地下水復(fù)合污染對玉米幼苗葉片的氧化損傷效應(yīng)

摘要：研究尾礦庫周邊潛層地下水在下游位置的橫向和縱向上的污染程度，及其脅迫對玉米（Zea mays L.）幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統(tǒng)的影響。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對尾礦庫周邊潛層地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合分析，于玉米幼苗三葉期時對葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性進(jìn)行測定。結(jié)果顯示，內(nèi)梅羅指數(shù)在縱向上由西南向東南方向呈上升趨勢，橫向上隨距離尾礦庫距離的增加呈先下降后上升的趨勢，水質(zhì)變差。尾礦庫周邊地下水污染對玉米幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統(tǒng)具有明顯的生物學(xué)效應(yīng)，使玉米葉片抗氧化系統(tǒng)受到不同程度的傷害。結(jié)果表明尾礦庫周邊潛層地下水受到不同程度的污染，已經(jīng)喪失農(nóng)業(yè)灌溉的功能。

關(guān)鍵詞：尾礦庫；水污染；玉米（Zea mays L.）；膜脂過氧化；抗氧化酶

中圖分類號：X75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0603-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.014

Abstract： The pollution degree in the lateral and longitudinal of aquifer groundwater around the tailings and its effects on maize （Zea mays L.） seedlings’ membrane lipid peroxidation and antioxidant system were studied. The Nemero index method was used to make a comprehensive analysis on the aquifer groundwater around the tailings，and the contents of MDA and activity of SOD and POD of maize seedling leaves were determined.The results showed that the water quality trended to go up in the longitudinal，however，in the lateral，it trended to rise at first and then decline， and the antioxidant enzyme system of maize seedling was damaged to different levels. It indicated that the aquifer groundwater around the tailings had been polluted to different degrees，and lost its function for drinking and irrigation.

Key words：tailings reservoir；water pollution； maize（Zea mays L.）；membrane lipid peroxidation； antioxidant enzyme

礦產(chǎn)資源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它能夠提供大量的能源、工業(yè)原料以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料等。隨著礦產(chǎn)資源的大量開采，尾礦庫成了大量的采礦廢液、廢渣排放和堆存的場所。尾礦庫引起的生態(tài)環(huán)境污染已成為全球性的環(huán)境問題。

已有研究表明，尾礦庫廢水水質(zhì)具有重金屬離子超標(biāo)嚴(yán)重、部分含有放射性元素、pH變化較大、廢水成分和濃度變化大、不同的礦產(chǎn)條件含有的元素不同等特點(diǎn)[1，2]。尾礦庫滲漏給周邊地下水帶來的污染物質(zhì)通常以復(fù)合污染的形式出現(xiàn)[3，4]，主要包括重金屬元素、氨氮、各類鹽離子和放射性污染物等。尾礦庫周邊潛層地下水中污染物質(zhì)通過食物鏈、飲水等途徑在人體中富集，富集時間長且具有隱蔽性，將嚴(yán)重危害人體健康[5，6]。因此對尾礦庫周邊地下水污染的監(jiān)測是非常有必要的，但是針對尾礦庫周邊地下水污染進(jìn)行生物監(jiān)測的研究鮮有報道。本研究以北方某尾礦庫及其周邊潛層地下水為研究對象，以北方種植的重要的糧食作物玉米（Zea mays L.）為供試作物來展開相關(guān)試驗，以期為該地的農(nóng)作物污染和農(nóng)業(yè)灌溉管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水樣采集至某尾礦庫周邊地區(qū)，依據(jù)距尾礦庫的距離設(shè)置水樣采集點(diǎn)，分別為S1-S13，具體設(shè)置如圖1所示。所設(shè)縱向樣點(diǎn)組包括尾礦庫下游的西南（SW）、正南（S）、東南（SE）3個方向，西南方向包括S3、S6、S9、S13，正南方向包括S1、S4、S7、S10、S11，東南方向包括S2、S5、S8、S12。所設(shè)橫向樣點(diǎn)組①、②、③、④平行于尾礦庫，距尾礦庫距離依次遞增，①是S1、S2、S3，②是S4、S5、S6、S7，③是S8、S9、S10，④是S11、S12、S13。

取尾礦庫周邊地區(qū)幾乎沒有污染到的WLJ村設(shè)定地點(diǎn)的土作為栽培基質(zhì)。選取供試作物為玉米，購自包頭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所。

1.2 試驗方案

選用WLJ村的土作為盆栽基質(zhì)，土樣風(fēng)干過篩后并充分混勻，每盆[25 cm（直徑）×17 cm（高）]裝土6 kg（干重）。選用飽滿的玉米種子，用0.5%的次氯酸鈉消毒10 min，去離子水沖洗3～5次，用濾紙吸干附著水，均勻播種在各盆中，以選定的13個樣點(diǎn)S1-S13的水進(jìn)行培養(yǎng)，以未污染的WLJ村的水進(jìn)行培養(yǎng)作為對照。每3 d向每試驗盆中澆灌1.0 L水，其余時間用去離子水澆灌。

1.3 分析測定方法

1.3.1 水樣的預(yù)處理及測定 每個采樣點(diǎn)水樣取兩份，一份用濃硝酸調(diào)節(jié)使pH<2，另一份用氫氧化鈉調(diào)節(jié)使pH為7～9。采樣后對樣品進(jìn)行編號。水樣采集后，放在冷暗條件下保存，并盡快置于4 ℃冷藏。參照GB/T 14848-1993地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及該地區(qū)污染特征，分析了尾礦庫周邊潛層地下水中包括Cl-、SO42-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、高錳酸鹽指數(shù)、總?cè)芙夤腆w（TDS）、Th、Si、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mo等20種污染物。交由包頭市環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行測定。

1.3.2 各生理指標(biāo)的測定方法 采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法[7]測定丙二醛（MDA）含量；采用鄰苯三酚法[8]測定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈創(chuàng)木酚法[9]測定過氧化物酶（POD）活性。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 和SPSS 13.0進(jìn)行計算和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣點(diǎn)水質(zhì)綜合分析

2.1.1 13個樣點(diǎn)水質(zhì)綜合分析 采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[10]對尾礦庫周邊13個樣點(diǎn)的潛層地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，樣點(diǎn)S1、S2、S3和S11的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（F）高于7.20，水質(zhì)受到嚴(yán)重污染；S13的F介于4.25～7.20，指示水質(zhì)中度污染；S4、S5、S12的F介于2.50～4.25，指示水質(zhì)為輕度污染；S8和S10的F介于0.80～2.50，指示水質(zhì)良好；S6、S7和S9的F小于0.80，水質(zhì)優(yōu)良。表明在距離尾礦庫一定范圍內(nèi)，隨著距尾礦庫距離的增加，F(xiàn)大體呈現(xiàn)下降趨勢；超過一定范圍，F(xiàn)增加。

2.1.2 縱向樣點(diǎn)組水質(zhì)綜合分析 由圖3可知，F(xiàn)隨尾礦庫周邊地下水從西南向東南方向呈現(xiàn)上升趨勢，西南方向和正南方向F介于2.50～4.25，指示水質(zhì)為輕度污染；東南方向的F高于7.20，說明水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。表明水質(zhì)由西南向東南方向而變差，尤其在東南方向水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。

2.1.3 橫向樣點(diǎn)組水質(zhì)綜合分析 由圖4可知，F(xiàn)隨平行于尾礦庫下游距離的增加，呈先下降后升高的趨勢，②和③組的F介于0.80～2.50，指示水質(zhì)良好；④組的F介于4.25～7.20，指示水質(zhì)為中度污染；①組的F高于7.20，水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。表明隨著距尾礦庫距離的增加，水質(zhì)先變好，隨后又再次被污染。

2.2 樣點(diǎn)水質(zhì)對玉米幼苗葉片膜脂過氧化的影響

2.2.1 縱向樣點(diǎn)組水質(zhì)對玉米幼苗葉片MDA含量的影響 研究結(jié)果顯示，玉米幼苗葉片中氧化損傷產(chǎn)物MDA含量隨縱向樣點(diǎn)組由西向東的擴(kuò)散，呈現(xiàn)下降的趨勢，縱向各樣點(diǎn)組和對照組相比，幼苗葉片中MDA含量均大于對照組（圖5），表明在不同污染水脅迫危害下，玉米葉片受到不同程度的氧化損傷。

2.2.2 橫向樣點(diǎn)組水質(zhì)對玉米幼苗葉片MDA含量的影響 研究結(jié)果（圖6）顯示，玉米幼苗葉片中氧化損傷產(chǎn)物MDA含量隨平行于尾礦庫下游距離的增加，呈現(xiàn)先增加后下降再增加的趨勢，橫向各樣點(diǎn)組和對照組相比，除樣點(diǎn)組③（S9、S10、S8）的幼苗葉片中MDA含量低于對照外，其余3組均高于對照組，玉米葉片受到不同程度的氧化損傷。

2.3 樣點(diǎn)水質(zhì)對玉米幼苗葉片抗氧化酶系活性的影響

2.3.1 縱、橫向樣點(diǎn)組水質(zhì)對玉米幼苗葉片SOD活性的影響 研究結(jié)果顯示（圖7），隨縱向樣點(diǎn)組由西向東的擴(kuò)散，幼苗葉片中SOD呈現(xiàn)下降的趨勢，縱向各樣點(diǎn)組和對照組相比，幼苗葉片中SOD活性均低于對照組。表明在污染水脅迫危害下玉米葉片抗氧化損傷能力下降，隨污染程度的增加抗氧化損傷能力降低，使整體細(xì)胞活性下降。隨平行于尾礦庫下游距離的增加，幼苗葉片中SOD活性呈現(xiàn)下降的趨勢，橫向各樣點(diǎn)組和對照組相比，幼苗葉片中SOD活性均低于對照組（圖8）。表明水質(zhì)受到污染后，玉米葉片抗氧化損傷能力降低。

2.3.2 縱、橫向樣點(diǎn)組水質(zhì)對玉米幼苗葉片POD活性的影響 研究結(jié)果（圖9）顯示，幼苗葉片中氧化損傷產(chǎn)物POD活性隨縱向樣點(diǎn)組由西向東的擴(kuò)散呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，與對照組相比，幼苗葉片中POD活性均高于對照組，表明水質(zhì)污染對POD的活性起到促進(jìn)作用。由圖10可知，幼苗葉片中氧化損傷產(chǎn)物POD活性隨平行于尾礦庫下游距離的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，幼苗葉片中POD活性均高于對照組，與橫向水質(zhì)變化呈正相關(guān)。

3 小結(jié)與討論

尾礦庫引起的生態(tài)環(huán)境污染是一個非常嚴(yán)峻、亟待解決的問題。本研究以北方某尾礦庫及其周邊潛層地下水污染為背景，對當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物玉米進(jìn)行毒性效應(yīng)試驗，分析尾礦庫周邊潛層地下水污染對玉米幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統(tǒng)的影響。

丙二醛為膜脂過氧化產(chǎn)物，標(biāo)志著膜脂的過氧化程度。本試驗結(jié)果表明，隨著尾礦庫周邊潛層地下水的污染，除橫向樣點(diǎn)組③外，其余樣點(diǎn)污水處理組的玉米幼苗葉片丙二醛（MDA）含量均比對照有所增加，表明玉米幼苗葉片受到了氧化損傷，結(jié)果與前人研究結(jié)果[11，12]相似。說明MDA在環(huán)境污染預(yù)警中具有指示作用。

抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)控制活性氧平衡的重要物質(zhì)之一，主要有SOD、POD、CAT等。植株在正常情況下，體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，SOD、POD、CAT是植物細(xì)胞中清除活性氧，保護(hù)細(xì)胞的重要酶系統(tǒng)[13，14]。SOD是廣泛存在于生物體內(nèi)的重要金屬酶，是生物體內(nèi)惟一的一種以自由基作為底物的抗氧化物酶，可將O2-·歧化成H2O2和O2，是生物體內(nèi)活性氧清除的第一道防線。POD能夠清除植物體內(nèi)低濃度的H2O2，在氧化其他物質(zhì)的同時，將H2O2還原為H2O，用以消除細(xì)胞內(nèi)的H2O2，降低活性氧傷害。SOD和POD協(xié)同作用可以及時清除植物在正常代謝過程或逆境脅迫下產(chǎn)生的過多的活性氧，保護(hù)植物細(xì)胞免遭氧化損傷。本試驗結(jié)果表明，污染水質(zhì)抑制玉米幼苗SOD的活性增加，但促進(jìn)POD活性升高，這與前人[15，16]的研究結(jié)果相似，是抗氧化酶之間的相互代償作用所致。加之由于尾礦庫周邊潛層地下水中污染物成分復(fù)雜，有毒物質(zhì)含量高，對周邊環(huán)境生態(tài)的危害程度大，存在著污染物間的復(fù)雜相互作用[3，4，17]，造成酶活性的不穩(wěn)定，氧化損傷加劇。

本研究結(jié)果表明，隨著距尾礦庫距離的增加，潛層地下水水質(zhì)污染程度在不同方向上變化不同，存在著復(fù)合污染效應(yīng)。隨尾礦庫周邊潛層地下水的污染，玉米幼苗葉片受到不同程度的氧化損傷。長期利用當(dāng)?shù)氐叵滤M(jìn)行農(nóng)田灌溉，嚴(yán)重影響玉米作物生長，通過食物鏈等方式對當(dāng)?shù)鼐用窦捌渌锏纳眢w健康也具有潛在的危害。膜脂過氧化和抗氧化酶系統(tǒng)在環(huán)境生態(tài)風(fēng)險中起著早期預(yù)警的重要作用。

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