Zn污染對白菜的生態毒理效應研究

摘 要：采用水培方法進行了Zn（0、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2mg/L）對白菜種子萌發抑制率、幼苗莖生長抑制率、根的耐性指數、葉綠素與類胡蘿卜素含量的影響，以及幼苗對Zn的富集能力和耐受能力等試驗研究，結果表明，白菜幼苗對高濃度的Zn具有富集能力，根是主要的富集器官，最高富集量為27.61mg/L。隨著Zn濃度的增加，種子萌發抑制率增加，影響白菜根的伸長，根的耐性指數下降，差異性明顯。低濃度的Zn可促進白菜莖的生長，而高濃度的Zn抑制白菜莖的生長，莖的抑制率增加，差異性明顯。高濃度的Zn顯著影響與抑制白菜體內葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量，對葉綠素b的抑制作用最明顯。Zn影響白菜幼苗的正常生長，白菜對Zn具有一定的耐受性。

關鍵詞：白菜；Zn元素；抑制作用；耐性指數

中圖分類號 S634.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）23-13-03

重金屬污染主要源于人類的活動，包括采礦、冶煉、電鍍、印染等工業的“三廢”排放，還有汽車尾氣、農業生產上化肥和農藥的使用及城市污水的排放等[1]。重金屬殘留是農產品中常見的問題之一，農作物不僅可通過根系從其生長的土壤中富集重金屬，而且也可通過莖葉從大氣中吸收重金屬[2-3]。

鋅污染是指鋅及其化合物所引起的環境污染。鋅作為植物必需的微量養分，在植物的生理代謝中起著重要的作用。但是研究表明，植物體內鋅缺乏或過剩都會導致其生長發育受損[3-4]。白菜類蔬菜在我國分布廣闊，栽培面積很大，消費量也最多，在我國的蔬菜生產中占有相當重要的地位。目前已建立的高等植物毒理試驗方法主要有根伸長試驗、種子發芽試驗和植物幼苗早期生長試驗[5-6]。本文以白菜（Brassice rapa）為對象，采用水培的方法研究其種子和幼苗對Zn的富集能力和耐受性，以探明Zn對白菜的生態毒理效應，為蔬菜的健康風險評價提供科學依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料 實驗用白菜種子為隴油四號，取自甘肅省農業科學院，以Zn為供試重金屬，所用的化合物為氯化鋅（ZnCl2），實驗設6個濃度處理，分別為0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L及對照。

1.2 研究方法 選擇飽滿和光滑的白菜種子，用自來水沖洗3次，再用蒸餾水沖洗1次，將種子放在0.5%的次氯酸鈉溶液中浸泡10～20min，用蒸餾水徹底清洗。把種子分別放在含有不同Zn濃度溶液的培養皿中（培養皿中放雙層濾紙，對照組中只加入蒸餾水），每個培養皿放50粒種子，重復6次。每24h調查發芽數，共7d（第7天計算種子最終發芽率），試驗期間，培養皿放在溫度為25±1℃的培養箱中培養，光照12h，黑暗12h，7d后測莖長、根長。根據實驗結果計算種子萌發抑制率、莖生長抑制率和根生長的耐性指數。

在實驗第7天測定葉綠素含量，將白菜葉片洗凈、擦干，用電子天平稱重后，分別剪碎混勻，加入2mL丙酮和少許石英砂研磨，再加入5mL80%丙酮，研磨成勻漿。將勻漿用80%丙酮定容至l0mL，搖勻后馬上吸取2mL置于試管中，再加入80%丙酮定容至l0mL，試管外包裹黑色膜布閉光待測。用80%丙酮為對照，測定663nm、645nm處的吸光度值，代入以下公式得出實驗中每g白菜所含葉綠素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為葉綠素a，Cb為葉綠素b，Ca+b為總葉綠素含量，Cx+c為類胡蘿卜素含量，Aλ為在波長λ下的吸光度。

在第7天測定重金屬富集量，將白菜的根和莖分開，分別用自來水和去離子水洗滌兩次，尤其要將根部土壤沖洗干凈，再用濾紙吸干剪碎，將洗完后的樣品放在烘箱里殺青，溫度設定為105℃，時間為30min，然后將樣品在烘箱（70℃）內烘干至恒重。烘干后將樣品粉碎、稱量、碳化（樣品呈灰白色）、灰化（在馬福爐中進行，溫度600℃），用1∶1的硝酸-高氯酸溶液對樣品進行消解，利用ICP測定消解液中的Zn濃度。

1.3 數據處理方法 利用STATISTICA（Version 6.0）軟件對數據進行單因素方差分析、多重比較和線性回歸分析。

種子萌發抑制率（%）=供試組中未發芽種子平均數/50×100

莖生長抑制率（%）=（對照組中莖的平均長度-供試組中莖的平均長度）/對照組中莖的平均長度×100

耐性指數（%）=供試組中的平均根長/對照組中平均根長×100

2 結果與討論

2.1 Zn污染對白菜生長的影響 隨Zn濃度的升高，白菜種子的萌發抑制率呈顯著差異（p<0.01）。Zn濃度為0.2mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L時，白菜種子的萌發抑制率無顯著變化，且顯著高于0.4mg/L。Zn濃度為0.2mg/L時，促進白菜莖的生長，隨Zn濃度的升高，Zn對白菜莖的生長產生抑制作用，且差異性極顯著（p<0.001）。Zn濃度為0.4mg/L時，白菜莖生長的抑制率接近于零，顯著低于0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L。Zn濃度為0.8mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L時，莖生長的抑制率無顯著差異。低濃度的Zn可以促進白菜莖的生長，高濃度的Zn對白菜莖的生長產生抑制作用。隨Zn濃度的增加，白菜根的耐性指數差異性顯著（p<0.01）。Zn濃度為0.4mg/L、0.8mg/L，1.6mg/L、3.2mg/L時，白菜根的耐性指數無顯著差異，且顯著低于0.2mg/L（見表1）。

2.2 Zn污染對白菜生理性狀的影響 隨Zn濃度的增加，Zn對白菜葉綠素a的抑制作用呈極顯著差異（p<0.001）。Zn濃度為0.0mg/L和0.8mg/L時，白菜葉綠素a的含量無顯著差異，且顯著高于其他處理，Zn濃度為0.2mg/L、0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L時，白菜葉綠素a含量無顯著差異。

Zn對白菜葉綠素b的抑制作用呈極顯著差異（p<0.001）。Zn濃度為0.2mg/L和0.8mg/L時，白菜葉綠素b的含量無顯著差異；濃度為0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L時，Zn對白菜葉綠素b的影響無顯著差異；為0.8mg/L、1.6mg/L時，Zn對白菜葉綠素b的影響無顯著差異。

不同Zn濃度下，對白菜葉綠素（a+b）的抑制作用呈顯著差異（p<0.001）。Zn濃度為0.0mg/L時，白菜葉綠素（a+b）的含量顯著高于其他處理。Zn濃度為0.2mg/L、0.4mg/L、1.6mg/L、3.2mg/L時，白菜葉綠素（a+b）含量無顯著差異，且顯著低于0.0mg/L和0.8mg/L處理。Zn濃度0.8mg/L時，白菜葉綠素（a+b）的含量與其他Zn濃度處理存在顯著差異。

Zn對白菜類胡蘿卜素有抑制作用。隨Zn濃度的升高，Zn對白菜類胡蘿卜素的抑制作用呈極顯著差異（p<0.001）。0.0mg/L和0.4mg/L處理，Zn對白菜類胡蘿卜素的影響無顯著差異；為0.2mg/L、0.4mg/L和1.6mg/L時，Zn對白菜類胡蘿卜素的影響無顯著差異；為1.6mg/L和3.2mg/L時，Zn對白菜類胡蘿卜素的影響無顯著差異（見表2）。

2.3 白菜對Zn的富集作用 白菜地上莖部富集量最高為13.11mg/L，隨Zn濃度的下降，莖部的富集量減少，莖部的最高富集量是Zn濃度為0.0mg/L的23倍，隨Zn濃度的變化，莖部富集量呈極顯著性差異（p<0.001）。Zn濃度為0.0mg/L、0.2mg/L時，莖的富集量變化無顯著差異；Zn濃度為0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L，莖的富集量無顯著差異，且顯著高于0.0mg/L與0.2mg/L處理，顯著低于3.2mg/L處理。在不同濃度下，莖對Zn的富集作用呈線性相關性（R2=0.91，F=138.99）。

根部平均含量最高為27.61mg/L，隨Zn濃度的下降，根對Zn的富集量逐漸減少，最高富集量是0.0mg/L的19倍，隨Zn濃度的變化，根部富集量變化呈顯著差異（p<0.001）。Zn濃度為0.0mg/L、0.2mg/L時，根的富集量變化無顯著差異；Zn濃度為0.4mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L，根的富集量無顯著差異，且顯著高于0.0mg/L與0.2mg/L處理，顯著低于3.2mg/L處理。

在同一濃度處理下，白菜的根和莖的富集能力不同，根的富集能力大于莖的富集能力，且隨Zn濃度的升高，根的富集能力明顯大于莖的富集能力。根對Zn的富集作用呈線性相關性（R2=0.83，F=92.83）（見圖1）。

3 結論

隨著Zn濃度的變化，白菜種子萌發抑制率的差異性顯著，低濃度的鋅對白菜莖生長有明顯的促進作用，隨濃度升高，對白菜莖生長又起到抑制作用。隨著Zn濃度升高，對根生長的抑制作用加劇。根的耐性指數反映的是植物的根對污染物的耐受程度，根的耐性指數越接近于1，根對污染物的耐性越強，污染物對根的影響越小。根的耐性指數越遠離1，根對污染物的耐性越弱，污染物對根的影響越大[7]。

隨著Zn濃度的升高，對葉綠素a和葉綠素（a+b）的抑制作用不顯著，相比之下，Zn對葉綠素b的抑制效果更明顯。在0.8mg/L濃度下，葉綠素含量增大，說明Zn刺激了白菜葉綠素的合成。但隨著濃度的增加，葉綠素合成受阻，可能是由于Zn進入植物細胞，抑制了葉綠素合成酶的活動，因此，隨著處理濃度的增加，葉綠素含量減少[8-9]；也可能是由于進入幼苗體內的Zn阻礙了植物對Fe的吸收，影響了葉綠素的合成；或者增加葉綠素酶活性，促進了葉綠素分解，降低了葉綠素含量[10-11]。Zn對類胡蘿卜素的合成也產生了抑制作用，隨Zn濃度的升高，對類胡蘿卜素的影響無顯著性差異。

白菜不同部位對Zn的吸收轉移能力不相同，對植物根系的毒害作用主要由于過量的Zn抑制根系代謝過程酶的活性，抑制脫羧酶的活性，間接阻礙了NH4+向谷氨酸轉化，造成NH4+在植物體內的累積，使根部細胞分裂受到抑制，呼吸過程及對水分的吸收受到影響[12]。試驗表明，白菜根對Zn的富集能力最強，對根系產生毒害，并且隨Zn濃度的增加，毒害作用明顯增強。當環境重金屬濃度達到一定值時，對植物造成脅迫，生物量下降，對Zn的吸收富集及運輸能力下降[13-14]。當鋅濃度超過一定范圍，植物受到脅迫，葉綠素含量降低，植物受到傷害，生長狀況不良，Zn更容易在根部積累。

參考文獻

[1]張溪，周愛國，甘義群，等.金屬礦山土壤重金屬污染生物修復研究進展[J].環境科學與技術，2010，33（3）：106-112.

[2]Ming-Kui Z，Zhao-Yun javascript：searchByAuthor（'Zhang，Ming-Kui'）；L，Huo W.Use of Single Extraction Methods to Predict Bioavailability of Heavy Metals in Polluted Soils to Rice[J].Communimations in Soil Science and Plant Analysis，2010，41 （5/8）：820-831.

[3]李兵.土壤中重金屬的污染和危害[J].金屬世界，2005，5：25-26.

[4]殷恒霞，李霞，米琴，等.鎘、鋅、銅脅迫對向日葵早期幼苗生長的影響[J].植物遺傳資源學報，2009，10（2）：290-294，299.

[5]Joinal M D，Relative toxicity of arsenite and arsenate on germination and early seedling growth of rice[J].Plant and soil.，2002，243：57-66.

[6]楊肖娥，龍新憲，倪吾鐘.東南景天（ Sedum alfredii H）一種新的鋅超累積植物[J].科學通報，2002，47（13）：1 002-1 006.

[7]張義賢.重金屬對大麥毒性的研究[J].環境科學學報，1997，17 （2）：204-205.

[8]侯文華，宋關鈴，汪群惠，等.3種重金屬對青萍毒害的研究[J].環境科學研究，2004，17（1）：40-44.

[9]杜應瓊，何江華，陳俊堅.鉛、鎘和鉻在葉類蔬菜中的積累及其生長的影響[J].園藝學報，2003，30（1）：51-55.

[10]Fargasova A.Toxicity comparison of some possible toxic metals （Cs，Cu，Pb，Se，Zn） on young seedlings of Sinapis Alba L[J].Plant and Soil Environmental，2004，50（1）：33-38.

[11]杜彩艷，祖艷群，李元.施用石灰對大白菜中Cd，Pb，Zn含量的影響[J].云南農業大學學報，2005，20（6）：810-812.

[12]Song Y，Zhou Q，Ren L，et al.Eco-toxicology of heavy metals on the inhibition of seed germination and root elongation of wheat in soils[J].Chinese Journal of Applied Ecology ，2002，13（4）：459-462.

[13]He W X，Zhu M E.Recent advance in relationship between soil enzymes and heavy metals[J].Soil and Environmental Sciences，2000，9（2）：139-142.

[14]楊雪貞，樊曙先.外秦淮河表層底泥中Pb、Cu和Zn與PA Hs的復合污染[J].環境化學，2008，27（4）：520-522. （責編：陶學軍）