煤礦廢水對蠶豆種子發(fā)芽與幼苗生長的生態(tài)毒性研究

劉許柯　邢明明　陳守益

【摘 要】煤礦區(qū)廢水對周邊環(huán)境的污染越來越引起人們的廣泛重視和研究。以淮南某煤礦廢水為研究對象， 采集距煤礦廢水排污口不同距離的煤礦廢水，測試其對蠶豆種子的發(fā)芽及幼苗生長情況，利用蠶豆生長及微核實驗監(jiān)測煤礦廢水的生態(tài)毒性。結(jié)果表明：蠶豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長、根長、總長、總重、芽重隨距排污口距離變化受到不同程度的影響，與蒸餾水對照，表現(xiàn)出明顯的抑制作用，在距排污口200-300m處抑制作用相對較強。對比水質(zhì)常規(guī)測試指標發(fā)現(xiàn)：該煤礦廢水對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定負面影響，廢水中有機污染物、氨氮抑制了蠶豆種子發(fā)芽和幼苗生長，同時，煤礦廢水誘導(dǎo)出的蠶豆根尖微核率較對照高，可能是常見有機物導(dǎo)致。微核的污染指數(shù)表明該煤礦廢水具有一定的生物毒性。

【關(guān)鍵詞】煤礦廢水；生長情況；微核；生態(tài)毒性

煤礦廢水包括酸性礦井廢水、洗煤廢水、尾礦廢水等，組成成分及性質(zhì)復(fù)雜，兼具有懸浮液以及膠休溶液性質(zhì)，處理難度較大[1]，僅經(jīng)過沉淀處理，水體中仍有大量有毒有害物質(zhì)，直接排放到環(huán)境中會造成自然生態(tài)環(huán)境的破壞；種子萌芽過程易受到各類有毒有害物質(zhì)影響，一些有毒有害物質(zhì)可以通過食物鏈傳遞進入人體，影響人類健康[2]。因此，從生態(tài)學(xué)角度，運用高等植物研究煤礦廢水對種子萌芽階段生態(tài)影響具有重要意義。本研究按照已建立的高等植物毒理實驗方法，以淮南某煤礦廢水為例，通過蠶豆種子發(fā)芽和幼苗生長抑制情況及根尖細胞微核情況，結(jié)合該廢水水質(zhì)指標，對該煤礦廢水進行生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測及生態(tài)毒性評價，為煤礦廢水環(huán)境影響及生態(tài)毒性效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

松滋青皮蠶豆（Vicia faba），均購置于淮南農(nóng)貿(mào)市場。

1.2 實驗方法

1.2.1 采樣點的布置和水樣的采集

按照相關(guān)水質(zhì)分析要求[3]，從煤礦廢水排污口開始，沿河流下游方向每隔100米設(shè)置5個瞬時水樣采樣點。各采樣點坐標：W1（x=116.5124，y=32.3837）；W2（x=116.5125，y=32.3837）；W3（x=116.5127，y=32.3839）；W4（x=116.5128，y=32.3840）；W5（x=116.5129，y=32.3841），W1、W2、W3、W4和W5代表采樣點編號（下同）。采用多點瞬時水樣方法進行水樣采集。每采樣點采集水樣5L于塑料瓶內(nèi)，按照國家環(huán)保部（HJ493-2009）要求放于4℃冰箱中保存。

1.2.2 水質(zhì)理化指標的分析

按照相關(guān)標準對采集水樣的pH、電導(dǎo)率、總?cè)芙庑怨腆w、氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量、溶解氧等理化指標進行測試[3]。

1.2.3 蠶豆微核實驗和幼苗生長情況測定

取40粒籽粒飽滿且均勻的蠶豆，用0.5%NaClO溶液消毒20min沖洗后分別放入盛有各采樣點水樣的五組燒杯中，同時設(shè)一組蒸餾水對照組，在25℃下浸泡48h，蠶豆吸脹后，選取發(fā)育良好的蠶豆，在25℃溫箱中保持濕度培育7d；在蠶豆萌芽3d后，按照莫測輝等對種子萌芽評判標準[4]，逐日觀察記錄蠶豆萌發(fā)數(shù)。培育7d后，用醫(yī)用鑷子取萌芽蠶豆測其生理指標：總長、芽長、根長、總重、芽重、根重（均為鮮重）[5]。

另取上述處理吸脹后的蠶豆，按照王友保等、錢曉薇培育保存方法對蠶豆進行培育保存[12，14]，根據(jù)王躍華等對蠶豆根尖微核技術(shù)的改良[13]，將恢復(fù)后的種子從根尖頂端切下幼根放入廣口瓶中，使用由無水乙醇：冰醋酸：濃鹽酸 =1∶125∶1配制成的改良固定離析液對根尖細胞進行固定解析，用改良石炭酸品紅染液染色[14]，加1滴蒸餾水壓片觀察。每個斷面鏡檢10個根尖，測定其微核千分率（MCN‰）和污染指數(shù)（PI）， 并進行統(tǒng)計學(xué)處理[15]，蠶豆根尖細胞微核的識別標準同陳光榮等[18]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

發(fā)芽率[5]（%）=7d發(fā)芽的種子數(shù)/供試驗種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢[5]（%）=3d發(fā)芽種子數(shù)/供試驗種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)[5]Gi=∑（），Gi發(fā)芽指數(shù)；Gt在t日的發(fā)芽數(shù)，個；Dt相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)， d

活力指數(shù)[6]Vi=S×Gi，Vi活力指數(shù)；S總長；Gi發(fā)芽指數(shù)

微核細胞千分率（M CN‰）=含有微核的細胞數(shù)/觀察細胞總數(shù)×1000

污染指數(shù)根據(jù)陳光榮提出的計算方法計算[16]， 即：

污染指數(shù)（PI）=樣品微核率均值/對照微核率均值。

所有數(shù)據(jù)均取三次重復(fù)平均值，并用SPSS16.5進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤礦廢水水質(zhì)特征

由表1，該煤礦廢水的水質(zhì)特征為：（1）pH 值為7.81-8.30， 屬于中性或弱堿性；（2）TDS值均在559-643mg/L，電導(dǎo)率值在1174.22-3190.92μs/cm，符合污水綜合排放標準（GB 8978-1996）；（3）總磷含量很低，相對污水綜合排放標準（GB 8978-1996）而言總氮含量略高；（4）化學(xué)需氧量較高（87-280mg/L）；（5）溶解氧含量正常。將其與地表水環(huán)境質(zhì)量標準IV類水（GB3838-2002）與污水綜合排放標準第二類污染物標準（GB8978-1996）對比（見表1）發(fā)現(xiàn)：符合污水綜合排放標準，水樣的電導(dǎo)率和可溶解性固體含量較低，且屬于弱堿性水；總氮總磷含量也遠遠低于規(guī)定值，而化學(xué)需氧量含量較高，這與程學(xué)豐等[10]研究淮南礦區(qū)礦井水水質(zhì)特征及其資源化研究結(jié)果類似[7]。

2.2 煤礦廢水對蠶豆生長的影響

由表2，該煤礦區(qū)廢水對蠶豆種子萌發(fā)有明顯抑制作用。蠶豆種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽率和發(fā)芽勢均隨距煤礦廢水排污口的距離增大呈先升后降趨勢。W2處水樣培育的蠶豆種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和發(fā)芽勢均較其它采樣點高（1.34、0.12、22%），較對照組抑制作用分別達到64.83%、60%和21.43%； W3處水樣培育的蠶豆種子發(fā)芽率最高為53.19%，較對照組抑制作用達到了41.76%。

幼苗生長過程中，煤礦廢水對其有顯著的影響，與對照組相比，表現(xiàn)出明顯的抑制效應(yīng)（表2）。從幼苗伸長生理指標來看，蠶豆幼苗的芽長、根長以及總長基本上隨樣點分布距離增加而降低；W3培養(yǎng)的芽長達至峰值3.65cm，與對照組比，芽長抑制率為15.9%；W5培養(yǎng)的幼苗芽長最短為2.90cm，與對照組比，芽長抑制率為33.18%；W3處幼苗根長達到峰值3.75cm，與對照組比，根長抑制率為17.03%，W5培養(yǎng)的幼苗根長達至最低值2.88cm，與對照組比，根長抑制率為36.28%。煤礦廢水對蠶豆種子萌發(fā)及幼苗生長有明顯抑制作用，一般認為發(fā)芽抑制物質(zhì)可能是鹽分、重金屬等和其它有機物等[4]。本研究中蠶豆種子各生理指數(shù)都表現(xiàn)出不同程度抑制。對比該煤礦廢水的水質(zhì)指標（表1），分析發(fā)現(xiàn)，該煤礦廢水的pH值、電導(dǎo)率、TDS、DO、氨氮和總磷總氮均符合國家排放標準，而CODcr值略微偏高，說明該煤礦廢水中有機物含量偏高；W4（第四個采樣點）水樣的氨氮含量最高，電導(dǎo)率值和可溶解性固體的含量最低，表明廢水中的氨氮含量對蠶豆幼苗的生長具有抑制作用，同時，該煤礦廢水中可能含有發(fā)芽抑制物質(zhì)，很可能還有有機物，劉勁松[9]的淮南潘集礦區(qū)地表水質(zhì)及環(huán)境影響因素分析研究結(jié)果中關(guān)于礦業(yè)污染源的研究監(jiān)測中，分析該類有機物可能為酚類、醛類和有機酸、醇等發(fā)芽抑制物質(zhì)[10]。

2.3 煤礦廢水對蠶豆根尖細胞微核的影響

經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，蠶豆根尖細胞的有絲分裂率隨距排放口增加而增加，但煤礦廢水處理的蠶豆根尖細胞有絲分裂率明顯低于對照組（有絲分裂率），表明蠶豆根尖細胞的生理活動受到了水體中污染成分的影響。W1（有絲分裂率27.2%）和W2（有絲分裂率24.5%）對應(yīng)有絲分裂率明顯低于后三組的實驗結(jié)果，相比對照組分別下降了36.68%和38.23%，且W3（有絲分裂率28.3%）、W4（有絲分裂率28.6%）以及W5（有絲分裂率28.5%）的有絲分裂率較類似。這說明W1和W2水體中影響蠶豆根尖細胞的污染物含量較高，而W3、W4以及W5水樣中污染成分得到了明顯的凈化稀釋，污染物濃度已降低。將煤礦廢水對蠶豆根尖微核率與對照組對比，W1～5各采樣點的水樣引起蠶豆根尖細胞微核率分別為：0.162‰、0.156‰、0.143‰、0.135‰、0.128‰，對比對照組（微核率為0.023‰）有顯著提高。表明該煤礦廢水中含有致突變的污染物，在根尖細胞分裂期間，可誘導(dǎo)細胞核內(nèi)的遺傳物質(zhì)發(fā)生了異常變化，抑制細胞有絲分裂的正常進行，并產(chǎn)生微核，表現(xiàn)出了一定的生物毒性效應(yīng)[17，18]。

2.4 煤礦廢水水質(zhì)指標與蠶豆生長的相關(guān)分析

經(jīng)過對水質(zhì)指標與蠶豆根尖生理指標的相關(guān)性分析，TDS含量與蠶豆根長呈顯著正相關(guān)（r=0.94，p<0.05）即水樣中可溶解性固體物質(zhì)對蠶豆根尖的生長具有促進作用。pH值與蠶豆種子生理指標之間基本呈負相關(guān)（p>0.05）。pH與蠶豆根尖的根長、總長、芽長、根重之間相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.80（p>0.05）、r=-0.74（p>0.05）、r=-0.71（p>0.05）、r=-0.77（p>0.05），可能表明礦區(qū)排污水的pH值會抑制蠶豆根尖生長（表1可知，水樣明顯偏堿性，可能會對蠶豆的生長產(chǎn)生抑制作用）。除CODcr外，其它理化指標與生理指標間均呈現(xiàn)出一定負相關(guān)，CODcr含量與蠶豆根尖細胞微核率呈之間顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)r=0.97（p<0.01），即隨著水樣中CODcr含量的增加，會在根尖誘導(dǎo)產(chǎn)生大量微核，說明水樣中有機污染物，如酚類、苯、多環(huán)芳烴等可能會損傷真核細胞內(nèi)染色體或紡錘絲的結(jié)構(gòu)，影響細胞的增殖，表現(xiàn)出了一定的生物遺傳毒性效應(yīng)[14]。

3 結(jié)論

（1）該煤礦區(qū)排放的廢水符合工業(yè)污廢水的綜合排放標準（GB8978-1996）。

（2）煤礦廢水可通過對根生長影響造成對幼苗整株生長的控制，影響不同生長發(fā)育過程：主要影響萌發(fā)過程及幼苗生長過程。

（3）煤礦廢水中能誘導(dǎo)產(chǎn)生一定數(shù)量微核，從而表現(xiàn)出一定生物毒性，而CODcr與微核率呈顯著正相關(guān)，表明微核主要由水體中的有機物質(zhì)導(dǎo)致。同時，這也表明蠶豆微核可用來監(jiān)測煤礦廢水的有機污染。

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[責任編輯：湯靜]