稀土铈对芥菜生理效应及其土壤酶系统影响研究

材料，研究了铈胁迫下芥菜的生理效应及其土壤酶活性变化规律，旨在为受污区特别是稀土矿区的蔬菜食用安全提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料

本实验所采用的蔬菜包括油麦菜、芥菜等在内的17种蔬菜。种子购于江门市利隆种业有限公司。种植前，选取优良种子于水中浸泡24 h，之后用纱布包好放入培育箱控温催芽，待种子露出白牙尖后均匀的播种于施足基肥的土壤里，待长大2～3片真叶后用于盆栽实验。供试土壤取自广东省江门市东湖公园园林土，土壤经风干、压碎过5 mm筛。

2.2 试验设计与方法

2.2.1 筛选实验

选取苗期约15 d，生长基本一致的供试植物的植株培养于1/4 Hoagland营养液中，每盆种植3株，pH值保持在6～6.5，每3天更换一次营养液，保持连续通气，等到菜苗适应了盆中营养液环境后，按浓度加入CeCl2·7H20，质量浓度设置为50 mg，/L（以Ce3+计）。每处理重复3次，自然条件下培养22 d后收获。并将其分可食部分与不可食部分进行采样分析，测定Ce元素含量。

2.2.2 浓度梯度实验

供试植物为芥菜，Ce3+设6个质量浓度（单位为mg/L）：100、300、600、900、1 200、1500，以CeC13·7H20形态加入。

2.3 样品处理与测定方法

2.3.1 样品的预处理

植物样品：用电子天平称取一定量的样品于干净的瓷坩埚中，用电热板低温炭化2～3 h，之后用坩埚钳将瓷坩埚转置马弗炉内.以每升湍100℃停半小时直至600℃，5～6 h即可灰化完毕[8]。冷却至室温后，向瓷坩锅内加入5 mL 10%的HNO3，置电热板上进行低温消化，直到埚内快蒸干时，加入3 mL1%的稀硝酸，溶解并转入容量瓶中，摇匀定容，以备测定。

土壤样品：取出土样，自然风干，压碎后进行研磨并过100目尼龙筛，封装并贴好标签置于阴凉处，以备后期测定。

2.3.2 测定方法

叶绿素含量：采用乙醇提取法;根系活力采用TTC法，具体操作参照李合生主编植物生理生化实验原理和技术测定方法[6];SOD活性：NBT光化还原法;CAT活性：高锰酸钾滴定法;POD：愈创木酚法;土壤过氧化氢酶活性：高锰酸钾滴定法;磷酸酶活性：苯磷酸二钠法;脲酶活性：奈氏比色法;土壤转化酶：比色法;土壤纤维素酶活性：3，5-二硝基水杨酸比色法。具体操作参照关松萌等主编土壤酶及其研究中测定方法[7]。

3 结果与分析

3.1 筛选实验

一般来说，某种植物对某种元素的吸收特点，常用富集系数和转运系数来描述。富集系数为植物地上部重金属含量与介质中重金属含量的比值，在一定程度上标志着介质一植物系统中元素迁移的难易程度[8];转运系数为植物地上部重金属含量与植物地下部重金属含量的比值。17种蔬菜对稀土元素铈的累积吸收情况详见表1。

从表1可以看出，不同种类蔬菜对稀土元素铈的吸收不同，17种蔬菜对铈的富集系数和转运系数存在着较犬的差异。从富集系数来说，芥菜的富集系数最大，可达1.96，而17种蔬菜的转运系数都较小，其转运能力普遍较低。结合本实验目的，故选取铈高积累蔬菜芥菜作为下面实验的供试植物。

3.2

Ce胁迫对芥菜叶绿索含量的影响

叶绿素含量高低与叶片的衰老氧化紧密相关，叶片组织内产生的氧自由基会对叶绿素结构产生破坏[9]，各种环境胁迫也可导致植物体内叶绿素破坏与降解。从图1中可以看出，随着Ce处理浓度的增加，芥菜叶片中的叶绿素含量变化呈先上升后下降的趋势。在Ce浓度为600 mg/kg时，达到其最大值3.47 mg/g，高于对照组91.7%，超过600 mg/kg时，叶绿素含量明显下降，直至低于对照水平。由此可见，低浓度Ce处理促进了芥菜对光能的吸收、传递和转化，刺激了植物体叶绿素的合成，对芥菜光合作用具有促进作用;高浓度Ce处理对芥菜光合作用起阻碍作用，严重影响芥菜的生长，此结果同Ce对其生物量的影响趋势相似，与陈祖义等[10]研究结果相似。

3.3

Ce胁迫对芥菜根系活力的影响

根系是植物吸收水分与养分的重要器官，它生长发育状况的好坏将直接影响到整个植株的生命活力，因此，根系活力可以直接反映根系的发育状况和植物的生长情况。

从图2可看出，随着Ce浓度的增加，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趋势。在芥菜根系中，Ce处理浓度为600 mg/kg时其根系活力达到最大值，为6.77mg/（ g/h），高于对照的213.4%，当Ce处理浓度大于600 mg/kg时，根系活力上升速度下降，直至根系开始失活，1500 mg/kg时芥菜叶子边缘已发黄，植株已出现轻度中毒现象，根系几乎失活。因此，低浓度Ce能增強芥菜的根系活力，当超过允许的浓度后对芥菜根系活力呈毒害作用，抑制其根系活力增强。

3.4 Ce胁迫对芥菜体内抗氧化酶系统的影响

抗氧化酶是指超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD），它们是植物活性氧清除系统中重要的酶，能维持活性氧自由基产生与清除系统的平衡[11]，其活性被看作重金属胁迫下植物能耐受的指标之一。

由图3可知，随着Ce浓度逐渐增加，芥菜体内SOD活性、POD活性、CAT活性总体上都呈现先上升后下降的趋势，当Ce浓度在O～600 mg/kg范围内，SOD活性、POD活性、CAT活性都呈上升的趋势;并在600 mg/kg时达到最大值，分别为367.64u/g、218.3U/（g/min）、349.47 mg/（g/min）;当Ce浓度大于600mg kg-l时，SOD活性、POD活性、CAT活性均下降，其中POD活性和SOD活性低于对照组。

实验表明，在较低Ce浓度处理下，由于稀土作为微量元素能促进植物生长发育，对植物生长副作用不明显，抗氧化酶活性保持较低的水平，但浓度超过-定范围后，植物受到迫害，刺激芥菜抗氧化酶的活性，增强了芥菜抵御活性氧伤害的能力，减轻了高浓度Ce给植物带来的伤害，直至防御系统被破坏。

3.5

Ce胁迫对土壤酶活性的影响

土壤酶是具有高度催化作用的生物催化剂，土壤中的一切生物化学过程都是在土壤酶的作用下进行的。土壤酶在土壤有机质转化和养分循环中起着非常重要的作用，它作为土壤的重要组成部分，与土壤理化性质之间具有较好的关联性[12]。可以反映土壤中生物代谢和物质转化状况[13]，能较好地反映土壤的表观肥力[14]。此外，许多研究者认为，土壤酶活性对重金属的激活或抑制作用非常的敏感，且某些酶的活性与重金属的污染程度存在着一定的相关性，可作为反映重金属污染程度的有效指标[15]。

本研究是在稀土污染的影响下，探讨酶活性变化的情况，并通过加入外源稀土金属Ce，达到实验预设的土壤稀土浓度值，再测定根际土壤中过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、转化酶和纤维素酶的活性。然后分析稀土Ce对土壤酶的影响，为稀土农用过程巾对生态环境的效应评价提供科学依据，同时进一步为受污染区特别是稀土矿区的蔬菜食用安全提供科学依据。

由图4可知，随着土壤Ce质量浓度的逐渐增加，土壤酶活性总体上都呈现先上升后下降的趋势。在芥菜根际土壤中，当Ce浓度为600 mg/kg时，过氧化氢酶活性和磷酸酶活性达到最大值，分别为1.67 mL/g和0.86 mg/g;当Ce浓度为900 mg/kg时，脲酶、纤维素酶和转化酶活性达到最大值，分别为0.22 mg/kg，3.67 mg/g，1.01 mg/g。在实验范围内Ce对土壤酶的活性有一定的刺激作用，并且随着浓度的逐渐增加，刺激作用由强变弱，此研究结果与褚海燕等人[16，17]研究结果变化趋势相符。

4 讨论与分析

通过在含稀土Ce六个水平浓度梯度的土壤中盆栽筛选的蔬菜芥菜，待其成熟收割后，取其植株与根际土壤测定植物生理指标和5种常见的土壤酶活性，结果如下：

（1）矿区农田稀土污染情况日趋严峻，使蔬菜受稀土污染的情况也愈发严重。如何有效利用污染土壤意义重大，筛选重金属高低积累植物被认为是一种有效的方法。在本实验中，通过对17种蔬菜进行实验后分析可得出芥菜可食部分稀土金属含量为98.21 mg/kg，是17种蔬菜中可食部分稀土金属含量最高的蔬菜，故选择芥菜作为接下来的供试植物。

（2）叶绿素是一类与光合作用有关的最重要的色素。实验表明，芥菜叶片中叶绿素含量先上升后下降，且在Ce浓度为600 mg/kg时达到最大，为3.47 mg/g。当Ce浓度小于600 mg/kg时，此时稀土Ce对芥菜叶绿素含量起促进作用，叶绿素含量随着稀土Ce浓度升高而增加;当Ce浓度大于600 mg/kg时，稀土Ce对芥菜叶绿素含量的促进作用降低，当芥菜叶绿素含量低于对照组叶绿素含量时，表明高浓度的稀土Ce处理会抑制植物叶绿素的合成，从而影响植物的光合作用，进而影响植物的生长，与陈祖义等人研究结果相似。

（3）植物的旺盛生长离不开一个强大的根系系统，根系活力作为反映根系代谢和植物生长的指标就显得尤为重要。研究表明，在稀土Ce处理下，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趋势。且在Ce浓度为600 mg/kg时达到最大，为5.02 mg，/（g/min）。当Ce浓度小于600m/kg时，此时稀土Ce对芥菜根系活力起促进作用，根系活力随着稀土Ce浓度升高而增大;当Ce浓度大于600 mg/kg时，稀土Ce对芥菜根系活力的促进作用降低，当芥菜根系活力低于对照组根系活力时，表明高浓度的稀土Ce处理会抑制植物的根系活力。可能的原因是根部细胞结构遭到破坏，从而致使植物根活力下降深知失活。

（4）生物体在生命活动中不断地产生自由基，正常情况下，机体内存在的SOD、POD、CAT通过形成一个自由基清除系统使自由基水平处于一种相对的动态平衡状态[18]。而当植物体受到外界环境的胁迫时有可能会破坏这种平衡。此次研究表明，随着土壤Ce含量的增加，芥菜叶片SOD、POD、CAT活性均呈现先上升后下降的趋势;可能的原因是低浓度的Ce处理虽然对芥菜的生长起促进作用，但植物体内活性氧（ROS）增幅不大，其叶片内抗氧化防御系统未完全启动来清除过量的ROS，所以SOD、POD、CAT活性增幅不大：随着Ce处理浓度的增加，植物体内ROS增幅较大，需增加大量的SOD、POD、CAT来清除过多的ROS。但抗氧化防御系统这种保护作用是有限的，当Ce质量浓度继续上升时，植物体内防御系统功能紊乱，清除ROS能力减弱，ROS在细胞内过量积累，进而导致细胞膜脂过氧化加强[19].高浓度的Ce处理使SOD、POD、CAT活性降低，直至低于对照组。

（4）土壤酶活性不仅受到根际土壤环境的影响，而且不同种类的酶受到根际土壤影响的效应也不相同。由土壤酶活性变化规律表明：芥菜根际土壤中过氧化氢酶先被激活再被抑制，脲酶、磷酸酶、纤维素酶、转化酶对Ce的敏感性影响趋势相似，均表现为激活效应，激活作用先增强后减弱。当Ce浓度为600 mg/kg时，为过氧化氢酶，磷酸酶活性值大小的分界点;当Ce浓度为900 mg/kg时，为脲酶、纤维素酶和转化酶活性值大小的分界点。可能的原因是：土壤酶对稀土元素有一定的耐性，在浓度允许的范围内对土壤酶活性呈增强作用，而当超过允许浓度后土壤酶活性有减弱的趋势，直至出现抑制作用。在芥菜根际土壤中，脲酶对铈的敏感性相对于过氧化氢酶来说差异性更大，脲酶活性最大相差0.14 mg/g。

5 结论

研究中选取常见蔬菜芥菜在Ce浓度水平为50mg/L条件下水培.然后进一步对芥菜进行盆栽土培试验，通过土培实验分析了稀土Ce对芥菜的叶绿素含量、根系活力、抗氧化酶和土壤酶活性的影响得到以下主要结论。

（1）本研究中，芥菜的富集系数最大，可达1.96，说明芥菜对Ce有较强的富集能力。再结合蔬菜的实际生长情况，认为芥菜可食部分对Ce有较高的富集，因此选择高Ce积累芥菜作为下面实验的供试植物。

（2）芥菜叶片中叶绿素含量先上升后下降，且在Ce浓度为600 mg/kg时达到最大，为3.47 mg/g。当Ce浓度小于600 mg/kg时，此时稀土Ce对芥菜叶绿素含量起促进作用，叶绿素含量随着稀土Ce浓度升高而增加;当Ce浓度大于600 mg/kg时，稀土Ce对芥菜叶绿素含量的促进作用降低，直至低于对照组并对植物产生毒害作用。

（3）在稀土Ce处理下，芥菜的根系活力呈先上升后下降的趋势。且在Ce浓度为600 mg/kg时达到最大，为5.02 mg/（ g/min）。当Ce浓度小于600 mg，/kg时，此时稀土Ce对芥菜根系活力起促进作用，根系活力随着稀土Ce浓度升高而增大;当Ce浓度大于600 mg/kg时，稀土Ce对芥菜根系活力的促进作用降低，直至植物根系失活。

（4）研究表明，植物的生理效应能很好的反映植株的健康情况，随着土壤Ce含量增加，芥菜中SOD活性、POD活性、CAT活性总体上均呈现先上升后下降的趋势。当超过某一浓度后，Ce对芥菜的抑制作用随Ce浓度增加而增强。

（5）实验结果显示，土壤酶活性不仅受到根际土壤环境的影响，而且不同种类的酶受到根际土壤影响的效应也不相同。芥菜根际土壤中，土壤脲酶、磷酸酶、纤维素酶、转化酶对Ce的敏感性影响趋势相似，均表现为激活效应，激活作用先增强后减弱。而过氧化氢酶则表现为先激活后抑制，表明过氧化氢酶对Ce更敏感。总之，稀土元素Ce是影响酶活性的重要因素之一。

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