全 文 ：Cd 、Zn复合污染对水车前叶绿素含量和
活性氧清除系统的影响＊
徐勤松　施国新　周红卫　徐　楠　张小兰　曾晓敏
(南京师范大学生命科学学院 , 南京 210097)
摘　要　主要研究了重金属 Cd、Zn 单一及复合污染对水车前叶绿素含量和活性氧清除系统的
影响。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性都在 0.1mg·L-1 Cd
处理浓度时达到峰值 , 随培养浓度的增加 ,活性下降。叶绿素含量则随处理的浓度的上升而呈
递减趋势。在各 Cd处理梯度中加入 Zn后 ,随加入 Zn 浓度的增大 , 上述各指标与单一 Cd 处理
差异显著性增强 , 表明 Zn 增强了 Cd 的毒害作用 , 显示出协同作用的趋势。
关键词　Cd , Zn ,复合污染 ,水车前 , 叶绿素 ,活性氧
中图分类号　Q946.91+5　　　文献标识码　A　　　文章编号　1000-4890(2003)01-0005-04
Effects of Cd and Zn combined pollution on chlorophyll content and scavenging system of activated
Oxygen in Leaves of Ottelia alismoides(L.)Pers.XU Qinsong , SHI Guoxin , ZHOU Hongwei , XU
Nan , ZHANG Xiaolan , ZENG Xiaomin(School of L ife sciences , Nanjing Normal University , Nan-
jing 210097 , China).ChineseJournal of Ecology , 2003 , 22(1):5 ～ 8.
Effects of single and combined pollution of Cd and Zn on chlorophy ll content and scavenging system
of activated oxygen in leaves of Ottelia alismoides(L.)Pers.was measured.The results showed that
the activity of SOD , POD and CAT w as up to the highest point at 0.1mg·L-1 o f Cd culture concen-
tration and decreased afterwards.The content of chlorophyll decreased with the increase of Cd cul-
ture concentration.A much mo re difference appeared when Zn was added to the solution than single
Cd stress , which indicated that Zn streng thened the tox ic effect of Cd.There w as a synergistical ac-
tion betw een Cd and Zn on the effect of scavenging system of activa ted oxygen and chlorophy ll con-
tent.
Key words　Cd , Zn , combined pollution , Ottelia alismoides(L.)Pers., chlo rophyll , activated oxy-
gen.
＊国家自然科学基金项目(39770046)资助。
收稿日期:2001-09-05　　改回日期:2001-11-28
1　引　言
水环境污染中十分突出的是重金属的污染 ,其
主要来源为流入物 、渗漏 、土壤淋失和大气沉降[ 13] 。
由于重金属污染物能在生物体内富集 ,并通过水生
食物链的生物放大作用而对高营养级的生物甚至人
类造成危害 ,因此引起人们的日益关注。由于重金
属元素之间的加和 、协同 、拮抗等效应使重金属污染
的评价和监测更复杂 ,因此如何正确评价重金属元
素之间的联合作用对环境污染治理具有重要意义 。
在自然界中 ,人们已经注意到 Cd与 Zn的共生状况
和在植物体内相当高的发生交互作用的机率 ,许多
研究都报道了二者共存条件下的环境生态效
应[ 4 ～ 6] 。而高等水生植物对污水中的重金属元素
有一定的富集能力 ,其受毒害后的症状表现可以作
为环境污染监测的指标 ,因此具有净化 、监测水体污
染的作用 。尤其是沉水植物(Submerged macro-
phy tes),它作为生态系统中重要的初级生产者和溶
解氧的调节者[ 10] ,不仅为众多的水生动物提供觅
食 、栖息和繁殖的场所 ,而且可以净化水体 ,维持水
体生态平衡 ,利用沉水植物的净化作用也是治理湖
泊污染 、改善湖泊水质的途径之一。
2　材料与方法
2.1　材料及处理
水车前[ Ottelia alismoides(L.)Pers.]江苏又称
水带菜 ,属于水鳖科 ,沉水草本 ,我国南北均产 ,生于
池塘 、沟溪或水田 、静水池沼中 。采自江苏苏州 ,生
长正常后 ,一次性施入含CdCl2·2.5H2O(AR)和 Zn-
SO4·7H2O(CP),使培养液中 Cd[以纯 Cd计] 的浓
生态学杂志 Chinese Journal o f Eco logy　2003 , 22(1):5 ～ 8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　
DOI :10.13292/j.1000-4890.2003.0002
度梯度为 0.1 、1 、10和50 mg·L-1 ,Zn[以纯 Zn计]
处理浓度梯度为 5 、50 、100和200 mg·L -1 ,另设对
照为 0。单一及复合污染处理的浓度组合共 25 个
(表 1).实验设 3个重复 ,处理后第 5天取相同叶位
的叶片 ,蒸馏水洗净 ,揩干 ,测定生理指标的变化 。
并对实验数据进行 T 型分析 ,以检测其显著性差
异。
表 1　Cd、Zn复合处理的实验设计
Tab.1　Experimental design of Cd and Zn treatment
Zn
(mg·L -1)
Cd(m g·L-1)
0 0.1 1 10 50
0 0+0 0+0.1 0+1 0+100 0+50
5 5+0 5+0.1 5+1 5+10 5+50
50 50+0 50+0.1 50+1 50+10 50+50
100 100+0 100+0.1 100+1 100+10 100+50
200 200+0 200+0.1 200+1 200+10 200+50
2.2　测量方法
叶绿素含量的测定:分光光度法[ 2] ,单位为 mg·
g -1·FW 。
SOD 、POD 、CAT 酶液的制备:取材于预冷研拨
钵中 ,加入 pH7.8磷酸缓冲液(0.05 mol·L-1),冰
浴下研磨成匀浆 ,10 000 r·min-1 ,低温离心20 min ,
上清液即为所需酶液 。
SOD活性的测定:化学比色法 ,按从南京建成
生物工程研究所所购买的试剂盒的顺序测定 ,单位
为 nU·g -1·FW ,以 SOD抑制率达 50%时所对应的
SOD量为一个亚硝酸盐单位。
CAT 活性的测定:一般分光光度法 ,按从南京
建成生物工程研究所所购买的试剂盒的顺序测定 ,
单位为 U·g-1·FW。
POD活性的测定:愈创木酚法[ 2] ,单位为 Δ470nm
·min-1·g-1·FW 。
3　实验结果
3.1　重金属Cd 、Zn复合污染对水车前叶超氧化物
歧化酶(SOD)活性的影响
由表 2看出 ,SOD活性分别在0.1 mg·L-1(Cd)
和5 mg·L-1(Zn)处理浓度下达到峰值 ,随处理浓度
的继续增大而下降。50 mg·L-1 Cd处理的酶活性
为对照的 86.44%,200mg·L-1 Zn处理的则为对照
的 68.05%, 二者 组合的 酶活性仅 为对照 的
51.88%。统计分析表明 ,各 Cd处理中加入 Zn后 ,
随Zn浓度的增加 ,显著性差异明显增强 ,表现为:
当Zn浓度为5 mg·L-1时 , t =1.6848 ,差异不明
显;Zn浓度为50 mg·L-1时 , t =4.0107>t 0.05 ,差
异显著;Zn浓度达到100 mg·L -1和200 mg·L -1时 ,
差异极其显著( t 100 =7.3858 >t0.01; t 200 =
11.0615>t0.01)。显示出协同作用趋势增强。
表 2　Cd、Zn复合污染对 SOD活性的影响
Tab.2　Effects of Cd and Zn combined pol lution on activity of SOD
(nU/g.FW)
Zn
(mg·L -1)
Cd(mg·L -1)
0 0.1 1 10 50
0 1764.116 2041.360 1917.400 1739.100 1524.830
5 1851.160 1552.260 1760.670 1748.480 1440.830
50 1782.500 1238.270 1402.570 1557.060 1387.200
100 1362.420 827.000 1058.500 1164.600 1236.200
200 1200.430 716.140 854.160 934.110 915.200
3.2　重金属 Cd 、Zn复合污染对水车前叶过氧化物
酶(POD)活性的影响
由表 3 看出 , POD 活性在 Cd浓度为0.1 mg·
L -1和 Zn浓度为50 mg·L-1时达到最大 ,而后下降。
统计分析表明 ,在各 Cd处理中加入 Zn 后 ,随 Zn浓
度的增加 , 显著性增强 , 表现为:当 Zn 浓度为
100mg·L-1时 t =1.9899;当浓度达到200 mg·
L -1时与单一 Cd处理相比差异极其显著( t 200=
13.1852>t0.01)。表明高浓度下的趋势更明显 。
表 3　Cd、Zn复合污染对 POD 活性的影响
Tab.3　Effects of Cd and Zn combined pollution on activity of POD
((OD470nm·min-1·g-1·FW)
Zn
(mg·L -1)
Cd(mg·L -1)
0 0.1 1 10 50
0 17.790 33.600 33.060 30.880 13.950
5 34.900 27.480 20.420 15.860 6.110
50 66.160 44.760 30.540 32.080 11.210
100 29.450 14.270 21.230 19.850 6.420
200 15.050 14.010 11.140 9.270 11.710
3.3　重金属 Cd 、Zn复合污染对水车前叶过氧化氢
酶(CAT)活性的影响
单一 Cd处理的 CAT 活性与浓度的相关系数
为 r=-0.7217。随 Cd处理浓度的增加 ,酶活性下
降 ,各 Zn 浓度梯度的酶活性也较对照的小。统计
分析表明 ,在各单一 Cd 处理中加入 Zn 后 ,与单一
Cd相比差异显著性都极明显 , Zn 浓度为5mg·L-1
时 , t =6.8097>t 0.01;Zn浓度为50 mg·L-1时 , t
=4.4801 >t0.01;当浓度 100mg ·L-1时 , t =
6.5660>t0.01;Zn 浓度为200 mg·L-1时 , t 200 =
11.4344>t0.01 。显示出 , 就 CAT 活性而言 , Zn 对
Cd的协同作用最明显。
3.4　重金属 Cd 、Zn复合污染对水车前叶绿素含量
的影响
由表 5可看出 ,除了单一 Zn处理在5 mg·L-1
浓度的叶绿素含量高于对照外 ,其它的各处理都低
6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 22卷　第 1期　
于对照 。并且 ,各复合处理的叶绿素含量都低于响
应的单一处理(除0.1 mg·L-1 Cd+5 mg·L-1 Zn
外)。统计分析表明 ,在各单一 Cd 处理中加入 Zn
后 ,随 Zn浓度的增加 ,协同性增强。当 Zn 浓度为
5mg·L-1时 t =0.5555;50 mg ·L-1时 t =
1.4641;100 mg·L-1时 t =2.7428;加入200 mg·
L-1的 Zn浓度与单一 Cd 处理相比 ,差异极其显著
( t =7.1635>t0.01)。表明高浓度 Zn才表现出对
Cd的协同作用。
表 4　Cd、Zn复合污染对 CAT活性的影响
Tab.4　Effects of Cd and Zn combined pollution on activi ty of CAT(U
·g-1·FW)
Zn
(mg·L-1)
Cd(mg·L-1)
0 0.1 1 10 50
0 285.50 286.93 137.28 163.31 85.56
5 147.40 74.75 76.45 76.08 60.64
50 149.30 140.96 126.39 88.72 53.89
100 148.22 129.95 83.81 93.98 91.79
200 61.15 109.33 75.59 104.05 73.07
表 5　重金属 Cd、Zn复合污染对叶绿素含量的影响
Tab.5　Effects of Cd and Zn combined pol lution on the content of
Chlorophyll(mg·g-1.FW)
Zn
(mg·L-1)
Cd(mg·L-1)
0 0.1 1 10 50
0 0.405 0.205 0.181 0.162 0.113
5 0.449 0.613 0.154 0.109 0.045
50 0.307 0.182 0.123 0.066 0.037
100 0.241 0.135 0.087 0.051 0.016
200 0.124 0.090 0.062 0.023 0.009
4　讨　论
自20世纪 60年代末生物自由基(Free Radical)
伤害学说提出以来 ,已被广泛应用于需氧生物细胞
毒害机理的研究。而植物体内的 SOD 、POD 、CAT
组成了一个有效的活性氧自由基清除系统[ 12] 。正
常生长条件下 , SOD 、POD 、CAT 及其他保护物质能
够维持自由基在植物体内产生和清除的动态平衡 ,
从而排除了自由基对植物细胞膜结构潜在氧伤害的
可能性 。并且 SOD , POD , CAT 活性的维持和提高
也被认为是植物耐受重金属胁迫的物质基础之
一[ 3] 。本实验中0.1 mg·L-1 Cd处理浓度在培养时
间(5天)内 ,促进植物体内这三种防御酶活性的升
高 ,有人把这种现象解释为低浓度重金属对植物的
积极的“刺激作用”[ 15] 。其机制前人认为是活性氧
信号作为第二信使 ,启动了细胞的防御反应[ 17] 。但
这种“积极作用”受到浓度和处理时间双重因素的限
制 ,随处理浓度的增大和处理时间的延长 ,使重金属
离子在机体内积累量加大 ,从而对植物的毒害加剧 ,
重金属胁迫使植物细胞内产生的活性氧自由基超过
保护酶系统的清除能力时 ,就会导致自由基在叶细
胞内的大量积累 ,从而诱导对植物细胞的过氧化损
伤[ 9] 。表明重金属胁迫条件下植物体内活性氧清
除系统对植物细胞的保护作用是有一定限度的。
Luna等[ 14]的实验结果也证明了重金属对植物的伤
害是通过自由基介导的 。
Cd是毒性较强的重金属元素 , 0.1 mg·L-1处
理浓度即可引起细胞代谢的紊乱和结构损伤[ 8] 。
对植物而言 ,Cd离子毒害的主要机制在于它对细胞
内蛋白质和核酸等重要的生物大分子上的巯基(-
SH)具强大的亲合力 ,对磷酸盐功能团等其他侧链
也显示出亲和力 ,且易于移动 ,往往集中在生长旺盛
的部位 ,显示其敏感的毒害损伤作用。而 Zn 作为
植物生长所必需的元素 ,在植物体内的生化过程中
相当活跃 ,但作为重金属元素加之在植物代谢过程
中易于转移 ,当其浓度超过一定范围(5 mg·L-1)时
表现出对植物细胞的相当毒害(资料另文发表)。就
本实验中 Cd 、Zn对叶绿素含量的影响看 ,1 mg·L-1
Cd处理时加入5 mg·L-1 Zn后 ,叶绿素含量低于单
一10 mg·L-1 Cd处理时的含量 ,SOD等保护酶的活
性也呈明显的抑制状态 。这意味着由于 Zn 的加
入 ,增强了 Cd 对植物的毒害作用 。其作用机制可
能是 Cd和 Zn有相同的价态(+2)和近似相同的离
子半径 ,在植物细胞表面发生 Zn 与 Cd竞争结合位
点的协同作用 ,从而导致 Cd的溶解性增强 ,促使 Cd
的吸收和转移。已有报道在Zn 与 Cd共生状态下 ,
小麦幼苗叶中 Cd的积累量较单一 Cd处理时有极
显著的增加[ 7] 。同时植物体内一定浓度 Zn 的存
在 ,阻断了 Cd2+对金属硫蛋白等 Cd 结合蛋白的诱
导表达的信息传导途径 ,抑制了 Cd 结合蛋白生物
合成的过程(资料待发表),从而加快加重了 Cd毒
害的表现。
叶片褪绿是植物受重金属毒害后出现的普遍现
象[ 1] 。原因之一可能是重金属离子被植物吸收后 ,
细胞内的重金属离子作用于叶绿素生物合成途径的
几种酶(原叶绿素酯还原酶 、δ-氨基乙酰丙酸合成酶
和胆色素原脱氨酶)的肽链中富含 SH 的部分 ,改变
了它们的正常构型 ,抑制了酶的活性和阻碍了叶绿
素的合成[ 16] 。原因之二可能是重金属胁迫条件下
活性氧自由基作用 , 主要是强反应性的·OH 所
致[ 11] 。本实验中 SOD等抗氧化保护酶活性的损伤
和抑制作用几乎是和叶绿素含量的下降是同步的 ,
7徐勤松等:Cd、Zn 复合污染对水车前叶绿素含量和活性氧清除系统的影响
也间接证明重金属胁迫下活性氧的伤害机理 。
5　结　论
5.1　重金属Cd 、Zn单一及复合污染都使植物细胞
内的保护酶 —SOD 、POD 、CAT 活性比例失调 ,尤其
是加入 Zn后较单一 Cd处理的破坏性更大 ,使植物
体内活性氧的产生和清除失衡 ,并有利于活性氧的
产生 ,这将导致植物的生理代谢紊乱 ,从而加速植物
的衰老和死亡。这是重金属对植物产生毒害的重要
机制 。
5.2　单一重金属 Cd处理使叶绿素含量降低 ,加入
Zn后叶绿素含量下降的趋势更明显 ,表明 Zn 加剧
了Cd对叶绿素的破坏作用。
5.3　Cd与 Zn的共生状态对植物毒害的协同 、促进
和加和作用 ,不容忽视。
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作者简介　徐勤松 , 男 , 1976 年生 ,博士研究生 ,发表及已接
收论文 10余篇 , 主要从事重金属污染水对水生维管束植物
的毒害影响。
责任编辑　王　伟
8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 22卷　第 1期