地下水復合污染對玉米幼苗葉片的氧化損傷效應

摘要：研究尾礦庫周邊潛層地下水在下游位置的橫向和縱向上的污染程度，及其脅迫對玉米（Zea mays L.）幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統的影響。采用內梅羅指數法對尾礦庫周邊潛層地下水水質進行了綜合分析，于玉米幼苗三葉期時對葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性進行測定。結果顯示，內梅羅指數在縱向上由西南向東南方向呈上升趨勢，橫向上隨距離尾礦庫距離的增加呈先下降后上升的趨勢，水質變差。尾礦庫周邊地下水污染對玉米幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統具有明顯的生物學效應，使玉米葉片抗氧化系統受到不同程度的傷害。結果表明尾礦庫周邊潛層地下水受到不同程度的污染，已經喪失農業灌溉的功能。

關鍵詞：尾礦庫；水污染；玉米（Zea mays L.）；膜脂過氧化；抗氧化酶

中圖分類號：X75 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0603-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.014

Abstract： The pollution degree in the lateral and longitudinal of aquifer groundwater around the tailings and its effects on maize （Zea mays L.） seedlings’ membrane lipid peroxidation and antioxidant system were studied. The Nemero index method was used to make a comprehensive analysis on the aquifer groundwater around the tailings，and the contents of MDA and activity of SOD and POD of maize seedling leaves were determined.The results showed that the water quality trended to go up in the longitudinal，however，in the lateral，it trended to rise at first and then decline， and the antioxidant enzyme system of maize seedling was damaged to different levels. It indicated that the aquifer groundwater around the tailings had been polluted to different degrees，and lost its function for drinking and irrigation.

Key words：tailings reservoir；water pollution； maize（Zea mays L.）；membrane lipid peroxidation； antioxidant enzyme

礦產資源是社會經濟發展的重要物質基礎，它能夠提供大量的能源、工業原料以及農業生產資料等。隨著礦產資源的大量開采，尾礦庫成了大量的采礦廢液、廢渣排放和堆存的場所。尾礦庫引起的生態環境污染已成為全球性的環境問題。

已有研究表明，尾礦庫廢水水質具有重金屬離子超標嚴重、部分含有放射性元素、pH變化較大、廢水成分和濃度變化大、不同的礦產條件含有的元素不同等特點[1，2]。尾礦庫滲漏給周邊地下水帶來的污染物質通常以復合污染的形式出現[3，4]，主要包括重金屬元素、氨氮、各類鹽離子和放射性污染物等。尾礦庫周邊潛層地下水中污染物質通過食物鏈、飲水等途徑在人體中富集，富集時間長且具有隱蔽性，將嚴重危害人體健康[5，6]。因此對尾礦庫周邊地下水污染的監測是非常有必要的，但是針對尾礦庫周邊地下水污染進行生物監測的研究鮮有報道。本研究以北方某尾礦庫及其周邊潛層地下水為研究對象，以北方種植的重要的糧食作物玉米（Zea mays L.）為供試作物來展開相關試驗，以期為該地的農作物污染和農業灌溉管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水樣采集至某尾礦庫周邊地區，依據距尾礦庫的距離設置水樣采集點，分別為S1-S13，具體設置如圖1所示。所設縱向樣點組包括尾礦庫下游的西南（SW）、正南（S）、東南（SE）3個方向，西南方向包括S3、S6、S9、S13，正南方向包括S1、S4、S7、S10、S11，東南方向包括S2、S5、S8、S12。所設橫向樣點組①、②、③、④平行于尾礦庫，距尾礦庫距離依次遞增，①是S1、S2、S3，②是S4、S5、S6、S7，③是S8、S9、S10，④是S11、S12、S13。

取尾礦庫周邊地區幾乎沒有污染到的WLJ村設定地點的土作為栽培基質。選取供試作物為玉米，購自包頭市農業科學研究所。

1.2 試驗方案

選用WLJ村的土作為盆栽基質，土樣風干過篩后并充分混勻，每盆[25 cm（直徑）×17 cm（高）]裝土6 kg（干重）。選用飽滿的玉米種子，用0.5%的次氯酸鈉消毒10 min，去離子水沖洗3～5次，用濾紙吸干附著水，均勻播種在各盆中，以選定的13個樣點S1-S13的水進行培養，以未污染的WLJ村的水進行培養作為對照。每3 d向每試驗盆中澆灌1.0 L水，其余時間用去離子水澆灌。

1.3 分析測定方法

1.3.1 水樣的預處理及測定 每個采樣點水樣取兩份，一份用濃硝酸調節使pH<2，另一份用氫氧化鈉調節使pH為7～9。采樣后對樣品進行編號。水樣采集后，放在冷暗條件下保存，并盡快置于4 ℃冷藏。參照GB/T 14848-1993地下水水質標準及該地區污染特征，分析了尾礦庫周邊潛層地下水中包括Cl-、SO42-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、高錳酸鹽指數、總溶解固體（TDS）、Th、Si、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mo等20種污染物。交由包頭市環境監測站進行測定。

1.3.2 各生理指標的測定方法 采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法[7]測定丙二醛（MDA）含量；采用鄰苯三酚法[8]測定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈創木酚法[9]測定過氧化物酶（POD）活性。

1.4 統計分析

數據處理采用Microsoft Excel 和SPSS 13.0進行計算和統計分析。

2 結果與分析

2.1 樣點水質綜合分析

2.1.1 13個樣點水質綜合分析 采用內梅羅指數法[10]對尾礦庫周邊13個樣點的潛層地下水水質進行了綜合分析，結果如圖2所示。由圖2可知，樣點S1、S2、S3和S11的內梅羅綜合污染指數（F）高于7.20，水質受到嚴重污染；S13的F介于4.25～7.20，指示水質中度污染；S4、S5、S12的F介于2.50～4.25，指示水質為輕度污染；S8和S10的F介于0.80～2.50，指示水質良好；S6、S7和S9的F小于0.80，水質優良。表明在距離尾礦庫一定范圍內，隨著距尾礦庫距離的增加，F大體呈現下降趨勢；超過一定范圍，F增加。

2.1.2 縱向樣點組水質綜合分析 由圖3可知，F隨尾礦庫周邊地下水從西南向東南方向呈現上升趨勢，西南方向和正南方向F介于2.50～4.25，指示水質為輕度污染；東南方向的F高于7.20，說明水質受到嚴重污染。表明水質由西南向東南方向而變差，尤其在東南方向水質受到嚴重污染。

2.1.3 橫向樣點組水質綜合分析 由圖4可知，F隨平行于尾礦庫下游距離的增加，呈先下降后升高的趨勢，②和③組的F介于0.80～2.50，指示水質良好；④組的F介于4.25～7.20，指示水質為中度污染；①組的F高于7.20，水質受到嚴重污染。表明隨著距尾礦庫距離的增加，水質先變好，隨后又再次被污染。

2.2 樣點水質對玉米幼苗葉片膜脂過氧化的影響

2.2.1 縱向樣點組水質對玉米幼苗葉片MDA含量的影響 研究結果顯示，玉米幼苗葉片中氧化損傷產物MDA含量隨縱向樣點組由西向東的擴散，呈現下降的趨勢，縱向各樣點組和對照組相比，幼苗葉片中MDA含量均大于對照組（圖5），表明在不同污染水脅迫危害下，玉米葉片受到不同程度的氧化損傷。

2.2.2 橫向樣點組水質對玉米幼苗葉片MDA含量的影響 研究結果（圖6）顯示，玉米幼苗葉片中氧化損傷產物MDA含量隨平行于尾礦庫下游距離的增加，呈現先增加后下降再增加的趨勢，橫向各樣點組和對照組相比，除樣點組③（S9、S10、S8）的幼苗葉片中MDA含量低于對照外，其余3組均高于對照組，玉米葉片受到不同程度的氧化損傷。

2.3 樣點水質對玉米幼苗葉片抗氧化酶系活性的影響

2.3.1 縱、橫向樣點組水質對玉米幼苗葉片SOD活性的影響 研究結果顯示（圖7），隨縱向樣點組由西向東的擴散，幼苗葉片中SOD呈現下降的趨勢，縱向各樣點組和對照組相比，幼苗葉片中SOD活性均低于對照組。表明在污染水脅迫危害下玉米葉片抗氧化損傷能力下降，隨污染程度的增加抗氧化損傷能力降低，使整體細胞活性下降。隨平行于尾礦庫下游距離的增加，幼苗葉片中SOD活性呈現下降的趨勢，橫向各樣點組和對照組相比，幼苗葉片中SOD活性均低于對照組（圖8）。表明水質受到污染后，玉米葉片抗氧化損傷能力降低。

2.3.2 縱、橫向樣點組水質對玉米幼苗葉片POD活性的影響 研究結果（圖9）顯示，幼苗葉片中氧化損傷產物POD活性隨縱向樣點組由西向東的擴散呈現先增加后下降的趨勢，與對照組相比，幼苗葉片中POD活性均高于對照組，表明水質污染對POD的活性起到促進作用。由圖10可知，幼苗葉片中氧化損傷產物POD活性隨平行于尾礦庫下游距離的增加呈現先增加后下降的趨勢，幼苗葉片中POD活性均高于對照組，與橫向水質變化呈正相關。

3 小結與討論

尾礦庫引起的生態環境污染是一個非常嚴峻、亟待解決的問題。本研究以北方某尾礦庫及其周邊潛層地下水污染為背景，對當地主要農作物玉米進行毒性效應試驗，分析尾礦庫周邊潛層地下水污染對玉米幼苗葉片膜脂過氧化及抗氧化酶系統的影響。

丙二醛為膜脂過氧化產物，標志著膜脂的過氧化程度。本試驗結果表明，隨著尾礦庫周邊潛層地下水的污染，除橫向樣點組③外，其余樣點污水處理組的玉米幼苗葉片丙二醛（MDA）含量均比對照有所增加，表明玉米幼苗葉片受到了氧化損傷，結果與前人研究結果[11，12]相似。說明MDA在環境污染預警中具有指示作用。

抗氧化保護酶系統是植物體內控制活性氧平衡的重要物質之一，主要有SOD、POD、CAT等。植株在正常情況下，體內活性氧產生與清除處于動態平衡狀態，SOD、POD、CAT是植物細胞中清除活性氧，保護細胞的重要酶系統[13，14]。SOD是廣泛存在于生物體內的重要金屬酶，是生物體內惟一的一種以自由基作為底物的抗氧化物酶，可將O2-·歧化成H2O2和O2，是生物體內活性氧清除的第一道防線。POD能夠清除植物體內低濃度的H2O2，在氧化其他物質的同時，將H2O2還原為H2O，用以消除細胞內的H2O2，降低活性氧傷害。SOD和POD協同作用可以及時清除植物在正常代謝過程或逆境脅迫下產生的過多的活性氧，保護植物細胞免遭氧化損傷。本試驗結果表明，污染水質抑制玉米幼苗SOD的活性增加，但促進POD活性升高，這與前人[15，16]的研究結果相似，是抗氧化酶之間的相互代償作用所致。加之由于尾礦庫周邊潛層地下水中污染物成分復雜，有毒物質含量高，對周邊環境生態的危害程度大，存在著污染物間的復雜相互作用[3，4，17]，造成酶活性的不穩定，氧化損傷加劇。

本研究結果表明，隨著距尾礦庫距離的增加，潛層地下水水質污染程度在不同方向上變化不同，存在著復合污染效應。隨尾礦庫周邊潛層地下水的污染，玉米幼苗葉片受到不同程度的氧化損傷。長期利用當地地下水進行農田灌溉，嚴重影響玉米作物生長，通過食物鏈等方式對當地居民及其他生物的身體健康也具有潛在的危害。膜脂過氧化和抗氧化酶系統在環境生態風險中起著早期預警的重要作用。

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