模擬酸雨和富營養(yǎng)化復合脅迫對水葫蘆抗氧化酶的影響

和華龍++黃華++薛建輝

摘要：以水葫蘆為研究對象，利用水培法，探討了模擬酸雨和富營養(yǎng)化復合脅迫對水葫蘆葉片抗氧化酶的影響。結(jié)果表明，隨著酸雨pH值的下降和富營養(yǎng)化水平的提高，水葫蘆葉片的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性總體均呈下降趨勢，而過氧化物酶（POD）活性呈上升趨勢，并且3種酶活性的變化幅度越來越大。表明隨著pH值的下降，酸雨對SOD、CAT活性均產(chǎn)生抑制作用，而對POD活性產(chǎn)生促進作用，并且會隨著富營養(yǎng)化水平的提高作用增強。并對3種酶活性變化進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)三者相關(guān)系數(shù)較大，說明3種酶之間有一定的協(xié)調(diào)作用。

關(guān)鍵詞：模擬酸雨；富營養(yǎng)化；復合脅迫；水葫蘆；抗氧化酶

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0430-03

收稿日期：2015-05-11

基金項目：江蘇省高校自然科學研究重大項目（編號：12KJA180003）；江蘇省高校生物學優(yōu)勢學科建設(shè)工程（編號：2014-PAPD）。

作者簡介：和華龍（1989—），男，河南周口人，碩士研究生，主要從事植物生理學研究。E-mail：hualonghe@foxmail.com。

通信作者：薛建輝，教授，博士生導師，主要從事森林生態(tài)學研究。Tel：（025）85427220；E-mail：jhxue@njfu.edu.cn。中國是繼歐美之后世界上出現(xiàn)的第三大酸雨區(qū)，酸雨面積約占國土面積的40%[1]，而富營養(yǎng)化湖泊的比例更是高達60%[2]。酸雨和富營養(yǎng)化的危害日益嚴重，對我國的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和居民健康造成了巨大威脅[3]。研究酸雨和富營養(yǎng)化復合脅迫對水生植物的影響，探索水生植物在富營養(yǎng)化條件下對酸雨的響應機制，從而選擇合適的水生植物用于水環(huán)境修復，具有十分重要的意義。在逆境條件下，植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)，自由基大量積累，可導致膜系統(tǒng)損傷，進一步造成細胞的代謝功能喪失和死亡[4-5]。植物體內(nèi)存在一整套的抗氧化系統(tǒng)，它能使活性氧的產(chǎn)生和清除處于一種動態(tài)平衡的狀態(tài)，從而維持植物的正常生長[6-7]。其中，抗氧化酶發(fā)揮著重要作用，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）[8-9]。目前，國內(nèi)外關(guān)于酸雨對植物影響的研究較多，但是酸雨和富營養(yǎng)化復合脅迫對植物抗氧化酶系統(tǒng)的影響則鮮見報道[10]。本研究以水葫蘆為對象，利用水培法，探討了在富營養(yǎng)化條件下酸雨對水葫蘆葉片抗氧化酶系統(tǒng)的影響，以期為富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復以及適宜水生植物的選擇提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

水葫蘆，學名鳳眼藍（Eichhornia crassipes），原產(chǎn)于南美洲亞馬遜河流域，雨久花科鳳眼藍屬，是一種漂浮性水生植物。水葫蘆根系發(fā)達呈須狀，葉柄膨大而中空，葉子直立而光滑，花為藍色喇叭狀。水葫蘆適應性強，是凈化水質(zhì)的良好植物，但其繁殖迅速，難以根除，會導致生態(tài)環(huán)境惡化[11]。試驗在南京林業(yè)大學下蜀林場溫室內(nèi)進行，選取生長健康并且一致的水葫蘆幼苗置于塑料周轉(zhuǎn)箱（長50 cm、寬38 cm、 高30 cm） ，箱內(nèi)盛30 L營養(yǎng)液。

1.2方法

1.2.1營養(yǎng)液營養(yǎng)水平設(shè)置營養(yǎng)液采用Hoagland改良配方，以處理過的高純水配制。水培1個月后，選取生長健康并且一致的水葫蘆分為3組，再分別用不同營養(yǎng)水平的營養(yǎng)液培養(yǎng)。營養(yǎng)液設(shè)置低富營養(yǎng)化（N1）、中富營養(yǎng)化（N2）、高富營養(yǎng)化（N3）3個水平，其中鐵鹽和微量元素的配方與Hoagland營養(yǎng)液一致。各營養(yǎng)液的成分和含量見表1。

1.2.2模擬酸雨處理水平設(shè)置酸雨母液采用1 mol/L硫酸與2 mol/L硝酸等體積混合而成，以處理過的高純水配制。模擬酸雨設(shè)置3個水平，分別為pH值7.0、4.0、2.0。模擬酸雨處理采用噴霧法，用噴霧器向水葫蘆葉片噴灑酸雨。在葉面噴灑酸雨量為20 mm（相當于中雨），噴灑時間為30 min。噴灑酸雨時須緩慢，以葉片不滴液為標準，同時為防止污染營養(yǎng)液，噴后更換營養(yǎng)液。每組水葫蘆樣品噴灑模擬酸雨3次，隔1 d噴1次，處理完成后的第2天，隨機選取新鮮葉片進行生理指標測定。

1.2.3生理指標測定參考李合生的方法[12]，分別測定水葫蘆葉片的SOD、CAT、POD活性。SOD活性以抑制氮藍四唑（NBT）光化還原50%為1個酶活性單位（U/g），CAT活性以D240 nm每分鐘減少0.1為1個酶活性單位[U/（g·min）]，POD活性以D470 nm每分鐘增加0.01為1個酶活性單位 [U/（g·min）]。每組水葫蘆樣品測定3個重復，每個重復均取自不同的樣品。

1.3數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2結(jié)果與分析

2.1復合脅迫對SOD活性的影響

從圖1可見，模擬酸雨處理后，SOD活性在pH值4.0水平下高于pH值7.0水平，在pH值2.0水平下低于pH值7.0水平。同時SOD活性在N2水平下低于N1水平，在N3水平下低于N2水平。且SOD活性從N2水平至N3水平下降的幅度要大于從N1水平至N2水平下降的幅度。由此可見，同等營養(yǎng)水平下，隨著pH值的下降，SOD活性先上升后下降，總體呈下降趨勢。同時，同等酸雨水平下，隨著營養(yǎng)水平的提高，SOD活性呈下降趨勢，并且下降幅度越來越大。表明酸雨脅迫和富營養(yǎng)化脅迫對水葫蘆葉片SOD活性均有一定的抑制作用，而且富營養(yǎng)化脅迫擴大了酸雨脅迫的不利影響。

2.2復合脅迫對CAT活性的影響

從圖2可見，模擬酸雨處理后，CAT活性在pH值40水平下高于pH值7.0水平，在pH值2.0水平下低于pH值7.0水平。同時CAT活性在N2水平下低于N1水平，在N3水平下低于N2水平。且CAT活性從N2水平至N3水平下降的幅度要大于從N1水平至N2水平下降的幅度。由此可見，同等營養(yǎng)水平下，隨著pH值的下降，CAT活性先上升后下降，總體呈下降趨勢。同時，同等酸雨水平下，隨著富營養(yǎng)化水平的提高，CAT活性呈下降趨勢，并且下降幅度越來越大。表明酸雨脅迫和富營養(yǎng)化脅迫對水葫蘆葉片CAT活性均有一定的抑制作用，而且富營養(yǎng)化脅迫擴大了酸雨脅迫的不利影響。

2.3復合脅迫對POD活性的影響

從圖3可見，模擬酸雨處理后，POD活性在pH值4.0水平下高于pH值7.0水平，在pH值2.0水平下高于pH值4.0水平。同時POD活性在N2水平下高于N1水平，在N3水平下高于N2水平。且POD活性從N2水平至N3水平升高的幅度要大于從N1水平至N2水平升高的幅度。由此可見，隨著pH值的下降和富營養(yǎng)化水平的提高，POD活性均呈上升趨勢，并且上升幅度越來越大。表明酸雨脅迫和富營養(yǎng)化脅迫對水葫蘆葉片POD活性均有一定的促進作用，而且富營養(yǎng)化脅迫擴大了酸雨脅迫的不利影響。

2.4SOD、CAT與POD活性變化的相關(guān)性分析

從表2可以看出，對SOD、CAT與POD 3種酶活性的變化進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果相關(guān)系數(shù)較大。其中，SOD與CAT活性呈極顯著正相關(guān)，SOD與POD活性呈不顯著負相關(guān)，CAT與POD活性呈顯著負相關(guān)。表明SOD、CAT與POD之間存在一定的協(xié)調(diào)作用。

表2SOD、CAT、SOD活性變化的相關(guān)系數(shù)

指標SODCATPODSOD1.000CAT0.9971.000POD-0.773-0.7901.000

3討論

研究結(jié)果表明，酸雨會導致植物體內(nèi)超氧陰離子自由基（O-2· ）等活性氧大量積累，對蛋白質(zhì)、糖脂和核酸等維持生物功能的大分子結(jié)構(gòu)造成破壞，特別是膜結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)，造成細胞膜脂質(zhì)過氧化，膜透性增加，大量營養(yǎng)離子外滲，從而影響了植物正常的生理代謝[13-14]。酸雨對許多植物產(chǎn)生傷害的臨界點在pH值3.5，對植物生長和生物量影響的臨界點在pH值3.0至pH值2.0之間[15]，本試驗結(jié)果與之相符。

SOD主要存在于細胞質(zhì)和線粒體中，可以催化 O-2· 發(fā)生歧化反應，生成H2O2和O2[16]。SOD作為一種誘導酶，其活性受底物 O-2· 濃度的影響[17]。本試驗中隨著酸雨pH值的下降，SOD活性先上升后下降，總體呈下降趨勢。表明酸雨處理后，水葫蘆葉片中 O-2· 產(chǎn)生增多，促進了SOD活性的增強；但隨著pH值進一步下降，SOD活性逐漸受到抑制[18]。

CAT主要存在于過氧化氫體中，可將H2O2迅速分解為H2O和O2[19]。CAT和SOD協(xié)同作用，可清除植物體內(nèi)過量的 O-2· 和H2O2[20]。本試驗中，隨著酸雨pH值的下降，CAT活性先上升后下降，總體呈下降趨勢。表明酸雨處理后，水葫蘆葉片中由SOD催化產(chǎn)生的H2O2增多，促進了CAT活性增強；但隨著pH值進一步下降，CAT活性逐漸受到抑制[21]。

POD廣泛存在于植物體內(nèi)，可以將H2O2分解為H2O和O2[22]。POD作為活性較高的適應性酶，能夠反映植物生長發(fā)育的特點、體內(nèi)代謝狀況以及對外界環(huán)境的適應性，是植物衰老到一定階段的產(chǎn)物，甚至可以作為衰老指標[23]。本試驗中隨著酸雨pH值的下降，POD活性呈上升趨勢。表明酸雨處理后，水葫蘆葉片中H2O2的產(chǎn)生增多，促進了POD活性的增強，POD在初期表現(xiàn)為保護效應。但隨著pH值進一步下降，POD參與了活性氧的生成和葉綠素的降解，并引發(fā)脂質(zhì)過氧化，雖然活性繼續(xù)增強，但是表現(xiàn)為傷害效應[24]。

目前有關(guān)富營養(yǎng)化對植物造成傷害的機理的研究較少。一般認為，富營養(yǎng)化造成浮游生物和細菌大量繁殖，導致水體透明度降低，下層水體植物的光合作用受到影響[25]。此外，藻類死亡后不斷沉積，腐爛分解，釋放有毒物質(zhì)，同時消耗大量溶解氧，致使需氧生物難以生存[26]。最后，隨著富營養(yǎng)化程度的增加，水體不斷惡化，水生環(huán)境失去平衡[27]。

本試驗中，隨著富營養(yǎng)化水平的提高，SOD、CAT活性均呈下降趨勢，POD活性呈上升趨勢，并且三者的變化幅度越來越大。表明富營養(yǎng)化脅迫抑制了SOD、CAT活性，促進了POD活性，而且富營養(yǎng)化脅迫擴大了酸雨脅迫的不利影響[28]。

對SOD、CAT與POD這3種酶活性的變化進行相關(guān)性分析，SOD與CAT活性呈極顯著正相關(guān)，CAT與POD活性呈顯著負相關(guān)。表明酸雨處理后，水葫蘆葉片中 O-2· 增多，首先SOD將 O-2· 分解為H2O2和O2，然后CAT將H2O2繼續(xù)分解為H2O和O2。SOD與CAT協(xié)調(diào)作用，共同清除了水葫蘆葉片中過量的活性氧。但是當pH值進一步下降時，SOD與CAT活性受到抑制，而POD參與到活性氧的生成中，活性繼續(xù)上升。

綜上所述，由于抗氧化酶的作用，水葫蘆對于pH值較高的酸雨有一定的耐受性，而對pH值較低的酸雨則會受到傷害。此外，酸雨還會影響水葫蘆對營養(yǎng)元素的吸收，加劇水體的富營養(yǎng)化進程，而富營養(yǎng)化又會擴大酸雨的不利影響。水葫蘆抵抗酸雨脅迫的臨界pH值尚不確定。酸雨和富營養(yǎng)化復合脅迫對水葫蘆抗氧化酶的影響可以通過抗氧化酶活性的變化來分析，但其具體生物學機制有待進一步研究闡明。

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