李翠，溫海峰，鄭瑞倫，陳潔，馬雪菊，王慶海

（北京市農林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京100097）

阿特拉津脅迫對菖蒲的生理毒性效應

李翠，溫海峰，鄭瑞倫，陳潔，馬雪菊，王慶海*

（北京市農林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京100097）

為明確阿特拉津對菖蒲的毒性效應，本文通過水培實驗研究了阿特拉津濃度和培養(yǎng)時間在抑菌和不抑菌條件下對菖蒲葉綠素含量、葉綠素a/b值、丙二醛含量（MDA）、抗氧化酶（SOD和POD）活性和最大光能轉化效率的影響。結果表明：不抑菌條件下，葉綠素a和葉綠素總量隨處理濃度的增加和培養(yǎng)時間的延長逐漸降低，葉綠素a/b值無顯著變化；MDA含量隨著培養(yǎng)時間延長呈現先升高后降低的趨勢，至培養(yǎng)第5周，≤2 mg·L-1處理的MDA含量恢復至對照水平；SOD和POD活性隨培養(yǎng)時間延長和處理濃度增加均無顯著變化；最大光能轉化效率（Fv/Fm）隨處理濃度的增加而降低，0.5 mg·L-1處理與對照無顯著差異，≥1 mg·L-1處理培養(yǎng)1～4周顯著低于對照，第5周時恢復至對照水平。抑菌條件下，培養(yǎng)第1周葉綠素含量和Fv/Fm均顯著低于不抑菌處理，培養(yǎng)4～5周時，≥1 mg·L-1處理Fv/Fm亦顯著低于不抑菌處理；整個試驗期間≥2 mg·L-1處理Fv/Fm均顯著低于對照水平?？梢姡牌褜Π⑻乩蛎{迫具有較好的耐受能力，水培系統(tǒng)中的微生物可在一定程度上減輕阿特拉津脅迫對菖蒲的毒性效應。

阿特拉津；菖蒲；生理特性；水污染；抑菌條件；耐受性

阿特拉津是一種光合抑制型廣譜除草劑，自1959年投入商業(yè)生產以來，被廣泛應用于玉米、高粱、甘蔗等農田以及果園、茶園中一年生禾本科雜草以及闊葉雜草的防除。該除草劑低廉的價格以及對防除雜草的有效性使得其在全世界范圍內廣泛使用［1］。阿特拉津結構穩(wěn)定，水溶性強，難以降解，在水中的半衰期為15～20 d，在土壤中的半衰期可以達到330～385 d［2］。農田土壤中的阿特拉津殘留量可達到86.9 μg·kg-1［3］，農田土壤中的阿特拉津隨徑流或者深層滲漏進入水體。因此，在我國部分地區(qū)的地表水和地下水中都檢測到了痕量阿特拉津的存在［4-5］。任晉等［6］對張家口地區(qū)的洋河水系及地下水進行了調查，測得官廳水庫阿特拉津濃度在0.67～3.9 μg·L-1，并且地下水中阿特拉津的代謝物高達7.2 μg·L-1。

水體中阿特拉津及其降解產物的殘留會導致水生生物群落的種類發(fā)生變化，物種數量減少［7］。水生植物對阿特拉津具有較高的敏感性，低濃度的阿特拉津即可對水生植物造成嚴重的毒性效應［8］。阿特拉津抑制水生植物的光合作用，并且不同植物對阿特拉津的敏感性差異比較大。沉水植物狐尾藻暴露在含有1 mg·L-1阿特拉津的底泥中時，60%的生長被抑制［9］；當阿特拉津濃度達到20 mg·L-1時，狐尾藻便出現葉子卷曲變短等生長異常［10］。Mayasich等［11］研究表明0.05 mg·L-1的阿特拉津不影響三角褐指藻的生長，而該濃度處理下微綠球藻的生長率則降低了35%。

微生物可以改善阿特拉津脅迫下植物的生長環(huán)境并促進植物生長。一方面，微生物可以降解環(huán)境中的阿特拉津，外源微生物的添加對低濃度阿特拉津的降解可以達到99.91%［12］，天然水體中的微生物對阿特拉津降解的貢獻率可以達到17.4%［13］；另一方面，微生物附著在植物根際，與植物相互作用，提高植物在不良環(huán)境下的抵御能力，促進植物生長［14］。Glick等［15］研究表明，在嚴重污染的環(huán)境下微生物可以增加種子萌發(fā)和幼苗存活率。

水生植物在維持水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能以及生物多樣性方面具有重要作用［16］。菖蒲（Acorus calamus L.）是天南星科多年生挺水草本植物，常見于淺水池塘、水溝和濕地，被廣泛應用于污染水體的修復［17］。本實驗以菖蒲作為主要材料，研究了抑菌和不抑菌條件下阿特拉津濃度和培養(yǎng)時間對菖蒲葉綠素含量、抗氧化酶活性、最大光能轉化效率等生理指標的影響，明確菖蒲對阿特拉津的生理響應，旨在為研究阿特拉津水體污染的植物修復技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用植物材料菖蒲為北京市農林科學院溫室苗盤培育。挑選長勢一致的幼苗進行移栽（單株平均鮮重25.0±2.8 g），移栽前清洗幼苗根部泥土，置于10%Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)1周進行緩苗，將預培養(yǎng)后的幼苗移入塑料培養(yǎng)桶（直徑30 cm，高26 cm）中用于實驗。塑料桶外用錫箔紙包裹遮光，每個培養(yǎng)桶中放入3株幼苗，并添加1 L 10%Hoagland營養(yǎng)液。實驗所用阿特拉津為38%阿特拉津懸浮劑（山東濱農科技有限公司生產）。

1.2 實驗設計

本實驗設定阿特拉津濃度和抑菌兩個因素。阿特拉津濃度設4個水平，分別為0.5、1、2、4 mg·L-1。抑菌因素設2個水平，添加氨芐青霉素（10 mg·L-1）作為抑菌處理［12］，不添加氨芐青霉素作為不抑菌處理。每個處理設置3個重復，每個重復含有3株幼苗，共計150個樣本，450株幼苗。所有處理均置于日光溫室培養(yǎng)，共培養(yǎng)5周。

阿特拉津在環(huán)境水體中的最高濃度為200 μg· L-1［18］，為保證阿特拉津對菖蒲保持高濃度的逆境脅迫，快速得到阿特拉津對菖蒲生理毒性效應的相關數據，按最高濃度的2.5倍設置本試驗的最低處理濃度為0.5 mg·L-1，按倍數法設置濃度梯度依次為1、2、4 mg· L-1，空白對照不添加阿特拉津。為保持水體中阿特拉津濃度的相對穩(wěn)定，在每個培養(yǎng)桶上標記水位線，每日添加營養(yǎng)液至水位線。每周更換含有相應阿特拉津濃度的培養(yǎng)液，使得整個實驗周期阿特拉津對菖蒲的脅迫濃度保持相對穩(wěn)定。

1.3 取樣和生理指標的測定

分別于培養(yǎng)1、2、3、4、5周時進行取樣，每次取30個樣本（抑菌處理15個樣本，不抑菌處理15個樣本），原位測定葉綠素熒光后，將幼苗從培養(yǎng)液中取出，用自來水沖洗后帶回實驗室進行生理指標的測定。葉綠素的測定采用乙醇∶丙酮（1∶1）浸泡過夜法［19］；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法［20］；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍四唑法［20］；過氧化物酶（POD）采用愈創(chuàng)木酚法［21］。葉綠素熒光采用IMAGING-PAM（Walz，德國）測定，測定前先將葉片暗適應20 min，照射檢測光后測得初始熒光F0，照射飽和激發(fā)光后測得Fm和Fv/Fm，每個處理測定9個點。

1.4 數據分析

采用軟件SPSS20.0對所得數據進行統(tǒng)計分析，差異顯著性采用LSD法，顯著性水平為0.05。采用Origin9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 阿特拉津脅迫對菖蒲葉綠素及光合效率的影響

阿特拉津脅迫對葉綠素a和葉綠素總量均有顯著影響（圖1、圖2）。葉綠素a和葉綠素總量均隨阿特拉津濃度的增加而降低。不抑菌條件下，培養(yǎng)第1周，葉綠素a含量僅在最高濃度處理組（4 mg·L-1）與對照差異顯著，與對照相比減少了24.5%；而培養(yǎng)2、4和5周時，0.5 mg·L-1的低濃度處理就使葉綠素a含量顯著下降，在培養(yǎng)第5周，最高濃度處理組（4 mg·L-1）的葉綠素a含量與對照相比減少了39.2%。這表明，隨著處理時間的增加，阿特拉津脅迫對葉綠素a的破壞程度增大。阿特拉津脅迫對葉綠素總量的影響趨勢與對葉綠素a的影響趨勢一致，葉綠素總量隨處理濃度的增加而降低（圖2）。培養(yǎng)第1周，低于2 mg·L-1處理，葉綠素總量變化不大，而4 mg·L-1處理，葉綠素總量顯著降低32.3%（圖2A）。隨著處理時間的延長，阿特拉津對葉綠素總量的影響增強，培養(yǎng)2周和4周時，0.5 mg·L-1處理即與對照差異顯著，并且培養(yǎng)第5周，最大處理濃度組（4 mg·L-1）的葉綠素總量與對照相比降低了60.0%。

圖1 阿特拉津對菖蒲葉綠素a含量的影響Figure 1 Effect of atrazine on chlorophyll a content of A.calamus L.

圖2 阿特拉津對菖蒲總葉綠素含量的影響Figure 2 Effect of atrazine on total chlorophyll content of A.calamus L.

抑菌條件下葉綠素a和葉綠素總量的變化趨勢與不抑菌條件下大體一致。不同的是在培養(yǎng)第1周，2 mg·L-1的處理組中葉綠素a的含量以及葉綠素總

量即與對照差異顯著，并且在最大濃度處理（4mg·L-1），葉綠素a含量和葉綠素總量與對照相比分別減少了56.7%和42.5%。培養(yǎng)第1周，不抑菌條件下各處理濃度葉綠素a和葉綠素總量均顯著低于抑菌條件下的葉綠素含量。這表明，抑菌條件造成培養(yǎng)第1周阿特拉津對葉綠素的破壞程度增大。

阿特拉津對葉綠素a/b的影響見圖3。不抑菌條件下，隨著阿特拉津濃度的升高以及培養(yǎng)時間的延長，葉綠素a/b的含量與對照相比均無顯著變化。抑菌條件下，培養(yǎng)1～3周，隨處理濃度的增加，葉綠素a/ b的含量逐漸降低，并且在2 mg·L-1和4 mg·L-1的處理下顯著低于對照。培養(yǎng)5周各濃度處理葉綠素a/b值均恢復至對照水平。培養(yǎng)2～3周，4 mg·L-1處理組抑菌條件下的葉綠素a/b含量顯著低于不抑菌條件下葉綠素a/b含量。

阿特拉津對菖蒲最大光能轉化效率（Fv/Fm）的影響見圖4。不抑菌條件下，Fv/Fm隨處理濃度的增加逐漸降低，培養(yǎng)1～3周，1 mg·L-1處理，Fv/Fm與對照相比顯著降低，培養(yǎng)4周Fv/Fm僅在最大濃度處理（4 mg·L-1）與對照相比有顯著降低，培養(yǎng)5周各濃度處理組的Fv/Fm均恢復至對照水平。培養(yǎng)1～5周，最大濃度處理組（4 mg·L-1）的Fv/Fm與對照相比分別降低了28.1%、30.2%、16.1%、21.2%和0.0%。抑菌條件下，最大濃度處理組（4 mg·L-1）的Fv/Fm與對照相比分別降低了54.6%、28.2%、20.4%、27.5%和8.9%。整個培養(yǎng)期間，≥2 mg·L-1處理均與對照差異顯著。培養(yǎng)第1周，不抑菌條件下各濃度處理組的Fv/Fm均顯著高于抑菌條件下。培養(yǎng)4～5周，不抑菌條件下≥1 mg·L-1處理Fv/Fm均顯著大于抑菌條件下。

圖3 阿特拉津對菖蒲葉綠素a/b的影響Figure 3 Effect of atrazine on chlorophyll a/b ratios of A.calamus L.

圖4 阿特拉津對菖蒲最大光能轉化效率的影響Figure 4 Effect of atrazine on maximal photochemical efficiency（Fv/Fm）of A.calamus L.

2.2 阿特拉津脅迫對菖蒲MDA含量的影響

不抑菌條件下，培養(yǎng)第1周，各濃度處理MDA含量均與對照無顯著差異（圖5）。隨著處理時間的延長，MDA含量先增加后降低，培養(yǎng)2～3周，最大濃度處理組（4 mg·L-1）的MDA含量顯著高于對照，培養(yǎng)4

周，1 mg·L-1和2 mg·L-1濃度處理組的MDA含量與對照差異顯著，培養(yǎng)5周僅最大濃度處理（4 mg·L-1）與對照差異顯著，≤2 mg·L-1處理均恢復至對照水平。抑菌條件下，培養(yǎng)1～3周，各濃度處理下的MDA含量與對照相比均無顯著變化。培養(yǎng)5周，各濃度處理均與對照相比顯著增加。

圖6 阿特拉津對菖蒲SOD活性的影響Figure 6 Effect of atrazine on SOD activity of A.calamus L.

圖7 阿特拉津對菖蒲POD活性的影響Figure 7 Effect of atrazine on POD activity of A.calamus L.

2.3 阿特拉津脅迫對菖蒲抗氧化酶活性的影響

如圖6和圖7所示，不抑菌條件下，SOD的活性僅在培養(yǎng)至2周時，1 mg·L-1和2 mg·L-1濃度處理與對照有顯著差異，除此之外，隨處理濃度的增加和培

養(yǎng)時間的延長，SOD活性與對照相比均無顯著差異。抑菌條件下，SOD變化趨勢與不抑菌條件下大體一致。在抑菌處理下，SOD的活性僅在培養(yǎng)2周時0.5 mg·L-1處理與對照差異顯著，隨著處理濃度的升高和培養(yǎng)時間的延長，SOD的活性并無顯著變化。POD的活性在抑菌和不抑菌條件下各濃度處理與對照相比均無顯著變化。隨培養(yǎng)時間的延長，POD活性均無顯著變化。在相同濃度阿特拉津處理下，抑菌和不抑菌條件下菖蒲葉片SOD活性和POD活性均無顯著差異。

3 討論

植物對阿特拉津的生理響應能反映植物對阿特拉津脅迫的耐受性［22］。在本實驗中，我們對抑菌和不抑菌條件下不同濃度阿特拉津脅迫以及不同培養(yǎng)時間下，菖蒲葉片的葉綠素含量、最大光能轉化效率（Fv/Fm）、丙二醛（MDA）含量以及抗氧化酶活性（SOD、POD）進行了測定，用以評價阿特拉津脅迫對菖蒲的毒性效應。

本實驗中葉綠素a和葉綠素總量均隨處理濃度的增加而降低，并且隨著培養(yǎng)時間的延長，葉綠素a和葉綠素總量均有一定程度的降低，說明阿特拉津脅迫對菖蒲葉綠素造成了一定的破壞。這與前人的研究結果是一致的。王慶海等［23］研究表明，16 mg·L-1阿特拉津濃度處理挺水植物千屈菜的葉綠素含量降低了29%。Torres等［24］發(fā)現浮游植物綠藻在1 μg·L-1的阿特拉津濃度培養(yǎng)7 d后，葉綠素含量降低41%～67%。這主要是因為葉綠體是植物進行光合作用的器官，阿特拉津對植物的毒性效應主要是影響植物的光合作用［25］。

葉綠素熒光是反映逆境脅迫下光合作用效率的有效指標。其中，Fv/Fm反映逆境脅迫下植物的最大光能轉化效率［26］。在本實驗中，不抑菌條件下，最大光能轉化效率Fv/Fm隨處理濃度的增加而降低，整個培養(yǎng)周期，0.5 mg·L-1處理Fv/Fm與對照相比無顯著變化，說明低濃度阿特拉津不影響菖蒲Fv/Fm。培養(yǎng)1～3周，≥1 mg·L-1處理與對照差異顯著，但是隨著處理時間的延長，阿特拉津對Fv/Fm的影響逐漸減弱，各濃度處理Fv/Fm均在培養(yǎng)5周時恢復至對照水平，說明菖蒲對阿特拉津脅迫具有較高的耐受性。Stefanie等［27］對沉水植物光合效率的研究中表明，伊樂藻和狐尾藻的光合效率在阿特拉津以及異丙隆等除草劑脅迫下培養(yǎng)5 d時有顯著降低，至12 d時即恢復至對照水平，說明兩種沉水植物對阿特拉津具有高的適應能力。這與本研究結果是一致的。Fv/Fm值是檢測逆境脅迫的有效指標，在敏感植物中迅速降低，在抗性植物中通過調節(jié)其他生理指標來適應抗性機制，從而維持正常的光合作用，因此會出現光能轉化效率先降低后恢復的現象［28］。在本實驗中，菖蒲葉綠素a/b值在不同濃度處理均無顯著變化或有一定程度降低，Burke等［29］研究表明，阿特拉津抗性植物傾向于降低葉綠素a/b值以提高光合效率。綜上可知，雖然阿特拉津的毒性效應使得菖蒲葉綠素含量有所降低，但是通過調整菖蒲最大光能轉化效率和葉綠素a/b值，光合作用并未受到抑制，滿足了菖蒲的生長需要。因此，在本試驗結束時，各濃度阿特拉津處理下的植株均能正常生長，未發(fā)現枯黃現象。

MDA是膜質過氧化的最終產物，對植物細胞有毒害作用，其含量的高低反映了植物細胞膜受傷害的程度，即MDA含量越高，其產生的活性氧自由基越多，膜質過氧化反應越大，對細胞膜的傷害越大［30］。植物體內的抗氧化酶可以消除自由基等對植物細胞的傷害，維持植物在逆境條件下的正常生長。在本實驗中MDA含量隨培養(yǎng)時間的延長呈現先升高后降低的趨勢，培養(yǎng)第1周，MDA含量與對照相比無顯著差異，培養(yǎng)3～4周，MDA含量在≥2 mg·L-1處理組與對照差異顯著，培養(yǎng)5周僅在最大濃度處理（4 mg·L-1）與對照相比顯著升高。這說明隨時間的延長，阿特拉津對MDA含量的影響逐漸降低［31］。但阿特拉津對菖蒲造成的毒性效應并未引起抗氧化酶（SOD和POD）活性的升高。以往的研究表明，在受到脅迫后植物的抗氧化酶活性都有一個先升高后降低的趨勢［32］。本實驗結果可能是由于菖蒲對阿特拉津的抗性機制不依賴于抗氧化酶系統(tǒng)活性的升高［33］，或者在當前濃度的處理下阿特拉津對菖蒲造成的毒性效應不足以誘導抗氧化酶系統(tǒng)。Li等［34］在玉米對阿特拉津的吸收和響應的研究中表明，僅在阿特拉津濃度達到10 mg·L-1時，SOD、POD等抗氧化酶活性才被誘導。

在本實驗中，抑菌條件下葉綠素含量以及Fv/Fm的變化趨勢均與不抑菌條件下一致。不同的是，在培養(yǎng)第1周葉綠素a和葉綠素總量均在2 mg·L-1和4 mg·L-1處理下與對照相比有顯著降低，并且抑菌條件下的葉綠素含量均顯著低于不抑菌條件下的葉綠素含量。Fv/Fm在培養(yǎng)第1周，抑菌和不抑菌條件下均在阿特拉津濃度≥1 mg·L-1時與對照差異顯著，但是在4 mg·L-1處理，不抑菌條件下Fv/Fm降低了28.1%，而抑菌條件下降低了54.6%。并且不抑菌條件下培養(yǎng)

5周時，各處理濃度Fv/Fm均恢復至對照水平，而抑菌條件下Fv/Fm在阿特拉津濃度≥2 mg·L-1處理均顯著低于對照，培養(yǎng)4～5周，不抑菌條件下≥1 mg·L-1處理Fv/Fm均顯著大于抑菌條件下。Wang等［13］研究了挺水植物在抑菌和不抑菌條件下對水溶液中阿特拉津的去除效率，結果表明不抑菌條件下水溶液中阿特拉津的去除速率大于抑菌條件下的去除速率，一方面因為微生物降解了水體中的阿特拉津，另一方面促進了植物對阿特拉津的吸收。因此，不抑菌條件可以減輕阿特拉津對菖蒲的毒性效應。

4 結論

低濃度阿特拉津的短時間脅迫，不會導致菖蒲生理指標的顯著變化。隨著處理濃度和培養(yǎng)時間的增加，菖蒲葉綠素含量下降，但葉綠素a/b無顯著變化，菖蒲通過調整葉綠素組分比例來維持正常的光合作用。最大光能轉化效率對阿特拉津脅迫敏感，短時間處理即顯著低于對照，但是隨著處理時間的延長逐漸恢復至對照水平。抑菌條件下，葉綠素含量在培養(yǎng)初期顯著低于不抑菌處理，Fv/Fm在培養(yǎng)初期和后期均顯著低于不抑菌處理。可見，菖蒲對阿特拉津脅迫具有一定的耐受能力，微生物可以減輕阿特拉津對菖蒲的脅迫。

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Phytotoxicity of atrazine to Acorus calamus L.

LI Cui，WEN Hai-feng，ZHENG Rui-lun，CHEN Jie，MA Xue-ju，WANG Qing-hai*
（Beijing Research&Development Center for Grass and Environment，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China）

Long term applications of atrazine have resulted in water and soil contamination.In this study，a hydroponic experiment was designed to assess the toxicity of atrazine to emergent macrophyte Acorus calamus L.，by measuring chlorophyll content，chlorophyll a/b ratio，maximal photochemical efficiency（Fv/Fm），malondialdehyde（MDA）content，peroxidase（POD），and superoxide dismutase（SOD）activities under unsterile and sterile conditions.In unsterile treatment，plant chlorophyll content in leaves reduced with increases in atrazine concentrations and cultivation time.Chlorophyll a/b ratio had no significant difference compared with that of the control during the entire cultivation period.MDA content increased initially and then decreased with the prolongation of cultivate time.After 5-week exposure，MDA content had no significant differences between atrazine treatment groups at concentrations less than 2 mg·L-1，as compared with control.Fv/Fm ratio reduced with increasing atrazine concentrations，but no significant difference was found between 0.5 mg·L-1treatment and the control. It，however，recovered to the control’s level after the 5th week exposure.Under sterile condition，chlorophyll content and Fv/Fm decreased significantly compared with those in unsterile condition within 1-week exposure.Such significant difference in Fv/Fm still existed at atrazine level above 1 mg·L-1under 4-and 5-week exposures.During the whole experimental period，Fv/Fm ratio was significantly lower in atrazine treatments than in the control when atrazine concentration exceeded 2 mg·L-1under sterile condition.Acorus calamus L.was highly tolerant to atrazine stress and microorganism in the hydrophic system，to a certain extent，can alleviate the phytotoxicity of atrazine stress.

atrazine；Acorus calamus L.；physiological index；water pollution；sterile condition；tolerance

X171.5

A

1672-2043（2016）10-1895-08

10.11654/jaes.2016-0301

李翠，溫海峰，鄭瑞倫，等.阿特拉津脅迫對菖蒲的生理毒性效應［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（10）：1895-1902.

LI Cui，WEN Hai-feng，ZHENG Rui-lun，et al.Phytotoxicity of atrazine to Acorus calamus L.［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（10）:1895-1902.

2016-03-09

國家自然科學基金項目（31370540）

李翠（1984—），女，助理研究員，碩士學位，主要研究方向為恢復生態(tài)學。E-mail：biolicui@163.com *通信作者：王慶海E-mail：qinghaiw@sina.com