的影響很小。重金屬鎘脅迫使根系活力降低，可能是由于較強的呼吸代謝作用導致了潤草1號過多地消耗了能量，進而抑制了潤草1號的生長發育。

2.2 重金屬鎘脅迫對細胞膜透性的影響

生物體內的細胞膜是一種具有選擇性的半透膜，對細胞內外物質的運輸和交換起著重要的調節和控制作用。外界環境對細胞產生脅迫時最敏感的部位是細胞膜，細胞膜透性的改變或喪失都是因為細胞受到各種逆境傷害引起的。因此，在植物抗逆性研究中常把細胞膜透性作為重要的生理指標。從表1可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤草1號的電導率都比對照有所增加。在5、20 mg/kg時細胞膜透性變化較小，對潤草1號影響較小。當重金屬鎘濃度達到50 mg/kg時，細胞膜透性明顯增大。由傷害率可以看出，隨著重金屬鎘濃度增大，傷害率逐漸增加。重金屬鎘濃度為100 mg/kg時，對潤草1號的傷害率最大，達到29.56%，對潤草1號影響明顯。

2.3 重金屬鎘脅迫對脯氨酸含量的影響

脯氨酸是一種水溶性最大的氨基酸，也是一種小分子滲透物質。脯氨酸可以調節植物細胞的滲透平衡，提高植物細胞結構的穩定性[4]，并能有效地阻止植物細胞內氧自由基的產生，以緩解或修復逆境對其造成的傷害。因此，游離脯氨酸的含量可以作為潤草1號對重金屬鎘脅迫的一個重要生理生化指標。從圖2可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤草1號的游離脯氨酸含量隨重金屬鎘濃度增大呈先升高后降低的變化。重金屬鎘濃度為5 mg/kg時升高較小，對潤草1號影響很小。重金屬鎘濃度為50 mg/kg時達到最大值，是對照組的3.02倍，因此對潤草1號影響明顯。

2.4 重金屬鎘脅迫對葉綠素含量的影響

植物體內的葉綠素是植物進行光合作用的重要物質基礎，葉綠素含量和葉綠素a/b是衡量植物葉片長勢如何的重要指標[4]。在逆境脅迫下，植物體內葉綠素含量的多少說明了植物抗逆境脅迫能力的大小，因此，葉綠素含量可以作為植物抗逆境脅迫程度的重要生理指標[5]。不同濃度的重金屬鎘處理后，潤草1號葉片內所含的光合色素含量發生了明顯變化。從表2中可以看出，潤草1號的葉片內所含的葉綠素總量、葉綠素a/b、葉綠素a、葉綠素b以及類胡羅卜素均隨著重金屬鎘濃度的增加而呈先升高后降低的變化趨勢，且當濃度為20 mg/kg 時均達到了最大值。類胡蘿卜素含量的增幅分別為各處理后對照組的13.79%、24.14%、-8.62%和 -17.24%，葉綠素總量的增幅分別為各處理后對照組的2.29%、11.43%、-3.71%和-10.29%，這說明不同濃度的重金屬鎘處理后，潤草1號的適應機理存在顯著差異，造成潤草1號的類胡蘿卜素含量和葉綠素總量的不同。

3 小結與討論

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官。當重金屬污染土壤時，首先是植物的根系受到傷害，其主要表現為植物主動吸收能力的降低和根系活力的降低。本試驗中，潤草1號的根系活力隨著重金屬鎘處理濃度的增大而逐漸下降，且重金屬鎘處理濃度越高根系活力下降程度越大。原因可能是在重金屬鎘脅迫下，潤草1號自身抗氧化系統酶不能將產生的氧自由基及時清除掉，根系代謝中的琥珀酸脫氫酶就會受到多余的氧自由基的傷害，從而使根系活力下降[6]。此時潤草1號要緩解鎘脅迫對其造成的傷害，就要消耗大量的代謝產物，這樣就會影響潤草1號的生長發育。在試驗過程中還發現，潤草1號側根的生成速率是隨著重金屬鎘處理濃度的增大而減小，這恰好與潤草1號根系生物量隨濃度變化的情況相一致。

細胞膜系統是植物細胞和外界環境相聯系的界面，也是植物細胞和外界環境進行物質交換和信息傳遞的屏障。植物細胞具有正常的生理功能是以細胞膜具有較高的穩定性為基礎的[7]。在重金屬鎘脅迫下，潤草1號的細胞膜受到了破壞，使其通透性增加。細胞膜的損傷不但會導致細胞內一系列生理生化過程的紊亂，而且會導致細胞膜上結合酶和細胞內酶失去平衡，使細胞內大量的可溶性物質外滲，進而造成潤草1號的死亡[8]。在重金屬鎘的脅迫下，隨著重金屬鎘處理濃度的增大，潤草1號葉片組織外滲液的電導率逐漸升高，而且呈明顯的正相關。究其原因可能是重金屬鎘進入潤草1號葉片組織后，與細胞膜的蛋白質分子中的-SH或細胞膜的磷脂分子層中的磷脂類物質發生了化學反應，造成細胞膜蛋白和磷脂分子層的結構發生改變，進而使細胞膜的結構也發生了改變，這樣細胞膜系統受到破壞，細胞膜的通透性增大，從而使細胞內的鹽類或有機物出現不同程度的滲出，最終導致電導率的增大[9]。

植物體內的脯氨酸是重要的滲透調節物質，其至作用是維持植物細胞的滲透壓，當外界不良環境對植物脅迫時能起到很好的指示作用[10]。潤草1號葉片內游離脯氨酸含量，隨著重金屬鎘處理濃度的增加而增大，當脅迫濃度為50 mg/kg時達到最大值，這是受到重金屬鎘脅迫時，潤草1號表現出的正常生理反應。當受到重金屬鎘脅迫時，潤草1號葉片組織內物質的代謝路徑會發生相應的改變，使脯氨酸的氧化過程受到抑制，從而減慢蛋白質的合成速度，造成細胞內脯氨酸含量的升高。細胞內存在的大量脯氨酸能維持潤草1號葉片內的水分平衡，保持細胞內原生質與外界環境的滲透平衡，增大細胞內各種蛋白質的溶解性，也使各種生物大分子的結構與穩定性受到保護[4]。

綠色植物進行光合作用的主要色素是葉綠素，植物光合作用的強弱直接受到葉綠素含量的影響，植物同化物質能力的大小可以通過葉綠素含量的多少來反映。葉綠素受到外界環境影響時其含量發生變化，葉綠素含量的變化又會引起植物光合性能的改變，甚至影響植物正常的新陳代謝[11]。本試驗中，在低濃度重金屬鎘脅迫下，潤草1號葉片中葉綠素的含量緩慢地增大，這是潤草1號葉片中葉綠素合成系統主動表現出的應激性反應。當重金屬鎘脅迫濃度大于20 mg/kg時，潤草1號葉片中葉綠素含量開始明顯地減小，其原因可能是過量重金屬鎘破壞了潤草1號葉片的細胞膜，使細胞膜受到損傷而透性增大，從而造成葉綠素分子大量地滲漏出來；也可能是催化葉綠素合成所需要的3種蛋白酶（膽色素原脫氨酶、原葉綠素脂還原酶和氨基乙酰丙酸合成酶）與重金屬鎘結合，使蛋白酶的結構發生了改變，這樣就降低了蛋白酶的活性，從而影響了葉綠素的合成；還可能是重金屬鎘破壞了潤草1號葉片細胞中線粒體的結構，導致葉綠素降解而使其含量降低，抑制了光合作用，使潤草1號代謝產生紊亂，造成潤草1號的抗逆性降低[11]。

需要強調的是，衡量草坪植物應用價值的最重要指標是根系的生長與葉片的綠色度[12]，而對潤草1號根系生長起顯著抑制作用的、對潤草1號的建植及對污染地區潤草1號的生產起重要限制作用的都是重金屬鎘。因此，在實際應用過程中，為了使潤草1號的根系生長不受到影響，應該嚴格控制土壤中重金屬鎘的濃度小于20 mg/kg。由于重金屬鎘不是潤草1號生長發育所必需的營養元素，且具有較大的毒性，所以更應該嚴格控制重金屬鎘的使用濃度。

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