鉛、銅單一及復合污染對水稻種子萌發(fā)及生長的影響

王立新，王 存，吳小芳

（常熟理工學院 生物與食品工程學院，江蘇 常熟 215500）

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展,一些企業(yè)將含有重金屬的工業(yè)廢水廢物直接排放到河道,這不僅會污染水源,繼而還會對土壤造成污染.重金屬污染已成為當今污染面最廣、危害最大的環(huán)境問題之一.

鉛與銅是兩種較為常見的重金屬.大多數(shù)學者認為鉛不是生物生長的必需元素，而是一種對生物有積累性危害的污染物質(zhì)［1］.鉛對植物體生長及生理生化有多方面的影響,如抑制植物光合作用、抑制呼吸作用等［2,3］.銅是植物生長的必需微量元素之一，但過量會對植物造成許多生理毒害,抑制植物生長［4,5］.

本實驗以當?shù)厮酒贩N常優(yōu)1號為研究對象,通過添加外源重金屬鉛與銅,分析水稻種子萌發(fā)和苗期生理指標的變化,以探討重金屬鉛及銅對水稻生命初期的抑制作用,為預防水稻早期的重金屬傷害以及由此而引發(fā)的食品安全問題提供理論參考.

1 材料和方法

1.1 實驗材料

供試水稻(Oryza sativa L.)種子，品種為常優(yōu)1號，購于常熟市種子站.

供試重金屬離子：Cu2+(CuSO4·5H2O)、Pb2+（Pb(NO3)2），均為分析純.

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理

水稻種子用0.5%次氯酸鈉消毒10min，經(jīng)蒸餾水沖洗3次后浸種24h,挑選顆粒飽滿一致、無病蟲害、無破損者放入鋪有雙層消毒紗布的培養(yǎng)皿中，每皿均勻放置30粒,分別用不同質(zhì)量濃度Cu2+或Pb2+溶液處理，加液量以種子濕潤為宜.于光照培養(yǎng)室中培養(yǎng),條件為：28℃、12h/12h(光照/黑暗)、光照強度2000lux.培養(yǎng)過程中，每12h更換一次處理液.重金屬離子溶液處理5d改用木村B營養(yǎng)液恢復培養(yǎng)，5d后進行各項指標測定.

1.2.2 實驗設計

鉛離子單一處理的濃度分別為300、400、500、600mg·L-1；銅離子單一處理的濃度分別為5、10、15、20mg·L-1；復合處理為兩種離子的正交組合；對照組用蒸餾水培養(yǎng).每組設3個重復，數(shù)據(jù)取其平均值.

1.2.3 測定方法

發(fā)芽率的統(tǒng)計采用直接計數(shù)法，前5d內(nèi)胚芽長度大于1/2種子長度者視為萌發(fā)，用百分率表示［6］.初生根長及苗高的測定采用直尺測量法，每皿隨機挑選5顆種子進行測量，取其平均值.水稻幼苗葉片葉綠素含量的測定采用丙酮提取法［7］.

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb2+與Cu2+單一及復合處理對水稻發(fā)芽率的影響

植物生理理論認為：種子吸水膨脹后的萌發(fā)活動是各種酶的調(diào)控結(jié)果，此時對外界條件變化較為敏感.發(fā)芽率作為一個重要指標能較直觀地體現(xiàn)外界條件變化對其的影響.由表一可知，在Pb2+單一因子處理下，水稻發(fā)芽率相比對照而言出現(xiàn)一定程度的低促高抑現(xiàn)象，但差異不顯著.而Cu2+單一處理對萌發(fā)率的影響較大.其中2mg·L-1處理組明顯降低水稻發(fā)芽率，而5mg·L-1的Cu2+處理則促進水稻發(fā)芽，隨后發(fā)芽率又有所降低，至15mg·L-1時比對照組降低了17%，差異顯著.復合處理下，由于相對低濃度的Pb2+（≤400mg·L-1）的加入，Cu2+影響下的水稻發(fā)芽率與單一處理相比有一定程度的上升.隨著Pb2+濃度的升高，特別是Pb2+濃度達到600mg·L-1時，在鉛與銅的共同作用下，5mg·L-1的Cu2+與400mg·L-1的Pb2+組合使水稻種子發(fā)芽率達到最高，而后發(fā)芽率急劇下降，至最高濃度組合時僅為對照的76%.

2.2 Pb2+與Cu2+單一及復合處理對水稻初生根長及苗高的影響

由表2可知,初生根長度隨著單一Pb2+濃度的增加而不斷下降，當Pb2+濃度為300mg·L-1和600mg·L-1時，初生根長分別降為對照組的35.4%和22.6%，差異顯著.從觀察中還發(fā)現(xiàn),隨著Pb2+濃度的增加，水稻種子根系顏色由正常的白色逐漸轉(zhuǎn)成褐色，當Pb2+濃度達到最高值時時，根系大部分呈現(xiàn)褐色.說明Pb2+對水稻根系的生長產(chǎn)生了嚴重抑制.而單一Cu2+對水稻初生根長度的抑制作用也極其顯著，兩者呈顯著負相關(guān).從表3可見，單一Pb2+與Cu2+對水稻苗高的影響均呈現(xiàn)出抑制苗高的趨勢，具體表現(xiàn)為隨著Pb2+與Cu2+濃度的升高水稻苗高度不斷下降，差異顯著.

就復合作用而言，Pb2+與Cu2+的共同作用對水稻初生根長及苗高的抑制均大于相應濃度下的單一作用.特別是最高濃度組合（Pb2+600mg·L-1與Cu2+15mg·L-1），初生根長僅為對照組的1.7%，而苗高也比對照組降低了92.2%，嚴重抑制了水稻幼苗的生長.

表1 不同濃度的Pb2+與Cu2+復合處理對水稻發(fā)芽率的影響（%）

表2 不同濃度的Pb2+與Cu2+處理對水稻初生根長的影響（cm）

表3 不同濃度的Pb2+與Cu2+處理對水稻幼苗高度的影響（cm）

2.3 Pb2+與Cu2+單一及復合處理對水稻幼苗葉片葉綠素含量的影響

光合作用是植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量的多少對光合作用有直接的影響，是植物生理狀態(tài)的重要指標［8］.由表4可知水稻幼苗的葉綠素含量在單一Pb2+作用下表現(xiàn)為隨著濃度的升高呈下降趨勢.這與單一Cu2+處理結(jié)果有較大的不同.在Cu2+單一處理下，水稻幼苗葉綠素含量呈現(xiàn)較明顯的先升后降趨勢.當Cu2+濃度為2mg·L-1時達到最高，此時比對照組高出0.7倍.此后隨著Cu2+濃度的上升葉綠素含量開始逐步下降.鉛與銅兩種離子復合處理對水稻幼苗葉綠素含量的影響總體呈現(xiàn)出低促高抑.其中最低濃度組合Pb2+300mg·L-1、Cu2+2mg·L-1處理時葉綠素含量最高，為對照組的2.5倍.但隨著較高濃度Pb2+的加入，葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢，至最高濃度組合時降到最低.此結(jié)果也與觀察中發(fā)現(xiàn)水稻幼苗葉色在處理末期呈現(xiàn)枯黃現(xiàn)象相吻合.

表4 不同濃度的Pb2+與Cu2+處理對水稻葉片葉綠素含量的影響(mg/g FW)

3 討論

一般而言，植物吸收重金屬的濃度有隨外界重金屬濃度的增高而增加的趨勢，重金屬濃度增加到一定數(shù)值后，可對植物的生長產(chǎn)生危害，其生理、生化過程受阻，生長發(fā)育停滯甚至死亡.本試驗中，在Pb2+與Cu2+單一處理下，兩者都在不同程度上影響了水稻種子萌發(fā)及生長.表現(xiàn)為不同濃度的Pb2+與Cu2+均顯著抑制了水稻根及莖葉的生長，且對根長的抑制作用大于莖葉.就其生物學效應而言，Cu2+的毒害效應遠大于Pb2+.其原因可能跟植物對銅與鉛有不同的吸收、轉(zhuǎn)運及累積模式有關(guān)［9］.Pb2+與銅單一處理對水稻葉綠素含量的影響卻不盡相同.Cu2+處理下呈現(xiàn)低促高抑現(xiàn)象，且促進幅度較大.而Pb2+處理總體表現(xiàn)下降趨勢.說明低濃度的Cu2+處理能促進水稻幼苗葉綠素的合成，這是植物的一種應激反應［10］.對于葉綠素含量降低的原因，Stohard A K等［11］認為是重金屬抑制了原葉綠素酸脂的還原，而此酶是葉綠素合成所必需的.

重金屬的復合污染是一個非常復雜的過程，其生態(tài)效應受作物品種、元素組合、相對濃度和比例以及環(huán)境因素等的多重影響［12］.由于300mg·L-1Pb2+的添加，協(xié)同Cu2+使葉綠素含量上升；當Pb2+濃度超過300mg·L-1時，又協(xié)同Cu2+使葉綠素含量下降.其他幾組指標也有類似現(xiàn)象.總體而言，在本實驗中Pb2+與Cu2+復合作用對常優(yōu)1號水稻表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用，此結(jié)果與吳濤等[9]對魚腥草的研究基本一致.

重金屬脅迫對植物的影響是多方面的，其不僅影響植物的生理狀態(tài)，對植物的組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)建成等均有一定的影響［13，14］.本文僅在短期水培條件下，利用鉛與銅兩種重金屬離子對水稻生命初期的一些生理指標作了初步探討，其吸收方式、作用機理等尚待進一步的研究.

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