煤矸石淋濾液對(duì)柳葉空心菜幼苗生長(zhǎng)的影響

侯沁文

（長(zhǎng)治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 長(zhǎng)治 046011）

煤矸石淋濾液對(duì)柳葉空心菜幼苗生長(zhǎng)的影響

侯沁文

（長(zhǎng)治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 長(zhǎng)治 046011）

為分析煤矸石長(zhǎng)期堆放對(duì)周圍環(huán)境植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，采用盆栽培養(yǎng)方法，研究了煤矸石不同濃度淋濾液對(duì)空心菜種子萌發(fā)、葉綠素含量和抗氧化酶活力等的生態(tài)毒性。結(jié)果表明：煤矸石淋濾液濃度為0～400.3 mg·L-1時(shí)，對(duì)空心菜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)抑制作用顯著，濃度越高，抑制作用越顯著；但當(dāng)煤矸石淋濾液濃度＞400.3 mg·L-1時(shí)，其發(fā)芽勢(shì)差異不顯著，而發(fā)芽率差異顯著。煤矸石淋濾液濃度為814.8 mg·L-1和1358.5mg·L-1時(shí)，對(duì)空心菜苗高抑制作用最顯著，而其濃度＜271.2 mg·L-1時(shí)，抑制作用不顯著；葉綠素含量與煤矸石淋濾液濃度呈線性負(fù)相關(guān)（＞0.85）。不同濃度煤矸石淋濾液下的空心菜幼苗POD、SOD和CAT在不同部位抑制作用不同。因此，煤矸石淋濾液對(duì)空心菜幼苗生長(zhǎng)會(huì)有一定程度的生態(tài)毒性。

煤矸石淋濾液；幼苗；抗氧化物酶；生態(tài)毒性

煤矸石是煤炭產(chǎn)業(yè)在采煤、洗煤過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁(yè)巖的混合物，屬成煤時(shí)伴生的一種硬度較大、含碳量較低的黑灰色巖石，占產(chǎn)煤量的10%～20%[1,2]。堆放的煤矸石長(zhǎng)期風(fēng)化加之降雨淋溶作用后，煤矸石所含一部分重金屬元素釋放到周邊土壤，從而造成土壤重金屬污染[3]。由于人為和自然因素作用，造成某些重金屬遷移性較強(qiáng)，使周邊以及較遠(yuǎn)處土壤和水源被污染，造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。這些重金屬經(jīng)由食物鏈、食物網(wǎng)進(jìn)入到人體，危害人身健康[4-8]。

目前國(guó)內(nèi)外研究者主要在淋溶特性、重金屬污染等方面進(jìn)行了研究。如：煤矸石中重金屬動(dòng)態(tài)淋濾溶出特征[9]、礦區(qū)煤矸石堆放引起周邊的農(nóng)田土壤重金屬污染[10,11]、煤矸石堆場(chǎng)對(duì)周圍水環(huán)境中的污染[12]。關(guān)于煤矸石污染對(duì)周邊農(nóng)作物影響的研究甚少，楊金芳[13]利用礦井廢水灌溉小麥，研究其對(duì)小麥生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的影響。文章用不同濃度煤矸石淋濾液來(lái)培養(yǎng)柳葉空心菜，通過(guò)分析種子的萌發(fā)情況、葉綠素含量、三種抗氧化酶活性等的變化，探討了煤矸石淋濾液對(duì)柳葉空心菜潛在的生態(tài)毒性。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

煤矸石樣品采自山西省潞安礦務(wù)局王莊礦區(qū)。實(shí)驗(yàn)所用生物材料為空心菜由河南省利奇種子公司提供。

1.2.1 煤矸石淋濾液的制備

制備煤矸石淋濾液參照肖利萍等[14]方法，按照長(zhǎng)治市年平均降雨量計(jì)算，每次收集950 mL淋濾液，收集5個(gè)濃度煤矸石淋濾液，分別為122.5 mg· L-1、271.2 mg·L-1、400.3 mg·L-1、814.8 mg·L-1、1358.5 mg·L-1。

1.2.2 種子發(fā)芽和幼苗生理生態(tài)毒性

柳葉空心菜先用10%的NaClO溶液浸泡10 min，然后用純凈水反復(fù)清洗5次，最后用直徑為30cm塑料盆加土培養(yǎng)，培養(yǎng)試驗(yàn)煤矸石淋濾液濃度為0、122.5、271.2、400.3、814.8和1358.5mg·L-1。每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每盆撒20粒種子，在25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。發(fā)芽勢(shì)測(cè)定參照王彥梅[15]等的方法。第7 d計(jì)算發(fā)芽率（%）。7 d后將部分空心菜幼苗收起來(lái)，測(cè)定苗高，并測(cè)定其葉綠素含量。于15 d時(shí)測(cè)定空心菜葉片和根的抗氧化物酶活性。葉綠素含量的測(cè)定按照Hegedüs[16]等的方法?？寡趸富盍y(cè)定采用分光光度法[16]。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析采用dps7.05和origin8.0軟件。

綜上所述，NAFLD患者存在免疫調(diào)節(jié)紊亂，CD4+CD25+T細(xì)胞的變化與NAFLD病情程度及多種危險(xiǎn)因素密切相關(guān)，外周血CD4+CD25+T細(xì)胞水平在一定程度上可反映NAFLD患者的病情進(jìn)展及肝細(xì)胞損害程度，提示檢測(cè)NAFLD患者外周血CD4+CD25+T細(xì)胞水平或許可協(xié)助判斷其病情及預(yù)后；并為臨床NAFLD的治療提供新的參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜種子發(fā)芽的影響

從圖1可知，空心菜種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率隨著淋濾液濃度的增加逐漸降低。煤矸石淋濾液各濃度空心菜發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)均顯著低于對(duì)照組（P＞0.05），對(duì)于發(fā)芽率來(lái)說(shuō)，除了400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1這兩個(gè)濃度下空心菜種子發(fā)芽率差異不顯著外，其他濃度之間發(fā)芽率差異均顯著。對(duì)于發(fā)芽勢(shì)來(lái)說(shuō)，濃度＜814.8 mg·L-1時(shí)，濃度之間發(fā)芽率差異均顯著，濃度＞814.8 mg·L-1時(shí)，空心菜種子發(fā)芽率差異不顯著。

圖1 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜種子發(fā)芽的生態(tài)毒性Fig.1 Ecotoxicity of coal gangue leaching filtrate on the seed germination of water spinach

2.2 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜苗高的影響

柳葉空心菜生長(zhǎng)第7 d天以后開(kāi)始測(cè)量株高，每天測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量8次，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1發(fā)現(xiàn)隨著煤矸石淋濾液濃度增大，培養(yǎng)天數(shù)增長(zhǎng)，其對(duì)柳葉空心菜生長(zhǎng)有明顯抑制作用。在煤矸石淋濾液濃度為814.8 mg·L-1和1358.5 mg·L-1時(shí)，空心菜苗高抑制作用最明顯，而煤矸石淋濾液濃度＜271.2 mg·L-1時(shí)，抑制作用不太明顯。但是，其總體趨勢(shì)為隨著煤矸石淋濾液的升高，其對(duì)柳葉空心菜株高的影響越明顯。

表1 煤矸石淋濾液對(duì)柳葉空心菜株高的影響

2.3 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜幼苗葉綠素的抑制

由圖2可知，煤矸石淋濾液與葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平（<0.01）。葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的相關(guān)系數(shù)依次為0.881、0.887和0.930。以濃度為因素分別對(duì)這3種葉綠素進(jìn)行方差分析，對(duì)照組葉綠素含量均顯著高于處理組，對(duì)于葉綠素a處理組之間，除了122.5 mg·L-1與271.2 mg·L-1、271.2 mg·L-1與400.3 mg·L-1、814.8mg·L-1與1358.5mg·L-1的葉綠素含量均差異不顯著，其他處理組之間均差異顯著；對(duì)于葉綠素b，處理組之間均差異不顯著；對(duì)于總?cè)~綠素，除了400.3 mg·L-1與814.8 mg·L-1、814.8 mg·L-1與1358.5 mg·L-1的葉綠素含量均差異不顯著，其它處理組之間均差異顯著。

2.4 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜葉、莖和根內(nèi)抗氧化酶系的生態(tài)毒性

從圖3可以看出，POD、SOD和CAT這3種抗氧化酶的含量與煤矸石淋濾液濃度和空心菜不同組織部位有著密切的關(guān)系。

空心菜葉片：POD值除濾液濃度為122.5 mg· L-1的處理組外，其它處理組均低于對(duì)照組，且與淋濾液濃度為負(fù)相關(guān)。SOD活性在淋濾液濃度＜400.3 mg·L-1時(shí)，與對(duì)照組差異不顯著；而淋濾液濃度大于400.3 mg·L-1時(shí)，SOD活性顯著升高。CAT活性變化趨勢(shì)與POD基本相似。

空心菜莖：濾液濃度在0～271.2 mg·L-1時(shí)，POD活性逐步降到最低；濾液濃度在271.2～1358.5 mg· L-1時(shí)，其活性逐步升高。SOD活性隨淋濾液濃度逐漸降低，在淋濾液為1358.5 mg·L-1時(shí)達(dá)到最小值（14.89 U·(mgpr)-1）。CAT活性變化趨勢(shì)為“低-高-低”型，在淋濾液濃度為122.5 mg·L-1時(shí)其活性略高于對(duì)照組，淋濾液濃度大于122.5 mg·L-1，隨淋濾液濃度升高而下降。

空心菜根：POD活性隨淋濾液濃度的升高而逐步下降，但降幅不明顯。SOD活性在濾液為271.2 mg·L-1時(shí)活性降到最低，然后隨淋濾液濃度升高略有升高，在淋濾液為400.3～1358.5 mg·L-1時(shí)活性變化不大。CAT活性變化趨勢(shì)為“高-低-高”型，在淋濾液濃度為0～122.5 mg·L-1時(shí)，其活性由高到低，之后隨淋濾液濃度升高而升高。

從部位來(lái)看，POD、SOD和CAT這三種酶根部活性顯著高于其它部位，葉和莖的活性也有略微差別。說(shuō)明同一酶類在空心菜不同組織的分布存在差異，從而表明同一酶類在空心菜不同部位的重要性可能不同。

圖3 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜葉片及根內(nèi)抗氧化酶系的生態(tài)毒性Tab.3 Ecotoxicity of Coal gangue leaching filtrate on the antioxidant enzymes in the leaf,stem and root of water spinach

3 結(jié)論與討論

3.1 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜幼苗的生態(tài)毒性

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)、株高實(shí)驗(yàn)和幼苗苗重實(shí)驗(yàn)等都是植物的毒理實(shí)驗(yàn)基本方法，通過(guò)這些方法來(lái)觀察在不同毒性條件下種子發(fā)芽情況、根系發(fā)育狀況、株高苗重狀況等指標(biāo)的變化，可以方便而快捷地對(duì)毒性污染進(jìn)行診斷。[17-19]。實(shí)驗(yàn)采用煤矸石淋濾液培養(yǎng)空心菜，通過(guò)記錄空心菜種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率，測(cè)量其苗高。結(jié)果表明：煤矸石淋濾液從0 mg·L-1到814.8 mg·L-1，對(duì)空心菜發(fā)芽勢(shì)抑制作用均顯著，且濃度越高越顯著；煤矸石淋濾液在400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1時(shí)，對(duì)空心菜發(fā)芽勢(shì)抑制作用差異不顯著，而對(duì)于發(fā)芽率來(lái)說(shuō)，除了400.3 mg·L-1和814.8mg·L-1這兩個(gè)濃度外，其它濃度之間發(fā)芽率抑制作用差異均顯著，且濃度越高越顯著。

3.2 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜幼苗葉綠素的生態(tài)毒性

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，在一定程度上其含量高低可以反映光合作用水平，其含量和組成是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)[20,21]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：煤矸石淋濾液和葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈線性負(fù)相關(guān)，對(duì)幼苗葉這三種葉綠素的影響基本一致。有研究結(jié)果表明土壤中重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)污染對(duì)葉綠素含量有明顯影響[22]。本研究也認(rèn)為，來(lái)自煤矸石重金屬對(duì)葉綠素含量的一定影響。其原因可能為：煤矸石的重金屬通過(guò)雨水淋溶進(jìn)入土壤，被植物吸收運(yùn)輸至葉片，進(jìn)而抑制葉綠素酸酯酶和氨基-γ-酮戊酸的合成，而它們是植物合成葉綠素所必須的酶和物質(zhì)，從而造成葉綠素含量的下降。因此，在煤矸石淋濾液脅迫條件下，空心菜葉片對(duì)光能作用效率降低。

3.3 煤矸石淋濾液對(duì)空心菜葉片及根內(nèi)抗氧化酶系的生態(tài)毒性

正常情況下，植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)會(huì)清除細(xì)胞內(nèi)大量積累活性氧（羥自由基、超氧自由基、過(guò)氧化氫和過(guò)氧化物自由基）。如，POD、SOD和CAT主要分別清除過(guò)氧化物自由基，超氧自由基和過(guò)氧化氫自由基，這樣可協(xié)同防御細(xì)胞膜系統(tǒng)被活性氧破壞，防止細(xì)胞快速衰老[23,24]。Polesskay[25]等人研究了植物體的內(nèi)源和外源異生物質(zhì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量活性氧對(duì)生物體的影響，結(jié)果表明，活性氧可導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸、膜脂等氧化，甚至造成酶變性失活、膜脂被過(guò)氧化和DNA發(fā)生斷裂。本研究對(duì)空心菜葉、莖、根3部位的3種抗氧化酶的活性進(jìn)行測(cè)定?？傮w來(lái)看，煤矸石淋濾液對(duì)酶活性有抑制作用，但是，發(fā)現(xiàn)在某些濃度下特定部位酶活性不降低反而升高，如，葉片中SOD、莖長(zhǎng)POD和根中CAT均表現(xiàn)為較高濃度處理酶活性升高，這可能是植物對(duì)外來(lái)有毒物質(zhì)脅迫的一種應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制。

總之，煤矸石淋濾液不但影響空心菜發(fā)芽率和苗高，而且引起空心菜葉綠素合成受阻和氧化損傷等效應(yīng)，進(jìn)而使某些生物功能失調(diào)，必將會(huì)導(dǎo)致空心菜農(nóng)作物產(chǎn)量的降低。因此，我們有必要采取措施對(duì)煤礦地區(qū)煤矸石進(jìn)行合理科學(xué)的處理，盡量降低其對(duì)周圍環(huán)境、地下水、農(nóng)作物等的影響。

［1］毛艷麗,羅世田,魯志鵬.平頂山煤矸石的資源化利用［J］.潔凈煤技術(shù),2007,13(4):66-69.

［2］劉東.煤矸石的性質(zhì)及其綜合利用淺析［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2010,12(8):91-92.

［3］白中科,付梅臣,趙中秋,等.論礦區(qū)土壤環(huán)境問(wèn)題［J］.生態(tài)環(huán)境,2006,15(5):1122-1125.

［4］鄭永紅,張治國(guó),姚多喜,等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬含量時(shí)空分布及富集特征研究［J］.煤炭學(xué)報(bào),2013,38(8):1476—1482.

［5］Papirio S,Villa-Gomez D K,Esposito G,et al. Acid mine drainage treatment in fluidized-bed bioreactorsbysulfate-reducingbacteria:A critical review［J］.Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2013,43:2545-2580.

［6］侯新偉,張發(fā)旺,李向全,等.陜西某礦長(zhǎng)期堆放的煤矸石對(duì)土壤的影響［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(2):285-290.

［7］張銳,張成梁.煤矸石山風(fēng)化堆積物水分動(dòng)態(tài)研究［J］.水土保持通報(bào),2008,28(1):125-129.

［8］武潤(rùn)強(qiáng).臨汾市煤礦煤矸石生態(tài)處置與綜合利用探究［D］.山西:山西師范大學(xué)碩士論文, 2010,13-16.

［9］劉偉,蔡香麗,楊智勇.煤矸石中重金屬動(dòng)態(tài)淋濾溶出特征研究［J］.北方環(huán)境,2011,23（11）:158-160.

［10］王心義,楊建,郭慧霞.礦區(qū)煤矸石堆放引起土壤重金屬污染研究［J］.煤炭學(xué)報(bào),2006,31 (6):808-812.［11］Bhuiyan M A,Parvez L, Islam M,et al.Heavy metal pollution of coal mine-affected agricultural soils in the northern part of Bangladesh［J］.Journal of Hazardous Materials,2010,173(1):384-392.

［12］彭立,杜勇立,黃滿紅,等.煤矸石堆場(chǎng)對(duì)周圍水環(huán)境中的污染分析研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理,2014,39(10):34-36,55.

［13］楊金芳.礦井廢水灌溉對(duì)小麥生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的影響研究［D］.河南:河南師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

［14］肖利萍,梁冰,陸海軍,等.煤矸石中某些物淋溶釋放特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2006,6(2):19-22.

［15］王彥梅,張玉秀,柴團(tuán)耀,等.重金屬對(duì)小麥和黑麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(3):802-804.

［16］Hegedüs A,Erdei S,Horváth G.Comparative studies of H2O2detoxifying enzymes in green and greening barley seedling under cadmium stress［J］.Plant Science,2001,160:1085-1093.

［17］李云玲,侯沁文,任嘉紅.煤矸石淋濾液對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(4):39-45.

［18］GongP,WilkeBM,StrozziE,etal. Evaluation and refinment of a continuous seed germination and early seedling growth test for the use in the ecotoxicological assessment of soils［J］.Chemosphere,2001,44(3):491-500.

［19］安婧,周啟星,劉維濤.土霉素對(duì)小麥種子發(fā)芽與幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的生態(tài)毒性［J］.環(huán)境科學(xué), 2009,31(10):3022-3027.

［20］王鑫,郭平毅,原向陽(yáng),等.2甲4氯對(duì)罌粟葉綠素含量及光合作用的影響［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(7):48-50.

［21］李偉,馬克婧.土壤Cr6+污染對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生理生化特性的影響.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(23):5328-5331.

［22］Stobart A K,Grifiths W T,Ameen–Bukhari I, et al.The effect of Cd2+on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley［J］.Plant Physiol, 1985,63:293–298.

［23］廖祥儒,朱新產(chǎn).活性氧代謝和植物抗鹽性［J］.生命的化學(xué),1996,16(6):19–23.

［24］宋雪英,宋玉芳,孫鐵珩,等.柴油污染土壤對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的生態(tài)毒性效應(yīng)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(3):554–559.

［25］Polesskaya O G,Kashirina E I,Alekhina N D. Changes in the activity of antioxidant enzymes in wheat leaves and roots as a function of nitrogen source and supply［J］.Russian Journal of Plant Physiology,2004,51(5):615–620.

Hou Qin-wen
（Department of Biological Sciences and Technology,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

（責(zé)任編輯 鐵軍）

S158.4

A

1673-2015（2015）05-0021-06

山西省高校人文社科重點(diǎn)研究基地項(xiàng)目（2012331）；長(zhǎng)治市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20123055）。

2015—08—23

侯沁文（1975—）男，山西沁水人，碩士，主要從事生態(tài)學(xué)及環(huán)境化學(xué)研究。