城市典型绿化树种叶片重金属积累及抗性生理特征

葛坤，王培军，邵海林，陈东良，杜宾

（1.太原学院园林科学研究所，山西 太原 030012；2.上海电气集团国控环球工程有限公司技术研发部，山西 太原 030001；3.太原学院 园艺系，山西 太原 030012）

随着城市经济的迅速发展，私家机动车的数量激增，使环境污染问题日益严重，大气重金属污染问题尤为突出。大气颗粒物因较大的比表面积，对大气中重金属（Zn、Cu、Pb、Cd）有较强的吸附能力，不仅影响人类的生活环境，还会以多种方式进入人体，对人体健康造成一定危害［1］。植物因对环境具有一定指示作用，常用于环境监测中大气污染的防治与监测。相关研究表明，植物叶片重金属含量与大气环境中重金属含量呈显著正相关，且不同植物叶片重金属含量差异显著［2］。南京市区交通干道绿化植物中，香樟（Cinnamomum camphora）对Cu、Pb 有较强的富集作用，马尼拉草（Zoysia matrella）对Cd、Pb 富集能力明显，海桐（Pittosporum tobira）则对多种重金属均表现出较强富集能力［3］。大气重金属可通过植物叶片表面气孔进入植物体内，与植物细胞核发生协同作用，改变叶绿体内部结构，减少叶绿素生成，降低SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性，抑制植物光合作用，当重金属在植物体内积累到一定程度，会严重影响植物的生长及生理生化反应［4］。植物处于逆境胁迫时，体内积累一定量的活性氧（ROS），ROS 浓度过高会影响植物蛋白质合成，破坏植物细胞膜透性造成氧化胁迫，而低浓度的ROS 可诱导抗氧化酶基因表达，进而诱导保护酶的合成，提高抗氧化酶活性［5-8］。处于逆境的植物可诱导生成可溶性糖，游离脯氨酸等渗透调节物质来维持细胞正常代谢水平，且游离脯氨酸含量与植物抗逆能力显著相关。周慧等［9］研究表明，游离脯氨酸含量会随着植物重金属含量增加而升高，说明游离脯氨酸是植物防御重金属胁迫的有效机制之一。可见叶片重金属含量及其本身的生理指标，不仅可反映当地空气质量，也可反映空气污染状况对植物的影响。

目前植物与环境的相关性研究多以外观形貌表征及单一植物对不同重金属吸附能力为主，缺少对不同环境、不同植物对重金属的吸附能力及不同环境对不同植物抗氧化酶活性及渗透调节物质等生理生化指标的研究。国外学者研究得出橄榄（Canariumalbum）和苋属（Amaranthus）植物叶片重金属含量显著高于对照点［10-11］。李少宁等［12］研究北京市国槐（Sophora japonica）对重金属的富集能力，发现其叶片对Cu、Pb、Cr 具有较强的吸附作用。吕小倩等［13］研究了城市攀缘植物对重金属的累积，得出地锦叶片对Cr、Pb 富集能力较强，五叶地锦叶片对Zn、Cd 富集能力较强，凌霄叶片对Cu 富集能力较强。

本研究以太原市5 种常用绿化植物为研究对象，测定了工厂区，商交住混合区，清洁对照区中5种植物6 种重金属含量及抗氧化酶等生理指标，以揭示5 种植物在不同功能区中对重金属的累积能力，旨在为植物具有减轻空气污染理论提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 研究区域概况

研究区域太原市区，地处东经111°30'～113°09'，北纬37°27'～38°25'之间，东西长144 km，南北宽107 km，市区坐落于海拔800 m 的汾河谷平原上，属北温带大陆性气候，四季分明，冬无严寒，夏无酷暑，气候干燥。年平均气温9.5 ℃，最高气温32.3 ℃，最低气温零下8.6 ℃，年平均降水量为456 mm，年日照时数平均2808 h，无霜期202 d。本研究对象太原市区内5 种园林植物在北方广泛用于街道、小区及公园绿化，在绿化树种中有较强的代表性，分别为国槐（Sophora japonica），毛白杨（Populus tomentosa），紫叶李（Prunus cerasifera），侧柏（Platycladus orientalis），垂柳（Salix babylonica），在市区绿化应用率为60%以上。根据太原地区功能区监测资料及大气污染物分布情况，采样点分为工厂区（太钢厂区）、商交住混合区（迎泽大街、柳巷区域）、清洁对照区（学府公园）3 个功能区，每个区域设置3 个采样点，采样时间为2020 年9 月中旬到10 月中旬。

1.1.2 样品的采集与制备

植物在经历冬眠后，在春夏有较强生长能力，生理活动旺盛，同时吸附较多大气污染物，到秋季积累的大气污染物达峰值，故本研究选择9 月中旬到10 月中旬为采样时期。采样时每种植物选择不同植株不同方向和不同部位的无病害成熟叶片，采集50～80 片混合后装入自封袋带回实验室。将鲜叶片除去表面泥土等杂质，分成两份，一份置于恒温干燥箱150 ℃杀青，再将温度调至70 ℃，烘干至恒重，经手工研磨后过60 目筛，封装用于重金属检测。另一份鲜叶直接放置超低温冰箱，-20 ℃保存，用于生理生化指标检测。

1.2 试验方法

1.2.1 样品中重金属含量测定

称取已过筛的粉末状样品0.5 g，置于三角瓶中，加入10 mL 浓度为98%的HNO3，静置12 h 后加入5 mL HClO4，置于电热板上消煮，期间添加2次3 mL HNO3，直至消煮液呈透明淡黄色停止。冷却后定容到100 mL，使用ICP-AES（电感耦合等离子体原子发射光谱仪）测定Cu、Zn、Pb、Cd、Fe元素含量，ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）测定Hg 元素含量。

1.2.2 SOD 含量测定

SOD 含量测定采用氮蓝四唑光还原法。称取冷冻鲜叶样品0.5 g，剪碎后加入少量CaCO3和石英砂，加入0.05 mol·L-1磷酸缓冲液（pH7.0，含1%PVP，0.1%疏基乙醇）5 ml，于-20 ℃预冷却30 min 的研钵中冰浴研磨，直至研磨成匀浆，定容至10 mL，后在0 ℃下离心（10 000 r·min-1）20 min，取上清液即为粗酶提取液。取3 支试管0、A0、As，均加入反应混合液3.3 mL（浓度为0.05 mol·L-1磷酸 缓 冲液1.5 mL，浓 度为0.13 mol·L-1Met 溶液0.3 mL，浓度为7.5×10-4mol·L-1NBT 溶液0.3 mL，浓度为1×10-4mol·L-1EDTA-Na2液0.3 mL，浓 度 为2×10-5mol·L-1核 黄 素0.3 mL，0.1 mL 酶液，0.5 mL 蒸馏水），其中A0号试管以磷酸缓冲液替代样品酶提取液，0 号试管立即进行遮光处理。A0号试管与As 号试管同时置于4000 lx 日光下反应，温度为25～35 ℃，25 min 后用锡纸罩上各试管终止反应，以0 号试管做空白调0，分别测定560 nm 处A0、As 号试管吸光度值，按下式计算SOD活性。

式中，SOD 活性以每克鲜重酶单位表示，比活力单位U·g-1；A0为对照管吸光度值；As为样品吸光度值；VT为样品总体积（mL）；V1为测定时样品用量（mL）；W为样品鲜重（g）。

1.2.3 POD 含量测定

POD 含量测定采用愈创木酚法。取粗酶提取液（方法参见1.4）0.1 mL，加入反应体系（浓度为0.5 mol·L-1磷 酸 缓 冲 液2.9 mL，浓 度 为2% 的H2O20.5 mL，浓度为2% 的愈创木酚溶液0.1 mL，酶液0.1 mL），常温下于470 nm 处测定吸光度值，每隔1 min 记录1 次，共记录5 次，以每min内A470变化0.01 为一个酶活单位（U）。

式中，POD 活性以每克鲜重酶单位表示，酶活性单位U·g-1·min-1；Δ470为反应时间内吸光度的变化；W 为样品鲜重（g）；t 为反应时间（min）；VS为酶液体积（mL）；VT为样品总体积（mL）。

1.2.4 游离脯氨酸含量测定

游离脯氨酸含量的测定采用酸性茚三酮法。称取0.5 g 冷冻鲜叶片，剪碎置于试管中，加入浓度为3%的磺基水杨酸溶液6 mL，沸水浴10 min，冷却后过滤，滤液即为游离脯氨酸提取液。吸取2 ml 游离脯氨酸提取液加入2 mL 冰乙酸，2 mL 酸性茚三酮，水浴30 min，冷却后加入4 mL 甲苯，摇荡30 s 后静置片刻，取上层液至10 mL 离心管中离心5 min（3000 r·min-1）。吸取上层脯氨酸甲苯溶液于520 nm 处比色，代入标准曲线，计算游离脯氨酸含量。

1.2.5 可溶性糖含量测定

可溶性糖含量测定参照Hou 等［14］的方法。称取0.5 g 冷冻鲜叶片置于研钵中，加入80%乙醇研磨成匀浆，水浴（75 ℃）10 min，后置于10 mL 离心管中离心10 min（5000 r·min-1），离心后取上清液，加入80%苯酚与浓硫酸混合液，常温下于490 nm处测定吸光度值。

1.2.6 MDA 含量测定

MDA 含量测定采用硫代巴比妥酸法。称取冷冻鲜叶片1 g，剪碎置于研钵中，分次加入10 mL 10% 三氯乙酸（TCA）研磨成匀浆，之后离心（4000 r·min-1）15 min，取上清液2 mL，（空白试管加2 mL 蒸馏水），加入2 mL 0.6%硫代巴比妥酸，混匀沸水浴15 min，冷却离心5 min（4000 r·min-1），取上清液分别于波长450、532、600 nm 处测定吸光度值。

1.3 统计分析

试验结果用平均值±标准误表示，采用Excel2019 进行数据处理绘图，SPASS21.0 进行双因素方差分析，置信区间设定99%，Pearson 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同功能区植物叶片重金属含量

5 种植物叶片中重金属积累情况如表1 所示，同一植物在不同功能区，不同植物在同一功能区对重金属的富集均有差异，除国槐外，侧柏，毛白杨，垂柳，紫叶李叶片在3 个功能区中均表现出Fe、Zn 含量最高，Cd 含量最低，在商交住混合区和清洁对照区，毛白杨，垂柳，紫叶李叶片Cu、Hg、Pb的含量一致，均为Cu 最高，Hg 次之，Pb 最低，侧柏叶片Hg 含量高于Cu。在工厂区，各植物叶片中Cu、Hg、Pb 含量略有差异。国槐叶片各金属元素含量3 个区域均不一致，在工厂区和清洁对照区Fe、Cu 含量最高，而在商交住混合区则为Fe、Zn 含量最高，其次为Cu、Hg、Pb，Cd 含量均为最低。5种植物叶片Fe、Pb 含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区。国槐、紫叶李叶片Hg 含量商交住混合区比工厂区高15.7%、17.3%，其余3种植物叶片Hg 含量为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区。5 种植物叶片Zn 含量除毛白杨外均为商交住混合区＞工厂区＞清洁对照区。侧柏、毛白杨叶片Cd 含量表现为商交住混合区＞工厂区＞清洁对照区。5 种植物叶片Cu 含量除垂柳外均为工厂区＞商交住混合区＞清洁区，垂柳叶片Cu 含量清洁区比工厂区高43.1%，比商交住混合区高57.6%。

表1 5 种植物叶片中重金属元素含量Table1 Contents of heavy mental elements in leaves of five plants 单位：（mg·kg-1）

2.2 不同功能区植物叶片抗氧化酶活性

2.2.1 植物叶片中SOD 活性

5 种植物叶片SOD 活性如图1 所示，同一植物在不同功能区中SOD 活性差异显著，国槐、紫叶李叶片SOD 活性表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，且工厂区比清洁对照区分别提高了93.2%，78.6%。侧柏、毛白杨、垂柳叶片SOD 活性表现为商交住混合区＞清洁对照区＞工厂区，3种植物叶片SOD 活性工厂区比对照区分别低了49.5%、9.4%、14.9%。在同一功能区中，5 种植物叶片SOD 活性也存在显著差异，工厂区紫叶李、国槐叶片SOD 活性最高，分别比侧柏高3 倍、2.9倍，商交住混合区和清洁对照区毛白杨SOD 活性最高，比最低的侧柏分别高出48%、80%，其次为垂柳、紫叶李、国槐。

图1 不同功能区中5 种植物叶片SOD 活性Fig.1 SOD activity in leaves of five plants in different functional areas

2.2.2 植物叶片POD 活性

由图2 可知，同一植物在不同功能区中，POD活性差异显著。国槐、毛白杨、紫叶李叶片POD 活性表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，且国槐、毛白杨叶片工厂区是清洁对照区的1.04倍、1.74 倍。垂柳、侧柏叶片POD 活性表现为商交注混合区＞清洁对照区＞工厂区。在同一功能区中，5 种植物叶片POD 活性也存在显著差异。其中紫叶李、国槐叶片POD 的活性最高，侧柏叶片POD 活性最低，毛白杨、垂柳叶片POD 活性在不同功能区中存在差异，在工厂区和清洁对照区毛白杨叶片POD 活性高于垂柳叶片，而在商交住混合区垂柳叶片POD 活性高于毛白杨叶片。由此可见，5 种植物除毛白杨外叶片POD 活性均与SOD活性表现一致。

图2 不同功能区中5 种植物叶片POD 活性Fig.2 POD activity in leaves o of five plants in different functional areas

2.3 不同功能区植物叶片MDA 含量

5 种植物叶片MDA 含量如图3 所示。在不同功能区中，5 种植物叶片MDA 含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区。毛白杨叶片MDA 含量工厂区和商交住混合区分别是清洁对照区的1.99 倍和1.39 倍。国槐叶片MDA 含量工厂区和商交住混合区分别比清洁对照区增加了32.7%、22.4%。紫叶李叶片MDA 含量工厂区和商交住混合区分别比清洁对照区增加了37.4%、9.9%。侧柏、垂柳叶片工厂区显著高于对照区，而商交住混合区与对照区差异不显著。从图3 还可看出，同一生境中，5 种植物叶片MDA 含量也存在显著差异。在工厂区和商交住混合区紫叶李叶片MDA 含量最高，垂柳、侧柏叶片MDA 含量最低，而毛白杨、国槐叶片MDA 含量差异不显著。在清洁对照区，紫叶李、国槐叶片含量最高，其次为垂柳，侧柏、毛白杨叶片MDA 含量较低，且差异不显著。

图3 不同功能区中5 种植物叶片MDA 含量Fig.3 MDA content in leaves of five plants in different functional areas

2.4 不同功能区植物叶片渗透调节物质含量

5 种植物叶片中可溶性糖和游离脯氨酸含量分别如图4、图5 所示。可看出在不同功能区中，5种植物叶片中可溶性糖和游离脯氨酸含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区。国槐、紫叶李、毛白杨叶片游离脯氨酸含量工厂区显著高于清洁对照区，分别是清洁对照区的8.8 倍、4 倍和1.99 倍。侧柏、垂柳叶片游离脯氨酸含量工厂区比清洁对照区分别高出71%、85%，而商交住混合区与清洁对照区的差异不显著。紫叶李叶片可溶性糖含量工厂区显著高于清洁对照区，是清洁对照区的1.07 倍。垂柳叶片可溶性糖含量工厂区和商交住混合区比清洁对照区提高了72.6%、51%。国槐、侧柏、毛白杨叶片可溶性糖含量工厂区比清洁对照区分别提高了55%、56%、63.5%，而商交住混合区与清洁对照区的差异不显著。从图4 和图5 还可以看出，在同一功能区中，不同植物游离脯氨酸、可溶性糖含量也存在差异。在工厂区和清洁对照区，国槐、紫叶李叶片游离脯氨酸含量最高，其次为毛白杨、侧柏、垂柳。在商交住混合区紫叶李叶片游离脯氨酸含量高于国槐叶片。在同一功能区中，毛白杨叶片可溶性糖含量最高，侧柏最低，而紫叶李、垂柳、国槐叶片可溶性糖含量因生长环境不同略有差异。

图4 不同功能区5 种植物叶片游离脯氨酸含量Fig.4 Pro content in leaves of five plants in different functional areas

图5 不同功能区中5 种植物叶片可溶性糖含量Fig.5 SS content in leaves of five plants five plants in different functional areas

3 讨论

3.1 植物叶片对重金属的积累能力

植物主要通过叶片表面的气孔吸附污染物，一部分累积于自身体内，另一部分进行降解转化，进而起到对功能区的净化作用［15］。本研究5 种植物叶片Fe、Zn 含量最高，这和植物本身生长发育有关。Fe、Zn 是植物生长发育必需的微量元素，植物体内多种氧化还原酶，固氮酶中都含有Fe 元素［16］。Fe 元素是叶绿素合成的必需品，影响植物光合作用、呼吸作用，还可与蛋白质结合，形成电子传递体，总之Fe 元素在植物多种生化反应中起重要作用［17］。Zn 元素作为植物体内酶的组分和金属活化剂对植物中碳水化合物的代谢及生长素合成有重要作用［18］。本研究中毛白杨、垂柳、紫叶李叶片Cu、Hg、Pb 的含量在商交住混合区和清洁对照区一致，均为Cu 最高，Pb 最低，这与植物叶片本身特点有关。Cu 元素是植物叶片叶绿体中的主要元素，对维持叶绿素稳定，提高植物光合速率有重要作用［19］。侧柏叶片中Hg 含量高于Cu，说明侧柏特殊的叶片结构，对Hg 有较强的吸附能力。在工厂区各植物叶片中Cu、Hg、Pb 含量略有差异，这与工厂区复杂的环境有关。5 种植物叶片中Fe、Pb含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，太钢厂区各植物叶片铁含量显著高于其它区域，这符合太钢厂区环境特点，说明太钢厂区排放的污染气体中Fe、Pb 含量较高。5 种植物叶片，除毛白杨外Zn 含量均表现为商交住混合区＞工厂区＞清洁对照区，是由于采样点商交住混合区位于交通干道与商业区中心，汽车尾气排放量较大，汽车尾气中Zn 元素含量较高，故植物叶片中Zn 元素含量高于其它区域。国槐、紫叶李叶片Hg 含量及侧柏、毛白杨叶片Cd 含量均表现为商交住混合区＞工厂区＞清洁对照区，说明工厂区环境中Hg、Cd 含量超出了植物叶片对其的吸收阈值，故商交住混合区含量高于工厂区。

本研究综合分析，同种植物因长期所处环境不同，对不同金属元素吸附能力不同。本研究所选的3 个区域具有一定代表性，工厂区环境污染较为严重，因此多数植物叶片重金属含量较高，而部分植物叶片重金属含量商交住混合区高于工厂区，表明植物对重金属元素的吸附有一定阈值，超出该阈值则影响植物对重金属元素的吸附。

3.2 植物叶片抗氧化酶系统及MDA 含量对逆境的响应

植物受逆境胁迫时，为使自身免受伤害，利用有效的抗氧化酶系统清除过量的ROS，其中SOD、POD 是抗氧化酶的主要成分［20］。POD 在清除过氧化物及高浓度羟基自由基上发挥重要作用［21-22］。SOD 可 将O2-歧化为H2O2，H2O2经POD、CAT 催化分解为H2O 和O2，从而减小细胞膜脂过氧化程度［23］。本研究中国槐、紫叶李叶片SOD、POD 活性工厂区显著高于商交住混合区和清洁对照区，说明随着功能区污染程度增加，植物所处环境重金属含量越高，胁迫越严重，促进编码SOD、POD 的基因表达增加，促使SOD、POD 的活性提高［24-25］。侧柏、垂柳叶片SOD、POD 活性表现为商交住混合区＞清洁对照区＞工厂区，这可能由于大气污染浓度较低时，植物体内防御机能和抗性特征的生理活动被激发，SOD、POD 活性上升，以应对逆境引起自身体内ROS 的增加，使自身免受伤害。当功能区污染增加到一定程度，ROS 增加超出了SOD 歧化的能力，增加了细胞膜脂过氧化程度，破坏了抗氧化酶系统，植物生理代谢紊乱，使SOD、POD 的活性受抑制而降低［26］。不同功能区中，不同植物SOD、POD 的活性有显著差异，国槐、紫叶李SOD、POD 活性显著高于侧柏，说明国槐，紫叶李的抗氧化酶系统能更好的应对逆境胁迫环境。

MDA 是植物细胞脂膜过氧化的最终产物，其含量与植物细胞脂膜过氧化程度呈显著正相关，即MDA 含量越高，脂膜过氧化程度越高，质膜破坏程度越严重［27-28］。本研究中5 种植物叶片MDA含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，说明随着功能区污染程度加剧，植物细胞脂膜过氧化逐步呈现，MDA 含量升高以提高细胞清除活性氧能力，减轻质膜受破坏程度［29］。在同一功能区中5 种植物叶片MDA 含量差异显著。在清洁对照区国槐MDA 含量明显高于毛白杨，而在污染程度较重的工厂区和商交住混合区毛白杨MDA 含量高于国槐，说明国槐因长期处于污染严重的环境中产生了适应抗性进化，形成了抗逆生态型，因此在污染严重的工厂区和商交住混合区，国槐叶片MDA 含量较低。

3.3 植物叶片渗透调节物质对逆境的响应

当植物处于逆境胁迫，诱导生成可溶性糖，游离脯氨酸等渗透调节物质以增强抗性能力，也可与蛋白质结合提高蛋白质水合作用以束缚更多水分，进而使细胞水分保持平衡，细胞膜结构免受伤害。游离脯氨酸作为植物抗逆生理指标之一，可维持细胞渗透压［30］。本研究中5 种植物叶片游离脯氨酸含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，这与前人研究结果一致，说明植物体内游离脯氨酸含量会因逆境胁迫程度增加而升高。在工厂区，国槐游离脯氨酸含量显著高于其它树种，体现了树种差异导致的植物生理表达差异，说明国槐体内通过细胞分泌游离脯氨酸调节渗透势能力较强。可溶性糖是植物体主要能量来源，也可构成植物体生物大分子的碳架，可降低植物细胞水势，增加渗透压［31-32］。本研究中5 种植物叶片可溶性糖含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，进一步说明可溶性糖与游离脯氨酸一样，通过渗透调节来缓解逆境胁迫。在同一功能区中5 种植物叶片游离脯氨酸含量、可溶性糖含量有显著差异。国槐、紫叶李叶片游离脯氨酸含量最高，说明这两种植物具有良好的抗逆能力，较其它3 种植物具有更强的细胞适应性代谢调节能力，这与植物本身抗性生理机能有关。

4 结论

（1）同一功能区中不同植物对重金属吸附能力不同。5 种植物叶片除国槐外，Fe、Zn 含量最高，Cd 含量最低，Cu、Hg、Pb 含量不同植物略有差异。不同功能区中同一植物叶片重金属含量有显著差异，说明植物对某种金属元素的吸附能力具有一定限度，超出这一限度则植物对重金属的吸附能力减弱。

（2）功能区环境污染程度对植物抗氧化酶活性有影响作用。部分植物抗氧化酶活性表现为随功能区环境污染程度增加而降低，表明当环境污染增加到一定程度，ROS 增加超出了SOD 歧化的能力，增加了细胞膜脂过氧化程度，破坏了抗氧化酶系统，植物生理代谢紊乱，使SOD、POD 的活性受抑制而降低。国槐、紫叶李叶片抗氧化酶活性工厂区和商交住混合区明显高于清洁对照区，说明国槐、紫叶李对污染严重的环境有较强的耐受能力。

（3）不同功能区中5 种植物叶片MDA 和渗透调节物质含量均表现为工厂区＞商交住混合区＞清洁对照区，说明植物在逆境胁迫时，通过累积一定量的渗透调节物质和MDA 来维持细胞渗透平衡，降低逆境导致的氧化损伤。