污水與鎘復合脅迫對玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

李萌，解靜芳，呂佳莉，2，陳佳月，劉瑞卿

（1.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；2.晉城市鳳鳴中學，山西晉城048000）

污水與鎘復合脅迫對玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

李萌1，解靜芳1，呂佳莉1，2，陳佳月1，劉瑞卿1

（1.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；2.晉城市鳳鳴中學，山西晉城048000）

為了探討污水與鎘（Cd）復合脅迫對作物生長的影響機制，采用實驗室水培技術、紫外分光光度和石墨爐原子吸收法，對復合脅迫致玉米幼苗抗氧化酶活性的變化進行了研究。結果表明，與各自空白對照相比，單一和復合脅迫在Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時，對玉米種子萌發均有顯著促進作用（P＜0.05），但對株高和根長沒有影響；在Cd2+質量濃度為10～50 mg/L時，對玉米種子萌發沒有影響，但對株高和根長則存在明顯的抑制作用（P＜0.001）。與各自空白對照相比，2個系列Cd2+均能誘導玉米幼苗超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）、過氧化氫酶（CAT）4種抗氧化酶活性的增加，且隨著Cd2+濃度的增大，酶活性變化均呈現雙階段性：低濃度增加緩慢，高濃度增加迅速；與Cd單一脅迫相比，復合脅迫4種酶活性的變化，在Cd2+為0～10 mg/L時，沒有顯著差異（P＞0.05），在Cd2+為10～50 mg/L時，均為復合脅迫顯著高于單一脅迫（P＜0.05）。單一和復合脅迫均會導致玉米幼苗Cd積累，且Cd2+質量濃度相同時，復合脅迫高于單一脅迫；在2個系列中，隨著Cd2+質量濃度的增大，玉米幼苗Cd含量上升亦呈現雙階段性，Cd2+為0～10 mg/L時增加迅速，為10～50 mg/L時增加緩慢。污水在Cd2+質量濃度較低時可以緩解重金屬Cd對玉米幼苗的危害，Cd2+質量濃度較高時，則加劇對玉米幼苗的危害；Cd2+為5～10 mg/L是污水與Cd復合脅迫誘導玉米幼苗抗氧化酶活性變化的敏感點，污水與高濃度Cd2+復合脅迫對人體健康的影響應引起高度關注。

污水灌溉；Cd；復合脅迫；玉米幼苗；抗氧化酶

Key words：sewage irrigation;cadmium;compound pollution;maize seedling;antioxidant enzyme activity

污水灌溉是實現污水資源化和緩解水資源危機的重要應用工程措施[1]，但污水中一些難降解污染物也會在土壤中積累，造成土壤污染[2-4]。土壤對各種重金屬的容納量以鎘（Cd）為最小，含Cd污染物會經多種途徑進入各類生態系統，造成Cd污染[5-6]。Cd是劇毒金屬元素之一，會對植物細胞產生毒害作用，抑制植物光合作用和蒸騰作用，干擾植物正常新陳代謝，繼而使植物產生病變、衰老甚至死亡[7-8]。目前，鎘已被美國毒物管理委員會（ATSDR）列為第6位危及人體健康的有毒物質[9]。

作物幼苗在受到環境污染時，其植株酶活性的變化，可在一定程度上指示植株對環境污染的解毒能力大小，不同的酶活性，其變化所指示的意義不同[10-11]。如抗氧化酶活性（SOD，POD，GST，CAT）的變化，可以用來分析生物體內活性氧清除系統的作用機理[12-13]，因此，可以用它來監測污染物對作物的影響，并對環境污染做出預警和診斷[14]。以往的研究多集中在土壤-污灌系統作物抗氧化酶活性的變化上，而污水灌溉和重金屬復合污染對作物抗氧化酶活性的影響研究少有報道。

太原市地處山西省中部，水資源極其匱乏，人均水資源占有量僅占我國平均水平的7.4%，其污水灌溉約占水澆地總量的83.2%[15-16]。目前，土壤污染已呈現出綜合性、伴生性等復合污染的特點[17]，而復合脅迫對作物生長的影響機制研究還少有報道，特別是當鎘污染存在時，污水灌溉是否會加重或緩解鎘污染，植物抗氧化系統酶活性變化、作用機制以及對玉米幼苗鎘積累影響是本研究希冀解決的主要問題。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米種子為山西強盛16號，試驗選擇大小一致、顆粒飽滿、沒有霉變的種子；供試污水采自太原市小店區北張退水渠，其基本理化性質如表1所示。

表1 供試污水基本理化性質

1.2 試驗設備

石墨爐原子吸收分光光度計（AA140/240，美國VARIAN公司），紫外分光光度計（UV2100，上海尤尼柯有限公司），光照培養箱（LI15，美國SHELLAB公司），真空冷凍干燥機（TF-FD-18S，上海田楓實業有限公司），高速冷凍離心機（Z36HK，德國HERMLE公司）等。

1.3 試驗設計

試驗設Cd單一脅迫、污水與Cd復合脅迫2個系列，每個系列分別設1個對照，5個質量濃度水平，共6個處理，每個處理5個重復。2個系列的Cd質量濃度均設置為0，1，5，10，25，50 mg/L，其中，Cd單獨脅迫系列溶液用清水配置，污水與Cd復合脅迫系列溶液用污水配置。

1.4 培養過程

種子萌發及幼苗生長試驗均在光照培養箱進行，培養過程在參照文獻[18-19]基礎上略作改動：首先將玉米種子用75%的乙醇溶液浸泡消毒10min，之后立即用蒸餾水沖洗3～5次，將種子胚芽朝上擺放于直徑為11 cm、內墊有3層濾紙的培養皿中，每個培養皿內擺放12顆種子。向各培養皿中分別加入15 mL相應的處理溶液，加蓋置于光照培養箱內培養，光照與黑暗時間均設置為12 h，晝/夜溫度為25℃/15℃，待玉米發芽后（約72 h），移除培養皿蓋，每天用處理溶液定時澆灌2次，每次15mL。待玉米幼苗生長14 d時，各處理間幼苗形態特征差異明顯，此時進行各項指標的測定。

1.5 測定項目及方法

1.5.1 玉米幼苗生長狀況測定玉米種子在光照培養箱中培養至第7天，觀察記錄各培養皿種子萌發情況，并計算種子萌發率。將培養14 d后的玉米幼苗洗凈，記錄玉米幼苗株高、根長等指標。

1.5.2 玉米幼苗抗氧化物酶活性測定[20]取一定量的新鮮植株樣品，加入5 mL磷酸鹽緩沖溶液（pH值7.8，內含1%的聚乙烯吡咯烷酮），冰浴研磨，4℃，4 000 r/min離心10 min。取上清液，用于酶活性測定。其中，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍四唑法[21]測定；過氧化物酶（POD）采用愈創木酚法[22]測定；谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）采用南京建成生物工程研究所試劑盒的測試方法進行測定；過氧化氫酶（CAT）采用過氧化氫分解法[23]進行測定。

1.5.3 玉米幼苗Cd含量測定根據GB/T5009.15—2003測定玉米幼苗Cd含量：稱取一定量洗凈的玉米幼苗鮮樣于聚四氟乙烯內罐加入8 mL硝酸和2 mL高氯酸，加蓋密封，于120～140℃溫度下消解3～4 h，同時做試劑空白，用石墨爐原子吸收分光光度計測定Cd含量。

1.6 數據分析

采用SPSS 17.0統計軟件One-Way ANOVALSD-t檢驗法對測定數據進行統計分析。

萌發率（GR）＝正常發芽種子數/供試種子數×100%。

2 結果與分析

2.1 Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫對玉米幼苗生長的影響

Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫對玉米幼苗種子萌發率、株高、根長等生長狀況的影響，隨著Cd2+處理濃度的不同表現各異。

2.1.1 對玉米種子萌發率的影響Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫2個系列對玉米種子萌發率的影響如圖1所示。

由圖1可知，與各自空白對照組相比，Cd2+質量濃度在0～10 mg/L時，隨著Cd2+質量濃度的增大，2個系列玉米種子萌發率均顯著增加（P＜0.05）；當Cd2+質量濃度在10～50 mg/L時，玉米種子萌發率變化不顯著（P＞0.05）。說明10 mg/L為Cd2+對玉米種子萌發影響的敏感點，Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時，對玉米種子萌發有促進作用，而Cd2+質量濃度為10～50 mg/L時，對玉米種子萌發沒有影響，這與崔宏莉[24]的研究結果一致。在Cd2+質量濃度相同時，2個系列種子萌發率均沒有顯著性差異（P＞0.05），說明污水對Cd2+誘導種子萌發率變化的影響不明顯。

2.1.2 對玉米幼苗生長狀況的影響Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫2個系列，不同處理玉米幼苗生長狀況的變化情況如圖2所示。由圖2可知，2個系列玉米幼苗株高和根長的生長呈現相同的變化趨勢，均為Cd2+質量濃度在0～10 mg/L時，隨著Cd2+質量濃度的增加，株高和根長略有升高，在Cd2+質量濃度為10 mg/L時，達到最大值，但與各自空白對照相比，統計檢驗并沒有顯著性差異（P＞0.05）；而Cd2+質量濃度在10～50 mg/L時，隨著Cd2+質量濃度的增加，幼苗株高和根長呈現極顯著降低趨勢（P＜0.001），且植株出現明顯的毒害癥狀，主要表現為植株矮小、葉片較小且發黃，高濃度處理下植株趨于死亡；主根越來越短小粗壯，須根越來越少。說明10 mg/L為Cd2+對玉米幼苗生長影響的敏感點，鎘對玉米幼苗的生長表現出“低促高抑”的特點，這與黃輝等[25]的研究結果一致。

2.2 Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫對玉米幼苗酶活性的影響

玉米幼苗不同抗氧化酶活性的變化，是衡量玉米幼苗是否受到環境因子脅迫，脅迫程度如何的重要指標。由圖3可知，隨著Cd2+質量濃度的增加，不同酶活性影響和變化的敏感濃度點略有不同。

2.2.1 對玉米幼苗SOD酶活性的影響由圖3-A可知，與各自空白對照相比，隨著Cd2+質量濃度的不斷增大，2個系列玉米幼苗SOD酶活性呈現不同程度的升高；與同質量濃度Cd單一脅迫相比，復合脅迫在Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時升高無顯著性差異（P＞0.05），Cd2+質量濃度為10～25 mg/L時升高顯著（P＜0.01）；Cd2+質量濃度為25～50 mg/L時，2個系列的SOD酶活性均開始有所降低。說明，Cd2+質量濃度較低時，SOD酶活性的升高可以有效阻止氧化物的積累，但當Cd2+質量濃度較高時，因玉米幼苗處于極端脅迫條件下，自身抗氧化系統失調，導致酶活性下降。隨著Cd2+質量濃度的升高，SOD保護酶活性先升高后降低，酶活性的提高能夠清除Cd脅迫產生的活性氧，對玉米幼苗具有保護作用，但這種保護作用是有一定限度的[26-27]。

2.2.2 對玉米幼苗POD酶活性的影響由圖3-B可知，2個系列均表現為隨著Cd2+質量濃度的增加，POD酶活性不斷增加，說明Cd2+能夠刺激玉米幼苗中POD酶活性產生。與同質量濃度Cd單一脅迫相比，復合脅迫POD酶活性在Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時，POD酶活性變化不明顯（P＞0.05）；Cd2+為10～50 mg/L時，復合脅迫POD酶活性均高于單獨脅迫（P＜0.001）。表明Cd2+質量濃度為10mg/L是污水對Cd2+導致玉米幼苗POD酶活性變化的敏感點，即Cd2+質量濃度在10～50 mg/L時，污水存在會顯著促進POD酶活性的升高。

2.2.3 對玉米幼苗GST酶活性的影響從圖3-C可以看出，Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時，隨著Cd2+質量濃度的增加，GST酶活性幾乎沒有太大的變化；在Cd2+質量濃度為10～50 mg/L時，與2個系列各自的空白對照相比，GST酶活性均明顯增大（P＜0.01）；與Cd單一脅迫相比，復合脅迫增加幅度更大（P＜0.01），說明Cd2+質量濃度為10 mg/L是污水對Cd2+導致玉米幼苗GST酶活性變化的敏感點，在Cd2+質量濃度為10～50 mg/L時，污水脅迫能夠促進玉米幼苗GST酶活性產生。

2.2.4 對玉米幼苗CAT酶活性的影響由圖3-D可知，2個系列均表現為隨著Cd2+質量濃度的增加，CAT酶活性不斷增加。與Cd單一脅迫相比，Cd2+質量濃度為0～5 mg/L時，單一和復合脅迫，酶活性的變化沒有明顯差異（P＞0.05）；Cd2+質量濃度為5～50 mg/L時，隨著Cd2+質量濃度的增加，復合脅迫酶活性顯著高于單一脅迫（P＜0.05）。說明Cd2+質量濃度為5～50 mg/L時，污水存在可以顯著促進CAT酶活性產生，Cd2+質量濃度為5 mg/L是污水對Cd2+導致玉米幼苗CAT酶活性變化的敏感點。

2.3 Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫對玉米幼苗Cd含量的影響

由圖4-A可知，隨著Cd2+質量濃度的增大，2個系列玉米幼苗Cd含量均逐漸增大，與各自空白對照相比，均呈現極顯著增加（P＜0.001）；與同質量濃度Cd單一脅迫相比，污水與Cd復合脅迫玉米幼苗Cd含量均高于Cd單一脅迫（P＜0.01，P＜0.001），說明污水灌溉對玉米幼苗吸收和富集Cd有促進作用。

從圖4-B可以看出，隨著Cd2+質量濃度的增大，玉米幼苗Cd含量的變化在不同Cd2+處理濃度范圍，呈現雙階段性：即當Cd2+在0～10 mg/L時，2個系列均表現為玉米幼苗Cd含量急劇上升，單一和復合脅迫玉米幼苗Cd含量與Cd2+質量濃度之間的線性相關方程分別為：y＝3.257 3x+2.352 9和y＝3.828 2x+2.920 5，相關系數分別為0.997 9和0.997 6，均表現為顯著相關。當Cd2+為10～50 mg/L時，隨Cd2+質量濃度的增大，玉米幼苗Cd含量緩慢增加，單一和復合脅迫線性相關方程分別為y＝0.541 8x+29.302，y＝0.506 8x+36.111，相關系數分別為0.997 8和0.998 5，同樣表現為顯著相關。由上述相關直線方程斜率變化可以看出，無論單一還是復合處理，玉米幼苗Cd含量在Cd2+為0～10mg/L范圍內增加較快，在10～50 mg/L范圍內增加緩慢。10 mg/L同樣為Cd脅迫對玉米幼苗Cd積累的敏感點。

出現這種情況的原因是由于在Cd2+質量濃度較低（0～10 mg/L）時，玉米幼苗的生理功能還未受到嚴重傷害，對Cd具有一定的富集能力；隨著Cd2+質量濃度的增加，玉米幼苗Cd積累也逐漸增加，當Cd2+質量濃度高于10 mg/L時，富集Cd的速度開始變緩，可能是高質量濃度Cd2+影響了玉米幼苗的正常生長，并損傷了玉米幼苗的生理功能，從而抑制了對Cd2+的吸收。與毋燕妮等[28]研究結果表明，污水灌溉和鎘脅迫對菠菜鎘積累的研究結果相比，玉米幼苗對Cd的富集作用更強，也表明玉米幼苗對污水與Cd復合脅迫的耐受性要高于菠菜。另外，雖然玉米幼苗鎘含量低于10 mg/L，其生長狀況良好，但其幼苗所富集的高含量鎘應引起高度關注。因此，對鎘污染的土壤最好進行污染土壤修復后再進行種植。

3 結論

本試驗以太原市污灌區廣泛種植的玉米為研究對象，對玉米幼苗分別進行了Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫處理。研究結果表明，玉米種子萌發率和幼苗生長狀況的觀察和統計檢驗結果表明，與各自空白對照相比，Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫在Cd2+質量濃度為0～10 mg/L時，對玉米種子萌發均有促進作用（P＜0.05），但對株高和根長無顯著性差異（P＞0.05）；在Cd2+為10～50 mg/L時，對玉米種子萌發無顯著性差異（P＞0.05），但對株高和根長則存在明顯抑制作用（P＜0.001）。萌發率與幼苗生長變化情況相反，萌發情況直接影響作物后期的生長情況。

玉米幼苗抗氧化酶活性測定結果顯示，與各自的空白對照相比，Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫，Cd2+均能誘導玉米幼苗SOD，POD，GST和CAT酶活性的提高，且基本表現出隨著Cd2+質量濃度的增大，酶活性變化均呈現雙階段性：低質量濃度增加緩慢，高質量濃度增加迅速。與Cd單一脅迫相比，2個系列4種酶活性的變化，在Cd2+為0～10 mg/L時，沒有顯著差異（P＞0.05），在Cd2+為10～50 mg/L時，均為復合脅迫顯著高于Cd單一脅迫（P＜0.05）。玉米幼苗抗氧化酶活性的變化，可以反映其應對環境變化和污染的應激反應程度。

玉米幼苗富集Cd的測定結果顯示，Cd單一脅迫和污水與Cd復合脅迫，均會導致玉米幼苗的Cd積累，且Cd2+質量濃度相同時，玉米幼苗中Cd含量在復合脅迫中均顯著高于Cd單一脅迫（P＜0.01），說明污水灌溉對玉米幼苗吸收和富集Cd有促進作用。隨著Cd2+質量濃度的不斷增大，玉米幼苗Cd含量上升在2個系列中均呈現雙階段性：即當Cd2+在0～10 mg/L時，玉米幼苗Cd含量隨Cd2+濃度的變化增加迅速；但當Cd2+質量濃度達到10～50 mg/L時，玉米幼苗Cd含量隨Cd2+質量濃度的變化增加緩慢。

綜上所述，Cd2+質量濃度為10 mg/L是玉米幼苗生長和Cd富集的敏感點，Cd2+質量濃度為5～10 mg/L是污水對Cd誘導酶活性變化的敏感點，污水在Cd2+質量濃度較低時可以緩解重金屬Cd對植物的危害；Cd2+質量濃度較高時，污水中某些物質可能會與Cd2+發生協同作用，加劇對植物的危害。由此，污水與Cd復合脅迫，對玉米幼苗生長、酶活性變化以及鎘積累均具有促進作用，該影響對植物重金屬污染與人體健康的關系研究應引起高度關注。因此，加強對已產生鎘污染土壤的修復，對污染嚴重土壤實行清、污輪灌，提高污水處理率和回收率，對生態環境安全和食品安全均具有重要的現實意義。

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Effects of Sewage and Cd Compound Stress on Maize Seedling Antioxidant Enzyme Activity

LI Meng1，XIE Jingfang1，Lü Jiali1，2，CHENJiayue1，LIURuiqing1
（1.College ofEnvironment and Resource，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；
2.FengmingMiddle School ofJincheng，Jincheng048000，China）

To investigate the influence of sewage and cadmium（Cd）compound stress on crop growth mechanism,by using laboratory hydroponic technology,ultraviolet spectrophotometer and graphite furnace atomic absorption spectrometry,the paper studied the variation of maize seedlings of antioxidant enzyme activity led by the compound stress.The results showed that compared with their own CK,single and compound stress processions had an promoting effect（P＜0.05）on maize seedlings germination when the Cd2+concentration was 0～10 mg/L,but no effect on plant height and root length.On the contrary,when the Cd2+concentration was 10～50 mg/L,it had no effect on maize seedling germination,but an obvious inhibition effect on plant height and root length（P＜0.001）. Compared with their own CK,Cd2+in both two treatments could induce the increase of the four kinds of antioxidant（SOD,POD,GST, CAT）of maize seedlings activity.With the increase of concentration of Cd2+,enzyme activity changed into double phases:low concentration increased slowly,high concentration increased rapidly.Compared with Cd single treatment,the change of the four kinds of enzyme activity in the compound stress showed no significant differences when the Cd2+concentration was between 0～10 mg/L（P＞0.05）,while the compound treatment was significantly higher than single treatment（P＜0.05）when the Cd2+concentration was 10～50 mg/L.Single and compound stress could cause maize seedling Cd accumulation,compound treatment was higher than the single treatment with the same concentration of Cd2+,with increasing concentration of Cd2+,Cd content of maize seedlings increased in both treatmentshowedadoublestage:itincreasedrapidlywhentheCd2+concentrationwas0～10 mg/L,whileslowlywhen theCd2+concentration was 10～50 mg/L.Atlowconcentration ofCd2+,sewage could alleviate the harmtothe maize seedlings bythe heavymetal Cd,and the harm deepened when the Cd2+concentration was high.The concentration of Cd2+in 5～10 mg/L range was a sensitive point of maize seedling antioxidantenzymeactivity.Thecompound pollution ofsewageand high concentration ofCd2+tohuman health should behighlyattention.

S513

A文獻標識碼：1002-2481（2017）02-0172-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.06

2016-12-21

國家自然科學基金項目（30740037）；國家公益性行業（農業）科研專項（201103024）

李萌（1992-），女，黑龍江伊春人，在讀碩士，研究方向：環境毒理學與化學。解靜芳為通信作者。