全 文 ：污灌对小麦幼苗生长及活性氧代谢的影响*
刘登义 王友保* * 张徐祥 司 琴
(安徽师范大学生命科学学院, 芜湖 241000)
摘要 通过水培的方式研究了污水灌溉对小麦幼苗生长及活性氧代谢系统的影响.结果表明, 经污水浇
灌的小麦幼苗与对照组相比, 植株矮小,根短, 根数目少, 茎、叶、根的干重、鲜重和可溶性蛋白含量均明显
减少, 并出现叶尖枯黄,叶片色素含量下降, 叶绿素 a/ b 与电导率明显上升现象, 几种色素对污灌的敏感性
为叶绿素 b> 叶绿素 a> 类葫萝卜素. 同时 MDA 水平上升, 而 SOD、POD和 CAT 活性显著下降. 其中 SOD
对环境胁迫最敏感. 三者活性分别下降 19. 1% ~ 33. 1%、37. 8% ~ 47. 8%和 30. 2% ~ 35. 9% .
关键词 污灌 小麦 幼苗生长 活性氧代谢
文章编号 1001- 9332( 2002) 10- 1319- 04 中图分类号 X171. 5 文献标识码 A
Effect of sewage irrigation on wheat growth and its activate oxygen metabolism. LIU Dengyi, WANG Youbao ,
ZHANG Xux iang , SI Qin ( College of L if e Science, A nhui Normal Univer sity , Wuhu 241000. Chin. J . A p
p l. Ecol . , 2002, 13( 10) : 1319~ 1322.
The effects of sewage ir rigation on the seedling g rowth o f wheat and its activate oxygen metabolism w ere studied
by water cultivation experiments . T he results showed that compared w ith control, the w heat under sew age irri
gation was short and small, and its roots number, fr esh / dry w eight of stem or root, and content of soluble pro
tein decreased drastically. The content of chlo rophyll decreased, while the Cyta/ Cytb and membrane lipid peroxi
dation were increased. The sensitivity of pigment content of w heat leaf undr sewage irrig ation w as in order of
Chlorophyll b > Chlorophyll a > Caro tenoid. Furt hermore, the POD, SOD and CAT activities of the wheat
went down in varying deg rees, and the SOD was the most susceptible enzyme to w ast e w ater st ress. I n this pa
per , the act ivities of POD, SOD and CAT decreased in 19. 1% ~ 33. 1% , 37. 8% ~ 47. 8% and 30. 2% ~
35. 9% , r espectively.
Key words Sewage irr igation, Wheat, Seedling grow th, Metabo lism of activate oxygen.
* 国家教育部优秀青年教师基金、安徽师范大学专项基金资助项目
( 150076) .
* * 通讯联系人
2001- 10- 29收稿, 2002- 06- 26接受.
1 引 言
利用城市污水灌溉农田已有久远历史,目前, 我
国污水灌溉面积已达 1. 33 ! 106 hm2[ 10] . 国内外许
多研究资料表明,城市污水灌溉可以增加土壤有机
质含量,但也可能引起土壤酶活性降低和土壤、作物
中重金属积累, 农产品品质变坏、籽实中粗蛋白与氨
基酸含量降低及产生一定的遗传毒理学效应等不良
后果[ 3, 12] .生物内源活性氧清除系统能够防止由于
逆境而产生的大量氧自由基直接或间接启动膜脂过
氧化,从而保护膜不被损伤和破坏.逆境条件可使植
物体内活性氧的产生和消除平衡失调, 造成植物体
内大量的自由基累积,进而启动膜脂过氧化, 导致膜
结构的损伤和破坏, 对植物体产生伤害[ 5, 14] . 关于
逆境条件对植物活性氧清除系统影响的研究较多,
但有关污灌对作物活性氧清除系统的影响尚缺少系
统性研究.本文以小麦为材料,系统地探讨了城市污
水灌溉对作物生长和活性氧清除系统的影响, 为揭
示污灌对植物作用机制提供依据.
2 材料与方法
2 1 实验材料与设计
2 1 1 供试作物 小麦 ( T riticum aestr um )、扬麦 158 购于
安徽芜湖芜南路种子公司.
2 1 2 实验设计 选取饱满、均匀的小麦种子, 经 0. 5% 的
NaClO 消毒 10min, 流水浸种至胚根和胚芽出现 .在 25∀ 黑
暗条件下催芽 2d, 再以 1/ 2Hoagland 营养液于 23 ∀ / 17∀ 、
9000~ 12000Lx 下培养,每天光照 14h,当地上部分高约3. 5
cm 时进行处理.
实验以芜湖钢铁厂附近工业与生活污水(污水# )和焦
化厂附近工业与生活污水(污水∃ )为处理, 以镜湖水为对
照,分别与 Hoagland 营养液以 1%1 体积混合, 用于小麦幼苗
的培养, 每 3 天更换处理液一次,每处理 15 株,设 3 个重复,
培养 14d,取样分析.
2 2 测试指标与方法
2 2 1 幼苗生长状况的测定 测定最长根长、平均根长、根
应 用 生 态 学 报 2002年 10 月 第 13 卷 第 10 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2002, 13( 10)%1319~ 1322
数、地上部分高度及根与地上部分鲜重与干重 .
222 叶片细胞膜透性的测定 称取小麦叶片 0. 25g , 剪成
1cm 长小段,于 20ml双蒸水中振荡 1h, 用 DDS- 12 型电导
仪测定电导率.
223 叶片色素含量的测定 采用分光光度法[ 17] , 用 80%
丙酮研磨提取后,于 663、645 和 440nm 处测定光密度( mg&
g - 1&FW) .
224 MDA水平测定 按林植芳的硫代巴比妥酸 ( TBA )
法[ 17]测定(mol&g- 1&FW) .
225 POD活性的测定 以愈创木酚为过氧化物酶底物,
采用分光光度法[ 17] , 于 470nm 处测定光密度. 以 ∋ D470&
mg - 1&FW&min- 1为单位.
226 CAT 活性的测定 采用过氧化氢分解量法[ 9] ( units&
g - 1&FW&min- 1 ) .
227 蛋白质含量的测定 采用紫外分光光度法[ 17] , 分别
于 260和 280nm 处测定光密度.
228 SOD活性的测定 按王爱国的方法[ 16] ,利用其对氮
蓝四唑 ( NBT )的光抑制作用, 取样 0. 5g, 酶液在 12000r&
min- 1冷冻离心 20min , 于 560nm 处测定光密度( ∋ OD560&
g - 1&FW&h- 1 ) .
3 结果与讨论
31 污灌对作物生长的影响
污水处理的小麦幼苗的根数、地上部分高度及
各部分鲜重与干重, 均表现出一致的规律:镜湖水>
污水#> 污水∃(表 1) ,并且在培养到第 8天后, 污
水#和污水 ∃处理的小麦幼苗生长变缓, 植株较镜
湖水对照显得矮小, 地上部分高度较对照下降
42. 3%~ 57. 3%; 地上部分干重则下降 8. 0% ~
33. 4%,且叶尖相继开始出现枯萎发黄现象.同时,
污水 ∃处理的小麦根毛稀少, 根尖发黄,部分根尖变
黑,平均根长较对照下降 24% ~ 36% ,根干重下降
6. 1% ~ 13. 2% .但污水#处理小麦根的各项指标与
镜湖水培养组差异显著性不强(各处理相对对照的
T 检验结果如表 1) .
表 1 污灌对小麦生长的影响
Table 1 Effect of sewage irrigation on the growth of wheat
项目 I tem 对照
CK
污水#
Waste
water#
污水∃
Wast e
water ∃
地上部分鲜重 Aboveground fresh weight (mg) 161. 9 140. 0 107. 2*
地上部分干重 Aboveg round dry weight ( mg ) 21. 9 20. 2 14. 8*
根鲜重 Fresh weight of roo t ( mg) 52. 7 50. 7 49. 8
根干重 Dry weight of root ( mg) 11. 4 10. 7* 9. 9*
根数(条) Number of root ( piece) 7. 3 7. 0 5. 7*
平均根长 Average leng th of root ( cm) 7. 5 5. 7* 4. 8* *
最长根长 Max. length o f ro ot( cm ) 13. 2 15. 5 9. 8*
地上部分高 Aboveg round height ( cm) 24. 8 14. 3* * 10. 6* *
* P< 0. 05, * * P< 0. 01.下同 T he same below .
32 污灌对小麦叶片色素含量的影响
叶片色素作为植物光合作用的色素, 其含量高
低决定其光合作用的水平[ 7] . 叶片色素含量降低,
导致光合作用减弱,进而使植物长势减弱,植株生长
量减少. 经 F 检验, 污灌小麦与对照小麦叶绿素含
量有明显差异(表2) . 污灌组小麦的叶绿素a、b含
表 2 污灌对小麦叶片色素含量的影响
Table 2 Effect of sewage irrigation on pigment content of wheat leaf
项目
Item
对照
CK
污水#
Wastewater# 污水∃Wastew ater∃
叶绿素 a Chlorophyll a 0. 913 0. 549* 0. 235* *
叶绿素 b Chlorophyll b 0. 700 0. 308* * 0. 103* *
类葫萝卜素 Carotenoid 0. 512 0. 373* 0. 294* *
叶绿素 a/ b Chlorophyll a/ b 1. 31 1. 77 2. 27
量及类葫萝卜素含量均显著低于非污灌组.外观上
则显示为作物叶片失绿发黄,趋于老化.污灌组叶绿
素 a比对照下降 39. 9% ~ 123. 5% , 叶绿素 b 比对
照下降 56. 0% ~ 193. 8% ; 类葫萝卜素含量比对照
下降 27. 2% ~ 58. 5%. 叶绿素 a/ b 值呈上升趋势,
较对照上升 35%~ 54% ,表现出三者对污灌的敏感
程度依次为叶绿素 b> 叶绿素 a> 类葫萝卜素. 这和
舒俭民等[ 11]关于叶绿素 a和叶绿素 b对 SO2 污染
的敏感性顺序一致.
33 污灌对小麦叶片和根细胞膜透性的影响
细胞膜作为植物调节和控制细胞内外物质运输
和交换的重要结构, 其透性是评定植物对污染物反
应的常用方法之一. 污灌作物叶片电导率明显高于
非污灌的对照组 (图 1) , 平均增加 19. 6% ~
213. 7% .污水 ∃灌溉的作物电导率增加更显著, 达
对照的 3. 14倍.细胞外渗液电导率与污染程度呈正
相关[ 4, 5] .电导率的增大,表明细胞膜脂过氧化水平
升高[ 5] ,引起细胞膜结构损伤, 细胞膜透性增大, 使
细胞内一些可溶性物质外渗,破坏细胞内酶及代谢
作用原有的区域, 严重伤害作物.
图 1 污灌对小麦叶片细胞膜透性的影响.
Fig. 1 Effect of sew age irrigat ion on membrane perm eability of w heat
leaf.
A:对照 CK, B:污水# Wastew ater # , C: 污水 ∃Wastew ater∃ . 下同
The sam e below .
1320 应 用 生 态 学 报 13卷
图 2 污灌对小麦 MDA 水平的影响
Fig. 2 Ef fect of sew age irrigation on the MDA content of w heat leaf .
34 污灌对小麦膜脂过氧化水平的影响 MDA
是膜脂过氧化的重要产物, 可与蛋白质、核酸、氨基
酸等活性物质交联, 形成不溶性的化合物(脂褐素)
沉积, 干扰细胞的正常生命活动[ 13] . 污灌组小麦
MDA含量显著升高(图 2) , 小麦叶 MDA 含量较对
照上升了 20. 2% ~ 45. 9% ,小麦根 MDA 含量则较
对照上升了 37. 5% ~ 64. 5%. 污水 II 处理的 MDA
升高幅度较大, 达对照的 1. 46~ 1. 65 倍, 较污水 I
平均多出 25%以上,表明污灌对作物的损害突出地
表现为MDA的高度累积.本研究中根细胞 MDA 水
平上升比叶细胞快,可能源于根细胞作为污灌的最
直接作用部位, 较叶更易受到伤害.其含量的增加显
示膜脂过氧化水平升高, 造成膜透性增大,膜结构受
损伤程度加深,使作物的抗逆能力减弱[ 17] , 这和前
文所述一致.
35 污灌对小麦 POD、SOD、CAT 活性的影响
POD、SOD、CAT 共同组成植物体内一个有效
的活性氧清除系统, 三者协调一致的共同作用,能有
效清除植物体内的自由基和过氧化物[ 2, 5, 14] . 在一
定范围内, SOD、CAT 共同作用能把 O2- 和 H2O2
转化成 H2O 和 O2, 并能起到减少具毒性和高活性
的&OH 的形成; POD 和 CAT 则可催化 H2O2 形成
H2O,从而有效阻止 O2- 和 H2O2 的积累, 限制这些
自由基对膜脂过氧化的启动[ 6, 8, 14] .
污水灌溉后,小麦体内活性氧清除系统遭到破
坏,根和叶的 POD、SOD、CAT 活性均大大降低(表
3) ,其中小麦叶的 3种酶活性较根受影响较小,相对
对照组, POD 活性平均下降 19. 1% ~ 33. 1%, SOD
活性下降 37. 8% ~ 47. 8%, CAT 活性下降 30. 2%
~ 35. 9%,造成对活性氧的清除能力下降, O2- 和
H2O2等自由基和过氧化物在作物体内累积,造成膜
脂过氧化,膜结构损伤,加速了细胞和组织的衰老.
表 3 污灌对小麦 POD、SOD、CAT活性的影响
Table 3 Effect of sewage irrigation on the activity of POD, SOD and
CAT of wheat
处理
T reatment
根 Root
CAT POD SOD
叶 Leaf
CAT POD SOD
对照 CK 44. 8 154. 8 1150 41. 6 128. 8 1110
污水#Wastewater# 37. 6* 130. 9* 720* * 38. 8 109. 1 760* *
污水∃Wastewater ∃ 28. 7* * 103. 3* 600* * 29. 0* 86. 1* 690* *
MDA 含量的上升也说明了这一点.
本研究中, SOD活性最敏感,受污水灌溉影响
最为显著(表 3) . SOD是防护氧自由基对膜系统伤
害的防护酶, 作为超氧自由基清除剂, 它可歧化
O2- 形成 H2O2 和H 2O,降低植物体内自由基水平,
其活性高低与植物的抗逆性具有一定的相关
性[ 1, 14, 15] . SOD活性降低, 将引起逆境胁迫下作物
体内自由基,特别是超氧自由基的积累,使作物受到
伤害,同时,也会对 POD、CAT 活性产生一定影响,
使其出现(无底物性活性降低).
36 污灌对小麦可溶性蛋白质含量的影响
两种污水处理后, 小麦叶片可溶性蛋白质含量
较对照分别下降了 34. 2%和 36. 9% .蛋白质含量的
降低,可能是由于污灌胁迫破坏了细胞的蛋白质合
成系统,使蛋白质合成受阻.蛋白质含量的这一变化
也进一步证实了保护酶的反应.
4 结 论
41 城市工业和生活污水灌溉可造成小麦生长缓
慢、长势变差,生长量下降, 叶片发黄,叶片色素含量
下降, 几种色素对污灌的敏感性为叶绿素 b> 叶绿
素 a> 类葫萝卜素.
42 污灌可引起小麦叶和根 MDA含量上升,叶片
细胞膜透性增大, 叶片电导率可作为污灌污染程度
的生物学监测指标.
43 污灌可破坏小麦体内 POD、SOD、CAT 三者组
成的活性氧清除系统, 其中 SOD 对环境胁迫最敏
感.本研究中三者活性分别下降 19. 1% ~ 33. 1%、
37. 8% ~ 47. 8%和 30. 2% ~ 35. 9% .
44 污灌对小麦体内活性氧清除系统的破坏, 造
成 MDA 高度积累,细胞膜透性增大,致使细胞内酶
及原代谢作用区域受到破坏, 加速组织、细胞衰老,
引起作物叶片色素含量降低, 生长缓慢, 生长量下
降.小麦叶片可溶性蛋白质含量的降低也证实了这
一点.
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作者简介 刘登义, 男, 1958 年 9 月生.博士,教授, 博导. 主
要从事植物种群生态学、生物多样性及其保护和污染生态学
研究, 已发表学术论文 40 余篇,出版专著两部. Email: ldy@
mail. ahnu. edu. cn
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(华南农业大学热带亚热带生态研究所 510642 蔡昆争)
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