生活污水與銅和鉛對黃瓜種子萌發及其幼苗生長的影響

王婷婷， 臧淑艷， 馬 原， 尹利利， 房志浩， 卜新雅

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

生活污水與銅和鉛對黃瓜種子萌發及其幼苗生長的影響

王婷婷， 臧淑艷， 馬 原， 尹利利， 房志浩， 卜新雅

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

通過水培實驗研究生活污水及銅和鉛污染對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響.實驗所設Cu2+質量濃度范圍為25～300 mg/L，Pb2+質量濃度范圍為100～500 mg/L.結果表明:低質量濃度的Cu2+、Pb2+溶液對種子生長無明顯抑制效果，生活污水對黃瓜種子株高具有一定的促進作用，對根長則呈抑制作用.其中，低質量濃度(≤50 mg/L)的Cu2+溶液以及低質量濃度(≤200 mg/L)的Pb2+溶液均對黃瓜種子的萌發無明顯抑制作用，黃瓜種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、植株鮮質量均高于其他質量濃度.但隨著Cu2+、Pb2+質量濃度的增加，對各項生長指標的抑制作用增強，且呈負相關.

生活污水； 銅； 鉛； 黃瓜； 種子萌發； 幼苗生長

隨著城市化進程及冶金工業的迅猛發展，水污染及銅和鉛等有害重金屬不斷進入農業環境，影響工農業的生產及農作物的安全，對農田造成嚴重的破壞[1-3].由于重金屬在環境中很難降解，因此，其對環境的毒害效應引起人們的廣泛關注[4-6].有關銅和鉛及其污水對農作物的影響，國內已有一些報道[7-9].銅是植物生長必需的微量元素之一，但其含量過高則會抑制植物的生長，引發植物銅慢性中毒[10].鉛是植物非必須元素，是一種有毒的重金屬，鉛的過量不僅對植物的生長發育造成嚴重的影響，而且會通過食物鏈的富集導致人體神經及免疫系統失調及腎損傷等[11].生活污水主要來源于城市居民日常生活的排放，還有醫院，工廠等公共集體單位的排放以及一部分雨水沖刷城市地面所形成的污水.生活污水中含有大量的有毒有害成份，如有機物，無機鹽類，懸浮物，各類細菌、病毒、病菌微生物等.這些均會給動植物生命帶來安全隱患.

目前，重金屬及污水毒害主要集中于蔬菜類及經濟作物類[12-14]，對此，國內外做了許多研究，但多集中于小麥，水稻，高粱等大田作物[15-17]，而對于蔬菜作物的研究甚少.相對于大田作物，蔬菜作物對重金屬銅和鉛的污染更為敏感[18].為此，本文以黃瓜種子為材料，通過不同質量濃度梯度的銅和鉛溶液及自配生活污水，對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響進行研究，探究生活污水及重金屬污染對黃瓜生長時各項生理指標的影響，為農業生產提供基礎的科學理論依據，以此來制定有效創新的對策，保護人類賴以生存的環境.

1 材料和方法

1.1 材料

供試黃瓜種子(農大14號)Cucumis satives Linn，購自遼寧省寧官種子站；試劑Pb(NO3)2和CuSO4·5H2O，均為分析純，產自沈陽力誠試劑廠；雙氧水購自姜堰市環球試劑廠；配置生活污水的葡萄糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀均為分析純，產自沈陽力誠試劑廠.

1.2 實驗方法

1.2.1 材料的預處理

選擇完好健壯飽滿的黃瓜種子，用體積分數3 %的雙氧水溶液以浸泡方式進行表面滅菌30 min.然后分別先后用自來水和蒸餾水沖洗2～3次,置于培養皿中,每皿30粒,向每皿中分別加入15 mL處理液，2層定性濾紙， 以蒸餾水為對照.先配制生活污水[19]，再分別配制質量濃度梯度為0 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L的銅離子溶液和質量濃度梯度為100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L的鉛離子溶液，每一處理液設3個重復,于25 ℃ 條件下恒溫暗處培養(JS061型數顯電熱恒溫培養箱).

1.2.2 測定項目

實驗期間每天觀察并記錄發芽種子數，并補充蒸發掉的水分約恒質量.發芽第5天，統計各個質量濃度發芽率.并在每種試劑質量濃度中隨機抽取20株幼苗測量其芽長及鮮質量.在培養 第5天和第15天時隨機取樣分別測定根長和株高.

幼苗生長各項指標的測定參見王文萍等的方法[20]，其中：

發芽率/%=(供試種子的發芽數/供試種子數)×100 %；

發芽勢/%=(發芽高峰期發芽的種子數/供試種子數)×100 %；

(注：每24 h記錄1次發芽率，發芽最多的一天即為發芽高峰期)

活力指數(VI)=GI×S，式中GI為發芽指數，S為幼苗的生長勢(芽長度)；

發芽指數(GI)=∑Gt/Dt,式中Gt為在t天內的發芽數,Dt為發芽天數；

根長的測定:胚軸與根之間的過渡點開始到根末端的長度；

芽長的測定:胚軸與芽之間的過渡點開始到芽末端的長度.

株高的測定：植株根頸部到頂部之間的長度.

1.2.3 數據處理

數據采用Microsoft Excel 統計軟件進分析.

2 結果與分析

2.1 生活污水對黃瓜種子的萌發及幼苗生長的影響

生活污水對黃瓜種子的萌發及幼苗生長的影響見表1.由表1可以看出：生活污水對黃瓜種子萌發及生長具有一定的影響，與CK(空白對照)組相比其各項生長指標數值均相對偏低.這說明，雖然生活污水中含有的N、P、K等元素為黃瓜提供一定的營養成分促使其生長，但污水中還含有其他對黃瓜呈抑制作用的毒害物質(如病毒性細菌、有機物、病毒性微生物等)抑制其繼續生長，所以其各項生長指標均低于對照組.

表1 生活污水對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響

2.2 不同質量濃度銅溶液對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響

不同質量濃度Cu2+對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響如表2所示.由表2可以看出：在Cu2+各質量濃度處理中， Cu2+質量濃度在50 mg/L時的發芽率、發芽勢、發芽指數均達到最大值，而活力指數和植株鮮質量在質量濃度為25 mg/L時最大，這與鄭愛珍等[5]在銅對黃瓜、玉米種子萌發及其幼苗生長的影響中的實驗結果相似.但是，隨著銅處理液質量濃度的增加，黃瓜的各項生理指標均呈下降趨勢，這可能是由于重金屬離子與種子萌發時所必須的酶反應產生了刺激性物質或抑制酶等[15]，這些物質均對種子的萌發期產生影響.其中Cu2+處理液質量濃度對黃瓜活力指數的影響較為明顯，當Cu2+質量濃度為300 mg/L時，活力指數僅為7.42，較對照組相比，降低了89.26 %.其次，Cu2+處理液質量濃度對黃瓜的鮮質量也具有較明顯的影響，與對照組相比降低了62.05 %.這表明：低質量濃度Cu2+(≤50 mg/L)對黃瓜種子萌發及幼苗生長的抑制效果并不明顯，但隨著質量濃度的增加，抑制效果越發明顯，并且在其各項生長指標中，Cu2+對于活力指數和植株鮮質量的抑制作用最為顯著.

表2 不同質量濃度Cu2+對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響

2.3 不同質量濃度鉛溶液對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響

不同質量濃度Pb2+對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響見表3.由表3可以看出：當Pb2+處理液質量濃度為200 mg/L時，各項生長指標均與對照組較為相近，即質量濃度200 mg/L的Pb2+處理液對黃瓜的萌發及幼苗生長無明顯影響，但隨著質量濃度增加，各項生長指標均呈下降趨勢，其中，黃瓜種子的活力指數下降趨勢最為顯著.由對照組的69.07下降到Pb2+質量濃度為500 mg/L時的7.73，下降倍數近9倍.活力指數與幼苗長度成正比，在發芽指數下降幅度較小的同時，由于幼苗長度隨著Pb2+質量濃度的增加而下降，且下降幅度較大，導致活力指數變化較為明顯，這可能由于低質量濃度Pb2+對黃瓜種子芽長影響并不明顯，而高質量濃度則顯著抑制芽的生長.杜連彩[15]在鉛處理對小麥種子萌發和幼苗生長的影響的實驗中提出，在一定鉛脅迫的強度下使根長生長受到抑制而影響植物正常生長的情況下，植物自身會產生應激反應提高對處理液的吸收狀況，但當鉛脅迫強度超過自身應激反應的極限時就會產生抑制作用.由表3還可知：Pb2+對于黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響是低質量濃度(≤200 mg/L)時無明顯影響，高質量濃度(300～500 mg/L)時有較強的抑制作用.

表3 不同質量濃度Pb2+對黃瓜種子萌發及幼苗生長的影響

2.4 不同質量濃度的銅處理液對黃瓜株高的影響

為探究Cu2+對黃瓜株高生長狀況的影響，分別在種子發芽后的第5天和第15天對黃瓜的株高進行測量并記錄.結果如圖1所示.圖1結果表明：相對于對照組，Cu2+對于黃瓜株高的影響呈遞減性，但低質量濃度的Cu2+溶液對株高的生長抑制影響較小，這說明低質量濃度的Cu2+溶液對幼苗的生長并無致命性傷害，只是長勢不如對照組.但當ρ(Cu2+)≥100 mg/L時，Cu2+溶液對株高抑制作用較為明顯，且株高并未隨著時間的增加而增長，當Cu2+溶液質量濃度為300 mg/L時，株高生長長度幾乎為零.這說明Cu2+溶液對于黃瓜種子株高生長的影響較大，質量濃度越高，抑制作用越強，幼苗生長勢減弱，株高逐漸變矮.

圖1 不同質量濃度Cu2+對黃瓜株高的影響

2.5 不同質量濃度的鉛處理液對黃瓜株高的影響

為探討Pb2+對黃瓜株高是否存在一定的影響，分別在第5天、第15天測量株高生長狀況并記錄，結果如圖2所示.從圖2可以看出：不同質量濃度Pb2+在第5天對黃瓜株高的影響差別較小，且當ρ(Pb2+)≥500 mg/L時株高不再變化.相比于Cu2+溶液對黃瓜株高的影響，在第15天時低質量濃度的Pb2+溶液則表現為較低的抑制作用，當Pb2+溶液質量濃度為100 mg/L時，株高達到最高值9.22 cm，高出對照組1.62 cm.隨著Pb2+溶液質量濃度的增加，抑制作用逐漸加強，當Pb2+質量濃度高達500 mg/L時，株高在第5天和第15天的生長值相近，這說明當ρ(Pb2+)≥500 mg/L時，黃瓜對于Pb2+的吸收度已達到飽和狀態，此時對于黃瓜株高的生長只存在抑制作用，而無促進作用.

圖2 不同質量濃度Pb2+對黃瓜株高的影響

2.6 不同質量濃度銅處理液對黃瓜根長的影響

為探究不同質量濃度Cu2+對黃瓜根長的影響，分別在第5天、第15天對其根長進行測量并記錄，結果如圖3所示.盡管Cu2+對于黃瓜株高的影響較大，但遠不如對根長的影響.由圖3可以看出：當ρ(Cu2+)≥100 mg/L時，根的生長逐漸受到抑制，在發芽后的第15天，Cu2+質量濃度達到200 mg/L以上時，會發現根的生長停留在瘤狀物階段，呈焦黃色或黑褐色.這種現象與鄭曦等[21]在銅對小麥種子萌發及幼苗生長的影響中對根長受到高質量濃度Cu2+溶液侵潤的現象描述基本一致.說明高質量濃度Cu2+對黃瓜根長的抑制作用極其顯著，這可能是因為高質量濃度的Cu2+產生了對根尖細胞有毒害的物質，進而影響了根尖細胞分裂和抑制細胞伸長生長的結果，導致根伸長受阻.

圖3 不同質量濃度Cu2+對黃瓜根長的影響

2.7 不同質量濃度鉛處理液對黃瓜根長的影響

為探究Pb2+對黃瓜根長的抑制作用，在Pb2+溶液處理后的第5天、第15天分別對黃瓜的根長進行觀察測量，并記錄數據，實驗結果如圖4所示.由圖4可知：在ρ(Pb2+)≤200 mg/L時，黃瓜根長有生長，但生長趨勢緩慢.當質量濃度超過300 mg/L時，根長受到嚴重抑制，根長生長率幾乎為零.通過對根長漲勢的觀察，發現經高質量濃度(≥300 mg/L)Pb2+脅迫后的黃瓜幼苗的根粗而短，且根系的顏色從最初的淡黃色轉變為褐色[22]，這說明鉛對黃瓜根系的生長抑制作用也極其顯著，尤其是高質量濃度時.

圖4 不同質量濃度Pb2+對黃瓜根長的影響

2.8 生活污水對黃瓜株高、根長的影響

對對照組與生活污水處理的黃瓜株高、根長在不同時間進行比較，實驗結果如圖5所示.由圖5可知：生活污水對黃瓜的株高具有一定的促進作用.這可能是由于生活污水里的部分成分能夠為植株的生長提供活性酶或較好的營養元素從而起到促進作用.但隨著時間的推移，浸潤在生活污水的黃瓜在第15天的根長明顯比對照組要低的多，這可能是由于污水中污染物占主要部分，根系對污水中營養成分吸收的同時也會選擇性攝取定量的污染物質，導致根系吸收能力下降，生長勢逐漸削弱，根伸長度逐漸降低.

圖5 生活污水對黃瓜株高、根長的影響

3 結 論

(1) 重金屬銅和鉛對黃瓜種子的萌發及幼苗生長影響表現在低質量濃度時抑制效果較弱，高質量濃度時則顯著抑制.其中，相比鉛對種子幼苗生長的影響力來說，銅對種子幼苗的抑制作用則更為顯著.通過幾組圖表之間的比較，可總結得出重金屬銅和鉛對各項生長指標的生態毒性敏感程度依次為：根長>芽長>發芽率，即污染物對于植株的破壞順序是根部最先受到侵害，然后再向上面依次蔓延.

(2) 生活污水對于黃瓜種子萌發和幼苗生長的影響表現為株高具有一定的促進作用，根長表現為抑制作用.通過植株對污染物毒害性的響應得知，生活污水中含有的少量部分營養成分最先為植物提供養分而促其生長，但隨著根系的吸收選擇性逐漸削弱，對污染物的吸收能力開始加強，導致根系生長能力減弱，整體植株的生長指標開始下降，直至植株整體被污染物所浸染毒害.

(3) 生活污水與重金屬銅和鉛污染對植物的影響是多方面的，不僅影響植株的生長狀態，且對植株的內部結構，形態長勢等均有一定的影響[23].本文僅在短期水培的條件下，通過生活污水和兩種重金屬銅和鉛對黃瓜初期的一些生長指標作出了簡單的初步探討，其吸收方式、作用機理等尚待進一步研究.

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Effects of Domestic Sewage and Cu,Pb on Seed Germination and Seedling Growth of Cucumber

WANG Ting-ting, ZANG Shu-yan, MA Yuan, YIN Li-li, FANG Zhi-hao, BU Xin-ya

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

A solution-culture experiment was carried out to explore effects of domestic sewage and Cu,Pb pollution on seed germination and seedling growth of cucumber.The experiment designed the Cu2+concentration in the range of 25～300 mg/L,and the Pb2+concentration in the range of 100～500 mg/L.The results showed that low concentrations of Cu2+,Pb2+solutiondid did not have significant inhibitory effect.The domestic sewage had a promoting role at stem length of cucumber,and had an inhibitory role at root length.The low concentration(≤50 mg/L) of Cu2+and the low concentration(≤200 mg/L) of Pb2+treatments did not have significant inhibition on the cucumber seed,and germination potential,germination index,vigor index,and plant fresh weight were higher than other concentrations.However,the inhibition on the growth index was strengthened with the increasing of concentration of Cu2+and Pb2+having a negative correlation.

domestic sewage; Cu; Pb; cucumber; seed germination; seedling growth

2014-04-19

國家自然科學基金(40803037)；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃(LJQ2011041)；遼寧省自然科學基金項目(201202176，20092054)；沈陽市科技計劃項目(F12-277-1-84)

王婷婷 (1989-) ，女，遼寧營口人，碩士研究生在讀，主要從事環境地球化學方面的研究.

臧淑艷(1973-)，女，吉林四平人，副教授，博士，主要從事環境地球化學方面的研究.

2095-2198(2015)02-0107-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.02.003

X523

A