全 文 ：第 22 卷第 2 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.2 Vol.22
2008 年 4 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Apr . 2008
文章编号：1003-9015(2008)02-0339-05
镉对西洋菜生长影响的研究

宋关玲 1, 侯文华 2, 刘 朝 1, 丁剑峰 1, 王 磊 1, 王文彩 1
(1. 山东理工大学 生命科学学院, 山东 淄博 255049;
2.中国环境科学研究院 湖泊生态创新基地, 北京 100012)

摘 要：为了研究清楚西洋菜是否适合应用于有重金属镉污染的富营养化水体的修复，以不同浓度的镉处理 3 d 的西
洋菜为实验材料，研究了短期培养条件下镉对西洋菜生长的影响。主要测定了抗氧化系统的几种酶，包括 POD、CAT、
SOD 的活性以及可溶性蛋白、叶绿体色素含量的变化。研究表明，该植物对重金属镉比较敏感。水体中 Cd2+浓度为
0.05 mg⋅L−1 就可以使西洋菜利用光能的能力降低，细胞遭受一定程度的氧化伤害。Cd2+浓度达到 10 mg⋅L−1 时,西洋菜已
经失去清除体内过多活性氧的能力。该植物不适合应用于有重金属镉污染的富营养化水体的治理和生态修复。
关键词：富营养化；镉污染；西洋菜；保护酶；水体修复
中图分类号：Q89；X503.23 文献标识码：A
Effects of Cadmium on the Growth of Nasturtium Officinale R.Br.
SONG Guan-ling1, HOU Wen-hua2, LIU Zhao, DING Jian-feng1, WANG Lei1, WANG Wen-cai1
(1.Department of Life Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. Research Center for
Lake Ecology & Environments, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

Abstract: After cultivating 3 days in Steinberg medium with different concentrations of Cd2+, the growth of
Nasturtium officinale R.Br. was investigated for the purpose to find out if this plant is suitable to using on
restoration of eutrophicated waterbody with cadmium pollution. The variations of chlorophyll content, soluble
protein content, POD activity, CAT activity and SOD activity of Nasturtium officinale R.Br. after cultivating
treatments were measured in this study. The results show that Nasturtium officinale R.Br. is relatively sensitive
to cadmium pollution. Even if the Cd2+ concentration in the waterbody is as low as 0.05%, the ability of using
light of Nasturtium officinale R.Br. begins to decrease, and the cell of Nasturtium officinale R.Br. encounters a
certain extent of oxidative stress at the same time. It was also found that Nasturtium officinale R.Br. has no
ability to clean out the overmuch activated oxygen species in plant cell when Cd2+ concentration in the
waterbody reaches and over 10 mg⋅L−1. Finally, it may be concluded that Nasturtium officinale R.Br. is not
suitable to using on the restoration of eutrophicated waterbody with cadmium pollution.
Key words: eutrophication; cadmium pollution; Nasturtium officinale R.Br.; antioxidase;
waterbody restoration

1 引 言
目前由于氮、磷等营养元素大量输入水体而引起的水体富营养化已经是一个全球性的环境问题，我
国的水体富营养化状况十分严重，水体富营养化湖泊内蓝藻大规模爆发已成为我国最严重的水环境问题
之一。利用既有食用价值又有药用价值的水生蔬菜来治理水体富营养化是研究的热点课题之一。西洋菜
(Nasturtium officinale R.Br.)又名豆瓣菜，是我国从国外引进的水生蔬菜，原产于地中海东部，属于十字花

收稿日期：2006-10-08；修订日期：2007-05-11。
基金项目：国家重点基础发展规划研究项目(2002CB412300)。
作者简介：宋关玲(1971-)，女，黑龙江伊春人，山东理工大学副教授，博士。 通讯联系人：宋关玲，E-mail；sglhit.student@sina.com
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科草本植物，以较嫩的茎叶供食用，清香可口，营养丰富[1]，并且具有重要的药用价值。西洋菜有清燥
润肺、止咳化痰、利尿之功效[2]，也有人认为西洋菜具有重要的防癌功能[3]。西洋菜生长速度快，氮、磷
含量高，100 g 鲜菜中含有蛋白质 2.3 g、磷 60 mg[4]。基于以上原因西洋菜在水体富营养化治理中有广阔
的应用前景。通常水体的污染是比较复杂的，有些水体既有由于氮磷等营养元素引起的水体富营养化，
又有重金属以及有机农药等排入而引起的污染。虽然有一些方法可以对重金属以及有机农药污染的水进
行处理，比如湿式氧化法[5]，但是很难用于大规模的水体治理，因此这类污染物也广泛地存在于很多水
体当中。镉就是比较常见的一种水体重金属污染物，关于镉对西洋菜生长方面的影响国内外均未见报道。
本文以山东野生的西洋菜为材料，研究了水体常见的重金属镉短期胁迫后其一些生理指标的变化，以期
明确在含有重金属镉污染的富营养化水体是否适合利用该植物在浅水地带进行修复。

2 实验部分
2.1 材料来源及实验前处理
西洋菜采自山东省淄博市蒙山水库附近的溪流中。取回的西洋菜经流水清洗后在实验室内扩大繁殖，
使其适应室内的生长条件，一个月后用于实验。
2.2 培养条件
取用滤纸吸干 5 min 后相同质量(8 g)的西洋菜进行
培养。置于 60 cm×40 cm×20 cm 的水槽中，水槽装 1 L
添加不同浓度重金属镉的修改后 Steinberg 培养液[6](表
1)，镉离子的浓度分别设置为 0 mg⋅L−1、0.05 mg⋅L−1、0.5
mg⋅L−1、1 mg⋅L−1、5 mg⋅L−1、10 mg⋅L−1 和２0 mg⋅L−1，
pH 为 6.5。培养温度为 20~22℃，光照强度为 2000 lx，
光照时间为 16 h，培养箱的湿度设置为 60%。培养 72 h
后取样测定几种保护酶的活性以及叶绿体色素和可溶性
蛋白含量的变化。每组培养实验均设置 3 个重复。
2.3 分析方法
叶绿素含量的测定、酶液的制备、可溶性蛋白含量的测定、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)
活性以及超氧化物歧化酶(SOD)活性测定参见文献[7]。

3 结果与讨论
3.1 镉对西洋菜叶绿体色素含量的影响
水体中镉污染对西洋菜叶绿体色素
含量的影响见图 1。西洋菜短期暴露于含
有重金属镉的培养液后其叶绿素 a、叶绿
素 b、总叶绿素以及类胡萝卜素的含量都
有一定的降低，培养液中 Cd2+浓度越高，
西洋菜叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素以
及类胡萝卜素的含量降低值越大。
西洋菜短期暴露于含镉的培养液后叶
绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素以及类胡萝卜
素的含量降低表明，镉可以降低西洋菜对
光的利用率。极低浓度的镉(0.05 mg⋅L−1)
存在的条件下就可以明显地降低西洋菜
表 1 修改后 Steinberg 培养液的配方
Table 1 Composition of modified Steinberg medium
Substance Concentration / mg⋅L−1
KNO3 350
KH2PO4 90
K2HPO4 12.6
MgSO4.7H2O 100
Ca(NO3)2.42HO 295
MnCl2.4H2O 0.18
H3BO3 0.12
Na2MoO4 0.044
ZnSO4. 7H2O 0.18
FeCl3. 6H2O 0.76
Na2EDTA. 2H2O 1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.05 0.5 1 5 10 20
Cd2+ concentration/mg. L-1
pi
gm
en
t c
on
te
nt
(m
g
.g
-1
FW
)
chlorophyll a chlorophyllb
total chlorophyll carotenoid
l rophyll b
tenoid
Cd2+ concentration / mg⋅L−1

图 1 不同浓度 Cd2+对西洋菜叶绿体色素含量的影响
Fig.1 The content of chlorophyll of Nasturtium officinale R.Br. in
mediums with different Cd2+ concentrations

0 0.05 0.5 1 5 10 20
0.9
0.
0.
0.
0.
0.
0.3
0.
0.1
Pi
gm
en
t c
on
te
nt
/
m
g⋅g
−1
FW

l rophyll a
tal chlorophyll
第 22卷第 2期 宋关玲等： 镉对西洋菜生长影响的研究 341
利用光能来合成有机物的能力，就会对西洋菜的生长产生一定的抑制作用。其中的类胡萝卜素即是植物
光合色素，又是内源抗氧化剂，它在吸收光能保护叶绿素及猝灭单线态氧(1O2)方面起着重要作用。类胡
萝卜素含量的降低也表明镉对西洋菜的毒害作用较强，极低的浓度就可以使西洋菜猝灭单线态氧的能力
降低。
3.2 镉对西洋菜可溶性蛋白含量的影响
水体中重金属镉对西洋菜可溶性蛋白含量的影响见图 2。西洋菜短期暴露于含有重金属镉的培养液，
随着培养液中 Cd2+浓度的升高，西洋菜中可溶性蛋白出现先急速增高后降低的趋势。Cd2+浓度为 0.05
mg⋅L−1 就可以使西洋菜可溶性蛋白含量明显地升高，Cd2+浓度为 1 mg⋅L−1 时西洋菜可溶性蛋白含量达到
最大值，Cd2+浓度大于 1 mg⋅L−1 西洋菜可溶性蛋白的含量又开始降低，总的来说在有镉存在的条件下西
洋菜可溶性蛋白的含量均高于对照。
低浓度的镉存在的条件下西洋菜可溶性
蛋白含量的急速增高表明，镉对西洋菜的毒害
作用较强，极低的浓度就可以对西洋菜造成一
定程度的环境胁迫。西洋菜为了抵御这种胁迫
条件代谢发生了一定的变化，提高了蛋白的合
成以便增强自身抵御不良环境的能力。当水体
中镉离子浓度太高，超过 1 mg⋅L−1 时对西洋菜
造成的毒害作用已经超过了西洋菜的调节能
力，西洋菜提高其可溶性蛋白的含量来减轻这
种环境毒害的能力开始降低。总体来说在有镉
存在的培养液中的西洋菜可溶性蛋白的含量
均高于对照，分析原因主要是因为本文所用的
单位为每克鲜重(FW)植物叶片所含有的可溶
性蛋白的毫克数表示，其结果会受到植物含水
量的影响，受到重金属胁迫后植物含水量的减
少会对测定结果有一定的影响。
3.3 镉对西洋菜保护酶活性的影响
活性氧(如Ｏ2−，H2O2)是植物体内的正常
代谢产物，在胁迫的条件下，活性氧的含量升
高从而形成氧化胁迫，同时植物也可以依靠自
身的可以清除活性氧的各种抗氧化酶 (如
POD、CAT 和 SOD)来保护细胞抵御活性氧的
攻击，抑制膜脂过氧化。
西洋菜短期暴露于含有重金属镉的培养
液后其 POD 活性的变化情况见图 3。低浓度的
镉可以使西洋菜 POD 的活性升高,稍高浓度的
镉(Cd2+浓度大于 0.5 mg⋅L−1)又开始使 POD 的活性降低，Cd2+浓度 10 mg⋅L−1 起西洋菜 POD 的活性开始低
于对照。
POD 是一种涉及到植物生长、发育以及代谢等的一类酶，它们影响植物体内木质素和乙烯的合成、
IAA 的分解，同时也参与植物体内对病菌、伤害等的防御和保护作用[8]。通常植物体受到环境胁迫均会
表现出 POD 活性的升高或降低。一般的情况为植物在受到伤害时，升高 POD 的活性来减轻对机体的伤
害，当这种伤害已经达到一定程度时植物无法通过提高其 POD 的活性来减轻这种伤害，此时植物体的
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.05 0.5 1 5 10 20

PO
D
a
ct
iv
ity
/
U
⋅m
g−
1 p
ro
t⋅m
in
−1

Cd2+ content / mg⋅L−1

图 3 不同浓度的 Cd2+对西洋菜 POD 活性的影响
Fig.3 Effect of Cd2+concentration on POD activity of
Nasturtium officinale R.Br.
1200
1000
800
600
400
200
0 0.05 0.5 1 5 10 20
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 200 5 10 15 20
30
25
20
15
10
5
0
So
lu
bl
e
pr
ot
ei
n
co
nt
en
t /
m
g⋅g
−1
FW

Cd2+ content / mg⋅L−1

图 2 不同浓度 Cd2+对西洋菜可溶性蛋白含量的影响
Fig.2 Effect of different Cd2+concentrations on soluble protein of
Nasturtium officinale R.Br
342 高 校 化 学 工 程 学 报 2008年4月
POD 活性又开始降低。本研究中西洋菜 POD 活性随培养液中镉离子浓度的升高出现先增后降、Cd2+浓度
大于 0.5 mg⋅L−1 就使西洋菜 POD 活性降低的原因为水体中存在极低浓度的镉就可以对西洋菜造成一定的
过氧化损伤。西洋菜为了抵御这种外界的环境胁迫提高体内的 POD 活性来减轻这种氧化伤害。稍高浓度
的镉就可以使西洋菜提高 POD 活性来减轻这种氧化损伤的能力下降。镉离子浓度达到 10 mg⋅L−1 对西洋
菜造成的氧化损伤已经超过了西洋菜的调节能力，此时短期的镉胁迫下西洋菜宏观就表现出明显的死亡
症状。
镉对西洋菜 CAT 活性的影响见图 4。西洋
菜 CAT 的活性随着培养液中镉离子浓度的增
高出现先增高后降低的趋势，在所设计的浓度
下镉离子浓度为 0.5 mg⋅L−1时西洋菜 CAT 的活
性最高。镉离子浓度为 1 mg⋅L−1 时西洋菜 CAT
的活性就开始低于对照。
CAT 属于植物细胞内清除活性氧的一种
重要酶。这种酶参与清除过氧化氢的积累和毒
害来保持细胞内 H2O2 的正常水平。CAT 的作
用是把 H2O2 分解成水和氧气[9]，细胞 CAT 的
活性是H2O2转化的一个重要信号。细胞内CAT
活性升高一般是积累高浓度 H2O2 的表现。西
洋菜短期暴露于含有重金属镉的培养液后
CAT 活性随培养液中镉离子浓度升高出现先
增后降表明，西洋菜对重金属镉比较敏感，极
低浓度的镉就可以使其细胞内积累高浓度的
H2O2，西洋菜为了抵抗 H2O2 对其细胞造成的
氧化损伤，提高其体内的 CAT 活性把多余的
H2O2 分解成水和氧气。镉离子浓度大于 0.5
mg⋅L−1 时西洋菜 CAT 的活性开始降低，并且镉
离子浓度为1 mg⋅L−1时西洋菜CAT的活性就开
始低于对照说明了镉对西洋菜造成的氧化伤
害非常大，西洋菜在稍高浓度的镉存在的水体
环境中就降低了提高其体内 CAT 活性把多余
的 H2O2 分解成水和氧气的能力。镉浓度达到 1
mg⋅L 后西洋菜 CAT 活性开始低于对照更加说明了重金属镉对西洋菜的毒害很大，一旦水体中重金属达
到这个浓度，西洋菜就遭到了十分严重的过氧化伤害，短期内就可以致死。
镉对西洋菜 SOD 活性的影响见图 5。 镉对西洋菜 SOD 活性的影响同其对西洋菜 POD 和 CAT 活性
的影响类似。极低浓度的镉使西洋菜 SOD 活性明显地升高，镉离子浓度大于 0.5 mg⋅L−1 时西洋菜 SOD
活性开始降低，镉离子浓度 10 mg⋅L−1起西洋菜 SOD 活性开始低于对照。
SOD 是一种广泛存在于生物界的金属酶类，其存在与细胞的需氧代谢密切相关。SOD 作为植物抗氧
化系统的第一道防线，清除细胞中多余的超氧根阴离子。植物体 SOD 活性的升高代表着细胞内积累了高
浓度的超氧根阴离子，植物可以通过提高其体内 SOD 的活性来对超氧根阴离子的浓度进行调节。极低浓
度的镉使西洋菜 SOD 活性明显地升高，说明在水体中含有极低浓度的镉就可以对西洋菜造成氧化损伤，
使西洋菜细胞内积累了高浓度的超氧根阴离子，西洋菜提高体内 SOD 的活性来清除细胞内这些多余的超
氧根阴离子来减轻环境胁迫对其细胞的伤害。当镉离子浓度大于 0.5 mg⋅L−1 时西洋菜 SOD 活性开始降低，
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10
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40
50
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0 0.05 0.5 1 5 10 20
Cd2+ content /mg.L-1
C
A
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/U
.m
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1 p
ro
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m
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-1
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/
U
⋅m
g−
1 p
ro
t⋅m
in
−1

2+ tent / mg⋅L−1

图 4 镉对西洋菜 CAT 活性的影响
Fig.4 Effect of different Cd2+ concentrations on CAT
activity of Nasturtium officinale R.Br.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 5 10 15 20
Cd2+ content /mg. L-1
SO
D
a
ct
iv
ity
/U
.m
g-
1
pr
ot
2+ content / mg⋅L−1

图 5 镉对西洋菜 SOD 活性的影响
Fig.5 Effect of different Cd2+concentrations on SOD
activity of Nasturtium officinale R.B r
SO
D
a
ct
iv
ity
/
U
⋅m
g−
1 p
ro
t
第 22卷第 2期 宋关玲等： 镉对西洋菜生长影响的研究 343
镉离子浓度达到 10 mg⋅L−1 起西洋菜 SOD 活性开始低于对照。从 SOD 的变化又一次说明了水体中存在稍
高浓度的镉就可以造成西洋菜调节这种氧化伤害的能力下降，水体中重金属镉如果达到 10 mg⋅L−1，短期
内就会使西洋菜致死。

4 结 论
水体中重金属镉污染也同水体富营养化一样是一种常见的水体污染。西洋菜是富营养化水体修复的
一种首选的水生植物，但是该植物对重金属镉比较敏感。水体中 Cd2+浓度为 0.05 mg⋅L−1 就可以使西洋菜
利用光能的能力降低，细胞遭受一定程度的氧化伤害。利用该植物前要充分考虑到富营养化水体中是否
具有镉等污染物的存在，该植物不适合应用于在有镉污染的富营养化水体的治理和生态修复中。富营养
化水体中一旦存在重金属镉的污染应该选用对镉污染抗性较好的植物进行修复。

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