水溶態(tài)Cd、Zn及其復(fù)合污染對3種豆類胚根生長的影響*

陳 坤 徐龍君 袁 智 李世貴 易 俊

(1.重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室，重慶，400030;2.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶，401331;3.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京，100195)

水溶態(tài)Cd、Zn及其復(fù)合污染對3種豆類胚根生長的影響*

陳 坤1，2徐龍君1＊＊袁 智3李世貴2易 俊2

(1.重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室，重慶，400030;2.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶，401331;3.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京，100195)

采用水培實驗，研究了 Cd、Zn 單一及其 Cd(20 mg·kg－1)、Zn(5、10、15、20 mg·kg－1)復(fù)合污染對3 種豆類胚根生長的影響.結(jié)果表明，Cd溶液處理，Cd2+濃度為2 mg·kg－1時，3種豆類發(fā)芽數(shù)(粒)高于對照組，黃豆的發(fā)芽數(shù)隨處理濃度增加而減少，呈負相關(guān)，對綠豆和豌豆的發(fā)芽沒有明顯影響，對3種豆類胚根的生長均抑制，對綠豆抑制效應(yīng)明顯，24 h后3種豆類胚根開始出現(xiàn)壞死，或停止生長;不同Zn溶液處理，對3種豆類發(fā)芽沒有明顯影響，低濃度Zn溶液處理(Zn2+＜15 mg·kg－1)，刺激胚根生長，抑制率隨Zn濃度增加而減小，對綠豆刺激作用明顯，Zn2+＞15 mg·kg－1，抑制率隨濃度增加而增加，出現(xiàn)抑制效應(yīng)，20 mg·kg－1時抑制3種豆類胚根的生長;Cd(20 mg·kg－1)和不同濃度Zn復(fù)合污染，低濃度Zn(Zn2+＜15 mg·kg－1)，抑制率隨Zn2+濃度增加而減小，促進胚根生長，Zn與Cd主要表現(xiàn)為拮抗作用，Zn2+＞15 mg·kg－1，Zn與Cd一起毒害，抑制率隨濃度增加而增加，20 mg·kg－1時抑制3種豆類胚根生長.

豆類，鎘，鋅，水培實驗，復(fù)合污染，發(fā)芽，胚根生長.

重金屬物質(zhì)進入土壤、大氣、水，通過蔬菜的吸收和富集使蔬菜質(zhì)量下降.Cd是毒性最強的重金屬元素之一，過量的Cd會影響植物的生長，在植物體內(nèi)累積，進入食物鏈，對人體造成危害［1－3］.有關(guān)重金屬對蔬菜的影響研究有許多報道，吳鵬等［4］采用水培法發(fā)現(xiàn)低濃度Cd對大豆生長有促進作用，高濃度Cd對大豆生長有抑制作用.黨鋒［5］等研究了Cd、Zn處理對烤煙生長的影響，Zn、Cd之間有拮抗作用，煙葉中吸收累積的Cd隨土壤Zn濃度的增高而降低.侯艷偉等［6］在Cd單一及Cd、Zn復(fù)合污染對玉米幼苗生理特性的影響研究中表明Zn對Cd的氧化脅迫表現(xiàn)出一定的緩解作用.賈彥等［7］發(fā)現(xiàn)低濃度的Cd能夠促進金針菇的生長，高濃度的Cd、Zn對金針菇生長會產(chǎn)生抑制作用.Cd-Zn之間表現(xiàn)既有Cd-Zn協(xié)同作用，又有拮抗作用［8，9］，目前關(guān)于Cd、Zn單一以及交互作用的植物效應(yīng)已經(jīng)有了比較深入的研究.

豆類在我國廣泛種植，土壤中重金屬對豆類種子胚根生長產(chǎn)生危害.Cd是對人體有危害的一種重金屬，而Zn是植物生長需要的一種微量元素，Cd和Zn往往在自然界中共存，目前對豆類污染的研究報道較少，特別是對黃豆、綠豆、豌豆胚根污染對比生長、以及交互作用的影響.

本實驗主要采用水培實驗，針對綠豆、黃豆和豌豆，采用不同濃度的Cd、Zn對種芽胚根的抑制作用進行研究，并探討了Cd、Zn的交互作用下對種芽胚根的影響.

1 材料與方法

1.1 供試材料

CdCl2和ZnCl2均為分析純.用蒸餾水將 CdCl2、ZnCl2配制成1000 mg·kg－1母液，濃度設(shè)置參考文獻［10-11］，稀釋為 12 種不同濃度的溶液:Cd2+(2、5、10、20 mg·kg－1);Zn2+(5、10、15、20 mg·kg－1);Cd2++Zn2+(20+5、20+10、20+15、20+20 mg·kg－1).供試種子綠豆(中綠 1 號)、黃豆(西豆 3 號)、豌豆(中豌6號)，由重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供.

1.2 試驗方法

選取籽粒飽滿種子以0.5%次氯酸鈉溶液浸泡消毒30 min，用去離子水沖洗凈，室溫下用12種不同濃度的溶液分別浸種9 h后排列于鋪有兩層濾紙的12個培養(yǎng)皿中，每皿50粒，以蒸餾水為對照組，設(shè)12種重金屬處理液，每皿加入重金屬溶液;每組重復(fù)3次，置人工氣候箱中培養(yǎng)(溫度25℃ ±1℃，濕度75% ±1%，光照時間12 h)，保持濾紙潤濕，并紀錄下1 d的發(fā)芽數(shù).發(fā)芽24 h，每皿選取整齊一致的種芽15個，測定胚根長度.

1.3 測定指標及方法

胚根長度:采每皿15個種芽用游標卡尺測定取其平均值，然后再計算3次重復(fù)的平均值.

胚根平均生長率(%):胚根平均生長率 =dy/dt×100%(y為胚根長度，單位為cm;t為時間，d).

胚根生長抑制率:胚根生長抑制率(%)=1－(胚根平均生長率/對照胚根平均生長率).

采用SPSS統(tǒng)計軟件和Excel軟件進行顯著性檢驗和相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度Cd處理對3種豆類發(fā)芽的影響

由圖1可知，與對照組相比，Cd2+濃度為2 mg·kg－1時，3種豆類發(fā)芽數(shù)(粒)高于對照組，添加低濃度Cd2+對3種豆類種子發(fā)芽均有刺激作用.不同濃度的Cd2+處理，對黃豆的發(fā)芽影響最大，隨Cd2+濃度增加，抑制作用顯著，抑制效應(yīng)增強，Cd對黃豆的發(fā)芽產(chǎn)生明顯的抑制，浸種9 h，種子的發(fā)芽數(shù)隨Cd處理液濃度的增加而減少，呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9365.對豌豆和綠豆發(fā)芽無明顯影響，抑制效應(yīng)不顯著.隨Cd2+濃度的提高，過多的Cd2+進入細胞與核酸相結(jié)合，降低了RNA和DNA的活性，引起核酸裂解，從而影響有絲分裂.黃豆種子萌發(fā)受Cd脅迫傷害過程中，活性氧代謝失衡，從而造成膜脂過氧化加劇，增加過氧化有害物積累，使細胞膜系統(tǒng)破壞及大分子生命物質(zhì)損傷，細胞原生質(zhì)膜遭到破壞，致使膜透性增加，抑制了黃豆種子的萌發(fā)［6］.綠豆和豌豆種子發(fā)芽隨Cd2+濃度增加影響不顯著，可能原因是細胞膜系統(tǒng)破壞程度不高，膜透性基本不變.

2.2 不同濃度Cd處理對3種豆類胚根生長的影響

由圖2、表1可知，胚根平均長度隨Cd2+處理濃度的增加而減小，其長度均低于對照組，抑制率均隨處理濃度的增加而增加.各濃度Cd2+處理對3種豆類生長種芽均有抑制作用，且隨時間的推移，濃度的增加，抑制效應(yīng)更加明顯，3種豆類抑制效果相比較，對綠豆抑制效應(yīng)明顯.

圖1 24 h不同Cd濃度處理對發(fā)芽數(shù)的影響Fig.1 Effect on the germination of three beans treated with different concentrations of Cd for 24 h

圖2 不同濃度Cd對3種豆類生長抑制率的影響Fig.2 The inhibition rates on the root growth of the three beans treated with different concentations of Cd

通過觀察，對綠豆而言，當Cd2+濃度達5 mg·kg－1時，24 h后胚根就出現(xiàn)褐色壞死，并隨著處理濃度的增加，出現(xiàn)褐色壞死的數(shù)目也隨之增加，葉片數(shù)也隨之降低，Cd2+濃度為20 mg·kg－1時，胚根的生長基本停止.對黃豆而言，Cd2+濃度為10 mg·kg－1時，胚根開始變褐，24 h后開始出現(xiàn)側(cè)根，并隨Cd2+濃度的增加，側(cè)根數(shù)逐漸減少，表現(xiàn)抑制效應(yīng).對于豌豆而言，Cd2+濃度為10 mg·kg－1時，48 h胚根出現(xiàn)褐變，壞死.Cd2+濃度較低時，根系對鎘的積累會對IAA(生長素)、GA3(赤霉素)類激素產(chǎn)生抑制作用;微量鎘的存在對其產(chǎn)生刺激效應(yīng)，隨著Cd2+處理濃度的增加，對IAA和GA3合成的抑制作用加強，幼苗的生長發(fā)育受到嚴重影響［12］.本試驗，Cd2+＞5 mg·kg－1時，3種豆類胚根出現(xiàn)畸形，甚至褐化壞死，抑制效應(yīng)顯著.Cd對胚根生長抑制的原因可能是Cd2+進入植物體后，大多數(shù)在根部積累，根細胞中存在大量交換位點，將重金屬離子固定在這些位點上，進而破壞細胞內(nèi)染色體和核仁，抑制了細胞的分裂［13］.隨著Cd2+濃度的增加，染色體和核仁進一步遭到破壞，抑制效應(yīng)增加，與陳世軍等［14］研究Cd2+對辣椒的影響一致.低濃度的Cd提高根系活力，隨著Cd2+濃度增加抑制植物根系活力，這可能是抑制3種豆類胚根生長的主要原因.

表1 不同濃度Cd處理3種豆類的胚根長度Table 1 The root length of three beans treated with different concentrations of Cd

2.3 Zn處理對3種豆類發(fā)芽及胚根生長的影響

在本試驗處理的濃度內(nèi)，不同濃度的Zn2+對3種豆類的發(fā)芽數(shù)均無明顯影響.由表2可知，Zn2+濃度為 5 mg·kg－1、10 mg·kg－1和 15 mg·kg－1時，胚根長度高于對照組，表現(xiàn)為植物生長的暫時性增強，其胚根長度隨濃度的增加而增加，3種豆類比較，對綠豆刺激作用明顯.15 mg·kg－1時，3種豆類胚根平均長度達到最大，隨后，胚根長度隨濃度增加而減小，濃度為20 mg·kg－1時，其生長反而受到抑制.由圖3可知，Zn2+濃度為 5 mg·kg－1、10 mg·kg－1和 15 mg·kg－1時，胚根抑制率均小于對照組，抑制率隨濃度增加而降低，在15 mg·kg－1抑制率到達最低，隨后抑制率隨濃度增加而增加.

表2 不同濃度Zn處理3種豆類的胚根長度Table 2 The root length of three beans treated with different concentrations of Zn

陳素華等［15］報道，隨Zn2+濃度的提高，Zn對根系生長和根系活力的促進作用逐漸減弱，而抑制作用逐漸增強.由此可以看出，試驗設(shè)計濃度范圍內(nèi)，抑制率先減小后增加，刺激作用先增強后減弱，15 mg·kg－1時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.Zn2+＜20 mg·kg－1對3種豆類胚根的生長表現(xiàn)出一定的促進作用，對綠豆的促進表現(xiàn)明顯，Zn2+＞20 mg·kg－1抑制胚根生長，生長速度下降，綠豆和黃豆抑制效應(yīng)顯著，豌豆仍表現(xiàn)為促進作用.齊春艷等［16］報道，環(huán)境中有效Zn與其形態(tài)密切相關(guān)，其中以水溶態(tài)和交換態(tài)的活性最強，含量分布在 1—10 mg·kg－1之間.本實驗設(shè)計水溶態(tài) Zn2+濃度 20 mg·kg－1時，受到抑制，與徐衛(wèi)紅［17］報道Zn2+≥20 mg·kg－1對大白菜生長就產(chǎn)生了較強的毒害作用一致.過量供Zn大幅度提高胚根的Zn含量和吸收量，主要累積在根部并使胚根嚴重受害，Zn2+濃度20 mg·kg－1處理的培養(yǎng)介質(zhì)，可能是胚根受重金屬傷害，破壞了質(zhì)膜，造成有機物、H+大量外滲的結(jié)果，導(dǎo)致胚根生長受到抑制.在低濃度Zn2+處理下，種子的胚根生長反而增快，但當Zn增大到一定濃度時，也會抑制胚根生長.Zn對種芽生長的影響主要是通過合成生長素IAA的量來控制，在一定的范圍內(nèi)，Zn的含量與IAA的量呈正相關(guān)，這可能是在一定濃度內(nèi)Zn對胚根有促進作用的原因，當Zn濃度進一步增大時，產(chǎn)生了過量的IAA，會擾亂種芽正常的激素平衡體系，從而抑制了種芽胚根的正常生長.

2.4 Zn和Cd復(fù)合污染對3種豆類胚根生長的影響

高濃度的重金屬處理容易造成胚根的生長停止，為了探討重金屬復(fù)合污染對3種豆類種芽胚根的影響，設(shè)計了不同濃度Zn2+與定濃度Cd2+(20 mg·kg－1)對3種豆類胚根生長的影響，以Zn2+濃度計.由圖4可知，隨著低濃度Zn的加入，對3種豆類的胚根均出現(xiàn)刺激作用，其中對豌豆的促進作用最明顯;Zn2+濃度達20 mg·kg－1時，3種豆類胚根的生長均出現(xiàn)抑制，對豌豆胚根的抑制效應(yīng)最強.同一濃度Zn2+下，綠豆抑制率高于豌豆和黃豆，黃豆較另兩種豆類對Zn的抵抗能力較弱，但仍高于對照組;從圖4中還可以看到，Zn2+＜15 mg·kg－1時，抑制率隨Zn濃度的增加而減小，Zn2+的濃度增加對胚根生長的促進作用增強.Zn2+＞15 mg·kg－1時，抑制率隨Zn濃度的增加而增加，促進作用減弱.

圖3 不同濃度Zn處理對3種豆類生長的抑制率Fig.3 The inhibition rates on the root growth of the three beans treated with different concentations of Zn

圖4 不同濃度Zn與低濃度Cd的混合溶液對豆類生長的抑制率Fig.4 The inhibition rate on the root growth of the tree beans treated with a mixed solution of low concentration Cd and various concentrations of Zn

Zn2+和Cd2+混合污染，它們之間的作用并不是簡單的累加效應(yīng)，由于它們具有相同的結(jié)構(gòu)，所以在種芽內(nèi)Zn2+與Cd2+相互競爭吸附點，由于不同重金屬離子專性吸附的能力不同，它們進入胚根數(shù)量不同［18］.種芽減少對Cd2+的吸收，使Cd的毒性減弱，表現(xiàn)為在一定濃度內(nèi)，混合處理液對胚根生長的促進作用，但當Zn的濃度過大時，又會產(chǎn)生過量的IAA，反過來抑制胚根的生長.可見，Zn2+＜15 mg·kg－1時，Cd2+濃度不變，Zn2+濃度增加，Cd單一污染時，20 mg·kg－1抑制作用最強，此時，3種豆類胚根抑制率隨Zn2+濃度增加而減小，表現(xiàn)促進作用，起主要作用的是Zn2+促進胚根生長，與Cd2+競爭吸附，主要表現(xiàn)為拮抗作用，Cd、Zn拮抗作用可能的機制是因為Zn和Cd具有相同的核外電子構(gòu)型，競爭Zn酶中Zn的結(jié)合位點，抑制Cd的吸收，減少含Zn酶中Zn被Cd取代，從而減弱Cd對含Zn酶的破壞，加入Zn后，Cd進入胚根的機會減少，Cd競爭力減弱，Zn競爭力增強，更多的Zn仍能與Zn酶結(jié)合使Zn酶保持原有活性，同時 Zn可能促進 Cd復(fù)合物的合成，使 Cd的毒性下降［19］.Zn2+＞15 mg·kg－1，Cd2+不變時，3種豆類抑制率隨Zn2+濃度增加，抑制率增加，促進作用減弱，Zn2+濃度為20 mg·kg－1時，抑制效應(yīng)開始顯現(xiàn)，Zn2+、Cd2+一起抑制胚根生長，主要表現(xiàn)為協(xié)同作用.由于Cd與Zn具有相同的價態(tài)和近似的離子半徑，在胚根細胞表面發(fā)生Zn競爭Cd位的協(xié)同作用，導(dǎo)致Cd有效性增強，從而使Cd大量進入胚根細胞，影響胚根的生長發(fā)育，對胚根的生理毒害效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)降低了3種豆類胚根對Cd的控制力，可能的原因:一是一定濃度的Zn阻斷了Cd2+對金屬硫蛋白生物合成過程的誘導(dǎo)作用［20］，抑制了Cd結(jié)合蛋白的合成，從而增強了Cd的毒害作用，抑制了胚根的生長發(fā)育;二是Zn刺激根部產(chǎn)生更多的轉(zhuǎn)運載體，促進了與Zn相似性質(zhì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運［21］，讓更多的Cd遷移，對胚根產(chǎn)生毒害效應(yīng).

3 結(jié)論

試驗中，不同濃度Cd2+與黃豆發(fā)芽數(shù)呈負相關(guān)，對豌豆、綠豆發(fā)芽數(shù)沒有明顯影響;3種豆類胚根長度隨Cd2+濃度增加而減小，抑制率隨Cd2+濃度增加而增加，對綠豆的抑制效應(yīng)顯著.不同濃度Zn2+對3種豆類發(fā)芽數(shù)無明顯影響，Zn2+＜15 mg·kg－1，隨濃度增加，促進胚根生長，Zn2+＞15 mg·kg－1，濃度增加，抑制率增加.Cd(20 mg·kg－1)與不同濃度 Zn復(fù)合處理，存在交互作用，Zn2+＜15 mg·kg－1，Zn 與Cd主要表現(xiàn)為拮抗作用.Zn2+＞15 mg·kg－1時，主要表現(xiàn)為協(xié)同作用;目前得出的Cd、Zn復(fù)合污染的結(jié)論，僅考慮了20 mg·kg－1的Cd和不同濃度的Zn，關(guān)于不同濃度的Cd與不同濃度的Zn復(fù)合污染的相互作用機制有待進一步研究.

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EFFECT OF WATER-SOLUBLE CADMIUM，ZINC AND THEIR COMBINED SOLUTION ON ROOT GROWTH OF THREE KINDS OF BEANS

CHEN Kun1，2XU Longjun1YUAN Zhi3LI Shigui2YI Jun2

(1.Key Lab for the Exploitation of Southwestern Resources＆ the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing，400030，China;2，College of Safety Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing，401331，China;3.CNPC Drilling Research Institute，Beijing，100195，China)

Effects of Cd，Zn，separately and in combination，on the root growth of three kinds of beans have been investigated by water-culturing experiments.The results showed that at 2 mg·kg－1Cd the germination of the three beans was higher than the control group.The germination index of soy bean decreased with the increase of Cd concentration.There was a negative correlation between germination index of soy bean and Cd concentration.There was no effect on the germination index of mung bean and pea，and the root growth of the three beans was inhibited，especially for mung bean.After 24 h the roots of the three beans became putrescence or stopped growing Zn had no effect on the germination of the three beans.As Zn concentration was lower(Zn2+＜15 mg·kg－1)，the growth of the roots was stimulated，and the inhibition on the root growth decreased with the increase of Zn concentrations，especially for mung bean.The inhibition rates increased with the increase of Zn concentrations，and the root growth was inhibited(20 mg·kg－1).With 20 mg·kg－1Cd，the inhibition rates decreased with the increase of Zn at low concentration(Zn2+＜ 15 mg·kg－1)，and the growth was stimulated.At Zn2+＞15 mg·kg－1，Cd and Zn inhibited together.The inhibition rates increased with the increase of Zn concentrations，and the roots growth was inhibited when the concentration of Zn was 20 mg·kg－1.

beans，Cd，Zn，water-culture experiment，combined pollution，germinate，root growth.

2010年12月1日收稿.

*重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ08A05)資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，xulj@cqu.edu.cn