稀土鑭和酸雨對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的復(fù)合影響

供稿|張心怡，李子富 / ZHANG Xin-yi, LI Zi-fu

內(nèi)容導(dǎo)讀

為探索酸雨和稀土元素鑭對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的復(fù)合影響，確定毒害效應(yīng)劑量，文章采用水培法培養(yǎng)水稻幼苗并采用模擬酸雨和稀土鑭處理水稻，研究了酸雨與稀土鑭復(fù)合處理對(duì)水稻幼苗地上、地下器官生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：酸雨與鑭單獨(dú)作用時(shí)，酸雨對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)均起抑制作用，低濃度鑭(＜20 mg/L)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，高濃度鑭抑制水稻生長(zhǎng)。酸雨與稀土鑭復(fù)合作用時(shí)，低濃度鑭(＜20 mg/L)與酸雨(pH＞4.5)對(duì)水稻幼苗期的抑制作用較小。同時(shí)，隨著鑭濃度增高，酸雨pH值降低，鑭與酸雨呈協(xié)同作用，抑制作用不斷增大。

酸雨(Acid Rain，AR)是全球主要環(huán)境公害之一，已引起世人的廣泛關(guān)注[1]。在我國(guó)酸雨多發(fā)區(qū)內(nèi)分布著多種多樣的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，酸雨在造成植物急性傷害的同時(shí)，還引起土壤pH和鹽基飽和度降低，并洗脫土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、陽(yáng)離子及重金屬離子，由此間接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[2]。稀土元素(Rare Earth Elements，REEs)是一系列具有極其相似的物理、化學(xué)性質(zhì)的元素[3]。因適宜濃度的稀土元素對(duì)農(nóng)作物及動(dòng)物具有優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)的生物學(xué)效應(yīng)且農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著[4]，在農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[5]。但是由于稀土在土壤中和植物體內(nèi)遷移相對(duì)較小，外源稀土大部分將殘留在農(nóng)田的表層土壤中，并迅速積累[3]，由此造成的效應(yīng)及對(duì)人類健康的影響已引起廣泛關(guān)注[6]。

酸雨與稀土鑭在分布空間上重疊，作用對(duì)象(作物)上趨同，影響時(shí)間上相交。國(guó)內(nèi)、外有關(guān)酸雨或稀土鑭單獨(dú)作用于植物的研究已開展多年[7]。然而，研究現(xiàn)實(shí)當(dāng)中存在的酸雨與稀土鑭對(duì)植物復(fù)合影響的報(bào)道甚少，并且在已有的研究報(bào)道中都未給出明確的毒理學(xué)劑量。本文研究了不同pH值的酸雨與不同濃度稀土鑭對(duì)水稻幼苗期的復(fù)合影響，確定在不同酸雨條件下，稀土對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的毒理學(xué)劑量，為科學(xué)評(píng)價(jià)酸雨和稀土的危害和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供參考。因此，本研究可為科學(xué)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境中酸雨與稀土復(fù)合作用的危害和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供新的科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

酸雨與稀土溶液配置

按硫酸和硝酸體積比為3:1配置pH=1.0的母液，以去離子水為稀釋液，將母液分別調(diào)配成pH為2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.0的模擬酸雨溶液，并經(jīng)PHS—29A酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)校準(zhǔn)。

以15.06 g/L的硝酸鑭為母液，以改良的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(配置時(shí)未加入NH4H2PO4)為稀釋液，配置質(zhì)量濃度梯度為：0、5、20、80、320、1280 mg/L的含稀土鑭的營(yíng)養(yǎng)液。為避免形成磷酸鑭沉淀，作為稀釋液的改良的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中未加入NH4H2PO4。

試材培養(yǎng)與處理

選取均勻飽滿的寧粳1號(hào)水稻種子，用0.1%HgCl2消毒10 min，去離子水洗凈。之后將其置于27℃恒溫培養(yǎng)箱中用去離子水浸泡48 h，然后將種子放入蓋有濕潤(rùn)紗布的白瓷盤中，于27℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽，保持紗布濕潤(rùn)。2 d后水稻長(zhǎng)出芽及根，轉(zhuǎn)移到改良的 Hoagland 培養(yǎng)液中培養(yǎng)8 d后備用，每天更換一次培養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)在28℃光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，光周期為10 h/14 h (光/暗比)。水稻在改良Hoagland培養(yǎng)液中培養(yǎng)8 d后進(jìn)行處理。將水稻移入上述配置的含不同濃度稀土鑭的營(yíng)養(yǎng)液中，每天光照結(jié)束前向葉面定量噴施1 mol/L的NH4H2PO4溶液。并在第3 d和第6 d早晨8:00向葉面定量噴施不同pH的酸雨，以滴液為限。運(yùn)用正交法設(shè)置處理組，共36個(gè)處理組，每個(gè)處理組均三杯，每杯各加入上述營(yíng)養(yǎng)液200 mL并移入水稻幼苗三株。

生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

用WinRHIZO根系圖像分析系統(tǒng)測(cè)定根的以下指標(biāo)：根總長(zhǎng)(Len)、根總面積(SA)、根總體積(PA)、根平均直徑(AvgD)、根尖計(jì)數(shù)(NTips)、分叉計(jì)數(shù)(NForks)、交疊計(jì)數(shù)(NCross)；用精確度為1 mm的直尺測(cè)量株高；用CI-203便攜式激光葉面積儀測(cè)定葉片的以下指標(biāo)：面積(area)、長(zhǎng)度(length)、寬度(width)、周長(zhǎng)(perim)。以單株為單位，測(cè)定葉鮮重及根鮮重，之后分別于電熱恒溫干燥箱中100℃殺青10 min，80℃烘1 h至恒重，稱其干重。

數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8]，求出原始數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及半數(shù)抑制劑量(IC50)[9]。

結(jié)果與討論

酸雨與稀土鑭對(duì)水稻幼苗地上器官生長(zhǎng)的復(fù)合影響

表1、2顯示，與對(duì)照相比，在單一酸雨作用下，水稻幼苗地上部分各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，酸雨的pH越小，下降的幅度越大，抑制效果越明顯。在單一稀土鑭作用下，鑭濃度為5 mg/L時(shí)，水稻幼苗地上部分各項(xiàng)指標(biāo)均上升9.30%～29.41%。鑭濃度為20 mg/L時(shí)，水稻幼苗期地上部分各項(xiàng)指標(biāo)均上升0.60%～11.76%。鑭濃度越小，各項(xiàng)指標(biāo)的增幅越大，促進(jìn)作用越明顯。當(dāng)鑭濃度超過(guò)80 mg/L時(shí)，各指標(biāo)均有降低，且鑭濃度越大，各項(xiàng)指標(biāo)的降幅越大，抑制作用越大。復(fù)合實(shí)驗(yàn)中，與對(duì)照相比，各處理組中各項(xiàng)指標(biāo)均有所減少，并且酸雨的pH越低，稀土鑭的濃度越高，降幅越明顯，酸雨與稀土鑭表現(xiàn)為協(xié)同作用。與酸雨單一作用相比，復(fù)合作用時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，但當(dāng)鑭濃度小于20 mg/L時(shí)，下降幅度較小，而鑭濃度達(dá)到80 mg/L時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生顯著下降。與稀土鑭單一作用相比，復(fù)合總用時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，且下降幅度明顯。同時(shí)，表1、2顯示，對(duì)于水稻而言，酸雨和稀土鑭的最小有作用劑量分別為pH 6.5和80 mg/L，最大耐受劑量分別為pH 7.0和20 mg/L。

表5顯示，隨著pH值降低半數(shù)抑制濃度(IC50)逐漸降低，且相比較無(wú)酸雨情況(即pH為7.0)，pH為6.5時(shí)IC50降幅顯著，表明酸雨對(duì)稀土鑭的吸收有著顯著的效果，酸雨和稀土鑭呈現(xiàn)協(xié)同作用。

La(III)與酸雨對(duì)水稻幼苗地下器官生長(zhǎng)的復(fù)合影響

表3、4顯示，與對(duì)照相比，在單一酸雨作用下，水稻幼苗地下部分各項(xiàng)指標(biāo)(根平均直徑除外)均有所下降，酸雨的pH越小，下降的幅度越大，抑制效果越明顯。在單一稀土鑭作用下，鑭質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，水稻幼苗地下部分各項(xiàng)指標(biāo)均上升5.34%～51.15%。鑭質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，水稻幼苗期地下部分各項(xiàng)指標(biāo)均上升0.23%～26.15%。鑭濃度越小，各項(xiàng)指的增幅越大，促進(jìn)作用越明顯。當(dāng)鑭濃度超過(guò)80 mg/L時(shí)，各指標(biāo)均有降低，且鑭濃度越大，各項(xiàng)指標(biāo)降幅越大，抑制作用越大。復(fù)合實(shí)驗(yàn)中，與對(duì)照相比，各處理組中各項(xiàng)指標(biāo)均(根平均直徑除外)有所減少，并且酸雨pH越低，稀土鑭濃度越高，降幅越明顯，酸雨與稀土鑭表現(xiàn)為協(xié)同作用。與酸雨單一作用相比，復(fù)合作用時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，但當(dāng)鑭質(zhì)量濃度＜20 mg/L時(shí)，下降幅度較小，而鑭質(zhì)量濃度達(dá)80 mg/L時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)顯著下降。與稀土鑭單一作用相比，復(fù)合作用時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，且下降幅度明顯。而根平均直徑變化規(guī)律與其它指標(biāo)相反。表3、4顯示，對(duì)于水稻而言，酸雨和稀土鑭最小有作用劑量分別為pH 6.5和80 mg/L，最大耐受劑量分別為pH 7.0和20 mg/L。

表1 La(Ⅲ)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地上器官生長(zhǎng)的影響(Ⅰ)

表2 La(Ⅲ)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地上器官生長(zhǎng)的影響(Ⅱ)

續(xù)表

表6顯示，隨著pH值降低，各項(xiàng)指標(biāo)(根平均直徑除外)半數(shù)抑制濃度(IC50)逐漸降低，且相比較無(wú)酸雨情況(即pH為7.0)，pH為6.5時(shí)，IC50降幅顯著，表明酸雨對(duì)稀土鑭的吸收有著顯著的效果，酸雨和稀土鑭呈現(xiàn)協(xié)同作用。由于酸雨和稀土鑭對(duì)根平均直徑均起促進(jìn)作用，所以此指標(biāo)無(wú)半數(shù)抑制濃度。

表3 La(III)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地下器官生長(zhǎng)的影響(Ⅰ)

表4 La(Ⅲ)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地下器官生長(zhǎng)的影響(Ⅱ)

續(xù)表

表5 La(III)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地上器官的毒理學(xué)劑量

表6 La(Ⅲ)與酸雨復(fù)合作用對(duì)水稻幼苗地下器官的毒理學(xué)劑量

討論

本研究結(jié)果與同類的文獻(xiàn)[10-11]結(jié)果相比有所不同，主要表現(xiàn)為稀土鑭對(duì)于水稻產(chǎn)生抑制作用的最小有作用劑量的不同，原因可能為：一是對(duì)于鑭濃度的設(shè)置不同；二是復(fù)合影響時(shí)噴灑酸雨類型不同。本研究顯示，適宜濃度的La(III)(本實(shí)驗(yàn)為5 mg/L及20 mg/L)能促進(jìn)水稻幼苗的生長(zhǎng)，高濃度La(III)則產(chǎn)生傷害，且La(III)濃度越大傷害越明顯[12]，呈明顯低促高抑現(xiàn)象，并且低濃度鑭在酸雨脅迫下抑制作用較小，高濃度鑭在酸雨脅迫下抑制作用顯著。原因可能是：水稻幼苗植株在一定酸度范圍的酸雨脅迫作用下，鑭能提高幼苗植株超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性；降低幼苗植株脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量和脯氨酸(Pro)含量；減小質(zhì)膜透性；提高葉片葉綠素含量和葉綠素a/b比值；增強(qiáng)根系活力，進(jìn)而促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)。隨著酸度增大，鑭的緩解作用將逐漸消失，產(chǎn)生抑制作用[13]。

本研究創(chuàng)新之處在于，確定了酸雨脅迫下鑭毒理學(xué)劑量，為科學(xué)評(píng)價(jià)酸雨和稀土危害和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供參考。本研究不足之處在于對(duì)于鑭濃度設(shè)置較為寬泛，由于設(shè)置問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中鑭最小有作用劑量為80 mg/L，實(shí)際可能并沒(méi)有這么大。因此，拓展實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步研究鑭最小有作用劑量，為實(shí)際應(yīng)用提供更為精確指導(dǎo)作用。

結(jié)束語(yǔ)

酸雨和鑭單獨(dú)作用時(shí)，酸雨對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)均起抑制作用，低濃度鑭(＜20 mg/L)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，高濃度鑭抑制水稻生長(zhǎng)。酸雨和鑭復(fù)合作用時(shí)，隨著鑭濃度增高，酸雨pH值降低，鑭與酸雨呈協(xié)同作用，抑制作用不斷增大。酸雨和鑭最小有作用劑量分別為pH 6.5和80 mg/L，最大耐受劑量分別為pH 7.0和20 mg/L。