全 文 ：第 18 期
第 52 卷第 18期
2013 年 9 月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol． 52 No.18
Sep．，2013
收稿日期：2012－12－24
基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务专项（206030201－21）
作者简介：蒯广东（1988－），男，江苏宝应人，在读硕士研究生，研究方向为重金属污染的生物修复，（电话）15017536934（电子信箱）
kgd19880705＠163．com；通讯作者，方晓航，高级工程师，主要从事水土污染环境的生物修复研究，（电子信箱）fangxiaohang＠scies．org。
水浮莲（Pistia stratiotes L．）是一种多年生浮水
草本植物，分布广泛，根系发达，在环境修复领域应
用广泛。水浮莲不仅能修复富营养化水体［1］，还可以
吸附水体中多种重金属 ［2］，甚至可作为水体重金属
污染的指示生物［3］。 目前关于水浮莲修复水体重金
属污染的研究主要侧重于对重金属的富集能力以
及重金属对水浮莲过氧化反应和光合作用的影
响 ［4，5］，而重金属胁迫对水浮莲吸收矿物质元素的影
响鲜有报道。 因此，本研究以水生植物水浮莲为吸
附材料，考察了在不同浓度镉（Cd）的胁迫下，水浮
Cd胁迫对水浮莲中 Cd积累和生理特征的影响
蒯广东 1，2，李 轶 1，方晓航 2，刘晓文 2，杨 竹 2，3，常鹏利 2，3
（1．河海大学环境学院，南京 210098；2．环境保护部华南环境科学研究所，广州 510655；
3．兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070）
摘要 ：考察了不同浓度 ［0（对照组 ）、0．25、0．50、1．50、2．50、5.00 和 10.00 mg ／ L］镉 （Cd）对水浮莲 （Pistia
stratiotes L．） 植株的生长和 Cd 积累的影响， 同时分析了矿物质元素、 叶绿素含量和超氧化物歧化酶
（SOD）活性的变化情况。结果表明，经过 31 d 的培养，水浮莲的生长率与 Cd 的胁迫浓度呈极显著负相关
（P＜0．01，n＝21），而含水率无显著差异（P＞0．05，n＝21）。 Cd 主要积累于水浮莲的根部，且地上部分和根部
的 Cd 含量与 Cd 的胁迫浓度均呈极显著正相关 （P＜0．01，n＝21）。 此外，Cd 胁迫促进了水浮莲对 Cu、Zn、
Mg 和 Fe 的吸收，但是抑制了其对 Ca 的吸收，并且还抑制了水浮莲叶绿素的合成，降低了超氧化物歧化
酶（SOD）的活性。 与对照组相比，当 Cd 的胁迫浓度≥0．50 mg ／ L 时，叶绿素 a 和 b 的含量均显著降低（P＜
0．05），当 Cd 的胁迫浓度≥1．50 mg ／ L，超氧化物歧化酶活性显著降低（P＜0．05）。
关键词：水浮莲（Pistia stratiotes L．）；Cd 胁迫；叶绿素；超氧化物歧化酶
中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2013）18－4363-05
Effect of Cd Stress on Cd Accumulation and Physiological Characteristics of
Pistia stratiotes L．
KUAI Guang－dong1，2，LI Yi1，FANG Xiao－hang2，LIU Xiao－wen2，YANG Zhu2，3，CHANG Peng－li2，3
（1．College of Environmental Sciences， Hohai University， Nanjing 210098， China； 2．South China Institue of Environmental Sciences．MEP，
Guangzhou 510655， China； 3．School of Environmental and Municipal Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）
Abstract： Under different concentrations（0，0．25，0．50，1．50，2．50，5.00 and 10.00 mg ／ L）of Cd stress ，the growth and Cd accu-
mulation of Pistia stratiotes L． were investigated， as well as the mineral elements， chlorophyll and superoxide dismutase
（SOD） activity variations． The results showed that after 31 days of cultivation， there was a very significant negative correla-
tion （P＜0．01，n＝21） between the growth rate of Pistia stratiote L． and Cd stress concentration， but the moisture contents had
no obvious difference（P＞0．05， n＝21）． Cd mostly accumulated in the root of Pistia stratiotes L．， and the Cd contents in aerial
part and root of Pistia stratiotes L． showed very significant positive correlation （P＜0．01，n＝21） with Cd stress concentration． In
addition， Cd stress could promote Pistia stratiotes L． uptaking of Cu， Zn， Mg and Fe， but inhibit the uptaking of Ca and
the synthesizing of chlorophyll， and could reduce the superoxide dismutase（SOD） activity of Pistia stratiotes L． Compared with
the control group， when Cd stress concentration was more than 0．50 mg ／ L， the chlorophyll a and chlorophyll b contents were
all significantly decreased （P＜0．05）， and the superoxide dismutase（SOD） activity was significantly decreased （P＜0．05） when
Cd stress concentration was more than 1．50 mg ／ L．
Key words： Pistia stratiotes L．； Cd stress； chlorophyll； superoxide dismutase（SOD）
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2013.18.002
湖 北 农 业 科 学 2013 年
莲生长及 Cd 积累的情况，同时分析了矿质元素、叶
绿素含量和超氧化物歧化酶 （SOD） 活性的变化情
况，为水浮莲吸附修复水体重金属污染提供参考依
据。
1 材料与方法
1．1 材料
水浮莲样品采集于广州市南海潘生水生植物
养殖场，清洗后在生态温室中采用 Hoagland 营养液
（pH 5．8±0．2，下同）预培养 4 d后，作为供试植物。
1.2 方法
1．2.1 试验方法 分别选取长势较好， 且大小、质
量均匀的水浮莲各 3 株， 清洗后用滤纸吸净并称
重，然后置为 1 盆，共 7 盆。 每盆分别添加 CdCl2·
2．5H2O， 设置培养液 Cd 浓度为：0 （对照组）、0．25、
0．50、1．50、2．50、5.00和 10.00 mg ／ L。培养 31 d后，取
出清洗再用滤纸吸净。 各取 1株取下新鲜叶片放于
4 ℃冰箱中保存，余下部分则分为地上部和根部，称
重后在 105 ℃烘箱中烘干至恒重，再次称重并粉碎、
分装保存。
1．2.2 分析方法 经培养后水浮莲植株增加的质
量与培养前质量的比值即为水浮莲生长率。 培养后
水浮莲植株鲜重减去干重之差与鲜重的比值即为
水浮莲含水率。 取粉碎后的水浮莲地上部分和根部
样品各 1 g，采用 H2SO4＋H2O2法消解后，稀释适当倍
数采用 ICP 发射光源的光谱分析法测定 Cd 和矿物
质元素含量。 取水浮莲鲜叶片样品参照文献［6］测
定叶绿素含量，参照南京建成生物工程研究所提供
的超氧化物歧化酶测定试剂盒的方法测定超氧化
物歧化酶 （SOD） 的活性。 数据分析采用 Excel 和
SPSS软件，数据用平均数±标准差来表示。
2 结果与分析
2．1 Cd胁迫对水浮莲生长的影响
如图 1 所示，在不同浓度的 Cd 胁迫下，水浮莲
的生长均受到了抑制， 并且水浮莲的生长率与 Cd
的胁迫浓度呈极显著负相关（P＜0．01，n＝21），相关系
数（r）=－0．863 0，说明 Cd 的胁迫浓度越高，抑制作
用越明显。 但在不同浓度 Cd的胁迫下，水浮莲的含
水率无显著差异（P＞0．05，n＝21）。 当 Cd的胁迫浓度
超过 5.00 mg ／ L 时，水浮莲植株变褐发黄甚至枯萎，
呈现负增长， 即说明当 Cd 的胁迫浓度超过 5.00
mg ／ L时，会对水浮莲产生明显的毒害作用。李华等［7］
研究发现剑兰 （Gladiolus hortulanus）、 台湾水韭
（Isoetes taiwanensis）、 尖叶皇冠（Echinodorus ama-
zonicus）在 Cd 浓度为 5.00～20.00 mg ／ L 的胁迫下都
会出现不同程度的黄尖和枯萎的现象。 而一些其他
科的植物如金银花 （Lonicera japonica） ［8］、 小麦
（Triticum aestivumlinn）［9］， 在 Cd 的胁迫浓度超过
50.00 mg ／ L时才会出现严重毒害现象。故当水体 Cd
污染浓度不超过 5.00 mg ／ L 时， 可考虑采用水浮莲
吸附修复技术。
2．2 Cd胁迫对水浮莲中 Cd积累的影响
由表 1 可知，随着 Cd 胁迫浓度的增加，水浮莲
地上部分 Cd 含量和根部的 Cd 含量均呈增加趋势，
且都与 Cd 的胁迫浓度呈极显著正相关（P＜0．01，n＝
21），r=0．992 7、0．974 6。 水浮莲中 Cd的积累情况还
可以通过富集系数和迁移系数来表达。 水浮莲地上
部分对 Cd 的富集系数与 Cd 的胁迫浓度呈显著正
相关（P＜0．05，n＝21），r=0．526 0，而水浮莲根部对 Cd
的富集系数与 Cd 的胁迫浓度却呈负相关。 水浮莲
根部对 Cd 的富集系数远大于地上部分， 地上部分
的富集系数在 Cd 的胁迫浓度为 5．00 mg ／ L 时有最
大值 255．41±27．72，根部的富集系数在 Cd 的胁迫浓
度为 0．50 mg ／ L时有最大值 2 259．89±265．28。 Cd在
水浮莲中的迁移系数与 Cd 的胁迫浓度呈极显著正
相关（P＜0．01，n＝21），r=0．882 0，并且在 Cd 的胁迫浓
度为 10.00 mg ／ L时，出现最大值 0．21±0．01。 通常认
为大多数植物吸附的重金属主要积累在根部，而地
上部分的含量都较低。 Upadhyaya 等［10］和 Su觡e等［11］
研究都发现重金属主要富集在水生植物的根部。 水
浮莲根部吸收 Cd 能力大于地上部分的原因可能
是：水浮莲根部的比表面积为 4．9 m2 ／ g［10］，有较强物
理化学吸附能力； 水浮莲对 Cd 毒害的适应过程将
Cd 阻滞于根部 ［12］。 因此可以说明，水浮莲在 Cd 的
胁迫下能富集 Cd， 且根部的富集能力大于地上部
分。 此外，水浮莲地上部分和根部的 Cd含量都与水
浮莲生长率呈极显著负相关，说明水浮莲在富集 Cd
的同时也受到了 Cd的毒害作用。
2．3 Cd胁迫对水浮莲中矿物质元素含量的影响
水生植物对矿物质元素的吸收是一个重要的
注：不同小写字母表示差异显著（P<0．05），下同。
图 1 Cd 胁迫对水浮莲生长率和含水率的影响
120
100
80
60
40
20
0
百
分
率
//%
0 0.25 0.50 1.50 2.50 5.00 10.00
Cd 的胁迫浓度//mg/L
含水率
生长率
ab ab ab abab a a
a
b
bc cd
de e f
4364
第 18 期
表 2 水浮莲地上部分不同矿物质元素含量之间以及与 Cd 胁迫浓度的相关系数（n=21）
相关系数
Cd
Cu
Zn
Mn
Fe
Mg
Ca
Na
Cd
-
-
-
-
-
-
-
-
Zn
0.567 0**
0.730 0**
-
-
-
-
-
-
Mn
0.602 0**
0.503 0*
0.827 0*
-
-
-
-
-
Cu
0.486 0*
-
-
-
-
-
-
-
Mg
0.435 0*
0.412 0
0.683 0**
0.820 0**
0.694 0**
-
-
-
Ca
-0.063 0
0.272 0
0.411 0
0.586 0**
0.468 0*
0.738 0**
-
-
Fe
0.657 0**
0.717 0**
0.929 0**
0.893 0**
-
-
-
-
Na
0.379 0
0.551 0*
0.847 0**
0.840 0**
0.865 0**
0.712 0**
0.496 0*
-
表 3 水浮莲根部不同矿物质元素含量之间以及与 Cd 胁迫浓度的相关系数（n=21）
相关系数
Cd
Cu
Zn
Mn
Fe
Mg
Ca
Na
Cd
-
-
-
-
-
-
-
-
Zn
0.476 0*
0.539 0**
-
-
-
-
-
-
Mn
-0.842 0**
-0.804 0**
-0.651 0**
-
-
-
-
-
Cu
0.922 0**
-
-
-
-
-
-
-
Mg
0.480 0*
0.610 0**
0.563 0**
-0.606 0**
-0.294 0
-
-
-
Ca
-0.469 0*
-0.256 0
0.151 0
0.425 0
0.399 0
-0.093 0
-
-
Fe
0.567 0**
-0.496 0*
0.089 0
0.275 0
-
-
-
-
Na
-0.735 0**
-0.814 0*
-0.545 0*
0.618 0**
0.410 0
-0.561 0**
-0.015 9
-
生理特征。 由表 2 可知，水浮莲地上部分的 Zn、Mn
和 Fe 含量与 Cd 的胁迫浓度呈极显著正相关 （P＜
0．01，n＝21），Cu 和 Mg 含量与 Cd 的胁迫浓度呈显
著正相关（P＜0．05，n＝21）。 由表 3 可知，水浮莲根部
的 Cu 和 Fe 含量与 Cd 的胁迫浓度呈极显著正相关
（P＜0．01，n＝21），Zn 和 Mg 含量与 Cd 的胁迫浓度呈
显著正相关（P＜0．05，n＝21），Mn 和 Na 含量与 Cd 的
胁迫浓度呈极显著负相关（P＜0．01，n＝21），Ca 含量
与 Cd的胁迫浓度呈显著负相关（P＜0．05，n＝21）。
在 Cd的胁迫下， 水浮莲地上部分和根部对 Ca
的吸收都呈现降低趋势。 这是因为 Cd 在水浮莲中
积累的过程占用了 Ca2＋通道， 抑制了其对 Ca2＋的吸
收［13］。 有研究表明，Cr能导致植物叶片肿胀，增强对
Mg 摄取［14］，Cd 胁迫促进水浮莲对 Cu、Zn、Mn、Fe 和
Mg 的吸收， 也有可能是 Cd 胁迫使水浮莲植株肿
胀， 再加上水浮莲植株自身物理化学吸附引起的。
Cd 胁迫影响植物对矿物质元素的吸收的机理比较
复杂， 不同植物对矿物质元素的吸收受 Cd 胁迫的
影响也不完全相同，如玉米幼苗对 Ca、Mg、Fe 和 Cu
的吸收量随 Cd 的胁迫浓度提高呈增加趋势，对 K、
Zn 则呈降低趋势 ［15］，而水稻的叶和鞘中 Ca、Cu、K、
Mg和 Mn的含量也会受到 Cd的抑制［16］。
2．4 Cd胁迫对水浮莲叶绿素含量的影响
光合作用是植物的核心代谢过程 ［17］，而叶绿素
含量是影响光合作用的重要因素。 因此，研究叶绿
素含量的变化情况可以反映出植物光合作用的强
弱。叶绿素中又以叶绿素 a为主要色素，叶绿素 b和
类胡萝卜素等都是辅助色素 ［18］。 如图 3 所示，随着
Cd的胁迫浓度不断增加，水浮莲叶绿素 a 和 b 的含
量均有降低趋势， 而叶绿素 a与叶绿素 b的比值则
呈增大趋势。 说明 Cd 胁迫能抑制水浮莲的光合作
用，且对叶绿素 a 的抑制作用小于叶绿素 b。 当 Cd
表 1 Cd 胁迫下水浮莲地上部分和根部 Cd 的含量
Cd 胁迫浓度
mg/L
0
0.25
0.50
1.50
2.50
5.00
10.00
r
Cd 含量//mg/（kg·DW）
地上部分
1.02±0.31
48.16±3.52
93.89±3.69
214.42±6.81
572.48±5.08
1 277.04±11.75
2 271.44±15.39
0.992 7**
地上部分
-
192.66±13.92
187.78±6.97
142.95±11.34
228.99±30.78
255.41±27.72
227.14±14.03
0.526 0*
根部
3.56±0.33
547.64±40.98
1 129.94±132.64
2 486.10±167.76
4 733.14±629.47
7 108.17±566.23
10 724.77±499.16
0.974 6**
根部
-
2 190.55±164.92
2 259.89±265.28
1 657.4±111.84
1 893.26±251.77
1 421.63±113.25
1 072.48±49.92
-0.160 0
迁移系数
-
0.08±0.01
0.08±0.01
0.09±0.01
0.12±0.01
0.18±0.01
0.21±0.01
0.882 0**
富集系数（BF）
注：“*”表示显著相关（P<0.05，n=21）；“**”表示极显著相关（P<0.01，n=21），下同。
蒯广东等：Cd 胁迫对水浮莲中 Cd 积累和生理特征的影响 4365
湖 北 农 业 科 学 2013 年
的胁迫浓度为 0．50 mg ／ L 时， 叶绿素 a 和 b 的含量
分别为 0．23±0．01 和 0．62±0．07 mg ／ g。 与对照组
（0．37±0．07、0．76±0．0 mg ／ g）相比 ，当 Cd 的胁迫浓
度≥0．50 mg ／ L时，叶绿素 a和 b 的含量均有显著差
异（P＜0．05）。 徐楠［16］在研究浮萍时也发现叶绿素含
量与 Cd的胁迫浓度呈极显著负相关。重金属 Cd抑
制植物叶绿素合成的主要原因可能是 Cd 进入植物
叶内后，产生与叶绿体蛋白质的－SH 结合物 ［19］和脂
类过氧化物，破坏了叶绿体的功能与结构 ［20］。 此外
Cd 还有可能阻碍一些营养元素在水浮莲植株体内
运输，从而影响叶绿素的合成。叶绿素 a和 b的含量
与叶片中的 Cd含量呈极显著负相关（P＜0．01，n＝21），
进一步表明 Cd 胁迫能阻碍水浮莲叶绿素的合成，
抑制其光合作用。
2．5 Cd胁迫对水浮莲 SOD活性的影响
超氧化物歧化酶（SOD）是植物适应外界逆境胁
迫的一种重要酶类， 可以清除氧自由基保护机体。
如图 4 所示，当 Cd 的胁迫浓度逐渐增加时，水浮莲
超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈降低趋势。当 Cd的
胁迫浓度≥1．50 mg ／ L 时， 与对照组 138．73±17．78
U ／ （mg·prot）相比，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的
活性显著降低 （P＜0．05）， 并且在 Cd的胁迫浓度为
10.00 mg ／ L，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的活性
出现了最低值，为 43．21±2．74 U ／ （mg·prot）。 一般认
为 Cd 胁迫能促进细胞内活性氧组分的合成， 加剧
细胞的氧化胁迫 ［21］，进而导致植物体内超氧化物歧
化酶（SOD）活性降低。然而不同植物在 Cd胁迫下的
表现也不一样。 小麦种子超氧化物歧化酶（SOD）的
活性随着培养液 Cd 的浓度增加而减少 ［22］，而玉米
超氧化物歧化酶（SOD）的活性随着培养液 Cd 的浓
度增加而增加［23］。 这可能是由于不同植物体之间差
异引起的，此外不同种类超氧化物歧化酶（如 Mn-
SOD、Fe-SOD、CuZn-SOD I、CuZn-SOD II）的活性受
Cd 的影响不相同 ［24，25］，也是超氧化物歧化酶（SOD）
活性受 Cd影响差异的原因之一。
3 结论
试验结果表明：①在不同浓度的 Cd 胁迫下，水
浮莲生长率与 Cd 的胁迫浓度呈极显著负相关 （P＜
0．01，n＝21），含水率却无显著差异 （P＞0．05）；②Cd
主要积累于水浮莲的根部并产生富集，且水浮莲地
上部分和根部 Cd 含量均与 Cd 的胁迫浓度呈极显
著正相关（P＜0．01，n＝21）；③Cd 胁迫能促进水浮莲
对 Cu、Zn、Mg和 Fe的吸收，抑制对 Ca的吸收；④当
Cd 的胁迫浓度≥0．50 mg ／ L 时， 叶绿素 a 和叶绿素
b 含量开始出现显著降低（P＜0．05），且 Cd 对叶绿素
a 的抑制作用小于叶绿素 b； ⑤Cd 的胁迫浓度≥
1．50 mg ／ L，水浮莲超氧化物歧化酶（SOD）的活性显
著降低（P＜0．05）。
本试验重点研究了水浮莲在不同浓度的 Cd 胁
迫下， 培养前后水浮莲地上部分和根部的 Cd 积累
特征、矿物质元素和叶绿素含量以及超氧化物歧化
酶（SOD）活性的变化情况，可以在一定程度上说明
水浮莲受 Cd 胁迫的机理， 为水浮莲吸附修复水体
重金属污染提供依据。
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1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
叶
绿
素
含
量
//m
g/
g
0 0.25 0.50 1.50 2.50 5.00 10.00
Cd 的胁迫浓度//mg/L
图 3 Cd 胁迫对水浮莲叶绿素 a、b 含量及叶绿素 a ／ b 的
影响
叶绿素 a
叶绿素 b
图 4 Cd 胁迫对水浮莲 SOD 活性的影响
180
150
120
90
60
30
0
SO
D/
/U
/（
m
g·
pr
ot
）
0 0.25 0.50 1.50 2.50 5.00 10.00
Cd 的胁迫浓度//mg/L
a a
a
b
c
bc
d
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