甲醛胁迫条件下几种园艺植物过氧化氢酶活性变化的研究

刘 皓，王立晖，吕春晖，安 娜

(天津现代职业技术学院 天津 300350)

1 现状概述

1.1 室内甲醛的产生及危害

近年来，随着人们经济生活水平的不断提高，建筑结构发生了较大改变，新型建筑、装修材料和人造板材家具的大量使用，以及生活中各种香味剂、除臭剂的普遍应用，导致室内空气中有害物质含量不断增多，对人体健康的影响越来越严重，已成为社会普遍关注的重要环境问题之一。经过研究发现，室内装修材料遇热潮解时都会释放出甲醛气体，所以甲醛被认为是室内主要污染物之一。[1]

研究表明，甲醛为毒性较高的物质，人体长时间吸入甲醛气体，可以引起结膜炎、咽喉炎、哮喘、支气管炎和变态反应性疾病。[2]很多医学报告指出，若人体皮肤直接接触福尔马林(甲醛的水溶液)，可能会引发过敏反应、皮肤炎或是湿疹，尤其工作中需要长期接触福尔马林的人，经常会有此类现象出现，因此需避免皮肤直接碰触，不慎碰触应迅速用清水冲洗。

很多科学研究与动物实验早已指出，长期接触福尔马林可能会导致癌症，其已被列为一种“疑似致癌物质”。微量甲醛在人体内的残留性不强，代谢速度较快，约 35%,,可代谢为甲酸，在尿液中以甲酸盐类形态排出，其余 65%,,可继续代谢为CO2与水排出体外。在所有接触者中，儿童和孕妇对甲醛尤为敏感，危害也更大，会引起妊娠综合症、新生儿染色体异常、白血病，造成青少年记忆力和智力下降等。研究发现，甲醛可能会造成细胞的变性，并且在细菌、人体分离细胞和动物细胞基因突变测试中呈阳性反应，不能排除其有致生物畸形可能。

目前，甲醛已被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。美国加州政府已经把甲醛列入具有潜在致癌性化合物名单，[3]我国有毒化学品优先控制名单上，甲醛高居第 2位。我国卫生部规定，室内甲醛浓度的限值为0.1,mg/m3。[4]

1.2 逆境与植物活性氧的产生及清除

在自然界条件下，由于不同的地理位置和气候条件以及人类活动等多方面原因，形成了各种不良环境，超出了植物正常生长、发育所能忍受的范围，致使植物受到伤害甚至死亡。这些对植物产生伤害的环境称为逆境(stress)或胁迫。而植物对不良环境的适应性和抵抗力为抗逆性(stress resistance)或抗性。逆境的种类多种多样，可分为生物逆境和非生物逆境两大类。

生物对污染物的抗性机制是外部排斥和内部忍耐的综合结果，同时由于污染物对植物的侵蚀渠道多而广，所以植物对环境中污染物的抗性机理是十分复杂的。[5]前苏联学者曾于1973年将植物的抗性划分为3大类，即生物学抗性、形态解剖方面的抗性和生理生化方面的抗性。他们认为植物的抗性与植物中的系统位置、细胞内含物的还原能力有关。[6]

自由基伤害学说[7]认为，在正常情况下，植物细胞中存在活性氧的产生和消除两个过程。逆境胁迫会促进活性氧产生，损伤膜系统。[8]

当植物遭受逆境胁迫时，植物体细胞内的活性氧平衡受到破坏，活性氧积累到致害水平时，可使细胞结构及功能受损、生长受抑，引发膜脂过氧化、生物大分子受损，从而导致氧化胁迫，影响植物的生长发育。[9]

活性氧是性质极为活泼，氧化能力很强的含氧物的总称。其产生的主要部位为叶绿体和线粒体，是植物生命代谢中的产物。活性氧包括含氧自由基和含氧非自由基。主要活性氧有O2-(超氧自由基)、1O2(单线态氧)、OH-(羟基自由基)、RO-(烷氧自由基)和含氧非自由基(H2O2)等。

为使活性氧代谢保持平衡，植物体内形成了一套清除活性氧的机制，包括非酶系统和酶系统。[10]非酶系统包括许多具有还原性的生物分子，主要有还原性谷胱甘肽、抗坏血酸、半胱氨酸、类胡萝卜素等。酶系统主要包括超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(Peroxidase，POD)和过氧化氢酶(Catalase，CAT)等。这 3种细胞保护酶在植物抵御有害气体、干旱、低温、高氧胁迫等逆境时起主要作用，其活性的高低是衡量植物抗逆性的重要指标之一。[11]它们和谷胱甘肽、多胺等物质一起，能够清除细胞内的自由基。多胺能够有效清除化学或酶反应产生的自由基，尤其是细胞内的氧自由基。谷胱甘肽参与生物解毒过程，可将H2O2还原为水，消除细胞内因胁迫诱导产生的过量活性氧自由基(OH-、O2-)及亲电子剂，从而保护细胞膜、酶甚至核酸免受活性氧及亲电子剂的攻击。此外，SOD、抗坏血酸、POD、CAT等对提高植物的抗性也有积极作用。这种保护系统几乎所有的植物都有。植物受到不良环境刺激时可诱发响应反应，使一些在正常条件下不存在的蛋白质的基因得以表达，从而获得对不良环境的抵抗能力。

本实验选取了绿萝、芦荟、吊兰、虎皮兰、常春藤等多种绿色植物，在饱和的甲醛胁迫条件下，分析植物的 CAT活性变化，探索甲醛对植物的伤害机理；比较不同植物对甲醛的耐受性，鉴定在净化室内甲醛污染上有价值的植物种类，即既能够耐受甲醛的胁迫，又能保持健康生长，从而有利于室内甲醛的吸收。

2 材料与方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1 实验材料

选取生长状态良好的绿萝、芦荟、吊兰、虎皮兰、常春藤等多种绿色植物，所用植物均从天津市曹庄子花市购买。

2.1.2 主要实验设备

使用自制玻璃材质甲醛熏蒸箱进行植物甲醛胁迫处理，使用岛津UV1240紫外可见分光光度计进行吸光度测定。

2.2 实验试剂

实验中所用试剂均为 AR级。主要试剂包括：提取液pH＝7.8(50,mM Tris-Cl pH＝8.0，10,mM MgCl2，8﹪甘油)，反应液(50,mmol/L PBS pH＝7.8，0.6﹪H2O2)

2.3 实验方法

2.3.1 甲醛熏蒸

每种植物选取长势良好并且生长状况接近的植株，设置平行对照组，共同进行饱和甲醛蒸汽熏蒸；分别在 10,min、30,min、50,min、2,h、4,h、6,h、8,h、22,h、27,h、29,h、31,h 几个时间点剪下小块叶段，称重后用于CAT提取。

2.3.2 CAT提取和活性测定

①研磨，提取酶液。将叶片剪成小段，加入5,mL预冷提取液，冰浴快速充分研磨，4,℃条件下 6,000,g离心 5,min，上清即为提取的酶液，低温保存。②采用过氧化氢法，测定 240,nm处的吸光值。向 1,mL酶液中加入 3,mL反应液，迅速放入分光光度计中，在240,nm处测定OD值，记录初始数值，并每间隔 30,s测一次，共测 6次。③CAT活性计算。以每 OD值每30,s下降0.1作为1个单位酶活。

2.3.3 数据分析

使用Execl和SAS进行数据统计分析。

3 结果与分析

本实验设置了实验组与平行对照组，将两组中相同植物的 CAT活性进行比较后发现，每个时间点 CAT活性不尽相同，但是总体的变化趋势大致相同(见 1～4)。这可能是由于植物的个体差异造成的。

如图 1所示，实验组绿萝在薰蒸30,min时，其 CAT活性达到最大值，熏蒸50,min、2,h、4,h时CAT活性略有下降，但仍保持较高活性水平。当熏蒸至 6,h时，CAT活性急剧下降，8,h时，CAT又有了较大幅度的上升，熏蒸至29,h、31,h时，酶活性又有所下降。而平行对照组中绿萝在 10,min、30,min、50,min、2,h、4,h、6,h、8,h的 CAT活性虽有波动，但总体维持在较高水平，22,h时急剧下降，29,h、31,h均维持在较低水平。

图1 实验组与平行对照组绿萝CAT活性变化趋势比较Fig.1 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of CAT activities of Epipremnum aureum

如图 2所示，实验组吊兰在熏蒸 10,min、30,min、50,min、2,h时取样可发现，其 CAT活性虽有所波动，但总体维持在较高水平，而 4,h、6,h、8,h、22,h、29,h 时取样发现，CAT 活性有所下降，并且在此 5个时间点内的酶活性基本持平，均维持较低水平。当熏蒸到31,h时，CAT活性急剧上升。平行对照组吊兰在 10,min时 CAT活性为最大，30,min时急速下降，50,min、2,h时有所上升，维持在较高水平，4,h时开始下降，8,h时有所回升，维持在较高水平，31,h下降到最低值。

图2 实验组与平行对照组吊兰CAT活性变化趋势比较Fig.2 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of Chlorophytum CAT activities

如图 3所示，实验组常春藤 CAT活性则是在 10,min、30,min、50,min由最大值持续下降到较低水平，2,h、4,h、6,h又有所上升，并维持在较高水平，到8,h时又急速下降，22,h时达到最低，29,h、31,h虽略有上升，但酶活性始终处于较低水平。而平行对照组的常春藤 10,min时 CAT活性处于较高水平，30,min时达到最大值，50,min时急剧下降到较低水平，2,h时缓慢上升，4,h时达第二个峰值，之后急速下降，一直维持在较低酶活水平。

图3 实验组与平行对照组常春藤CAT活性变化趋势比较Fig.3 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of ivy CAT activities

图4 实验组与平行对照组芦荟CAT活性变化趋势比较Fig.4 Comparison of experimental group and parallel control group regarding change trend of aloe CAT activities

如图4所示，实验组芦荟的CAT活性在前6个时间点都是维持在较低水平，8,h时有所上升，之后又下降到较低水平，到31,h时有所回升。平行对照组芦荟的CAT活性始终处于较低水平，在 4,h时略有上升，8,h时又下降回原有水平，22,h略有上升，之后持续下降。

由图 5、6可见，在相同的饱和甲醛蒸汽薰蒸条件下，不同时间点不同植物叶片中的CAT活性存在很大差异。

图5 实验组的几种植物在饱和甲醛蒸汽薰蒸处理下CAT活性的变化Fig.5 CAT activity changes of plants in the experimental group after receiving a fumigation process using saturated steam formaldehyde

图6 平行对照组的几种植物在饱和甲醛蒸汽薰蒸处理下的CAT活性变化Fig.6 CAT activity changes of plants in the parallel control group after receiving a fumigation process using saturated steam formaldehyde

通过图 5、6的对比可以发现，无论是实验组还是平行对照组，绿萝的CAT活性相对于其他3种植物始终处在较高水平，吊兰的 CAT活性虽然相对绿萝较低，但比另两种植物的酶活高，而且其酶活变化幅度也较另两种植物小，由此可以推测出，吊兰对于甲醛的耐受性相对较强。常春藤的 CAT活性在熏蒸的初始阶段也较高，但随着熏蒸时间的延长，其酶活在急剧下降，可见常春藤对甲醛蒸汽的耐受力不如绿萝和吊兰。而芦荟的CAT活性则始终处于较低水平。

4 讨论与方法改进

4.1 讨论

4.1.1 CAT活性与植物抗逆性

CAT普遍存在于植物体内，具有非常重要的生理功能，其中最主要的就是参与活性氧代谢过程。它在清除细胞内高浓度的 H2O2，将其还原成为水和氧分子的过程中发挥着至关重要的作用，所以 CAT活性的高低直接反映了植物体本身抗逆性的强弱。

4.1.2 虎皮兰细胞内CAT浓度升高

植物体内的CAT可以清除细胞内因胁迫等原因生成的多余 H2O2，从而保护细胞免受伤害。本实验中，虎皮兰在饱和甲醛蒸汽胁迫下，细胞内 H2O2浓度在逐步升高，但这并不能单纯说明 CAT在甲醛的作用下受到了明显的抑制，导致酶活急剧下降，不能及时清除植物体内因逆境胁迫积累的 H2O2。因为在甲醛胁迫下，可能导致SOD活性升高，而SOD在清除体内的同时，也会产生 H2O2，从而使得植物细胞内的 H2O2浓度上升。所以在这种情况下，如果 CAT活性下降或者上升的幅度不如 SOD的升高幅度，都会导致多余的 H2O2不能被及时清除，从而出现本实验的结果。

究竟是何种原因导致虎皮兰在饱和甲醛蒸汽熏蒸条件下，叶片细胞内H2O2浓度逐步升高，尚待进一步实验证明。

4.2 方法改进

本实验设计的是用饱和甲醛蒸汽对植物进行熏蒸，利用过氧化氢法测定 CAT活性。在这样的实验条件设定下，整个实验过程比较容易控制，但在实际生活中，空气中甲醛浓度要远远低于饱和值，与实际情况相差较大，所以本实验结果仍是处于实验室阶段。因此，可以在今后的实验中设定一个比较实际的甲醛浓度梯度进行胁迫，这样一方面可以避免由于过高浓度的甲醛蒸汽对植物体本身所造成的影响，另一方面也可以减少对实验者本身的健康影响。同时，还可以找到更多、更适合净化室内空气的植物。

5 结 语

随着饱和甲醛蒸汽薰蒸时间的延长，不同植物的 CAT活性均出现波动。其中绿萝和吊兰的 CAT活性比其余两种植物高，并且在较长时间的甲醛蒸汽熏蒸过程中仍能保持较高水平的 CAT活性，对甲醛的耐受性较强。因此，针对由于室内装修等原因引起的甲醛污染问题，绿萝和吊兰是比较理想的净化室内空气的植物。■

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