全 文 ：中国环境科学 2005,25(3)：262~266 China Environmental Science
Hg2+、Cd2+及其复合胁迫对伊乐藻的毒害
吴振斌 1*,马剑敏 1,2,3,赵 强 1,2,贺 锋 1,成水平 1 (1.中国科学院水生生物研究所,湖北 武汉 430072；2.中国
科学院研究生院,北京 100039；3.河南师范大学生命科学学院,河南 新乡 453002)
摘要：利用水生微宇宙系统研究了不同浓度的 Hg2+、Cd2+单一及复合处理对伊乐藻可溶性蛋白质浓度、叶绿素含量、叶绿素 a/b 比值,以
及生产力和呼吸作用的影响.可溶性蛋白质和叶绿素含量在低浓度胁迫时(Hg2+≤2.5µmol/L,Cd2+≤10µmol/L,Hg2+ +Cd2+≤1.25µmol/L
Hg2++5µmol/L Cd2+)略有升高,之后随胁迫的增强而持续下降,两者呈负相关;叶绿素 a/b 比值、净生产力、呼吸强度随离子浓度增加不断下
降,除呼吸强度外,两者也呈负相关.Hg2+对伊乐藻的毒性是 Cd2+的 4 倍左右(以摩尔浓度计).两者共同作用时,对可溶性蛋白和叶绿素含量以
及净生产力的影响有协同效应,对呼吸作用的影响有相加效应.
关键词：Hg2+；Cd2+；复合胁迫；伊乐藻
中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2005)03-0262-05
Toxic harm of Hg2+、Cd2+ and their combined stress on Elodea nuttallii. WU Zhen-bin1*, MA Jian-min1,2,3, ZHAO
Qiang1, HE Feng1, CHENG Shui-ping1 (1.Hydrobiology Institute, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；
2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China；3.Collage of Life Sciences, Henan Normal
University, Xinxiang 453002, China). China Environmental Science, 2005,25(3)：262~266
Abstract：The influence of Hg2+、Cd2+ of different concentrations and their combined treatment on dissoluble protein
concentration, chlorophyll content, chlorophyll a/b ratio, productivity and respiration of Elodea nuttallii were studied
utilizing aquatic microcosm. Under low concentration stress Hg2+≤2.5µmol/L, Cd2+≤10µmol/L and Hg2++Cd2+≤
1.25µmol/L Hg2++5µmol/L Cd2+, the contents of dissoluble protein and chlorophyll increased slightly; and then decreased
continuously with increase of the stress with negative correlation. Chlorophyll a/b ratio, net productivity and respiration
strength decreased continuously with increase of ion concentration, except respiration strength, also with negative
correlation. The toxicity of Hg2+ on Elodea nuttallii was about 4 times more than that of Cd2+ (calculation with µmol/L).
Under Hg2+ and Cd2+ combined actions, they revealed synergism effects on dissoluble protein and chlorophyll contents
and net productivity; but addition effects on respiration.
Key words：Hg2+；Cd2+；combined stress；Elodea nuttallii
伊乐藻(Elodea nuttallii)原产北美,于 20世纪
80 年代从日本引入我国,由于其耐污性和适应性
强、繁殖快、能越冬生长、可作为鱼虾的饵料,
而被越来越广泛地引种,并应用于污染水体的生
态修复.因此,对其进行生理生态学研究很有必
要.
国内外有关重金属对沉水植物毒害的研究
报道相对较少,近些年国内的施国新等[1-3]做了一
些研究,但关于重金属对伊乐藻毒害的研究尚未
见报道.作者对伊乐藻在 Hg2+、Cd2+及其复合胁迫
下的抗性进行了初步研究,以便为科学地利用这
一物种资源提供依据.
1 实验方法
1.1 材料与处理
在实验前 1 个月从野外采回伊乐藻后,于室
外水泥池中培养繁殖.选择健壮植株,清洗,于 1/4
浓度的 Hoaglands 培养液中培养 2d,分别等量移
入含有不同浓度的 Hg2+、Cd2+和 1/4 Hoaglands
收稿日期：2004-09-03
基金项目：国家杰出青年科学基金项目(39925007);国家“十五”重
大科技专项(2002AA601021);国家“973”项目(2002CB412300);中国
科学院知识创新工程重要方向性项目(KSCX2-SW-102)共同资助
* 责任作者, 研究员, wuzb@ihb.ac.cn
3 期 吴振斌等：Hg2+、Cd2+及其复合胁迫对伊乐藻的毒害 263
培养液的玻璃缸中,在室内向阳窗前培养(8~12℃).
Hg2+、Cd2+浓度经预实验确定,以高浓度下对植
物形态有一定胁迫效应为宜.
Hg2+的浓度梯度设定为 0,2.5,5.0,10.0,20.0,
40.0µmol/L.用 HgCl2 配制.
Cd2+的浓度梯度设定为0,10.0,20.0,40.0,80.0,
160.0µmol/L.用 CdCl2 配制.
复合胁迫实验采用 Hg2++Cd2+,其浓度分别
为 (0+0),(1.25+5.00),(2.5+10.0),(5.0+20.0),(10.0+
40.0),(20.0+80.0)µmol/L,即以 Hg2+、Cd2+单一胁
迫时相应浓度的一半相叠加.
1.2 测试指标与方法
采用浸提法[4]测定叶绿素含量,取样时间为
6,24,72h.
用 Bradford 法[5]测定可溶性蛋白浓度.取样
时选择正常的顶枝,用蒸馏水冲洗并吸干水,称重
后入研钵,加入定量的 PBS(pH7.0)和少量石英砂,
在冰上研磨,10000r/min 离心后留上清,放入冰箱
中,24h 内测定.取样时间为 6,24,72h.
用黑白瓶法[6]测定生产力.在处理 48h 后,选
择外观一致的顶枝,吸干水后称 0.3g,分别放入装
有 300mL 左右相应培养液的黑白瓶中,在 20℃、
4500lx 光强下放置 4h,测定初始和结束时的溶解
氧浓度,从而得到其总生产力(Pg)、净生产力(Pn)
和呼吸强度(R).
2 结果与分析
2.1 对伊乐藻可溶性蛋白浓度的影响
由图 1 可知,总体上看,3 种处理均导致伊乐
藻可溶性蛋白浓度随着时间的延长和金属离子
浓度的增加而明显降低,但略有波动.在低浓度
(Hg2+≤2.5µmol/L,Cd2+≤10µmol/L,Hg2++Cd2+≤
1.25µmol/L Hg2++5µmol/L Cd2+,下同)胁迫时,伊
乐藻可溶性蛋白浓度在 24h 前略有升高,72h 时
略有降低,之后随金属离子浓度的升高而明显降
低;经回归分析,蛋白质浓度与金属离子的浓度
呈明显负相关;其决定系数 R2 的范围是 0.769~
0.966(P<0.05).从蛋白质浓度降低的百分比看,在
40µmol/L 的 Hg2+胁迫下,6,24,72h 时伊乐藻可溶
性蛋白浓度分别为对照的 86.6%,59.8%,35%;该
值还略低于 160µmol/L Cd2+胁迫时的百分比
(86.1%、 64.9%、42.6%),也略低于 10µmol/L
Hg2++ 40µmol/L Cd2+ 复合胁迫时的百分比
(88.4%、64.4%、40.2%);由此可知,Hg2+对伊乐藻
的毒性远比 Cd2+强,在高浓度时它对伊乐藻可溶
性蛋白浓度的降低效应强于 4 倍的 Cd2+; Hg2+,
Cd2+复合胁迫对伊乐藻可溶性蛋白浓度的影响
要大于 Hg2+,Cd2+单一胁迫,即有协同效应.
图 1 Hg2+、Cd2+单一与复合胁迫对伊乐藻可溶性蛋白浓度的影响
Fig.1 Effects of Hg2+, Cd2+ and their combined stress on protein concentration of Elodea nuttallii
—◇— 6h —□— 24h —△— 72h
2.2 对伊乐藻叶绿素含量的影响
由图 2 可见,3 种处理均导致伊乐藻叶绿素
含量随着时间的延长和金属离子浓度的增加而
降低,但略有波动.在低浓度胁迫时叶绿素含量在
24h 前略有升高,72h 时略有降低,之后随金属离
子浓度的升高而明显降低,叶绿素含量与金属离
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可
溶
性
蛋
白
浓
度
(m
g/
gF
W
)
Hg2+浓度(µmol/L)
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Cd2+浓度(µmol/L)
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0 20 40 60 80 100 120
Hg2++Cd2+(Hg2+/Cd2+=1/4)浓度(µmol/L)
264 中 国 环 境 科 学 25 卷
子的浓度明显负相关(Hg2++Cd2+胁迫 72h时两者
间没有明显相关性 R2=0.6, P >0.05),其决定系数
R2 的范围是 0.855~0.961(P<0.05).
横向比较,Hg2+胁迫时,随着时间的延长,叶
绿素含量下降的速度略快;尽管 Cd2+的浓度是
Hg2+的 4 倍,但所造成的叶绿素含量的降低程度
却相差不大.从叶绿素含量降低的百分比看,在
40µmol/L 的 Hg2+胁迫下,6,24,72h 时叶绿素含量
分别为对照的 91.2%,79.7%,71.3%;6h 的值高于
160µmol/L 的 Cd2+胁迫时的相应百分比(84.7%),
而 24h, 72h 的值则低于相应百分比(87.2%、
80.2%);高于 20µmol/L Hg2++80µmol/L Cd2+复合
胁迫时的相应百分比(89.4%、79.4%、61%);说明
Hg2+对叶绿素含量的影响远比 Cd2+强(4 倍左
右),Hg2+、Cd2+复合胁迫对叶绿素含量的影响要
大于相应的单一处理.
图 2 Hg2+、Cd2+单一与复合胁迫对伊乐藻叶绿素含量的影响
Fig.2 Effects of Hg2+, Cd2+ and their combined stress on chlorophyll content of Elodea nuttallii
注同图 1
从叶绿素 a(chl a)与叶绿素 b(chl b)的比值看
(图 3),与叶绿素含量变化的趋势一致,其比值随
着时间的延长和金属离子浓度的增加而降低
(P<0.05),比值与金属离子浓度间明显负相关.其
决定系数 R2 的范围是 0.841~0.959(P<0.05).比值
下降的百分比也与叶绿素下降的相似.
图 3 Hg2+、Cd2+单一与复合胁迫下伊乐藻叶绿素 a/b 的变化
Fig.3 Effects of Hg2+, Cd2+ and their combined stress on chl a/b of Elodea nuttallii
6h 24h 72h
总之,在低浓度的胁迫下,叶绿素含量有所上
升,之后随金属离子浓度增高而持续下降,表现出
明显的剂量效应关系,这与文献[2,7,8]的报道相
似.Hg2+、Cd2+对叶绿素含量的影响有协同效应.
2.3 对伊乐藻光合与呼吸作用的影响
由图 4 可见,Pg、Pn、R 是随着金属离子浓度
的增加而明显下降.Pg和Pn与金属离子浓度间除
Hg2+浓度与 Pg 不明显相关外,其他呈明显负相关,
0.0
0.5
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0 20 40 60 80 100 120
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0 30 60 90 120 150 180
0.0
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叶
绿
素
含
量
(m
g/
gF
W
)
Hg2+浓度(µmol/L) Cd2+浓度(µmol/L) Hg2++Cd2+(Hg2+/Cd2+=1/4)浓度(µmol/L)
0.0
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2.0
2.5
3.0
0 3 5 10 20 40
叶
绿
素
a/
b
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0 10 20 40 80 160
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1.5
2.0
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0 6.25 12.5 25 50 100
Hg2+浓度(µmol/L) Cd2+浓度(µmol/L) Hg2++Cd2+(Hg2+/Cd2+=1/4)浓度(µmol/L)
3 期 吴振斌等：Hg2+、Cd2+及其复合胁迫对伊乐藻的毒害 265
其决定系数 R2 的范围是 0.611~0.718 (P<0.05).
图 4 Hg2+、Cd2+单一与复合胁迫对伊乐藻光合与呼吸作用的影响
Fig.4 Effects of Hg2+, Cd2+ and their combined stress on photosynthesis and respiration of Elodea nuttallii
—◇— Pg —□—Pn ----△---- R
在 Hg2+≤6.5µmol/L,Cd2+≤30µmol/L,Hg2++
Cd2+≤ 1.8µmol/L Hg2++7.2µmol/L Cd2+([Hg2+]/
[Cd2+]=1/4)时,Pn>0.说明伊乐藻在这种胁迫下,短
期内还能维持生长.由此相比,Hg2+对 Pn 的抑制
效应约为 Cd2+的 4.6 倍;1Hg2++4Cd2+的复合胁迫
时,效应明显超过单一的 2Hg2+或单一的 8Cd2+浓
度的胁迫,即对 Pn 的抑制作用有协同效应.
由黑瓶与初始瓶中氧浓度的比可看出对 R
的影响,Hg2+、Cd2+及其复合 3 种最高浓度胁迫
时相应的百分比分别为 96.3%、95.2%、94.8%(比
值越大,呼吸作用越弱),差异不大,各处理组所有
百分比的平均值分别为 91.0%(89.3%~ 96.3%)、
89.9%(86.4%~95.2%)、91.1%(89.2%~ 94.8%),差
异也不大,而且,各组的百分比值有随金属离子浓
度增加而增加的趋势.说明 3 种处理对 R 的影响
相近.由此可知,对 R 的影响是 Hg2+≥4Cd2+, Hg2+、
Cd2+对呼吸作用的影响有相加效应.
3 讨论
以上研究表明,低浓度的 Hg2+、Cd2+可造成
伊乐藻的可溶性蛋白浓度的增加,而后随重金属
浓度的增加伊乐藻可溶性蛋白浓度则逐渐减小.
谷巍等[1]在研究Hg2+、Cd2+对轮叶狐尾藻的胁迫,
郝怀庆等[7]在研究 Hg2+对水鳖的胁迫时都发现
有类似现象.这是植物对重金属毒害的一种应激
反应.在重金属的刺激下,抗氧化酶系统被调动起
来,许多解毒、防御性的酶合成增加,活性增强;
有的能诱导产生金属结合蛋白,从而降低重金属
毒性[9,10];此外,蛋白质的增加还会增加细胞渗透
浓度及功能蛋白的数量,有助于维持细胞的正常
代谢活动[11].但这些作用是有限度的,在高浓度
重金属毒害下,细胞结构被破坏,功能丧失,蛋白
质浓度的降低在所难免.
严重玲等[12]认为叶绿素含量是衡量叶片衰
老的重要指标.重金属导致叶绿素含量降低的原
因,Stobart 等[13]认为是由于重金属抑制原叶绿素
酸酯还原酶和影响了氨基-γ-酮戊酸的合成,而这
2 个酶对叶绿素的合成是必需的.此外,谷巍等[1]
发现,一定浓度的 Hg2+、Cd2+可造成轮叶狐尾藻
的核膜破损,叶绿体和线粒体解体.
众多研究证实,重金属对植物的光合作用都
是抑制性的,而且抑制程度随胁迫浓度的升高而
增强.本研究也证实了这一结论.杨丹慧[14]认为,
Cd2+等重金属离子对高等植物叶绿体光合电子
传递均有抑制作用,且光合作用比呼吸作用对重
金属离子有更高的敏感性.
目前,对有毒化学品进行生物毒性评价的依
据和标准是 3 大实验,即鱼类实验、氵蚤 类实验和
藻类实验,但对高等维管束植物的毒害评价尚未
制定统一的方法和标准.目前,在判断 Hg2+、Cd2+
复合胁迫的效应时,对 Hg2+、Cd2+间的毒性效应
关系(独立、相加、协同、拮抗)缺乏标准依据.
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0 20 40 60 80 100 120
b
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0 30 60 90 120 150 180
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Hg2+浓度(µmol/L) Cd2+浓度(µmol/L) Hg2++Cd2+(Hg2+/Cd2+=1/4)浓度(µmol/L)
生
产
力
266 中 国 环 境 科 学 25 卷
本研究表明,Hg2+、Cd2+对伊乐藻的可溶性蛋白
和叶绿素含量、以及净生产力的影响大于相加效
应,初步判断它们间有协同效应,而对呼吸作用的
影响则为相加效应.在以前一些类似研究中,只要
发现 2 种金属离子复合胁迫的效应大于单一胁
迫的效应,就定论有协同效应,这是缺乏统一标准
所造成的.因此,今后有必要制定有毒化学品对高
等维管束植物毒性的评价标准体系.
已有的研究表明 ,Hg2+对水鳖(Hydrocharis
dubia)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、轮藻
(Chara)、菹草(Potamogeton crispus)、轮叶狐尾
藻(Myriophyllum verticillatum)、莼菜 (Brasenia
schreberi)等水生植物的毒性大于 Cd2+,而对浮萍
(Lemna minor)和菱(Trapa bispinosa)的毒性则小
于 Cd2+[1-3,7,8,15-17].说明同一重金属对不同植物的
毒性不同,也说明不同植物对同一重金属的抗性
机理有差异.
根据本实验观察,到实验结束时(72h 后),除
最高浓度的 Hg2+、Cd2+及其复合胁迫下的伊乐
藻外部形态上有轻微退绿和不健壮的现象外,其
他处理组间外观上差异不很明显,结合叶绿素等
指标,与前人的研究结果[1-3,7,8,15-17]比较(把重金
属的剂量转换为µmol/L 对比)发现 ,伊乐藻对
Hg2+的抗性大于浮萍、轮藻、菹草、轮叶狐尾藻
等;对 Cd2+的抗性大于菱、浮萍、轮藻、菹草、
轮叶狐尾藻等.说明伊乐藻对 Hg2+、Cd2+的抗性
是比较强的,在生态修复中可以选择使用.
4 结语
Hg2+、Cd2+单一及复合胁迫后,伊乐藻可溶
性蛋白质浓度、叶绿素含量、叶绿素 a/b 比值、
净生产力、呼吸强度均随金属离子浓度增加而下
降,除呼吸强度外,两者呈负相关,有明显的剂量
效应关系.Hg2+对伊乐藻的毒性是 Cd2+的 4 倍左
右(以摩尔浓度计).两者复合作用时,对可溶性蛋
白和叶绿素含量以及净生产力的影响有协同效
应 ,对呼吸作用的影响有相加效应 .伊乐藻对
Hg2+、Cd2+有较强的抗性,在生态修复工程中可
以选用.
参考文献：
[1] 谷 巍,施国新,韩承辉,等.汞、镉污染对轮叶狐尾藻的毒害 [J].
中国环境科学,2001,21(4):371-375.
[2] 张小兰,施国新,徐 楠,等.Hg2+、Cd2+对轮藻部分生理生化指标
的影响 [J]. 南京师范大学学报,2002,25(1):38-43.
[3] 常福辰,施国新,丁小余,等.Cd2+、Hg2+复合污染下金鱼藻的细胞
膜脂过氧化和抗氧化酶活性的变化 [J]. 南京师范大学学报,
2002,25(1):44-48.
[4] 龚富生,张嘉宝.植物生理学实验 [M]. 北京:气象出版社,1995.
[5] 张龙翔.生化实验方法和技术 [M]. 第 2版.北京:高等教育出版
社,1997.
[6] 金相灿.湖泊富营养化调查规范 [M]. 北京:中国环境科学出版
社,1992.
[7] 郝怀庆,施国新,徐勤松.汞污染对水鳖的毒害影响 [J]. 南京师
范大学学报,2000,23(3):87-90.
[8] 郝怀庆,施国新,杜开和,等.镉污染对水鳖的毒害影响 [J]. 西北
植物学报,2001,21(6):1237-1240.
[9] 张玉秀,柴团耀,Gerard Burkard.植物耐重金属机理研究进展
[J]. 植物学报,1999,41(5):453-457.
[10] 黄玉山,陈健敏,谭风仪,等.植物重金属结合体的研究现状 [J].
植物学报,1992,34(2):146-158.
[11] 张金彪,黄维南.镉对植物的生理生态效应的研究进展 [J]. 生
态学报,2000,20(3):514-523.
[12] 严重铃,李瑞智,钟章成.模拟酸雨对绿豆、玉米生理生态特征的
影响 [J]. 应用生态学报,1995,6(增):124-131.
[13] Stobart A K, Grifiths W T, Ameen-Bukhari I, et al. The effect of
Cd2+ on the biosynthesis of chlorophyll, in leaves of barley [J].
Plant physiol., 1985,63:293-298.
[14] 杨丹慧.重金属离子对高等植物光合膜结构与功能的影响 [J].
植物学通报,1991,8(3):26-29.
[15] 陈国祥,施国新,何 兵,等.Hg、Cd 对莼菜越冬芽光合膜光化学
活 性 及 多 肽 组 分 的 影 响 [J]. 环 境 科 学 学
报,1999,19(5):521-525.
[16] 徐 楠,施国新,杜开和,等.Hg、Cd 及其复合污染对浮萍叶片的
毒害研究 [J]. 南京师范大学学报,2002,25(3):109-115.
[17] 李大辉,施国新,丁小余,等.Cd2+、Hg2+对菱幼苗生长及其超氧化
物歧化酶、过氧化物酶活性的影响 [J]. 武汉植物学研究 ,
1999,17(3):206-210.
作者简介：吴振斌(1956-),男,湖北黄梅人,研究员,博士,主要从事
水污染生态学研究.发表论文90余篇.
致谢：徐光来参加了部分实验工作,付贵萍博士对本研究给予了许
多帮助,在此表示感谢.