鉛、鎘單一及復合污染對11個空心菜品種種子萌發(fā)和幼苗生長效應的影響

李富榮　朱娜　楊銳　杜應瓊　王富華

摘 要 以11個品種的空心菜種子為研究對象，研究了不同濃度的鉛、鎘及其復合污染對不同空心菜種子萌發(fā)率、幼苗根長、苗高及生物量的影響，比較了不同處理對空心菜種子萌發(fā)和幼苗生長抑制效應的品種差異，旨在為重金屬中輕度污染農(nóng)田土壤栽培空心菜的品種選擇及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障提供參考。結果發(fā)現(xiàn)：鉛、鎘單一或復合污染對幼苗生長比種子萌發(fā)的抑制作用更明顯，其中幼苗根生長對鉛鎘污染比種子萌發(fā)等指標更為敏感，因此將幼苗根生長作為評價重金屬鉛鎘毒害的指標更為合理。隨著鉛、鎘單一及鉛鎘復合污染濃度的加大，其對空心菜各品種幼苗生長的抑制作用也逐漸增大，且同樣濃度下，鉛鎘復合污染往往比單一重金屬污染的抑制率更高，說明鉛鎘污染存在協(xié)同效應。其中，對空心菜各指標的綜合抑制效應在鉛、鎘單一污染下最高達48.78%和42.84%，而在鉛鎘復合污染時最高達59.73%。另外，不同品種對鉛、鎘污染的敏感性不同，通過比較，區(qū)分了3個耐鉛鎘污染品種和2個鉛鎘污染敏感品種。

關鍵詞 鉛；鎘；空心菜；復合污染；種子萌發(fā)

中國分類號 S181 文獻識別碼 A

Abstract To screen suitable cultivars in heavy metal polluted agricultural soils and reduce the risk of pollutants entering the human diet from soils via agricultural products， the variations in inhibitory effects of simplex / combined Pb and Cd pollution on the seed germination and seedling growth of different Ipanoea aquatica cultivars were studied. The results showed that seedling growth reflected the effects of Pb and Cd pollution on I. aquatica even more than the seed germination. Among them， root growth which was the most sensitive to lead and cadmium pollution could be used as the important index to assess the toxic effect of heavy metal lead and cadmium. As heavy metal pollution concentrations increased， the inhibitory effect of simplex / combined Pb and Cd pollution on seedling growth of I. aquatica was strengthened. Additionally，under the same concentration of some heavy metal element，the combined pollution usually caused higher inhibition rates than the simplex pollution. It was suggested that there was a synergistic effect between lead and cadmium pollution. The maxmium comprehensive inhibitory effects of all parameters under simplex Pb and Cd pollution was 48.78% and 42.84%， respectively， while the maxmium value under combined pollution was 59.73%. Besides， different cultivars showed different sensitivity to lead and cadmium pollution. There were three cultivars to be considered as the tolerant cultivars to lead and cadmium pollution and two cultivars to be sensitive cultivars.

Key words Lead； Cadmium； Ipanoea aquatica； Combined pollution； Seed germination

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.006

鉛（Pb）和鎘（Cd）是環(huán)境中重要的有毒重金屬，其所帶來的環(huán)境污染問題和食品安全問題廣受關注。鉛作為對生態(tài)環(huán)境危害極大的重金屬元素之一，進入土壤后不能被微生物降解，很難去除，對植物和動物都會產(chǎn)生較大的毒害[1-2]。而鎘在土壤中的有效態(tài)比例較高，活性較強，很容易被作物吸收而污染食物鏈，危及人類健康[3]。目前，重金屬污染往往表現(xiàn)為多金屬的復合污染，鉛鎘復合污染更受國內(nèi)外學者的普遍重視[4-5]。由于復合污染下污染物對植物的毒害效應與單一污染物作用存在差異[6]，因此，比較鉛、鎘單一污染與鉛鎘復合污染下植物的不同表現(xiàn)對揭示重金屬復合污染規(guī)律和指導重金屬污染修復具有更重要的實際意義。

空心菜（Ipanoea aquatica）作為一種栽培歷史悠久的蔬菜，在中國及亞洲地區(qū)均較常見，且品種繁多。其生長快、適應性強，被普遍認為是重金屬污染的高風險種，甚至成為目前水體重金屬污染植物修復的重要材料[7-8]。由于近年來水源和土壤的嚴重污染，使得這種廣受歡迎的蔬菜其栽培和品質(zhì)安全受到了極大的影響，給消費者的身體健康和生命安全帶來了隱患。然而，諸多研究表明，同一種蔬菜的不同品種具有不同的生理特性，對污染物的耐受性有所差異[9-10]。目前對單一重金屬元素污染情況下空心菜的響應機制和不同品種敏感性差異已有相關研究[11-13]，但關于復合污染情況下的相關研究仍然較少。種子萌發(fā)作為植物生命周期的起點，其萌發(fā)時期的生長狀況直接影響植物的后期生長發(fā)育，因此，研究種子在萌發(fā)階段受重金屬污染的影響具有重要的現(xiàn)實意義[14]。本文將通過研究鉛、鎘單一污染及復合污染脅迫下多種空心菜種子的萌發(fā)特性及幼苗生長特征，比較不同處理對空心菜種子萌發(fā)和幼苗生長影響的品種差異，以便選擇適合重金屬中輕度污染農(nóng)田土壤環(huán)境中生長的品種，揭示單一污染和復合污染的不同內(nèi)在規(guī)律，為大規(guī)模用于農(nóng)田土壤修復和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供科學的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試空心菜品種共11個，均為市售常見的品種，各品種相關信息見表1。選取各品種籽粒飽滿且大小一致的種子經(jīng)0.5% NaClO溶液消毒、洗凈、晾干后備用。試驗所用重金屬試劑Pb（NO3）2和Cd（NO3）2均為分析純試劑。

1.2 種子萌發(fā)實驗設計

將Pb（NO3）2和Cd（NO3）2按表2中的濃度配成溶液，設置鉛、鎘單一污染和鉛鎘復合污染各4個濃度，以蒸餾水為對照，共13個處理水平（表2），每個處理3個重復。取直徑9 cm的培養(yǎng)皿鋪入雙層濾紙為發(fā)芽床，加入10 mL不同處理濃度的溶液，每皿均勻放置10顆空心菜種子。實驗過程中每個培養(yǎng)皿內(nèi)統(tǒng)一適當補充一定體積的蒸餾水，使濾紙保持濕潤。每天記錄各皿種子萌發(fā)數(shù)量，萌發(fā)標準為胚軸突破種皮達1～2 mm。7 d后收獲，測量并記錄每株空心菜幼苗根長、苗高和生物量。

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本實驗測定了各處理下11個空心菜品種的種子萌發(fā)率、幼苗根長、苗高和生物量。其中，發(fā)芽率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%。各處理對種子萌發(fā)抑制率=（對照種子萌發(fā)率-處理種子萌發(fā)率）/空白種子萌發(fā)率×100%。所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 鉛、鎘單一/復合污染下空心菜種子萌發(fā)率

與對照相比，品種3在鉛、鎘單一污染及復合污染的12個重金屬濃度處理下均表現(xiàn)為抑制作用（表3）；品種2和品種7除少數(shù)處理下其種子萌發(fā)率不受鉛、鎘污染影響外，其它處理均對種子萌發(fā)率起促進作用；而其它品種在不同濃度處理下對種子萌發(fā)率有抑制作用也有促進作用，且各處理對空心菜種子萌發(fā)率的抑制作用并不隨污染濃度的加大而增加。各鉛鎘處理下對11個品種萌發(fā)率的抑制率范圍分別為-15.38%～15.38%、0～6.67%、-80.00%～-20.00%、-11.11%～11.11%、-26.32%～15.79%、-7.14%～7.14%、0～16.67%、-7.69%～15.38%、-16.00%～12.00%、-7.41%～3.7%和-25.00%～4.17%。但除PC1處理下品種11的種子萌發(fā)率明顯比對照高25%外，其它處理下與對照的差異并不顯著。

2.2 鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗根長的影響

鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗根長的影響見表4。由表4可見，鉛、鎘單一/復合污染各處理對11個空心菜品種的幼苗根長普遍存在抑制效應。除品種1在Pb1、Cd1處理下，品種5在Pb1～Pb4、Cd1～Cd3及PC1處理下，品種6在Cd2處理下，品種9在Pb1、Pb2、Cd1、Cd2處理下其對空心菜幼苗根長影響不顯著外，其它情況下對各品種空心菜幼苗根長的抑制作用均表現(xiàn)明顯。隨鉛、鎘單一及鉛鎘復合污染濃度的加大其對空心菜各品種幼苗根長的抑制作用也逐漸增大，且同樣濃度下，復合污染往往比單一污染的抑制率更高，說明鉛鎘污染存在協(xié)同效應。其中，在Pb單一污染濃度達最高處理Pb4時，各品種空心菜幼苗根長所受抑制率范圍為19.98%～82.40%，其大小順序為：品種8>品種11>品種4>品種7>品種2>品種1>品種10>品種3>品種6>品種9>品種5；在Cd4處理下空心菜各品種幼苗根長抑制率為29.90%～84.74%，其大小順序為：品種8>品種7>品種11>品種4>品種2>品種10>品種1>品種6>品種9>品種3>品種5；在鉛鎘復合污染達最高濃度PC4處理時，其抑制率達50.55%～89.95%，其大小順序為：品種8>品種4>品種7>品種11>品種1>品種2>品種10>品種6>品種3>品種9>品種5。

2.3 鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗苗高的影響

鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗苗高的影響見表5。由表5可以看出，除品種9在各重金屬低濃度處理時其幼苗苗高受促進作用外，鉛、鎘單一或復合污染下對各品種空心菜幼苗苗高大多產(chǎn)生了抑制作用。其中，各鉛鎘處理對空心菜品種3和品種8幼苗苗高的抑制作用均為顯著。除品種2僅在PC3和PC4處理下作用顯著外，其它品種大多是在鉛、鎘單一污染為Pb4和Cd4時幼苗苗高受抑制作用明顯，而鉛鎘復合污染在各濃度下大多使其受明顯的抑制作用。其中，在Pb4處理下，各空心菜品種幼苗苗高受抑制率達15.14%～68.87%%，其大小順序為：品種3>品種8>品種5>品種7>品種1>品種4>品種6>品種>品種10>品種11>品種2>品種9；在鎘單一污染達最高濃度Cd4處理下各品種幼苗苗高抑制率達11.33%～77.02%，其大小順序為：品種3>品種5>品種8>品種6>品種7>品種1>品種11>品種10>品種4>品種9>品種2；在鉛鎘復合污染最高濃度PC4處理下，其抑制率為40.62%～78.52%，其順序為：品種3>品種5>品種8>品種7>品種4>品種6>品種10>品種11>品種1>品種9>品種2。

2.4 鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗生物量的影響

鉛、鎘單一/復合污染對空心菜幼苗生物量的影響見表6。由表6可知，鉛、鎘單一或復合污染對不同空心菜品種幼苗生物量既有抑制也有促進作用，特別是品種2和品種10在PC1處理下促進作用明顯，品種9則在Pb1和Cd2處理下促進作用明顯。而鉛、鎘單一或復合污染對空心菜幼苗生物量產(chǎn)生顯著抑制作用的情況比其對幼苗苗高的要少得多。其中，品種1除Cd4處理外，其它處理下對其幼苗生物量均產(chǎn)生了顯著的抑制作用，品種8除Pb1、Pb2、Cd1和Cd2情況下對幼苗生物量抑制作用不明顯外，其它情況都有顯著抑制作用，而其它品種則大多只在重金屬高污染濃度下才表現(xiàn)出對幼苗生物量有明顯的抑制作用。在Pb單一污染濃度達最高處理Pb4時，各空心菜品種幼苗生物量受抑制率為-9.12%～56.62%%，其大小順序為：品種8>品種5>品種3>品種1>品種7>品種4>品種6>品種>品種10>品種11>品種9>品種2；在鎘單一污染達最高濃度Cd4處理下，各品種幼苗生物量抑制率為-13.77%～45.57%，其大小順序為：品種8>品種7>品種6>品種9>品種11>品種5>品種1>品種3>品種4>品種10>品種2；在鉛鎘復合污染最高濃度PC4處理下，其抑制率達0.66%～72.24%，其順序為：品種8>品種6>品種7>品種3>品種10>品種4>品種5>品種1>品種11>品種9>品種2。

2.5 鉛、鎘單一/復合污染對空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長的綜合抑制效應

以各重金屬污染濃度對空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長影響的4個測試指標計算其綜合影響的結果如表7所示。除品種9在低重金屬污染程度下大多表現(xiàn)為綜合促進效應外，其它情況均表現(xiàn)出不同程度的綜合抑制效應。其中，鉛單一污染達最高濃度Pb4處理下，對空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長綜合抑制效應范圍為14.80%～48.78%，對各品種的影響大小順序為：品種8>品種7>品種1>品種4>品種11>品種6>品種10>品種3>品種5>品種2>品種9；在鎘單一污染達最高濃度Cd4處理下，對空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長綜合抑制效應范圍為17.52%～42.84%，對各品種的影響大小順序為：品種8>品種7>品種11>品種6>品種9>品種4>品種1>品種10>品種5>品種3>品種2；在鉛鎘復合污染最高濃度PC4處理下，對空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長綜合抑制效應范圍為31.12%～59.73%，對各品種的影響大小順序為：品種8>品種7>品種6>品種4>品種3>品種1>品種10>品種11>品種5>品種9>品種2。

3 討論與結論

由于種子萌發(fā)和幼苗生長期是植物對環(huán)境脅迫較為敏感的時期，研究種子在脅迫條件下其萌發(fā)與幼苗生長的特征可以在一定程度上反映植物對脅迫的耐性[15]。相關研究在當前農(nóng)田重金屬污染日趨嚴重的現(xiàn)狀下具有重要的現(xiàn)實意義。植物種子萌發(fā)和幼苗生長狀況可作為檢測農(nóng)田土壤環(huán)境重金屬污染的重要指標[16-17]。本研究以重金屬鉛、鎘單一污染及復合污染對空心菜種子萌發(fā)率、幼苗根長、苗高及生物量的影響這四個方面作為檢測指標，結果表明，重金屬鉛、鎘單一污染或復合污染對空心菜種子萌發(fā)的影響較小，對幼苗生長的抑制作用更為顯著，且對幼苗根長的抑制作用往往大于幼苗苗高和生物量，這與Di Salvatore等[18]的研究結果一致。由于種子萌發(fā)初期主要吸脹吸水，溶液中的重金屬對其影響不大，而在種子萌發(fā)后，在種子吸水的同時大量重金屬也進入細胞內(nèi)并抑制幼苗萌發(fā)生長的相關酶活性，從而使幼苗生長受阻，表現(xiàn)為幼苗生長和鮮重下降[19]。另一方面，種子吸脹萌動時，胚根最先突破種皮，使其在重金屬的積累量和受脅迫時間上大于芽，因此重金屬對根長的抑制作用大多強于幼苗苗高生長。而幼苗根生長通常被認為是比種子萌發(fā)等對重金屬脅迫更為敏感的指標[20]。

有研究表明，重金屬對植物種子萌發(fā)具有“低抑高促”現(xiàn)象，低濃度重金屬可以提高種子生理活性，促進萌發(fā)和幼苗生長；高濃度重金屬脅迫抑制種子萌發(fā)相關酶活性和物質(zhì)代謝，使其生長代謝受抑制[21]。在本研究中，重金屬對部分空心菜種子萌發(fā)及幼苗生長（特別是幼苗生物量方面）存在較低濃度下的促進效應和高濃度下的抑制效應。如品種9在Pb1～Pb3、Cd1～Cd3、PC1處理下為促進作用，而在Pb4、Cd4和PC2～PC4處理下為抑制作用。另外，對空心菜各品種的四個測試指標來說，隨鉛、鎘單一及鉛鎘復合污染濃度的加大其對空心菜各品種種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用也逐漸增大。且在鉛或鎘濃度相同的情況下，復合污染往往比單一污染對種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制率更高，說明鉛鎘污染存在協(xié)同效應，加重了對空心菜的毒害作用。這進一步證實了復合污染下兩種或多種元素的協(xié)同作用對植物的毒害效應與單一元素的作用有所不同[22]。

不同植物或同一植物不同品種對重金屬的耐性和吸收規(guī)律存在很大差異，在同一種蔬菜中篩選對重金屬具有不同耐性的品種用于農(nóng)田土壤重金屬污染修復具有重要實際意義，相關工作近年來已成為農(nóng)田污染修復的熱點之一[23-24]。對11個空心菜的各個測試指標或綜合抑制效應來看，不同品種之間對鉛、鎘單一污染或復合污染的敏感性存在一定的差異。從重金屬處理對各測定指標的抑制率和綜合抑制率來看，品種8和品種7的幼苗生長較其它空心菜品種大多受到更強的抑制，為鉛鎘污染的敏感性品種；而品種2、品種9和品種5的幼苗生長受重金屬脅迫抑制往往較其它品種要弱，且在低濃度時出現(xiàn)一定的促進效應，為耐鉛鎘復合污染的耐性品種。由于中國目前農(nóng)田土壤受鉛鎘復合污染的情況比單一污染更為普遍，而空心菜作為一種易受重金屬污染的蔬菜，選種對鉛、鎘污染具較強耐性的品種2、品種9和品種5時需謹慎考慮其對重金屬的吸附能力。在后期研究中，有必要在本研究的基礎上，再針對這些對鉛、鎘污染耐性強的品種進行重金屬污染風險評估，從而保障空心菜質(zhì)量安全。

綜上，本文系統(tǒng)研究了空心菜多個品種在重金屬鉛、鎘單一/復合污染脅迫下的種子萌發(fā)和幼苗生長情況，為農(nóng)田重金屬污染修復過程中篩選空心菜耐性品種和高累積品種做了初步的探索。今后，隨著研究的進一步深入，有必要從生理層面對空心菜的重金屬耐性品種進行研究，探討重金屬鉛鎘在其體內(nèi)的轉移和累積機制，研究空心菜對重金屬鉛鎘復合污染的解毒機理，該研究對豐富植物修復技術具有重要的科學意義和實踐指導價值。

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