模拟酸雨和富营养化复合胁迫对水葫芦抗氧化酶的影响

和华龙++黄华++薛建辉

摘要：以水葫芦为研究对象，利用水培法，探讨了模拟酸雨和富营养化复合胁迫对水葫芦叶片抗氧化酶的影响。结果表明，随着酸雨pH值的下降和富营养化水平的提高，水葫芦叶片的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性总体均呈下降趋势，而过氧化物酶（POD）活性呈上升趋势，并且3种酶活性的变化幅度越来越大。表明随着pH值的下降，酸雨对SOD、CAT活性均产生抑制作用，而对POD活性产生促进作用，并且会随着富营养化水平的提高作用增强。并对3种酶活性变化进行相关性分析，发现三者相关系数较大，说明3种酶之间有一定的协调作用。

关键词：模拟酸雨；富营养化；复合胁迫；水葫芦；抗氧化酶

中图分类号： Q945.78文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0430-03

收稿日期：2015-05-11

基金项目：江苏省高校自然科学研究重大项目（编号：12KJA180003）；江苏省高校生物学优势学科建设工程（编号：2014-PAPD）。

作者简介：和华龙（1989—），男，河南周口人，硕士研究生，主要从事植物生理学研究。E-mail：hualonghe@foxmail.com。

通信作者：薛建辉，教授，博士生导师，主要从事森林生态学研究。Tel：（025）85427220；E-mail：jhxue@njfu.edu.cn。中国是继欧美之后世界上出现的第三大酸雨区，酸雨面积约占国土面积的40%[1]，而富营养化湖泊的比例更是高达60%[2]。酸雨和富营养化的危害日益严重，对我国的生态环境、经济发展和居民健康造成了巨大威胁[3]。研究酸雨和富营养化复合胁迫对水生植物的影响，探索水生植物在富营养化条件下对酸雨的响应机制，从而选择合适的水生植物用于水环境修复，具有十分重要的意义。在逆境条件下，植物体内活性氧代谢失调，自由基大量积累，可导致膜系统损伤，进一步造成细胞的代谢功能丧失和死亡[4-5]。植物体内存在一整套的抗氧化系统，它能使活性氧的产生和清除处于一种动态平衡的状态，从而维持植物的正常生长[6-7]。其中，抗氧化酶发挥着重要作用，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）[8-9]。目前，国内外关于酸雨对植物影响的研究较多，但是酸雨和富营养化复合胁迫对植物抗氧化酶系统的影响则鲜见报道[10]。本研究以水葫芦为对象，利用水培法，探讨了在富营养化条件下酸雨对水葫芦叶片抗氧化酶系统的影响，以期为富营养化水体的生态修复以及适宜水生植物的选择提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

水葫芦，学名凤眼蓝（Eichhornia crassipes），原产于南美洲亚马逊河流域，雨久花科凤眼蓝属，是一种漂浮性水生植物。水葫芦根系发达呈须状，叶柄膨大而中空，叶子直立而光滑，花为蓝色喇叭状。水葫芦适应性强，是净化水质的良好植物，但其繁殖迅速，难以根除，会导致生态环境恶化[11]。试验在南京林业大学下蜀林场温室内进行，选取生长健康并且一致的水葫芦幼苗置于塑料周转箱（长50 cm、宽38 cm、 高30 cm） ，箱内盛30 L营养液。

1.2方法

1.2.1营养液营养水平设置营养液采用Hoagland改良配方，以处理过的高纯水配制。水培1个月后，选取生长健康并且一致的水葫芦分为3组，再分别用不同营养水平的营养液培养。营养液设置低富营养化（N1）、中富营养化（N2）、高富营养化（N3）3个水平，其中铁盐和微量元素的配方与Hoagland营养液一致。各营养液的成分和含量见表1。

1.2.2模拟酸雨处理水平设置酸雨母液采用1 mol/L硫酸与2 mol/L硝酸等体积混合而成，以处理过的高纯水配制。模拟酸雨设置3个水平，分别为pH值7.0、4.0、2.0。模拟酸雨处理采用喷雾法，用喷雾器向水葫芦叶片喷洒酸雨。在叶面喷洒酸雨量为20 mm（相当于中雨），喷洒时间为30 min。喷洒酸雨时须缓慢，以叶片不滴液为标准，同时为防止污染营养液，喷后更换营养液。每组水葫芦样品喷洒模拟酸雨3次，隔1 d喷1次，处理完成后的第2天，随机选取新鲜叶片进行生理指标测定。

1.2.3生理指标测定参考李合生的方法[12]，分别测定水葫芦叶片的SOD、CAT、POD活性。SOD活性以抑制氮蓝四唑（NBT）光化还原50%为1个酶活性单位（U/g），CAT活性以D240 nm每分钟减少0.1为1个酶活性单位[U/（g·min）]，POD活性以D470 nm每分钟增加0.01为1个酶活性单位 [U/（g·min）]。每组水葫芦样品测定3个重复，每个重复均取自不同的样品。

1.3数据分析

利用Excel和SPSS软件进行数据处理和分析。

2结果与分析

2.1复合胁迫对SOD活性的影响

从图1可见，模拟酸雨处理后，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。同时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活性从N2水平至N3水平下降的幅度要大于从N1水平至N2水平下降的幅度。由此可见，同等营养水平下，随着pH值的下降，SOD活性先上升后下降，总体呈下降趋势。同时，同等酸雨水平下，随着营养水平的提高，SOD活性呈下降趋势，并且下降幅度越来越大。表明酸雨胁迫和富营养化胁迫对水葫芦叶片SOD活性均有一定的抑制作用，而且富营养化胁迫扩大了酸雨胁迫的不利影响。

2.2复合胁迫对CAT活性的影响

从图2可见，模拟酸雨处理后，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。同时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活性从N2水平至N3水平下降的幅度要大于从N1水平至N2水平下降的幅度。由此可见，同等营养水平下，随着pH值的下降，CAT活性先上升后下降，总体呈下降趋势。同时，同等酸雨水平下，随着富营养化水平的提高，CAT活性呈下降趋势，并且下降幅度越来越大。表明酸雨胁迫和富营养化胁迫对水葫芦叶片CAT活性均有一定的抑制作用，而且富营养化胁迫扩大了酸雨胁迫的不利影响。

2.3复合胁迫对POD活性的影响

从图3可见，模拟酸雨处理后，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。同时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活性从N2水平至N3水平升高的幅度要大于从N1水平至N2水平升高的幅度。由此可见，随着pH值的下降和富营养化水平的提高，POD活性均呈上升趋势，并且上升幅度越来越大。表明酸雨胁迫和富营养化胁迫对水葫芦叶片POD活性均有一定的促进作用，而且富营养化胁迫扩大了酸雨胁迫的不利影响。

2.4SOD、CAT与POD活性变化的相关性分析

从表2可以看出，对SOD、CAT与POD 3种酶活性的变化进行相关性分析，分析结果相关系数较大。其中，SOD与CAT活性呈极显著正相关，SOD与POD活性呈不显著负相关，CAT与POD活性呈显著负相关。表明SOD、CAT与POD之间存在一定的协调作用。

表2SOD、CAT、SOD活性变化的相关系数

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

3讨论

研究结果表明，酸雨会导致植物体内超氧阴离子自由基（O-2· ）等活性氧大量积累，对蛋白质、糖脂和核酸等维持生物功能的大分子结构造成破坏，特别是膜结构中的蛋白质，造成细胞膜脂质过氧化，膜透性增加，大量营养离子外渗，从而影响了植物正常的生理代谢[13-14]。酸雨对许多植物产生伤害的临界点在pH值3.5，对植物生长和生物量影响的临界点在pH值3.0至pH值2.0之间[15]，本试验结果与之相符。

SOD主要存在于细胞质和线粒体中，可以催化 O-2· 发生歧化反应，生成H2O2和O2[16]。SOD作为一种诱导酶，其活性受底物 O-2· 浓度的影响[17]。本试验中随着酸雨pH值的下降，SOD活性先上升后下降，总体呈下降趋势。表明酸雨处理后，水葫芦叶片中 O-2· 产生增多，促进了SOD活性的增强；但随着pH值进一步下降，SOD活性逐渐受到抑制[18]。

CAT主要存在于过氧化氢体中，可将H2O2迅速分解为H2O和O2[19]。CAT和SOD协同作用，可清除植物体内过量的 O-2· 和H2O2[20]。本试验中，随着酸雨pH值的下降，CAT活性先上升后下降，总体呈下降趋势。表明酸雨处理后，水葫芦叶片中由SOD催化产生的H2O2增多，促进了CAT活性增强；但随着pH值进一步下降，CAT活性逐渐受到抑制[21]。

POD广泛存在于植物体内，可以将H2O2分解为H2O和O2[22]。POD作为活性较高的适应性酶，能够反映植物生长发育的特点、体内代谢状况以及对外界环境的适应性，是植物衰老到一定阶段的产物，甚至可以作为衰老指标[23]。本试验中随着酸雨pH值的下降，POD活性呈上升趋势。表明酸雨处理后，水葫芦叶片中H2O2的产生增多，促进了POD活性的增强，POD在初期表现为保护效应。但随着pH值进一步下降，POD参与了活性氧的生成和叶绿素的降解，并引发脂质过氧化，虽然活性继续增强，但是表现为伤害效应[24]。

目前有关富营养化对植物造成伤害的机理的研究较少。一般认为，富营养化造成浮游生物和细菌大量繁殖，导致水体透明度降低，下层水体植物的光合作用受到影响[25]。此外，藻类死亡后不断沉积，腐烂分解，释放有毒物质，同时消耗大量溶解氧，致使需氧生物难以生存[26]。最后，随着富营养化程度的增加，水体不断恶化，水生环境失去平衡[27]。

本试验中，随着富营养化水平的提高，SOD、CAT活性均呈下降趋势，POD活性呈上升趋势，并且三者的变化幅度越来越大。表明富营养化胁迫抑制了SOD、CAT活性，促进了POD活性，而且富营养化胁迫扩大了酸雨胁迫的不利影响[28]。

对SOD、CAT与POD这3种酶活性的变化进行相关性分析，SOD与CAT活性呈极显著正相关，CAT与POD活性呈显著负相关。表明酸雨处理后，水葫芦叶片中 O-2· 增多，首先SOD将 O-2· 分解为H2O2和O2，然后CAT将H2O2继续分解为H2O和O2。SOD与CAT协调作用，共同清除了水葫芦叶片中过量的活性氧。但是当pH值进一步下降时，SOD与CAT活性受到抑制，而POD参与到活性氧的生成中，活性继续上升。

综上所述，由于抗氧化酶的作用，水葫芦对于pH值较高的酸雨有一定的耐受性，而对pH值较低的酸雨则会受到伤害。此外，酸雨还会影响水葫芦对营养元素的吸收，加剧水体的富营养化进程，而富营养化又会扩大酸雨的不利影响。水葫芦抵抗酸雨胁迫的临界pH值尚不确定。酸雨和富营养化复合胁迫对水葫芦抗氧化酶的影响可以通过抗氧化酶活性的变化来分析，但其具体生物学机制有待进一步研究阐明。

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