污水与镉复合胁迫对玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

李萌，解静芳，吕佳莉，2，陈佳月，刘瑞卿

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.晋城市凤鸣中学，山西晋城048000）

污水与镉复合胁迫对玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

李萌1，解静芳1，吕佳莉1，2，陈佳月1，刘瑞卿1

（1.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；2.晋城市凤鸣中学，山西晋城048000）

为了探讨污水与镉（Cd）复合胁迫对作物生长的影响机制，采用实验室水培技术、紫外分光光度和石墨炉原子吸收法，对复合胁迫致玉米幼苗抗氧化酶活性的变化进行了研究。结果表明，与各自空白对照相比，单一和复合胁迫在Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时，对玉米种子萌发均有显著促进作用（P＜0.05），但对株高和根长没有影响；在Cd2+质量浓度为10～50 mg/L时，对玉米种子萌发没有影响，但对株高和根长则存在明显的抑制作用（P＜0.001）。与各自空白对照相比，2个系列Cd2+均能诱导玉米幼苗超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽-S-转移酶（GST）、过氧化氢酶（CAT）4种抗氧化酶活性的增加，且随着Cd2+浓度的增大，酶活性变化均呈现双阶段性：低浓度增加缓慢，高浓度增加迅速；与Cd单一胁迫相比，复合胁迫4种酶活性的变化，在Cd2+为0～10 mg/L时，没有显著差异（P＞0.05），在Cd2+为10～50 mg/L时，均为复合胁迫显著高于单一胁迫（P＜0.05）。单一和复合胁迫均会导致玉米幼苗Cd积累，且Cd2+质量浓度相同时，复合胁迫高于单一胁迫；在2个系列中，随着Cd2+质量浓度的增大，玉米幼苗Cd含量上升亦呈现双阶段性，Cd2+为0～10 mg/L时增加迅速，为10～50 mg/L时增加缓慢。污水在Cd2+质量浓度较低时可以缓解重金属Cd对玉米幼苗的危害，Cd2+质量浓度较高时，则加剧对玉米幼苗的危害；Cd2+为5～10 mg/L是污水与Cd复合胁迫诱导玉米幼苗抗氧化酶活性变化的敏感点，污水与高浓度Cd2+复合胁迫对人体健康的影响应引起高度关注。

污水灌溉；Cd；复合胁迫；玉米幼苗；抗氧化酶

Key words：sewage irrigation;cadmium;compound pollution;maize seedling;antioxidant enzyme activity

污水灌溉是实现污水资源化和缓解水资源危机的重要应用工程措施[1]，但污水中一些难降解污染物也会在土壤中积累，造成土壤污染[2-4]。土壤对各种重金属的容纳量以镉（Cd）为最小，含Cd污染物会经多种途径进入各类生态系统，造成Cd污染[5-6]。Cd是剧毒金属元素之一，会对植物细胞产生毒害作用，抑制植物光合作用和蒸腾作用，干扰植物正常新陈代谢，继而使植物产生病变、衰老甚至死亡[7-8]。目前，镉已被美国毒物管理委员会（ATSDR）列为第6位危及人体健康的有毒物质[9]。

作物幼苗在受到环境污染时，其植株酶活性的变化，可在一定程度上指示植株对环境污染的解毒能力大小，不同的酶活性，其变化所指示的意义不同[10-11]。如抗氧化酶活性（SOD，POD，GST，CAT）的变化，可以用来分析生物体内活性氧清除系统的作用机理[12-13]，因此，可以用它来监测污染物对作物的影响，并对环境污染做出预警和诊断[14]。以往的研究多集中在土壤-污灌系统作物抗氧化酶活性的变化上，而污水灌溉和重金属复合污染对作物抗氧化酶活性的影响研究少有报道。

太原市地处山西省中部，水资源极其匮乏，人均水资源占有量仅占我国平均水平的7.4%，其污水灌溉约占水浇地总量的83.2%[15-16]。目前，土壤污染已呈现出综合性、伴生性等复合污染的特点[17]，而复合胁迫对作物生长的影响机制研究还少有报道，特别是当镉污染存在时，污水灌溉是否会加重或缓解镉污染，植物抗氧化系统酶活性变化、作用机制以及对玉米幼苗镉积累影响是本研究希冀解决的主要问题。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米种子为山西强盛16号，试验选择大小一致、颗粒饱满、没有霉变的种子；供试污水采自太原市小店区北张退水渠，其基本理化性质如表1所示。

表1 供试污水基本理化性质

1.2 试验设备

石墨炉原子吸收分光光度计（AA140/240，美国VARIAN公司），紫外分光光度计（UV2100，上海尤尼柯有限公司），光照培养箱（LI15，美国SHELLAB公司），真空冷冻干燥机（TF-FD-18S，上海田枫实业有限公司），高速冷冻离心机（Z36HK，德国HERMLE公司）等。

1.3 试验设计

试验设Cd单一胁迫、污水与Cd复合胁迫2个系列，每个系列分别设1个对照，5个质量浓度水平，共6个处理，每个处理5个重复。2个系列的Cd质量浓度均设置为0，1，5，10，25，50 mg/L，其中，Cd单独胁迫系列溶液用清水配置，污水与Cd复合胁迫系列溶液用污水配置。

1.4 培养过程

种子萌发及幼苗生长试验均在光照培养箱进行，培养过程在参照文献[18-19]基础上略作改动：首先将玉米种子用75%的乙醇溶液浸泡消毒10min，之后立即用蒸馏水冲洗3～5次，将种子胚芽朝上摆放于直径为11 cm、内垫有3层滤纸的培养皿中，每个培养皿内摆放12颗种子。向各培养皿中分别加入15 mL相应的处理溶液，加盖置于光照培养箱内培养，光照与黑暗时间均设置为12 h，昼/夜温度为25℃/15℃，待玉米发芽后（约72 h），移除培养皿盖，每天用处理溶液定时浇灌2次，每次15mL。待玉米幼苗生长14 d时，各处理间幼苗形态特征差异明显，此时进行各项指标的测定。

1.5 测定项目及方法

1.5.1 玉米幼苗生长状况测定玉米种子在光照培养箱中培养至第7天，观察记录各培养皿种子萌发情况，并计算种子萌发率。将培养14 d后的玉米幼苗洗净，记录玉米幼苗株高、根长等指标。

1.5.2 玉米幼苗抗氧化物酶活性测定[20]取一定量的新鲜植株样品，加入5 mL磷酸盐缓冲溶液（pH值7.8，内含1%的聚乙烯吡咯烷酮），冰浴研磨，4℃，4 000 r/min离心10 min。取上清液，用于酶活性测定。其中，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑法[21]测定；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法[22]测定；谷胱甘肽-S-转移酶（GST）采用南京建成生物工程研究所试剂盒的测试方法进行测定；过氧化氢酶（CAT）采用过氧化氢分解法[23]进行测定。

1.5.3 玉米幼苗Cd含量测定根据GB/T5009.15—2003测定玉米幼苗Cd含量：称取一定量洗净的玉米幼苗鲜样于聚四氟乙烯内罐加入8 mL硝酸和2 mL高氯酸，加盖密封，于120～140℃温度下消解3～4 h，同时做试剂空白，用石墨炉原子吸收分光光度计测定Cd含量。

1.6 数据分析

采用SPSS 17.0统计软件One-Way ANOVALSD-t检验法对测定数据进行统计分析。

萌发率（GR）＝正常发芽种子数/供试种子数×100%。

2 结果与分析

2.1 Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫对玉米幼苗生长的影响

Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫对玉米幼苗种子萌发率、株高、根长等生长状况的影响，随着Cd2+处理浓度的不同表现各异。

2.1.1 对玉米种子萌发率的影响Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫2个系列对玉米种子萌发率的影响如图1所示。

由图1可知，与各自空白对照组相比，Cd2+质量浓度在0～10 mg/L时，随着Cd2+质量浓度的增大，2个系列玉米种子萌发率均显著增加（P＜0.05）；当Cd2+质量浓度在10～50 mg/L时，玉米种子萌发率变化不显著（P＞0.05）。说明10 mg/L为Cd2+对玉米种子萌发影响的敏感点，Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时，对玉米种子萌发有促进作用，而Cd2+质量浓度为10～50 mg/L时，对玉米种子萌发没有影响，这与崔宏莉[24]的研究结果一致。在Cd2+质量浓度相同时，2个系列种子萌发率均没有显著性差异（P＞0.05），说明污水对Cd2+诱导种子萌发率变化的影响不明显。

2.1.2 对玉米幼苗生长状况的影响Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫2个系列，不同处理玉米幼苗生长状况的变化情况如图2所示。由图2可知，2个系列玉米幼苗株高和根长的生长呈现相同的变化趋势，均为Cd2+质量浓度在0～10 mg/L时，随着Cd2+质量浓度的增加，株高和根长略有升高，在Cd2+质量浓度为10 mg/L时，达到最大值，但与各自空白对照相比，统计检验并没有显著性差异（P＞0.05）；而Cd2+质量浓度在10～50 mg/L时，随着Cd2+质量浓度的增加，幼苗株高和根长呈现极显著降低趋势（P＜0.001），且植株出现明显的毒害症状，主要表现为植株矮小、叶片较小且发黄，高浓度处理下植株趋于死亡；主根越来越短小粗壮，须根越来越少。说明10 mg/L为Cd2+对玉米幼苗生长影响的敏感点，镉对玉米幼苗的生长表现出“低促高抑”的特点，这与黄辉等[25]的研究结果一致。

2.2 Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫对玉米幼苗酶活性的影响

玉米幼苗不同抗氧化酶活性的变化，是衡量玉米幼苗是否受到环境因子胁迫，胁迫程度如何的重要指标。由图3可知，随着Cd2+质量浓度的增加，不同酶活性影响和变化的敏感浓度点略有不同。

2.2.1 对玉米幼苗SOD酶活性的影响由图3-A可知，与各自空白对照相比，随着Cd2+质量浓度的不断增大，2个系列玉米幼苗SOD酶活性呈现不同程度的升高；与同质量浓度Cd单一胁迫相比，复合胁迫在Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时升高无显著性差异（P＞0.05），Cd2+质量浓度为10～25 mg/L时升高显著（P＜0.01）；Cd2+质量浓度为25～50 mg/L时，2个系列的SOD酶活性均开始有所降低。说明，Cd2+质量浓度较低时，SOD酶活性的升高可以有效阻止氧化物的积累，但当Cd2+质量浓度较高时，因玉米幼苗处于极端胁迫条件下，自身抗氧化系统失调，导致酶活性下降。随着Cd2+质量浓度的升高，SOD保护酶活性先升高后降低，酶活性的提高能够清除Cd胁迫产生的活性氧，对玉米幼苗具有保护作用，但这种保护作用是有一定限度的[26-27]。

2.2.2 对玉米幼苗POD酶活性的影响由图3-B可知，2个系列均表现为随着Cd2+质量浓度的增加，POD酶活性不断增加，说明Cd2+能够刺激玉米幼苗中POD酶活性产生。与同质量浓度Cd单一胁迫相比，复合胁迫POD酶活性在Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时，POD酶活性变化不明显（P＞0.05）；Cd2+为10～50 mg/L时，复合胁迫POD酶活性均高于单独胁迫（P＜0.001）。表明Cd2+质量浓度为10mg/L是污水对Cd2+导致玉米幼苗POD酶活性变化的敏感点，即Cd2+质量浓度在10～50 mg/L时，污水存在会显著促进POD酶活性的升高。

2.2.3 对玉米幼苗GST酶活性的影响从图3-C可以看出，Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时，随着Cd2+质量浓度的增加，GST酶活性几乎没有太大的变化；在Cd2+质量浓度为10～50 mg/L时，与2个系列各自的空白对照相比，GST酶活性均明显增大（P＜0.01）；与Cd单一胁迫相比，复合胁迫增加幅度更大（P＜0.01），说明Cd2+质量浓度为10 mg/L是污水对Cd2+导致玉米幼苗GST酶活性变化的敏感点，在Cd2+质量浓度为10～50 mg/L时，污水胁迫能够促进玉米幼苗GST酶活性产生。

2.2.4 对玉米幼苗CAT酶活性的影响由图3-D可知，2个系列均表现为随着Cd2+质量浓度的增加，CAT酶活性不断增加。与Cd单一胁迫相比，Cd2+质量浓度为0～5 mg/L时，单一和复合胁迫，酶活性的变化没有明显差异（P＞0.05）；Cd2+质量浓度为5～50 mg/L时，随着Cd2+质量浓度的增加，复合胁迫酶活性显著高于单一胁迫（P＜0.05）。说明Cd2+质量浓度为5～50 mg/L时，污水存在可以显著促进CAT酶活性产生，Cd2+质量浓度为5 mg/L是污水对Cd2+导致玉米幼苗CAT酶活性变化的敏感点。

2.3 Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫对玉米幼苗Cd含量的影响

由图4-A可知，随着Cd2+质量浓度的增大，2个系列玉米幼苗Cd含量均逐渐增大，与各自空白对照相比，均呈现极显著增加（P＜0.001）；与同质量浓度Cd单一胁迫相比，污水与Cd复合胁迫玉米幼苗Cd含量均高于Cd单一胁迫（P＜0.01，P＜0.001），说明污水灌溉对玉米幼苗吸收和富集Cd有促进作用。

从图4-B可以看出，随着Cd2+质量浓度的增大，玉米幼苗Cd含量的变化在不同Cd2+处理浓度范围，呈现双阶段性：即当Cd2+在0～10 mg/L时，2个系列均表现为玉米幼苗Cd含量急剧上升，单一和复合胁迫玉米幼苗Cd含量与Cd2+质量浓度之间的线性相关方程分别为：y＝3.257 3x+2.352 9和y＝3.828 2x+2.920 5，相关系数分别为0.997 9和0.997 6，均表现为显著相关。当Cd2+为10～50 mg/L时，随Cd2+质量浓度的增大，玉米幼苗Cd含量缓慢增加，单一和复合胁迫线性相关方程分别为y＝0.541 8x+29.302，y＝0.506 8x+36.111，相关系数分别为0.997 8和0.998 5，同样表现为显著相关。由上述相关直线方程斜率变化可以看出，无论单一还是复合处理，玉米幼苗Cd含量在Cd2+为0～10mg/L范围内增加较快，在10～50 mg/L范围内增加缓慢。10 mg/L同样为Cd胁迫对玉米幼苗Cd积累的敏感点。

出现这种情况的原因是由于在Cd2+质量浓度较低（0～10 mg/L）时，玉米幼苗的生理功能还未受到严重伤害，对Cd具有一定的富集能力；随着Cd2+质量浓度的增加，玉米幼苗Cd积累也逐渐增加，当Cd2+质量浓度高于10 mg/L时，富集Cd的速度开始变缓，可能是高质量浓度Cd2+影响了玉米幼苗的正常生长，并损伤了玉米幼苗的生理功能，从而抑制了对Cd2+的吸收。与毋燕妮等[28]研究结果表明，污水灌溉和镉胁迫对菠菜镉积累的研究结果相比，玉米幼苗对Cd的富集作用更强，也表明玉米幼苗对污水与Cd复合胁迫的耐受性要高于菠菜。另外，虽然玉米幼苗镉含量低于10 mg/L，其生长状况良好，但其幼苗所富集的高含量镉应引起高度关注。因此，对镉污染的土壤最好进行污染土壤修复后再进行种植。

3 结论

本试验以太原市污灌区广泛种植的玉米为研究对象，对玉米幼苗分别进行了Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫处理。研究结果表明，玉米种子萌发率和幼苗生长状况的观察和统计检验结果表明，与各自空白对照相比，Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫在Cd2+质量浓度为0～10 mg/L时，对玉米种子萌发均有促进作用（P＜0.05），但对株高和根长无显著性差异（P＞0.05）；在Cd2+为10～50 mg/L时，对玉米种子萌发无显著性差异（P＞0.05），但对株高和根长则存在明显抑制作用（P＜0.001）。萌发率与幼苗生长变化情况相反，萌发情况直接影响作物后期的生长情况。

玉米幼苗抗氧化酶活性测定结果显示，与各自的空白对照相比，Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫，Cd2+均能诱导玉米幼苗SOD，POD，GST和CAT酶活性的提高，且基本表现出随着Cd2+质量浓度的增大，酶活性变化均呈现双阶段性：低质量浓度增加缓慢，高质量浓度增加迅速。与Cd单一胁迫相比，2个系列4种酶活性的变化，在Cd2+为0～10 mg/L时，没有显著差异（P＞0.05），在Cd2+为10～50 mg/L时，均为复合胁迫显著高于Cd单一胁迫（P＜0.05）。玉米幼苗抗氧化酶活性的变化，可以反映其应对环境变化和污染的应激反应程度。

玉米幼苗富集Cd的测定结果显示，Cd单一胁迫和污水与Cd复合胁迫，均会导致玉米幼苗的Cd积累，且Cd2+质量浓度相同时，玉米幼苗中Cd含量在复合胁迫中均显著高于Cd单一胁迫（P＜0.01），说明污水灌溉对玉米幼苗吸收和富集Cd有促进作用。随着Cd2+质量浓度的不断增大，玉米幼苗Cd含量上升在2个系列中均呈现双阶段性：即当Cd2+在0～10 mg/L时，玉米幼苗Cd含量随Cd2+浓度的变化增加迅速；但当Cd2+质量浓度达到10～50 mg/L时，玉米幼苗Cd含量随Cd2+质量浓度的变化增加缓慢。

综上所述，Cd2+质量浓度为10 mg/L是玉米幼苗生长和Cd富集的敏感点，Cd2+质量浓度为5～10 mg/L是污水对Cd诱导酶活性变化的敏感点，污水在Cd2+质量浓度较低时可以缓解重金属Cd对植物的危害；Cd2+质量浓度较高时，污水中某些物质可能会与Cd2+发生协同作用，加剧对植物的危害。由此，污水与Cd复合胁迫，对玉米幼苗生长、酶活性变化以及镉积累均具有促进作用，该影响对植物重金属污染与人体健康的关系研究应引起高度关注。因此，加强对已产生镉污染土壤的修复，对污染严重土壤实行清、污轮灌，提高污水处理率和回收率，对生态环境安全和食品安全均具有重要的现实意义。

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Effects of Sewage and Cd Compound Stress on Maize Seedling Antioxidant Enzyme Activity

LI Meng1，XIE Jingfang1，LÜ Jiali1，2，CHENJiayue1，LIURuiqing1
（1.College ofEnvironment and Resource，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；
2.FengmingMiddle School ofJincheng，Jincheng048000，China）

To investigate the influence of sewage and cadmium（Cd）compound stress on crop growth mechanism,by using laboratory hydroponic technology,ultraviolet spectrophotometer and graphite furnace atomic absorption spectrometry,the paper studied the variation of maize seedlings of antioxidant enzyme activity led by the compound stress.The results showed that compared with their own CK,single and compound stress processions had an promoting effect（P＜0.05）on maize seedlings germination when the Cd2+concentration was 0～10 mg/L,but no effect on plant height and root length.On the contrary,when the Cd2+concentration was 10～50 mg/L,it had no effect on maize seedling germination,but an obvious inhibition effect on plant height and root length（P＜0.001）. Compared with their own CK,Cd2+in both two treatments could induce the increase of the four kinds of antioxidant（SOD,POD,GST, CAT）of maize seedlings activity.With the increase of concentration of Cd2+,enzyme activity changed into double phases:low concentration increased slowly,high concentration increased rapidly.Compared with Cd single treatment,the change of the four kinds of enzyme activity in the compound stress showed no significant differences when the Cd2+concentration was between 0～10 mg/L（P＞0.05）,while the compound treatment was significantly higher than single treatment（P＜0.05）when the Cd2+concentration was 10～50 mg/L.Single and compound stress could cause maize seedling Cd accumulation,compound treatment was higher than the single treatment with the same concentration of Cd2+,with increasing concentration of Cd2+,Cd content of maize seedlings increased in both treatmentshowedadoublestage:itincreasedrapidlywhentheCd2+concentrationwas0～10 mg/L,whileslowlywhen theCd2+concentration was 10～50 mg/L.Atlowconcentration ofCd2+,sewage could alleviate the harmtothe maize seedlings bythe heavymetal Cd,and the harm deepened when the Cd2+concentration was high.The concentration of Cd2+in 5～10 mg/L range was a sensitive point of maize seedling antioxidantenzymeactivity.Thecompound pollution ofsewageand high concentration ofCd2+tohuman health should behighlyattention.

S513

A文献标识码：1002-2481（2017）02-0172-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.06

2016-12-21

国家自然科学基金项目（30740037）；国家公益性行业（农业）科研专项（201103024）

李萌（1992-），女，黑龙江伊春人，在读硕士，研究方向：环境毒理学与化学。解静芳为通信作者。