全 文 ：第 38卷第 1期
2007年 2月 　　　　　　　　　　　　
土　壤　通　报
Chine se Journal o f So il Sc ience
　　　　　　　　　　　　　　V o.l 38, No. 1
Feb. , 2007
单一重金属胁迫对灯心草生长及生理生化指标的影响
孙　健1 ,铁柏清1 ,钱　湛 1 ,毛晓茜 1 ,杨佘维 1 ,青山勋 2 ,罗　荣 2
(1.湖南农业大学 资源环境学院 ,湖南 长沙 410128;2.冈山大学 资源生物科学研究所 ,日本仓敷 710 - 0046)
　　摘　要:通过盆栽试验研究了不同浓度处理水平的 Cu、Cd、Pb、Zn 、A s五种重金属单一胁迫对灯心草生长及其生理生
化特性的的影响。结果表明:种植灯心草土壤中的 Cd、Pb、Cu三种重金属临界值可分别设定为 10m g kg- 1 、100 m g kg - 1、100
mg kg- 1。灯心草不适合在 Zn污染的土壤中种植 ,土壤中 A s临界值尚需作进一步的研究来确定 。各单一重金属胁迫对灯
心草叶绿素的合成均有很大程度的抑制作用 , 剂量 -效应关系明显。灯心草三种保护酶对于不同浓度处理水平重金属胁
迫的响应不同:在土壤环境质量低浓度设置范围内三种酶有较好的协同效应能共同抵御重金属胁迫造成的膜伤害 , 表现出
较强的自我调节能力。而在高浓度处理水平时 , 三种酶活性呈现不同的变化趋势。灯心草生理生化指标对重金属胁迫的
响应存在元素种类之间的差异。各单一重金属对灯心草生长抑制及生理毒害效应大小排序为:Zn>As>Cu>Pb>Cd。
关　键　词:单一重金属;胁迫;灯心草;生长;生理生化指标;土壤临界值
中图分类号:X503. 23　　　文献标识码:A　　　文章编号:0564-3945(2007)01-0121-07
　　随着工农业生产的发展 ,重金属以各种途径进入土
壤。常见的如:矿山开采 、污泥农用 、废水灌溉 、污染灰
尘沉降等都将加重土壤重金属污染[ 1] 。土壤环境中的
重金属污染具有隐蔽性 、长期性和不可逆的特点 ,通过
迁移转化 ,经过食物链的积累和放大作用以后 ,将对生
物产生更大的毒害作用。目前 ,在治理重金属污染土壤
的众多方法中植物修复技术因其治理效果的永久性 、治
理过程的原位性 、治理成本的低廉性 、环境美学的兼容
性 、后期处理的简易性等特点 , 受到人们的普遍推
崇 [ 2, 3] 。利用植物从污染土壤中提取重金属效率的高低
取决于植物本身的属性。然而 ,目前发现的超累积植物
往往植株矮小 、生长速度慢 ,再加上受气候 、土壤环境条
件的限制 ,在实际应用中能够去除土壤污染元素的总量
较小 ,因而作为土壤修复植物 ,具有较小的经济和应用
价值 [ 4] 。而一些普通植物虽然对重金属耐性低 ,组织中
重金属累积量也不高 ,但由于其生长速度快 、生物量大 ,
在给定时期内带走的单位面积土壤中重金属总量也大 ,
因而也具有极大的利用价值 。对此 ,有人提出仅仅应用
植物的生物富集系数和转运系数作为超累积植物的评
价指标是远远不足的 ,还必须考虑植物的生长周期和生
物量 。即富集质量分数虽未达某一水平 ,但生长快 、生
物量大的植物也能作为超富集植物[ 5] 。对于重金属对
植物的毒害方面研究者已经从形态 、生理生化 、细胞核
分子水平作了大量的研究工作 ,主要集中在剂量效应关
系的研究上 ,并从以前的高剂量 、短期的急性毒性试验
向低剂量 、长期的慢性毒性试验转变的趋势[ 6] 。重金属
污染下生物体抗性机理的研究一直是重金属污染生态
学的重要内容之一 。目前有关重金属污染对植物生态
毒理效应的研究主要集中于陆生及水生植物 ,而对湿地
植物的研究还涉及较少。
灯芯草 (Juncus effuses)别名:野席草 、灯草 、水灯
心 ,是席草类 、莎草科蒲草属 、多年生草本作物 ,在我国
分布较广。灯心草以其经济 、药用价值高而广泛应用于
医药和民用工业 ,在利用其治理城市污水方面也有相关
报道 [ 7, 8] 。 Cd、Pb、Cu、Zn、A s五种重金属元素可代表采
矿及冶炼厂所排污水和大气的典型污染物 ,由其导致大
面积的土壤污染给我国农业生产和人们身体健康造成
了极大的不利影响。本次盆栽实验旨在研究 Cd、Pb、
Cu、Zn、A s单一胁迫对灯心草生长及生理生化指标的影
响 ,力求探明五种重金属对灯心草的生理毒害机制及设
定在重金属污染区适合种植灯心草土壤中的各重金属
临界毒性效应值 ,以期同时获得最佳的经济效益和生态
效益 ,同时丰富环境污染生态学内容。
1　材料与方法
1. 1　供试材料
供试土壤采自湖南农业大学教学实习基地 ,为红壤
性水稻土(其理化性质及重金属含量背景值见表 1)。供
试植物为典型的湿生植物—灯心草(Juncus effuses),野外
采集。各重金属添加形式:CdC l2 2. 5H2O、Pb(NO 3)2 、
CuC l2 2H2O、Zn(NO3)2 6H2O、Na2HA sO4 7H2O均为
分析纯试剂。陶瓷盆:直径为 30 cm高为 20cm。
收稿日期:2005-11-14;修订日期:2006-01-16
基金项目:中日合作丰田基金项目资助(Toyota Fund D01 - B3 - 010)
作者简介:孙　健(1980 - ),男 ,侗族 ,湖南怀化人 ,湖南农业大学硕士研究生 ,主要从事环境污染治理和修复等方面的研究工作。
Em ail:sun jian472@163. com
表 1　供试土壤基本理化性质
Tab le 1 Phys ical and chem ical properties of the tes ted soils
pH
有机质(g kg -1)
O rganicmatter
CEC
(cmol kg - 1)
重金属背景含量
Content o f heavy me tals in soil(mg kg - 1)
Cd Pb Cu Zn A s
5. 5 21. 26 8. 64 0. 115 18. 35 15. 69 2. 49 3. 29
1. 2　盆栽实验
供试土壤经自然风干 、捣碎 、剔除杂物后过 2 mm
筛 ,同时测定其基本理化性质及重金属含量背景值。于
每陶瓷盆中装土 5kg,按预先设置的浓度(参照表 2)于
每盆中添加 CdC l2 2. 5H2O、Pb(NO3)2 、CuC l2 2H2O、
Zn(NO3)2 6H2O、Na2HA sO4 7H2O等各外源重金属 ,
同时按盆栽作物对养分的需求(即 N 200mg kg -1 、P2O5
100mg kg
-1 、K2O150 ～ 200 mg kg- 1),分别加入尿素 、磷
酸二氢钾和硫酸钾 400、200、300mg kg -1 ,喷施清水充分
混匀后平衡一周 ,作为模拟不同浓度的重金属污染土
壤。向每盆中分别移栽野外采集的灯心草 90株 ,并将
每株在距土面 2cm处剪断 ,待其重新生长。试验期间定
期浇水 ,保持 70%的田间持水量。生长 40天后取植株
相同部位茎叶 ,用蒸馏水洗净 、揩干 ,用于测定各项生理
生化指标。待其继续生长至 120天后收获 ,沿土表剪取
地上部 ,测量株高并观察记录其新增株数 ,同时洗出根
系。在 105℃下杀青半小时 , 70℃烘干 ,称量地上部和地
下部干重。数据处理采用 DPS3. 01中文数据统计软件
进行方差分析和多重比较。
1. 3　生理生化指标测定方法
灯心草叶绿素总含量 (叶绿素 a+叶绿素 b)的测
定:丙酮和乙醇浸提法[ 9] ,分别在波长 644nm和 662nm
表 2　盆栽试验处理元素种类和处理水平(m g kg - 1)
Tab le 2 Treatm en t elem ents and levels in the pot cu ltivation (m g kg -1)
处理元素
T rea tment
e lement
处理水平
Trea tm ene leve l
1 2 3 4
土壤环境质量标准(GB15618 - 95)
The Second G rade Soil Environmenta l
Qua lity Standard(GB15618 - 95)
二级
Second G rade
三级
ThreeG rade
对照
Contro l
— — — — — —
Cd 0. 3 1 10 20 ≤0. 30 ≤1. 0
Pb 50 100 300 500 ≤300 ≤500
Cu 50 100 200 400 ≤100 ≤400
Z n 50 12 250 500 ≤250 ≤500
A s 10 30 40 80
水田≤25
旱地≤30
水田≤30
旱地≤40
　注:处理水平(1、2、3、4)表示不同的处理元素处于同一竖列处理水平。
处用分光光度法测定 。 SOD活性的测定:化学比色
法 。按照从南京建成生物工程研究所所购买的试剂盒
的顺序测定 (U m l-1 FW )。 CAT活性的测定:分光
光度法 ,按照从南京建成生物工程研究所所购买的试
剂盒的顺序测定 (U m l-1 FW )。 POD活性的测定:愈
创木酚法[ 10] ( 470nm min- 1 g -1 FW)。试验结果为 3
次结果平均值。数据处理采用 O rig in6. 1工具软件作
图进行分析 。
2　结果分析与讨论
2. 1　单一重金属胁迫对灯心草生长的影响
Cd、Pb、Cu、Zn、A s单一重金属胁迫在试验条件下
对灯心草各项生长指标的比较列于表 3。表中结果为
三次重复的平均值。通过方差分析和多重比较可以区
分出添加的重金属元素对植物生长的综合影响差异 。
2. 1. 1　单一重金属胁迫对灯心草新增株数的影响　
从表 3可以看出 ,在土壤环境质量二级标准范围内 ,
Cd、Pb、Cu单一处理对灯心草的新增株数有一定的促
进作用 (处理水平 2、3、6、7、10、11)。在三者胁迫下灯
心草新增株数均高于对照且随着各重金属处理浓度的
增大而增加 。但当浓度超过此范围后 ,其新增株数随
重金属处理浓度进一步增加而显著减少 (在水平 4处
的 Cd处理除外 )。当在 Zn、A s单一处理条件下时 ,灯
心草新增株数均少于对照 ,并随着各自浓度的增加而
呈现出不同的变化趋势。 Zn处理时随着处理浓度的
增加其新增株数呈现下降趋势;A s处理时随着处理浓
度的增加其新增株数呈现先升后降的趋势 。从新增株
数与对照相比而言 ,各单一重金属对灯心草新增株数
的促进程度大小排序为:Cd>Pb>Cu>A s>Zn。
2. 1. 2　单一重金属胁迫对灯心草株高的影响　由表
3可知 ,除了在土壤环境质量二级标准范围内 Cd、Pb
单一处理下 (处理水平 2、3、6、7)的灯心草株高比对照
大外 ,其它各处理水平下的株高均低于对照 ,差异性显
著 (P >0. 5)。且在 Cd、Pb、Cu、Zn、A s单一胁迫下灯
心草株高随着各处理元素浓度的增加而呈现出的变化
趋势与新增株数的变化趋势相一致 ,随着 Cd、Pb、A s
处理浓度的增加其株高呈先升后降的趋势;随着 Cu、
Zn处理浓度的增加其株高呈下降的趋势 。
2. 1. 3　单一重金属胁迫对灯心草地上部干重的影响
土壤元素的临界含量 (土壤元素环境质量基准 )是制
订土壤环境质量标准的基础。作为制订土壤环境质量
基准方法之一的生态环境效应法是基于土壤一植物体
系 、土壤一微生物体系 、土壤一水体系或其中任何一种
体系的环境质量标准推算土壤中重金属元素的最高允
许浓度 。应用生态环境效应法得出的土壤环境质量基
122 土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　38卷
表 3单一重金属胁迫对灯心草新增株数 、株高 、地上部干重和地下部干重的影响(平均值 ±标准差 N=3)
Tab le 3 The effects of single heavy m etal stress on the new shoot num ber, plant heigh t, and shoot and root dry w eigh t yield of Juncu sE ffuses(m ean±SD N=3)
处理元素
Treatm en t
elem en ts
处理水平
T reatment
levels
灯　心　草(Juncu sE ffuses)
新增株数(株 /盆)
New shoot num ber
(one /pot)
株高(cm)
P lan t heigh t
(cm)
地上部干重(克 /盆)
D ry w eigh t in shoots
(g /pot)
地下部干重(克 /盆)
D ry w eigh t in roots
(g /po t)
CK 1 20±3. 21 e 69. 23±2. 71cd 20. 79±1. 68 cdefg 4. 08±0. 20bc
Cd 2 28±4. 73 cd 72. 22±2. 38bc 25. 96±3. 27b 4. 38±0. 43b
3 36±5. 69 ab 75. 37±3. 03ab 32. 08±3. 10a 5. 38±0. 50a
4 26±4. 16 cd 65. 30±1. 71de 23. 02±1. 23b cde 3. 58±0. 13cd
5 14±3. 06 fg 51. 90±2. 65hi j 15. 22±2. 77h ijk 2. 16±0. 39gh
Pb 6 24±3. 61 cde 71. 85±3. 19bc 21. 78±4. 49b cdef 3. 91±0. 27bcd
7 38±3. 61 a 78. 90±3. 48a 24. 35±3. 75b cd 4. 23±0. 26b
8 18±4. 04 ef 60. 38±2. 50ef 17. 80±2. 88 fgh 3. 03±0. 39ef
9 10±3. 06gh 52. 83±5. 21h 14. 50±1. 65h ijk 2. 09±0. 18h
Cu 10 30±5. 57b c 65. 37±7. 39de 25. 31±5. 44b c 4. 22±0. 34b
11 24±4. 58d e 59. 90±2. 19fg 19. 93±3. 74defg 3. 45±0. 24de
12 8±2. 00h 54. 88±3. 48gh 17. 12±3. 914gh i j 2. 90±0. 60 f
13 6±2. 65h i j 47. 43±2. 62 jk 7. 28±0. 62m n 1. 92±0. 19 ij
Zn 14 10±3. 06gh 51. 54±1. 90hi j 14. 30±2. 34 ijk 2. 64±0. 41 fg
15 6±2. 08h i j 47. 59±1. 54 jk 11. 36±2. 16k lm 1. 53±0. 15 jk
16 2±0. 58 jk 39. 28±2. 48 l 8. 28±0. 69m n 1. 37±0. 15k l
17 0±0. 00k 28. 90±1. 88m 5. 36±0. 69n 0. 99±0. 13 l
As 18 6±0. 58h i j 49. 83±0. 89fgh 13. 04±1. 2 jk l 2. 59±0. 19 fgh
19 10±1. 53gh 54. 53±0. 70h 18. 96±1. 23efgh 3. 01±0. 24ef
20 14±4. 36 fg 56. 50±2. 62 ijk 22. 33±2. 65b cde 3. 70±0. 16cd
21 4±2. 00 i jk 46. 28±3. 14k 9. 33±0. 79 lm n 1. 20±0. 16k l
　*同一竖列的不同字母表示用 LSD方法测试时在 5%水平上的差异显著性
　*D ifferent letters(w i th in the sam e co lumn) indicate a sign ificant d ifference at 5% leve lLSD tes.t
准值是有害物质在土壤中有所积累 ,但对农作物和环
境尚没有造成危害和污染 。为此 ,国家土壤环境容量
协作组于 1991年制定了以作物产量为依据来确定土
壤临界含量的方法。依据规定将植物生物量或产量减
少 5% ～ 10%(灯心草产量数额小取高限 )土壤有害物
质的浓度作为土壤有害物质的最大允许浓度[ 11, 12] 。
由表 3可见 ,当土壤中 Cd含量分别为 0. 3 mg kg- 1 、1
mg kg
-1和 10 mg kg -1时与对照灯心草地上部干重相
比较 ,均表现出增产趋势 ,其增产的幅度为 10. 73% ～
54. 30%;但在 Cd含量为 20mg kg -1时 ,灯心草地上部
干重比对照减少了 26. 79%>10%。由此可见 ,当土
壤中 Cd浓度在土壤环境质量二级标准范围内时 ,灯
心草地上部产量呈现出上升趋势 ,说明在此浓度范围
内的 Cd浓度促进了灯心草的生长。但超出此浓度范
围后 ,重金属 Cd将显著地抑制灯心草的生长 。因此 ,
可以将土壤中 Cd的临界值设定为 10mg kg-1或稍高
于此值 。对于 Pb处理 ,在土壤环境质量二级标准浓度
范围内与对照灯心草地上部干重相比较 ,均表现出增
产趋势 ,在超过该浓度范围后则开始减产 ,其减产幅度
为 14. 38% ～ 30. 25% >10%。据此 ,可以将 Pb的土
壤环境质量二级标准上限值设定为适合种植灯心草土
壤中 Pb的临界值。在重金属 Cu和 Zn处理下 ,灯心
草地上部干重均随重金属浓度的升高而递减 ,除 Cu
处理在 50mg kg -1时高于对照外 ,其余处理均低于对
照 。但 Cu处理在为 100mg kg-1时降幅为 4. 14% <
10%。因此 ,可以将土壤中 Cu的临界含量设定为
100mg kg
- 1。而在 Zn处理下灯心草地上部干重最大
值仅为 14. 30mg kg -1 ,相对于对照减产幅度为 31.
22%>10%,由此可认为灯心草不适宜在 Zn污染土壤
上种植 。对于 A s处理 ,灯心草地上部干重则表现出与
重金属 Cd处理类似的变化趋势:随着重金属处理浓
度的增加其地上部干重均呈上升趋势 ,且最大值所对
应的重金属含量均超出了土壤环境质量二级标准。但
与 Cd处理不同的是 A s处理虽然在 40mg kg-1时灯心
草地上部干重达到最大 ,高于对照 ,但当土壤中 A s含
量低于或高于此值时灯心草地上部干重均比对照低。
因此 ,对于适合种植灯心草的土壤中 A s含量的临界值
尚需做进一步的研究予以确定 。通过比较分析各重金
属及其各处理水平对灯心草新增株数 、株高和地上部
干重的影响 ,可见对新增株数 、株高和地上部干重的影
响趋势是一致的 ,由此可以断定单一重金属胁迫对灯
心草地上部干重的影响主要是通过影响其新增株数和
1231期　　　　　　　　　　　孙　健等:单一重金属胁迫对灯心草生长及生理生化指标的影响
株高造成的 ,这对于应用灯心草修复重金属污染土壤
具有现实的指导意义 。
2. 1. 4　单一重金属胁迫对灯心草地下部干重的影响
　由表 3可以看出 ,不同重金属胁迫对灯心草地下部
干重的影响存在一定的元素种类差异。当土壤中 Cd
含量为 0. 3 ～ 1mg kg- 1、Pb含量为 100mg kg- 1、Cu含
量为 50mg kg -1时灯心草地下部干重均高于对照 ,其
增产幅度为 3. 43% ～ 31. 86%。而其它各浓度处理水
平的地下部干重均低于对照。与单一重金属对灯心草
地上部干重的影响相比较 ,影响的趋势基本上一致 ,但
从多重比较分析来看其影响程度相对较小 。可见灯心
草地下部对重金属的抗性要大于地上部 ,这种特性对
于利用灯心草进行土壤重金属污染区的植被重建 、固
土和固沙蓄水提供了科学根据 。
2. 2　单一重金属胁迫对灯心草生理生化指标的影响
2. 2. 1　单一重金属胁迫对灯心草叶绿素总含量的影
响　由图 1可以看出 ,不同单一重金属胁迫对灯心草
叶绿素总含量均表现为不同程度的抑制作用且随着其
处理浓度水平的增高分别呈现不同的特征影响趋势。
总体而言 ,在五种重金属单一胁迫下 ,灯心草叶绿素总
含量都明显低于对照 ,达到了极显著程度 。具体来看 ,
主要表现为两种变化趋势:(1)随着 Pb处理浓度梯度
的增高 , 灯心草叶绿素总含量呈平缓下降的趋势。
(2)随着 Zn、Cu、Cd、A s处理浓度梯度的增高 ,灯心草
叶绿素总含量呈先降后升再降的趋势 。由表 1还可
以 。
图 1　单一重金属胁迫对灯心草叶绿素总含量的影响
Fig. 1 The effect of s ingle heavy m etal s tress on ch lorophyl lcon ten ts ofJuncus
E ffu ses
看出在 Zn、Pb、Cu、Cd、A s五种重金属单一胁迫下灯心
草叶绿素总含量的最低值均出现在处理水平 4(其中
Pb、Cu、Zn均为土壤环境质量三级标准上限值 , Cd、A s
则超过了土壤环境质量三级标准 ),分别比对照下降
了 91. 37%、38. 77%、85. 82%、53. 10%、66. 00%。在
Zn、Cu胁迫下的处理水平 3处(其中 Zn为土壤环境质
量二级标准上限值 , Cu在土壤环境质量三级标准范围
内 )灯心草叶绿素总含量表现为突然的急剧下降 ,分
别为对照的 18. 93%和 20. 44%。可见 ,高浓度的重金
属胁迫对灯心草叶绿素总含量具有极大的抑制作用 ,
进而影响其光合作用和植株的正常生长 、发育。众所
周知 ,叶绿素是光合作用的主要色素 ,叶绿素的破坏与
降解会直接导致光合作用效率的降低 ,使植物得不到
足够养分 ,从而出现生长缓慢 ,甚至停止生长。目前许
多实验证明 ,重金属胁迫对植物的光合作用都是抑制
的 ,并且降低效应与胁迫程度成正比 ,另外光合作用的
降低也与植物种类和发育时期以及重金属的种类有
关 [ 13] ,本次试验研究结果支持这一观点
2. 2. 2　灯心草 POD酶对单一重金属胁迫的响应　有
关 POD许多研究表明 ,在重金属胁迫下 ,植物叶片的
POD活性表现为增强 [ 14, 15] 。由图 2可以看出随着 Zn、
Cu、Cd三种重金属处理浓度的增加 ,灯心草 POD活性
呈现先降后升的趋势 。 Zn、Cu胁迫下 POD抗性高峰
均出现在处理水平 3,分别比对照上升了 25. 09%和
8. 42%。 Cd胁迫下 POD抗性高峰出现在处理水平 4,
比对照上升了 16. 67%。而 Pb、A s则呈现先升后降再
升的趋势 ,其抗性高峰均出现在处理水平 1,分别比对
照上升了 29. 46%和 18. 52%。由图 2还可以看出 Zn
在其高浓度处理水平 4时灯心草 POD活性表现为突
然下降 ,低于对照 18. 86%。这表明随着 Zn处理浓度
的进一步增加 ,在植物体内产生的有毒物质超过了
POD正常的催化能力后则导致其活性的下降 ,其后果
是使植物体内 H2O 2过量积累 ,进而对植物体内的膜
系统造成潜在的氧伤害 。由此可以看出 Zn对灯心草
POD活性的影响要大于其他几种重金属 ,这与 Zn对
灯心草叶绿素总含量的影响趋势基本一致 。
图 2　灯心草 POD酶对单一重金属胁迫的响应
Fig. 2 The response of POD enyzm e of Juncus E ffuses to sing le h eavy m etal
stress
124 土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　38卷
2. 2. 3　灯心草 SOD酶对单一重金属胁迫的响应　由
图 3可以看出不同重金属对灯心草 SOD活性的影响
不同。在 Pb和 Cu单一胁迫下灯心草 SOD活性呈先
升后降的趋势 , Cd和 As呈现先降后升的趋势 ,而 Zn
则呈急剧下降趋势。许多研究表明 , SOD作为超氧自
由基清除剂 ,其活性高低与植物抗逆性大小有一定相
关性 ,在适度逆境诱导下 , SOD活性增加以提高植物
的适应能力关于重金属胁迫下植物体内 SOD活性的
变化。就目前的研究来看有两种情况:一是 SOD活性
随重金属浓度的增加而增加[ 16] ;二是随着重金属浓度
的增加 , SOD活性先上升后下降 [ 17] 。由此看来而在
Cd、A s两种重金属胁迫下灯心草 SOD活性变化趋势
基本与前者相似 ,而在 Pb、Cu、Zn三种重金属胁迫下
灯心草 SOD活性变化趋势基本与后者相似 。从 Cd、
A s胁迫对灯心草 SOD活性变化趋势线可以看出 ,与
其它三种重金属相比 Cd、A s在其高浓度处理水平 4
处 (其中 Pb、Cu、Zn均为土壤环境质量三级标准上限
值 , Cd、A s则超过了土壤环境质量 3级标准 ),灯心草
SOD活性不仅未降低 ,且有激活趋势 ,分别比对照高
出了 1. 68%和 4. 40%。而灯心草 SOD活性在 Pb、Cu、
Zn三种重金属胁迫下的变化趋势与 POD大体相同 ,
在高浓度处理水平 4处均达到了最低值 ,分别比对照
下降了 33. 07%、25. 69%和 36. 53%。这就表明 Cd、
A s单一胁迫对灯心草 SOD活性的影响要明显小于其
它三种重金属 ,也可以在某种程度上推断 SOD酶在灯
心草抗 Cd、A s单一胁迫中起一定的作用。
图 3　灯心草 SOD酶对单一重金属胁迫的响应
Fig. 3 The response of SOD enyzm e of Juncus E ffuses to single heavy m etal
stress
2. 2. 4　灯心草 CAT酶对单一重金属胁迫的响应　图
4结果显示了不同浓度重金属单一胁迫下 , 灯心草
CAT活性的变化情况。从图 4中可以看出 ,随着 Zn、
Cd、Cu、A s处理浓度的增高 ,灯心草 CAT活性呈先升
后降的趋势 。低浓度重金属胁迫对 CAT活性有一定
的激发作用 ,但随着处理浓度的增高其活性逐渐被抑
制 。其中在 Zn、As胁迫下酶活性下降最为显著 ,在高
浓度处理水平 4时酶活性均低于对照 ,分别为对照的
62. 64%和 34. 58%。从图 4还可以看出与前四种重
金属表现出来的趋势相反 ,灯心草 CAT活性随着 Pb
处理浓度的增高呈先降后升的趋势。在低浓度时酶活
性遭到抑制 ,而在高浓度时被激活 。植物生理研究表
明 CAT是植物体内一种重要的氧化还原酶 ,可以清除
植物通过呼吸代谢或者光合作用等途径产生的 H2O2 、
清除植物体内过多的活性氧 、维持活性氧代谢的平衡 、
保护细胞膜的完整性 。它是生物氧化过程一系列抗氧
化酶的终端 ,逆境因子对生物生理的影响 ,可以通过终
端酶 CAT表现出来 。在本研究中出现 CAT活性随重
金属浓度增高呈先上升后下降这一现象的原因可能是
当植物处于较低浓度的重金属胁迫时 ,体内产生较多
H2O2 ,作为一种机体自卫反应 , CAT活性上升可以提
高植物清除 H2O2 的能力 , 从而在一定程度上缓解
H2O2积累对细胞的破坏。但是 ,随着重金属胁迫浓度
的增加 ,超过植物所能忍受的极限时 ,作为防御体系的
酶的活性也相应减弱 。图 4显示 CAT酶在 Pb胁迫下
亦表现与 SOD酶在 Cd、A s胁迫下类似的变化趋势。
在 Pb胁迫下植株有提高其 CAT活性的作用 ,并有随
着铅浓度增大而使 CAT活性增大的趋势。在高浓度
重金属胁迫下 ,灯心草的酶活性被激活的现象有可能
是灯心草在受外界不良因素干扰达到一定的程度下所
表现出来的一种应激反应 ,进而表明其对相应重金属
胁迫的抗性较强 。这对利用灯心草治理重金属污染土
壤具有极大的现实意义。
图 4　灯心草 CAT酶对单一重金属胁迫的响应
Fig. 4 The response ofCAT enyzm e of Jun cus E ffu ses to s ingle heavy m etal
stress
1251期　　　　　　　　　　　孙　健等:单一重金属胁迫对灯心草生长及生理生化指标的影响
3　小结
(1)以灯心草生物量为参考指标 ,根据生态环境
效应法可以将种植灯心草的土壤中 Cd、Pb、Cu三种重
金属临界值分别设定为 10mg kg-1 、100 mg kg -1 、100
mg kg
-1。灯心草不适合在 Zn污染的土壤中种植 ,土
壤中 A s临界值则尚需作进一步的研究来确定。
(2)各单一重金属胁迫对灯心草叶绿素的合成均
有极大程度的抑制作用 ,剂量 -效应关系明显。但在
不同重金属胁迫下灯心草叶绿素总含量下降的具体变
化趋势存在差异 。灯心草的三种保护酶对于不同浓度
重金属胁迫的响应程度不同。在接近土壤环境质量标
准低浓度范围内三种酶有较好的协同效应能共同抵御
重金属胁迫造成的膜伤害 ,表现出较强的自我调节能
力 。而在高浓度处理水平时 ,针对不同重金属胁迫 ,三
种酶呈不同的特征变化趋势 ,表现为激活或抑制。灯
心草生理生化指标对重金属胁迫的响应存在元素种类
间的差异。叶绿素含量和抗氧化酶活性与细胞受伤程
度直接相关 ,可作为植物分子生态毒理学指标及判断
植物对逆境胁迫抗性大小的依据。
(3)综合灯心草生长及生理生化指标变化情况来
看 ,各单一重金属对灯心草生长抑制程度及生理毒害
效应大小排序为:Zn>A s>Cu>Pb>Cd。
(4)本文研究对象灯心草为非食用类草本植物 ,
家禽和牲畜也极少采食 ,故其吸收的重金属不会通过
食物链逐级富集对人体健康造成威胁。同时 ,灯心草
在民用和工业方面用途广泛 ,经济价值较高。因而 ,在
土壤重金属污染区合理种植灯心草可以带来经济和生
态双重效益 。
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126 土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　38卷
E ffects of Cu, Cd, Pb, Zn and A s Single Stress on the Hrowth and
Physiological and B iochem icalCharacter istics ofJuncus E ffuses
SUN Jian
1 , TIE Bo-qing1 , Q IAN Zhan1 ,MAO X iao-qian, YANG She-wei1 , ISAO Aoyam a2 , LUO Rong2
(1.Co llege o fR esou rces and Environm en t, Hunan Agricu ltura lUn iversity, Changsha 410128, Ch ina;
2.Resea rch Institute for B ioresources, O kayam aU niversity, Kura sh iki 710 - 0046, Japan)
Abstract:The e ffec t o f Cu , Cd, Pb, Zn and A s on the g row th and the physiolog ical and biochem ical characteristics o f
Juncus E ffuses were studied by pot experiments. The resu lts show ed tha t the critica l values o f Cd , Pb, and Cu in the
Juncus E ffuses g rown so ilw ere set at 10, 100 and 100mg kg- 1 respective ly, butJuncusE ffuseswas not able to g row in the
Zn po llu ted soi.l The critical value o fA s in so il should be studied fu rther. When the trea tmen t concentra tion of d ifferen t
heavy me tals increased, the synthesis of chlorophyll in JuncusE ffuses was inhabited greatly and therew as obvious dosage
and wh ile the response of th ree de fensive enzymes in Juncus E ffuses was different to heavy meta l concen trations. The
find ings indicated tha t the response of physio logica l and biochem ical index o f Juncus E ffuses was different to d ifferen t
heavy me tals.
key words:S ing le heavy me tal;S tress;Juncus E ffuses;Physio log ica l and biochem ical index;C ritica l value of soil
1271期　　　　　　　　　　　孙　健等:单一重金属胁迫对灯心草生长及生理生化指标的影响