全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 062846205
镉胁迫对芦竹抗氧化酶活性的影响
韩志萍　吕春燕　王趁义　张　华　赵　艳　庄朱娟　匡家才　徐卫平
(湖州师范学院化学系 , 浙江 湖州　313000)
摘 　要 :本文研究了在不同浓度 Cd2 + 胁迫条件下 ,芦竹 ( Arundo donax L. )体内抗氧化酶 (超氧化物歧化酶
SOD、过氧化氢酶 CAT、过氧化物酶 POD)活性随时间的变化情况。结果显示 ,芦竹遭受 Cd2 + 胁迫前期 3
种酶活性较对照值有明显增高 ;随着污染浓度提高和时间延长 ,酶活性出现下降 ,降低程度与受污染浓
度和时间有关。研究表明 ,Cd 金属胁迫初期 ,芦竹幼苗体内的抗氧化能力增强 ,表现出对抗氧化酶的激
活效应 ,但随着植物生长 ,金属向植物体内迁移 ,植物器官内抗氧化能力降低 ,表现出抑制效应。
关键词 :芦竹 ;镉污染 ;抗氧化酶
EFFECTS OF CADMIUM STRESS ON THE ANTIOXIDANT ENZYMES
ACTIVITIES IN Arundo donax L.
HAN Zhi2ping 　LV Chun2yan 　WANG Chen2yi 　ZHANG Hua 　ZHAO Yan
ZHUANG Zhu2juan 　KUANGJia2cai 　XU Wei2ping
( Department of Chemistry , Huzhou Teachers College , Huzhou , Zhejiang 　313000)
Abstract : The influences of exposure time and concentrations of Cd2 + on the activities of different antioxidant enzymes
(including superoxide dismutase SOD , catalase CAT and peroxidase POD) in Arundo donax L. were studied. The results
showed that the activities of the enzymes were significantly increased when the Arundo donax L. was just treated with Cd2 +
stress at beginning , and decreased as both the exposure time and the concentrations of Cd2 + increasing. The results suggest
that in terms of seedlings of Arundo donax L. , the activities of the three enzymes will be higher than that of checksin early
period of Cd2 + stress , which indicates that Cd2 + stress will lead to improvement of anti2oxidant ability of the seedlings , as is
called the activation effect . With the plants growth , the metal will migrate into the body of plants , which will caurse
physiological damage and exhibit the inhibitory effect . In the addition , the results also show that the decrease degree depends
on the concentrations and the existence time of Cd2 + .
Key words : Arundo donax L. ;cadmium pollution ;anti2oxidant enzymes
收稿日期 :2008204204 　接受日期 :2008206203
基金项目 :浙江省自然科学基金项目 (402031) ;湖州市重大科技专项 (2007A01)
作者简介 :韩志萍 (19542) ,女 ,浙江平湖人 ,教授 ,主要从事环境污染治理和土壤修复等研究。Tel :057222322551 ,E2mail :hzp @hutc. zj . cn　　镉 (Cd)是生物毒性较强的重金属元素[1 ] 。植物地上部累积镉含量超过 100mgΠkg 的植物称之谓镉超积累植物[2 ] ,已发现的镉超积累植物有遏蓝菜 ( Thlaspicaerulescens L. ) [3 ] 和宝山堇菜 ( Viola baoshanensis ) [4 ,5 ]等。利用超积累植物移去污染土壤中的重金属 ,是一种有效的污染修复途径[6 ] 。相关的研究者们已开始重视对生物量大、繁殖容易、具有富集重金属能力的植物 的寻找。有研究表明[7～9 ] ,芦竹 ( Arundo donax L. ) 对Cd 有良好的耐受性和富集能力 ,芦竹叶子对 Cd 富集量可达 100～200mgΠkg(干重) 。芦竹又称“荻芦竹”, 为禾本科芦竹属 ( ArundoL . ) ,是一种多年生、高大丛生草本植物 ,具有粗而多节的根茎 ,其秆粗壮、高 2～6m ,可分枝 ,叶片扁平、宽 2～5cm ,分布于江苏、浙江、湖南、山东、广西等地区 ,主要
648　 核 农 学 报　2008 ,22 (6) :846～850Journal of Nuclear Agricultural Sciences
用作优质的造纸原料。芦竹参与环境修复后的利用属
非食用性 ,切断了有害金属在食物链中的传递 ,从根本
上达到治理湿地重金属污染的目的。利用芦竹修复湿
地重金属污染的优点在于芦竹的生物量大 ,适应性强 ,
它既耐旱又耐涝 ,既耐热又耐寒 ,在贫瘠的土壤里照样
生根发芽、长成高大的植株。无论海塘、江堤 ,还是湖
滩、沙荒都可以广为种植 ,它既不需要耕种 ,也无需除
草灌水 ,而且一次种植 ,可多年生长。种植芦竹既能起
到固土护堤的作用 ,又能起到美化和保护湿地生态环
境的作用 ,是一种较理想的湿地修复植物。
Cd 是植物非必需元素 ,它伤害植物细胞结构 ,影
响植物体内酶活性的生理生化作用 ,对植物有较大的
毒害和诱变作用[10 ] 。葛才林等[11～14 ] 研究了 Cu、Cd、Hg
胁迫对水稻体内活性酶的影响 ,结果表明 ,高浓度 Cd
对水稻体内酶活性有抑制作用 ,并影响水稻叶片的光
合作用。研究 Cd 金属胁迫对芦竹体内活性酶的影响 ,
对提高芦竹的重金属抗性有一定的指导作用 ,也为芦
竹成为湿地污染修复的优势植物提供依据。本文研究
了芦竹在 Cd 胁迫下的抗氧化酶变化情况 ,以从中找出
影响规律 ,为湿地植物修复技术的人工调控提供参考。
1 　材料与方法
111 　材料
受试野生芦竹取自于浙江湖州市环渚乡河滩边。
112 　方法
11211 　材料准备 　冬季先将野生芦竹地下茎埋于直
径 40cm、高约 40cm 的试验用瓷缸中 ,缸底层填上 3～
5mm直径碎石 ,上面铺 20kg 取自于河边的泥土 ,加入
一定量的自来水 (一般浸没泥土 1cm 左右) ,放置于采
光良好、不被雨淋、每天光照大于 8h 的暖棚内。来年
春季 ,待幼苗长至 10～20cm 高时对各试验瓷缸进行污
染模拟。在试验缸内各加入由分析纯试剂 Cd (NO3 ) 2
配制成的不同梯度浓度的溶液 ,并与湿土混匀 ,同时分
别施加 100mgΠkg 的钾 ( KNO3 ) 、磷氮 [ (NH4 ) 3 PO4 ]肥料
到标明编号的 12 个试验缸中 ,组成 4 个试验组 ,每个
试验组由 3 个 Cd 浓度相近的平行缸组成 ,以不加金属
离子的原湿土作为对照试验缸 ,测定各平行缸浓度后
取平行值。
11212 　土壤中镉金属检测[15 ] 　对试验缸进行污染模
拟 5d 后 ,在每口缸中不同位置的 8 个点取土样 ,混合
均匀后烘干。称取烘干后的土样 015～110g 于 200ml
烧杯中 ,用水润湿 ,加盐酸 30ml ,在通风橱内用电炉加
热溶解片刻 ,加入硝酸 5ml ,继续加热蒸发至冒白烟 ,
取下冷却。加入 1∶1 盐酸 2ml ,并以少量水冲洗烧杯内
壁 ,继续加热使土样中盐类物质溶解 ,冷却、过滤、洗
涤 ,滤液移入 50ml 容量瓶中 ,用水稀释至刻度 ,摇匀待
测。重金属 Cd2 + 含量采用原子吸收光谱法测定。
11213 　抗氧化酶检测[16 ,17 ] 　模拟处理 5d 后 ,在不同
模拟浓度的试验缸中各取芦竹叶 3 片 ,剪碎混匀后取
015～5g ,在 4 ℃条件下 ,添加提取介质 ,冰浴研磨 ,高速
冷冻离心 ,提取酶液后参照文献[16 ,17 ]进行检测和计算。
超氧化物歧化酶 (SOD)活性测定采用 NBT(氮蓝四唑)
光化还原法 ,以抑制 NBT光化还原 50 %所需的酶量为
1个 SOD 活性单位 ,用 UΠ(g·FW) 表示 ;过氧化物酶
(POD)活性测定采用愈创木酚光度比色法 ,以每分钟
内 A470变化 0101 为 1 个 POD 活性单位 ,用 UΠ(g·FW·
min)表示 ;过氧化氢酶 (CAT) 活性测定采用紫外分光
光度法 ,以每分钟内 A240 变化 011 的酶量为 1 个 CAT
活性单位 ,用 UΠ(g·FW·min)表示。
113 　数据处理　所有试验数据测定均重复 3 次 ,数据
以平均值表示 ,采用的数据标准误差 S ÷ 1 % ,每组测
定数据在 X平均 ±S 范围内。数据采用 Microsoft Excel
软件进行作图分析。
2 　结果与讨论
211 　各试验缸土壤中镉浓度
12 个试验缸组成 4 个试验组。4 个试验组的平均
浓度分别以 Cd1、Cd2、Cd3 和对照 (CK) 表示 ,其浓度分
别为 :5210、2819、1114 和 416mgΠkg。
212 　Cd2 + 胁迫对超氧化物歧化酶( SOD)活性影响
已有研究表明 ,Cd 胁迫会诱导植物组织产生活性
氧[18 ] ,使细胞发生膜脂的过氧化[19 ] 。SOD 是细胞内清
除活性氧 (O -2 ) 系统中的重要酶。SOD 通过催化下列
反应 :2O -2 + 2H+ →H2O2 + O2 ,将氧自由基转变为 H2O2
和 O2 。在正常情况下 ,保护酶组成一个清除活性氧的
防御过氧化系统 ,使活性氧的产生和清除处于平衡状
态 ,从而使细胞免受伤害[20 ] 。但在重金属胁迫等逆境
条件下 ,当植物体内活性氧自由基的产生速度超出植
物清除活性氧的能力 ,引起活性氧积累 ,导致植物细胞
受损[21 ] 。SOD 在抗氧化系统中属一线氧化酶 ,对清除
活性氧起着重要作用。
本试验结果显示 ,Cd2 + 在前 25d 内 SOD 的活性升
高 ,并高于对照值 ,表现为 Cd 浓度越高 ,叶片 SOD 的
活性越大 ,随胁迫时间的延长 ,SOD 活性呈现逐渐下降
的趋势 ,25d 后各处理的活性低于对照值 (见图 1) 。
748　6 期 镉胁迫对芦竹抗氧化酶活性的影响
这种先升后降的趋势符合一般植物的应急性规
律[22 ] ,即 Cd 浓度增大 ,叶片中 SOD 的活性升高 ,表明
Cd 对 SOD 有一定的诱导作用。但随生长时间增长 ,叶
片中 SOD 的活性随之降低。有研究表明 ,Cd2 + 有可能
与 SOD 酶蛋白中的 - SH 结合 ,使其催化中心或酶结
构受损[20 ] ,从而使 SOD 活性下降 ,Cd 浓度越大下降越
快 ,其防御能力也就相应减弱。
图 1 　Cd 胁迫对芦竹叶片 SOD 活性的影响
Fig. 1 　Effect of Cd stress on SOD activity in leaf of A. donax
213 　Cd2 + 胁迫对过氧化氢酶( CAT)活性的影响
通过 SOD 的催化 ,使超氧物阴离子自由基 (O -2 )发
生歧化反应生成 H2O2 和O2 ,H2O2 是一种氧化剂 ,它的
积累对植物组织产生毒害作用[21～23 ] 。CAT 是植物细
胞内起清除 H2O2 作用的一种活性酶 ,它参与清除过氧
化氢的积累来维持细胞内 H2O2 的正常水平 ,主要是把
H2O2 分解成水和氧气 (2H2O2 →2H2O + O2 ) ,植物组织
中高浓度的 H2O2 主要靠 CAT清除 ,其活性是 H2O2 转
化的重要信号[24 ] 。
本试验结果显示 ,在 Cd2 + 处理后的 15d 内 , CAT
的活性均会升高 ,15 - 20d 期间活性变化不明显 ,20d
后活性开始急剧下降。在低浓度 ( < 30mgΠkg) 下的 20d
内 ,CAT活性均高于对照 ,20d 后急剧下降且低于对照
值 (见图 2) 。究其原因 ,很可能是由于开始 Cd2 + 主要
积聚在根部 ,刺激根部吸收营养[25 ] ,并对过量的 H2O2
作出应急反应 ,使叶片 CAT活性上升[12 ] 。随着植物生
长 ,金属向植物体内迁移 ,植物器官内 Cd 金属浓度不
断升高 ,对叶片产生迫害 ,活性下降[26 ] ;在较高浓度下
(50mgΠkg 左右) ,CAT 活性也呈先上升后下降的趋势 ,
但均低于对照值。
图 2 　Cd 胁迫对芦竹叶片 CAT活性的影响
Fig. 2 　Effect of Cd stress of on CAT activity on leaf of A. donax
　　芦竹在 Cd2 + 胁迫下 ,CAT出现变化的另一个原因
是 ,在较低浓度和较短时间内 ,叶细胞内积累了大量的
H2O2 ,芦竹叶通过提高 CAT的活性将 H2O2 进行分解 ,
以提高其在逆境下的适应能力。随着重金属浓度的提
高和重金属离子作用时间的延长 ,重金属离子对芦竹
的毒害 ,已无法通过自身的调节作用来减轻 ,CAT活性
开始下降[27 ] ,表现出 Cd2 + 对 CAT活性的抑制作用。
另外 ,芦竹长时间受 Cd2 + 胁迫后 ,可能会引起
CAT分子构型的改变[12 ] , CAT 是一个含 Fe3 + 的金属
酶 ,进入叶内的 Cd2 + 可能会取代 CAT分子中的铁离子
848 核　农　学　报 22 卷
而使 CAT活性降低。也可能由于活性自由基的积累 ,
引起 CAT分子空间构型的改变 ,进而导致对 CAT活性
抑制的放大作用[28 ] 。
214 　Cd2 + 胁迫对过氧化物酶( POD)活性的影响
POD 是植物体内另一种重要的抗氧化酶[29 ] ,参与
木质素的生物合成 ,主要定位于胞质、液泡、细胞壁和
胞外空间。低浓度的 H2O2 ,可通过 POD 在氧化相应基
质 (如酚类化合物) 时被消化[21 ] ( H2O2 + AH2 →2H2O +
A) 。
本试验结果显示 ,在 Cd2 + 污染胁迫下 , POD 活性
变化与 SOD、CAT的变化相一致 ,都呈现出先升后降的
趋势。在较低 Cd2 + 浓度下 (10mgΠkg 左右) , POD 活性
变化值 30d 内都高于对照值 ,这说明在一定浓度的重
金属胁迫环境中 ,POD 对植物有保护效应。较高浓度
(30～50mgΠkg)的 Cd2 + 胁迫 ,在 15d 内对 POD 活性还是
起到诱导的作用 ,活性变化均高于对照值 ,20d 后开始
下降 ,并低于对照值 (见图 3) 。由上可以看出 ,无论是
浓度影响还是时间变化 ,Cd2 + 对 POD 活性的影响趋势
与对 CAT活性影响趋势完全一致 ,这与 POD 和 CAT
两种酶都具有清除 H2O2 的功能有关。
图 3 　Cd 胁迫对芦竹叶片 POD 活性的影响
Fig. 3 　Effect of Cd stress on POD activity in leaf of A. donax
3 　结论
1) Cd2 + 污染对芦竹叶内的 SOD、CAT、POD 活性均
有影响 ,一般在芦竹遭受 Cd2 + 胁迫前期 (15d 左右) 3
种酶活性都有较明显的增高 ,芦竹叶片内 SOD、CAT
(除 50mgΠkg 浓度较特殊外) 、POD 活性均高于对照值 ,
随着生长时间增长酶活性出现下降。
2)芦竹幼苗在遭受 Cd 金属胁迫初期 ,芦竹幼苗体
内的抗氧化能力增强 ,Cd 金属胁迫表现出对抗氧化酶
的激活效应。随着植物生长 , 金属向植物体内迁
移[30 ,31 ] ,植物器官内抗氧化能力降低 ,表现出抑制效
应 ,降低程度与受 Cd2 + 的浓度和时间有关。
3)芦竹在 Cd 胁迫环境中 ,抗氧化酶表现出对植物
的保护效应 ,且保护效应 (酶活性大于对照值) 的受
Cd2 + 污染浓度和时间的影响。SOD 升高的时间最大值
是 25d ,并表现为 Cd 浓度升高 ,叶片 SOD 的活性增大 ;
诱导 CAT升高的 Cd 浓度最大值是 30mgΠkg ,时间最大
值为 20d ;在 30d 内都能激活 POD 升高的浓度最大值
是 10mgΠkg 左右 ,Cd 浓度 30～50mgΠkg 环境下使 POD
升高的时间最大值是 15d。
芦竹具有生物量大、适应强等生物特征 ,提高芦竹
体内抗氧化酶系统的抗氧化能力 ,对提高芦竹抗污染
性能具有重要意义 ,然而芦竹对重金属的耐毒和解毒
机制 ,以及富集重金属的关键因子等有待进一步研究
和探讨。总之 ,因芦竹在环境保护和生态修复上具有
良好的经济效益、生态效益和社会效益 ,它的研究价值
和研究潜力必将受到人们青睐。
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