14种观赏植物叶片和花瓣挥发性物质抑菌效果分析

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  摘要:选取14种园林植物的叶片和花瓣作为试验材料,通过离体方法对大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌进行挥发性成分抑制效果分析。结果表明,不同物种之间的抑菌效果差异显著。碧桃叶片、花瓣对4种供试菌的抑制率几乎均达到了100%,樱花、紫玉兰、金钟、紫丁香和贴梗海棠对4种供试菌也有很好的抑制作用;草本植物叶片、花瓣对4种供试菌的抑制效果明显低于木本植物,长寿花、菊花叶片、花瓣对金黄色葡萄球菌均无抑制作用,凤仙花叶片对枯草芽孢杆菌的抑制率最高为75.6%。此外,供试植物叶片的抑菌率普遍高于其花瓣,其中西府海棠叶片对伤寒沙门氏菌的抑制率是其花瓣的65倍,而草本植物叶片与花瓣抑菌率的差异没有木本植物明显,但也存在一定差异,如长寿花、菊花叶片与花瓣对伤寒沙门氏菌的抑制率相差10.8倍。对抑菌率达100%的木本植物进行最大抑菌强度试验,结果表明,紫玉兰叶片的抑菌强度最高,达到7.156×106CFU/(mL·cm2)。研究结果为优选园林植物美化和净化室内外环境提供了依据,同时也为进一步探讨园林植物抗菌活性成分提供了理论基础。
  关键词:园林植物;叶片;花瓣;挥发性物质;抑菌强度
  中图分类号:S184 文献标志码: A
  文章编号:1002-1302(2021)12-0100-05
  收稿日期:2020-10-21
  基金项目:河南农业大学教学工程项目(编号:KF201913)。
  作者简介:谢久凤(1983—),女,辽宁阜新人,硕士,实验师,主要从事微生物学与植物学研究。E-mail:xiejiufeng@henau.edu.cn。
  通信作者:李海霞,硕士,实验师,主要从事植物生理生化研究和实验教学与管理工作。E-mail:lihaixia@henau.edu.cn。
  园林植物是生态系统中主要的初级生产者,是维持生态系统平衡的天然宝库,也是提取生物活性物质的最佳材料。同时,园林植物也为人们提供良好的户外及室内景观。如果在发挥园林植物景观美化作用的同时,还能够使其茎叶等组织分泌物达到清除空气致病菌、提高空气质量的效能,那么园林植物将显示出更高的开发利用价值[1]。李涛等研究了宿根花卉叶片挥发性物质的抑菌效应,发现6种植物对供试微生物都有不同程度的抑制作用[2];张国帅等研究了5种常绿园林树种叶片挥发性物质对真菌、细菌的抑制能力,发现供试树种叶片都有一定的抑菌活性,而且不同树种之间的抑菌率有明显差异[3]。沈鑫等选取华南地区22种常见园林植物,采用水蒸气蒸馏法提取叶片中的揮发油进行抑菌试验,结果表明,不同植物之间的抑菌效果差异显著,香樟精油产生的抑菌圈最大,直径为22.5 mm,黄兰最小,为5.56 mm[4]。马海旭等比较兴安落叶松、银中杨2种园林植物叶片水提液、醇提液和鲜汁液对5种菌种的抑制能力,同时进行最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,简称MIC)和最低杀菌浓度(minimum bactericidal concentration,简称MBC)的测定,发现不同植物叶片的不同处理方式对不同种类微生物的抑制作用存在差异[5]。
  目前,国内研究者对园林植物抑菌试验的研究基本都是基于叶片,而植物花瓣的抑菌能力尚不清楚,关于园林植物抑菌强度的试验也未见报道。本试验选取我国北方常见的9种园林木本植物和5种草本植物进行叶片、花瓣抑菌试验的比较研究,同时对抑菌能力强的植物叶片、花瓣进行抑菌强度测定。本研究对园林植物叶片、花瓣抑菌能力差异的探究,可以更好地阐明园林植物的抑菌作用和生态价值,为合理配置良好的人居植物景观类型提供理论依据[6-7]。
  1 材料与方法
  1.1 供试植物
  本研究选取我国北方地区广泛应用于城市园林绿化的9种木本植物及室内景观价值较高的5种草本植物。9种木本植物分别为紫荆(Bauhinia blakeana Dunn.)、榆叶梅(Amygdalus triloba)、西府海棠(Malus micromalus)、金钟(Forsythia viridissima Lindl.)、紫丁香(Syringa oblata Lindl.)、贴梗海棠(Chaenomeles speciosa)、碧桃(Prunuspersica Batsch.var.duplex Rehd.)、樱花(Prunus serrulata)和紫玉兰(Magnolia denudata Desr.),均于4月中旬采集于河南农业大学文化路校区。草本植物分别为瓜叶菊(Pericallis hybrida)、长寿花(Kalanchoe blossfeldiana Poelln.)、菊花(Dendranthema morifolium)、凤仙花(Impatiens balsamina)和矮牵牛(Petunia integrifolia),均采购于河南省郑州市陈寨花卉市场。
  1.2 试验菌种
  选择具有致病性的3种细菌及1种常见的芽孢杆菌作为供试菌种,分别为大肠杆菌(Escherichia coli )、伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)、枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus),均由河南农业大学生命科学学院提供。
  1.3 菌悬液的制备
  按照常规方法配制牛肉膏蛋白胨固体和液体培养基,其中牛肉粉5 g,蛋白胨10 g,氯化钠5 g,pH值7.2~7.4(固体培养基加20 g琼脂粉,液体培养基不加),于121 ℃下灭菌30 min备用。用接种环挑取分离纯化好的菌种接种到装有液体培养基的三角烧瓶内,于37 ℃、100 r/min下培养12 h,制成菌悬液。用10倍稀释法稀释菌悬液,根据预试验结果选取适宜的浓度作为试验菌悬液。   1.4 叶片和花瓣处理
  采集健康、完整的植物叶片和花瓣,用自来水清洗3次以除去表面的灰尘与异物,再用无菌水清洗3次,最后用75%乙醇浸泡10 s消毒,取出后平铺在无菌吸水纸上,吸干水分后放入超净工作台内,正反面分别紫外照射20 min。
  1.5 抑菌试验
  在无菌环境下,将活化好的菌种用接种环接入液体培养基中,在37 ℃、100 r/min摇床内培养 12 h,用无菌水进行10倍梯度稀释至适宜浓度,用移液枪吸取0.1 mL稀释好的菌液,加入准备好的固体平板上,用三角涂布棒均匀涂布、倒置,静置 20 min 后备用。
  称取1.0 g叶片,加入液氮,用研钵快速研磨成粉末,将粉末全部移入皿盖中均匀分散,盖上皿底,用封口膜封口,放入37 ℃培养箱中培养。每种叶片设3个重复,对照组不加叶片,花瓣的试验过程同叶片。大肠杆菌、伤寒沙门氏菌和枯草芽孢杆菌培养24 h,金黄色葡萄球菌培养48 h,观察平板上细菌的生长情况并计算菌落数,与对照组进行比较,用以下公式计算抑菌率:
  抑菌率=(对照组菌落数-处理组菌落数)/对照组菌落数×100%。
  用SPSS 17.0软件进行方差分析。
  1.6 最大抑菌强度试验
  选取试验中对细菌抑制率为100%的木本植物叶片和花瓣,处理方式同“1.4.1”节。用无菌水对菌液进行10倍梯度稀释至10-6,吸取0.1 mL各梯度菌液并涂布在牛肉膏蛋白胨平皿上,称取1.0 g供试植物叶片或花瓣,粉碎研磨,均匀加入皿盖中,盖上涂过菌液的皿底,用封口膜封严,放入37 ℃培养箱中培养24 h或48 h,每个浓度设3个重复,试验所用平皿的直徑为9 cm,面积为63.585 cm2,将平皿上完全不长菌落的浓度设为叶片或花瓣的最大抑菌浓度,由此计算单位面积内受抑制的最大菌落数,即为最大抑菌强度(maximum bacteriostatic strength,简称MAS),计算公式:最大抑菌强度[CFU/(mL·cm2)]=最大抑菌浓度(CFU/mL)/平板面积(cm2)。
  2 结果与分析
  2.1 木本植物对供试菌种的抑制作用
  分别取9种木本植物的新鲜叶片和花瓣各1 g,将其研磨成粉末,均匀铺在皿盖上,将事先涂过供试菌的皿底倒扣在皿盖上,密封后于37 ℃培养24 h或48 h进行抑菌率的测定。如表1所示,木本植物的叶片、花瓣对4种细菌有不同程度的抑制作用,且差异较大,抑制率为0~100%。碧桃叶片、花瓣对4种菌的抑制效果最突出,基本实现了完全抑制;樱花、紫玉兰的叶片、花瓣也有很好的效果,其中樱花叶片对大肠杆菌、伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等3种致病菌完全实现了抑制,花瓣能完全抑制金黄色葡萄球菌,紫玉兰叶片对伤寒沙门氏菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌实现了完全抑制,花瓣的抑菌能力较差;金钟、贴梗海棠叶片对枯草芽孢杆菌完全实现了抑制,紫丁香叶片对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌完全实现了抑制。总体看来,木本植物叶片的抑菌能力普遍高于其花瓣。
  2.2 草本植物对供试菌种的抑制作用
  采用上述同样的方法,对5种草本植物的叶片、花瓣进行抑菌率的测定。由表2可以看出,草本植物的抑菌能力普遍低于木本植物,草本植物对金黄色葡萄球菌的抑制率较低,长寿花、菊花叶片、花瓣的抑菌率均为0,对伤寒沙门氏菌的抑制率为3.0%~76.0%;其中对大肠杆菌的抑制效果最不明显,5种植物中对大肠杆菌抑制性最强的是长寿花叶片,其抑菌率只有29.9%。
  2.3 叶片与花瓣抑菌能力的比较
  如图1所示,不同植物叶片抑菌率/花瓣抑菌率的值差异显著,说明一些植物叶片的抑菌能力与花瓣的抑菌能力显著不同,而另一些植物叶片和花瓣则具有相同水平的抑菌能力。图1-A中,西府海棠叶片、花瓣对伤寒沙门氏菌的抑菌率相差近65倍,紫荆叶片对金黄色葡萄球菌的抑制能力是花瓣的40倍,金钟叶片、花瓣对金黄色葡萄球菌的抑菌率比值为28,而碧桃的叶片、花瓣表现出相同的抑菌能力,叶片抑菌率/花瓣抑菌率的值均为1,榆叶梅、贴梗海棠和樱花叶片、花瓣的抑制能力间的差异也较小。
  对于草本植物而言,其叶片、花瓣抑菌能力的差异没有木本植物明显,如图1-B所示, 草本植物叶片与花瓣抑菌率(对伤寒沙门氏菌)的比值最高的是长寿花、菊花,但检测抑制金黄色葡萄球菌的效果时,这2种植物叶片、花瓣的抑菌能力相同,均为0,而其他植物叶片、花瓣的抑菌能力差异均不明显。
  2.4 抑菌能力强的园林植物最大抑菌强度的比较
  挑选出对供试菌种具有完全抑制能力的植物叶片、花瓣进行最大抑菌强度试验,即考察1 g叶片或花瓣对梯度稀释的不同浓度的菌液所能表现出的最大抑菌浓度,计算其能够抑制的单位面积的最大菌落数[CFU/(mL·cm2)]。如表3所示,对大肠杆菌抑制强度最大的是碧桃叶片、樱花叶片,是碧桃花瓣的1 000倍;碧桃叶片、紫玉兰叶片对伤寒沙门氏菌的抑菌强度最大,紫玉兰叶片对枯草芽孢杆菌的抑制强度最大,为碧桃花瓣、紫丁香叶片的105倍;樱花叶片对金黄色葡萄球菌的最大抑菌强度是紫丁香的105倍。试验结果表明,不同植物之间抑菌强度差异显著,说明不同植物所含抑菌物质不同,为进一步分析植物抗菌活性成分提供了理论依据。
  3 讨论与结论
  在本试验中,5种草本植物的叶片、花瓣对4种供试菌有较明显的抑制作用,瓜叶菊叶片、花瓣对伤寒沙门氏菌的抑制率分别达到了62.1%、60.7%;长寿花叶片对伤寒沙门氏菌的抑制率为76.0%,花瓣对大肠杆菌的抑制率为24.2%;矮牵牛花瓣对枯草芽孢杆菌的抑制率为46.6%。木本植物对4种供试菌的抑制率明显高于草本植物,木本植物中有6个品种对4种菌的抑制率达到100.0%,之前从未有如此高的关于植物抑菌率的报道。在本研究中,木本植物花瓣对4种菌的抑制率较高,碧桃花瓣对4种菌几乎实现了完全抑制,樱花花瓣对4种菌的抑制效果也很显著,贴梗海棠花瓣对金黄色葡萄球菌实现了100%抑制。在本研究中,植物叶片的抑菌率普遍高于花瓣,可能由于叶片的生长周期比花瓣长,积累的有机物质较多。不同植物由于生长条件不同、组织结构不同,所含代谢物质有差异,最终导致抑菌能力不同[8]。   已有的报道都是将菌液稀释到一定浓度后,将活菌数控制在可计算的范围内,再将菌液涂布在培养基平板上,加碎叶计算被抑制菌的数量,以此得出抑菌率。此方法简单、快捷、易操作,但也存在明显不足,因为每次试验菌液浓度都会有差异,导致同种植物不同批次的试验抑菌率有差异,目前关于抑菌试验中活菌数的浓度没有统一标准。刘洋等选取8种常见园林草本花卉植物叶片进行抑菌研究,发现叶片挥发性物质具有抑菌作用,1 g彩叶草碎叶对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的抑制率最高,分别为53.13%、56.99%、44.44%[9]。孙雨珂等对四川省成都市16种园林植物叶片进行抑菌作用进行比较,发现八角金盘对金黄色葡萄球菌12 h的抑制作用最大,对照组菌落数41个,试验组菌落数8个,12 h抑菌率为80.5%;南天竹对大肠杆菌12 h的抑制率最高,对照组菌落数69个,试验组菌落数15个,12 h抑菌率为78.2%[10]。针对本研究中抑菌率为100%的木本植物叶片,为了探究其抑菌能力,本研究提出了一个新的概念——最大抑菌强度(MAS),即1 g碎叶抑制单位面积的最大活菌数量。结果显示,同样是抑菌率为100%的植物叶片,MAS结果差异显著,对于大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌,MAS最高值与最低值的比值分别为104、103、105、105。碧桃、樱花对大肠杆菌的MAS可达到106数量级,碧桃、紫玉兰对伤寒沙门氏菌的MAS可达到105数量级,紫玉兰对枯草芽孢杆菌的MAS可达到106数量级,樱花对金黄色葡萄球菌的MAS可达到105数量级,如此强的抑菌能力使这些植物成为提取天然植物抑菌剂的最佳对象。
  绿色植物不仅能美化环境、释放氧气,还能分泌挥发性物质,抑制或杀死空气中的微生物[11-12]。植物体内抑菌化学成分通过挥发作用被释放出来,使微生物结构受损,阻碍代谢途径,破坏细胞内的酶和蛋白质,从而抑制其生长甚至导致植物死亡[13]。目前,植物抑杀菌作用已应用到医学、食品防腐保鲜等方面,但在园林绿化、人居环境改善中还有较大的研究空间[14]。本试验选取的草本、木本植物叶片、花瓣都有很好的抑杀菌效果,可以在人口活动密集场所如医院周围、街道旁、闹市区、工厂附近等大量种植,不仅美观,还能净化空气,是城市园林绿化树种的最佳选择。草本植物不但能作为绿化的地被植物,还可在室内种植。办公区域、商场、超市、医院病房等人员流动场所,多放置一些此类物种,既能营造良好的氛围,缓解人们疲劳,减轻压力,又能有效阻止由细菌引起的疾病传播。
  本研究只是将供试植物对4种细菌抑制效果进行了初步分析,关于植物抑菌物质和抗菌活性成分尚不清楚,还有待进一步研究。
  參考文献:
  [1]Liu Y J,Yang Z,Zhu M Z,et al. Role of plant leaves in removing airborne dust and associated metals on Beijing roadsides[J]. Aerosol
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