Zn污染对白菜的生态毒理效应研究

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  摘 要:采用水培方法进行了Zn(0、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2mg/L)对白菜种子萌发抑制率、幼苗茎生长抑制率、根的耐性指数、叶绿素与类胡萝卜素含量的影响,以及幼苗对Zn的富集能力和耐受能力等试验研究,结果表明,白菜幼苗对高浓度的Zn具有富集能力,根是主要的富集器官,最高富集量为27.61mg/L。随着Zn浓度的增加,种子萌发抑制率增加,影响白菜根的伸长,根的耐性指数下降,差异性明显。低浓度的Zn可促进白菜茎的生长,而高浓度的Zn抑制白菜茎的生长,茎的抑制率增加,差异性明显。高浓度的Zn显著影响与抑制白菜体内叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量,对叶绿素b的抑制作用最明显。Zn影响白菜幼苗的正常生长,白菜对Zn具有一定的耐受性。
  关键词:白菜;Zn元素;抑制作用;耐性指数
  中图分类号 S634.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2013)23-13-03
  重金属污染主要源于人类的活动,包括采矿、冶炼、电镀、印染等工业的“三废”排放,还有汽车尾气、农业生产上化肥和农药的使用及城市污水的排放等[1]。重金属残留是农产品中常见的问题之一,农作物不仅可通过根系从其生长的土壤中富集重金属,而且也可通过茎叶从大气中吸收重金属[2-3]。
  锌污染是指锌及其化合物所引起的环境污染。锌作为植物必需的微量养分,在植物的生理代谢中起着重要的作用。但是研究表明,植物体内锌缺乏或过剩都会导致其生长发育受损[3-4]。白菜类蔬菜在我国分布广阔,栽培面积很大,消费量也最多,在我国的蔬菜生产中占有相当重要的地位。目前已建立的高等植物毒理试验方法主要有根伸长试验、种子发芽试验和植物幼苗早期生长试验[5-6]。本文以白菜(Brassice rapa)为对象,采用水培的方法研究其种子和幼苗对Zn的富集能力和耐受性,以探明Zn对白菜的生态毒理效应,为蔬菜的健康风险评价提供科学依据。
  1 实验材料与方法
  1.1 实验材料 实验用白菜种子为陇油四号,取自甘肃省农业科学院,以Zn为供试重金属,所用的化合物为氯化锌(ZnCl2),实验设6个浓度处理,分别为0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L及对照。
  1.2 研究方法 选择饱满和光滑的白菜种子,用自来水冲洗3次,再用蒸馏水冲洗1次,将种子放在0.5%的次氯酸钠溶液中浸泡10~20min,用蒸馏水彻底清洗。把种子分别放在含有不同Zn浓度溶液的培养皿中(培养皿中放双层滤纸,对照组中只加入蒸馏水),每个培养皿放50粒种子,重复6次。每24h调查发芽数,共7d(第7天计算种子最终发芽率),试验期间,培养皿放在温度为25±1℃的培养箱中培养,光照12h,黑暗12h,7d后测茎长、根长。根据实验结果计算种子萌发抑制率、茎生长抑制率和根生长的耐性指数。
  在实验第7天测定叶绿素含量,将白菜叶片洗净、擦干,用电子天平称重后,分别剪碎混匀,加入2mL丙酮和少许石英砂研磨,再加入5mL80%丙酮,研磨成匀浆。将匀浆用80%丙酮定容至l0mL,摇匀后马上吸取2mL置于试管中,再加入80%丙酮定容至l0mL,试管外包裹黑色膜布闭光待测。用80%丙酮为对照,测定663nm、645nm处的吸光度值,代入以下公式得出实验中每g白菜所含叶绿素a、b的量。
  [Ca=(12.25A663-2.79A645)/gCb=(22.50A645- 5.10A663)/gCa+b=(7.15 A663+18.71 A645)/gCx+c=(1000A470-1.82Ca-85.02Cb198)/g]
  其中Ca为叶绿素a,Cb为叶绿素b,Ca+b为总叶绿素含量,Cx+c为类胡萝卜素含量,Aλ为在波长λ下的吸光度。
  在第7天测定重金属富集量,将白菜的根和茎分开,分别用自来水和去离子水洗涤两次,尤其要将根部土壤冲洗干净,再用滤纸吸干剪碎,将洗完后的样品放在烘箱里杀青,温度设定为105℃,时间为30min,然后将样品在烘箱(70℃)内烘干至恒重。烘干后将样品粉碎、称量、碳化(样品呈灰白色)、灰化(在马福炉中进行,温度600℃),用1∶1的硝酸-高氯酸溶液对样品进行消解,利用ICP测定消解液中的Zn浓度。
  1.3 数据处理方法 利用STATISTICA(Version 6.0)软件对数据进行单因素方差分析、多重比较和线性回归分析。
  种子萌发抑制率(%)=供试组中未发芽种子平均数/50×100
  茎生长抑制率(%)=(对照组中茎的平均长度-供试组中茎的平均长度)/对照组中茎的平均长度×100
  耐性指数(%)=供试组中的平均根长/对照组中平均根长×100
  2 结果与讨论
  2.1 Zn污染对白菜生长的影响 随Zn浓度的升高,白菜种子的萌发抑制率呈显著差异(p<0.01)。Zn浓度为0.2mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L时,白菜种子的萌发抑制率无显著变化,且显著高于0.4mg/L。Zn浓度为0.2mg/L时,促进白菜茎的生长,随Zn浓度的升高,Zn对白菜茎的生长产生抑制作用,且差异性极显著(p<0.001)。Zn浓度为0.4mg/L时,白菜茎生长的抑制率接近于零,显著低于0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L。Zn浓度为0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L时,茎生长的抑制率无显著差异。低浓度的Zn可以促进白菜茎的生长,高浓度的Zn对白菜茎的生长产生抑制作用。随Zn浓度的增加,白菜根的耐性指数差异性显著(p<0.01)。Zn浓度为0.4mg/L、0.8mg/L,1.6mg/L、3.2mg/L时,白菜根的耐性指数无显著差异,且显著低于0.2mg/L(见表1)。
  2.2 Zn污染对白菜生理性状的影响 随Zn浓度的增加,Zn对白菜叶绿素a的抑制作用呈极显著差异(p<0.001)。Zn浓度为0.0mg/L和0.8mg/L时,白菜叶绿素a的含量无显著差异,且显著高于其他处理,Zn浓度为0.2mg/L、0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L时,白菜叶绿素a含量无显著差异。   Zn对白菜叶绿素b的抑制作用呈极显著差异(p<0.001)。Zn浓度为0.2mg/L和0.8mg/L时,白菜叶绿素b的含量无显著差异;浓度为0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L时,Zn对白菜叶绿素b的影响无显著差异;为0.8mg/L、1.6mg/L时,Zn对白菜叶绿素b的影响无显著差异。
  不同Zn浓度下,对白菜叶绿素(a+b)的抑制作用呈显著差异(p<0.001)。Zn浓度为0.0mg/L时,白菜叶绿素(a+b)的含量显著高于其他处理。Zn浓度为0.2mg/L、0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L时,白菜叶绿素(a+b)含量无显著差异,且显著低于0.0mg/L和0.8mg/L处理。Zn浓度0.8mg/L时,白菜叶绿素(a+b)的含量与其他Zn浓度处理存在显著差异。
  Zn对白菜类胡萝卜素有抑制作用。随Zn浓度的升高,Zn对白菜类胡萝卜素的抑制作用呈极显著差异(p<0.001)。0.0mg/L和0.4mg/L处理,Zn对白菜类胡萝卜素的影响无显著差异;为0.2mg/L、0.4mg/L和1.6mg/L时,Zn对白菜类胡萝卜素的影响无显著差异;为1.6mg/L和3.2mg/L时,Zn对白菜类胡萝卜素的影响无显著差异(见表2)。
  2.3 白菜对Zn的富集作用 白菜地上茎部富集量最高为13.11mg/L,随Zn浓度的下降,茎部的富集量减少,茎部的最高富集量是Zn浓度为0.0mg/L的23倍,随Zn浓度的变化,茎部富集量呈极显著性差异(p<0.001)。Zn浓度为0.0mg/L、0.2mg/L时,茎的富集量变化无显著差异;Zn浓度为0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L,茎的富集量无显著差异,且显著高于0.0mg/L与0.2mg/L处理,显著低于3.2mg/L处理。在不同浓度下,茎对Zn的富集作用呈线性相关性(R2=0.91,F=138.99)。
  根部平均含量最高为27.61mg/L,随Zn浓度的下降,根对Zn的富集量逐渐减少,最高富集量是0.0mg/L的19倍,随Zn浓度的变化,根部富集量变化呈显著差异(p<0.001)。Zn浓度为0.0mg/L、0.2mg/L时,根的富集量变化无显著差异;Zn浓度为0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L,根的富集量无显著差异,且显著高于0.0mg/L与0.2mg/L处理,显著低于3.2mg/L处理。
  在同一浓度处理下,白菜的根和茎的富集能力不同,根的富集能力大于茎的富集能力,且随Zn浓度的升高,根的富集能力明显大于茎的富集能力。根对Zn的富集作用呈线性相关性(R2=0.83,F=92.83)(见图1)。
  3 结论
  随着Zn浓度的变化,白菜种子萌发抑制率的差异性显著,低浓度的锌对白菜茎生长有明显的促进作用,随浓度升高,对白菜茎生长又起到抑制作用。随着Zn浓度升高,对根生长的抑制作用加剧。根的耐性指数反映的是植物的根对污染物的耐受程度,根的耐性指数越接近于1,根对污染物的耐性越强,污染物对根的影响越小。根的耐性指数越远离1,根对污染物的耐性越弱,污染物对根的影响越大[7]。
  随着Zn浓度的升高,对叶绿素a和叶绿素(a+b)的抑制作用不显著,相比之下,Zn对叶绿素b的抑制效果更明显。在0.8mg/L浓度下,叶绿素含量增大,说明Zn刺激了白菜叶绿素的合成。但随着浓度的增加,叶绿素合成受阻,可能是由于Zn进入植物细胞,抑制了叶绿素合成酶的活动,因此,随着处理浓度的增加,叶绿素含量减少[8-9];也可能是由于进入幼苗体内的Zn阻碍了植物对Fe的吸收,影响了叶绿素的合成;或者增加叶绿素酶活性,促进了叶绿素分解,降低了叶绿素含量[10-11]。Zn对类胡萝卜素的合成也产生了抑制作用,随Zn浓度的升高,对类胡萝卜素的影响无显著性差异。
  白菜不同部位对Zn的吸收转移能力不相同,对植物根系的毒害作用主要由于过量的Zn抑制根系代谢过程酶的活性,抑制脱羧酶的活性,间接阻碍了NH4+向谷氨酸转化,造成NH4+在植物体内的累积,使根部细胞分裂受到抑制,呼吸过程及对水分的吸收受到影响[12]。试验表明,白菜根对Zn的富集能力最强,对根系产生毒害,并且随Zn浓度的增加,毒害作用明显增强。当环境重金属浓度达到一定值时,对植物造成胁迫,生物量下降,对Zn的吸收富集及运输能力下降[13-14]。当锌浓度超过一定范围,植物受到胁迫,叶绿素含量降低,植物受到伤害,生长状况不良,Zn更容易在根部积累。
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