不同石油濃度對兩種作物生理生化的影響

雒曉芳陳麗華王冬梅陳芳艷

（1.西北民族大學實驗中心，蘭州 730030；2 西北民族大學生命科學與工程學院，蘭州 730030）

不同石油濃度對兩種作物生理生化的影響

雒曉芳1陳麗華1王冬梅1陳芳艷2

（1.西北民族大學實驗中心，蘭州 730030；2 西北民族大學生命科學與工程學院，蘭州 730030）

初步探索小麥和玉米對石油污染土壤的耐受性，同時摸索這兩種農作物在石油污染的脅迫下對石油污染土壤的潛在修復效果，以期為現場進行相關的植物修復提供理論依據。實驗設置了0%、0.5%、1.5%、3%四組石油污染土壤處理，對小麥和玉米兩種供試植物進行了溫室盆栽觀測試驗。結果表明，受試植物的發芽率在石油的脅迫下均呈下降的趨勢，并且當濃度達到3%時影響顯著；石油對小麥和玉米的生長表現出抑制作用，其株高、葉片數、干物質量與對照相比有較明顯的降低；小麥和玉米的葉綠素含量隨著石油濃度的升高而降低；小麥葉片中丙二醛（MDA）含量及可溶性蛋白含量隨著石油濃度的升高呈先增加后下降的趨勢，而玉米種的MDA含量則是隨著石油濃度的升高而升高，可溶性蛋白含量則是隨著石油濃度的升高呈下降趨勢。

不同原油濃度；石油污染土樣；玉米；小麥；生理指標

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.10.016

隨著人類文明的不斷進步，資源的不斷利用，現代工業化和城市化的不斷發展，環境污染問題日趨嚴重。土壤的環境狀況不僅直接影響著生態環境，而且直接關系到農作物的生長狀況及農產品質量，從而關系著人民群眾的健康問題。因此，石油污染土壤的治理研究已受到國內外專家的高度關注。隨著石油類污染土壤面積的迅速擴大，如何經濟有效地對之加以修復和控制已成為當今環境保護領域一大技術難點［1］。石油污染土壤修復技術的研究越來越多［2-7］，但在石油污染修復前需要進行風險評價，而且修復效果涉及修復標準問題等。生物修復技術具有處理費用低、無二次污染、對環境影響小、可就地處理、公眾接受程度高和處理效果好等優點，被認為是最具發展前景的方法［8，9］。植物修復技術是生物修復技術中的一種，植物在生長的過程當中直接或間接的吸收，分解了土壤中的有機污染物從而達到修復的作用。石油污染土壤的植物修復技術以其吸收污染物能力強并兼顧美化環境的優點已成為人們普遍接受的去除石油污染物的首選技術［10］。

小麥（Triticum aestivum Linn.）和玉米（Zea mays L.）是我國主要糧食作物。小麥不但有極高的營養價值，而且小麥苗、麥芽、麥麩、麥籽均可入藥。小麥的種類很多，按照小麥播種季節可分為兩類：冬小麥和春小麥。玉米，亦稱玉蜀黍、包谷、苞米、棒子，是一年生禾本科草本植物，是重要的糧食作物和重要的飼料來源，也是全世界總產量最高的糧食作物。研究結果顯示，當含油量為3 100 mg/kg時，玉米減產10%，若原油含量達到500 mg/kg時，則苯并芘在玉米中的含量超標，玉米不能食用［11］。因此，本研究擬通過初步探索小麥和玉米對石油污染土壤的耐受性，來摸索這兩種農作物在石油污染的脅迫下對石油污染土壤的潛在修復效果，以期為現場進行相關的植物修復提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料

實驗選用冬小麥和玉米一年生種子進行實驗。

1.2方法

1.2.1土壤預處理 將收集到的供試土壤置于實驗室透風陰涼處天然風干。將供試土壤過2 mm的篩，然后充分攪拌使其混合均勻。稱量2 kg若干份，分別放入花盆。

1.2.2培養土壤制備 用正己烷溶解原油，使原油與供試土壤充分混勻。稱量好各組所需的原油質量，然后以1∶1的質量比將原油溶于正己烷中，最后分別向各盆土壤中加入原油，充分攪拌，使土壤中原油的濃度分別得到0%、0.5%、1.5%及3%。將配制好的培養土置于通風處，用水將其澆透，平衡2 d，待播種。

1.2.3實驗方法 小麥和玉米種子分別用0.2%氯化汞消毒10 min，用無菌水漂洗數次，待用。小麥每盆播種30粒，深度為3-5 cm，玉米每盆播種10粒，深度為3-6 cm。幼苗生長期間應當每天按時噴水，以保證土壤的持水率在60%左右，各花盆的澆水量也相同。在直徑12 cm、高15 cm的花盆中加入1.2.2配置好的不同原油濃度的污染土樣2 kg，再分別種植小麥和玉米種子，將土樣充分混勻。室溫下暗培養，待其萌發。實驗維持60 d，每種處理設置3組平行。

1.2.4測定項目及方法

1.2.4.1土壤基本理化性質測定 土壤有機質的測定參照魯如坤［12］的方法。土壤pH值的測定（pH計法）；土壤有機質的測定（重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法）；有效磷的測定（NaCO3法）；全氮的測定（半微量開氏法）。

從背景測定值情況來看，隴東油區因為降雨量偏少，采樣為冬季，土壤含水率較低（1.2%左右）；pH7.8左右，弱堿性，有利于微生物降解；總氮量較低0.180 g/kg，有機質含量低（1%左右），土壤較為貧瘠；電導率普遍小于2 ms/cm，土壤鹽度低，如表1所示。

表1　未受石油污染的土壤理化值

1.2.4.2種子萌發率的測定 種子萌發期間，定期記錄種子出苗數、出苗時間，計算發芽率。連續3 d沒有新的發芽種子出現時，可視作發芽期結束。發芽率（%）=（發芽種子粒數/供試種子粒數）× 100%［13］；發芽期結束后每5 d測一次葉片數、株高，生長達到一定程度后測定葉綠素、丙二醛、蛋白質含量等生理指標。

1.2.4.3葉綠素含量測定 葉綠素含量采取乙醇—丙酮浸泡提取法，測定參照朱艷清的方法［14］。

1.2.4.4丙二醛（MDA）含量測定 丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法，測定參照朱艷清的方法［14］。

1.2.4.5可溶性蛋白的測定 可溶性蛋白含量測定參照植物生理學實驗指導的方法［15］。

1.2.5數據分析 試驗數據均使用SPSS 20.0軟件和Excel進行單因素方差分析，并用Sigmaplot 10.0作圖。

2　結果

2.1不同石油濃度對兩種植物種子發芽率的影響

受試植物小麥和玉米在不同石油濃度的處理下，種子的發芽率情況如表2所示。較高的石油濃度會使得土壤板結，因此當油濃度達到一定值時，土壤發生板結，影響到了玉米的發芽率。從表2可以看出，在0.5%和1.5%石油濃度下，玉米的發芽率與對照相比表現為不顯著，說明較低濃度對玉米發芽沒有太大影響；而在濃度為3%時，與空白對照組相比具有顯著差異性。說明在0%-3%石油濃度范圍內，玉米發芽率隨著石油濃度的升高而下降，并且在3%濃度時表現出顯著性差異。而石油對小麥的發芽率有低濃度促進作用，當濃度在0.5%時發芽率達到93.3%，比對照增加6.7%；當石油濃度繼續升高時，發芽率下降，石油濃度達到3%時，小麥發芽率與對照相比下降了12.2%，表現出顯著性差異。

表2　受試植物在不同石油濃度下的種子發芽率

2.2不同石油濃度對兩種植物生長的影響

表3為不同濃度石油污染土壤對受試植物玉米和小麥生長情況的影響。隨著石油濃度的不斷上升，玉米的株高、地上部分干重和地下部分干重有著不同程度的下降。在0.5%和1.5%的濃度下，玉米的株高與對照相比表現出極顯著性差異，分別下降了30.4%和29.7%；而當石油濃度達到3%時，與對照相比僅表現出顯著差異現象，且與對照相比只下降了9.6%。而小麥在石油污染土壤中生長，葉片數，株高，地上、地下部分干重都隨著油濃度上升呈下降趨勢，在濃度為3%時，分別下降了25%、37.11%、35.18%和37.15%。分析表明，3%的石油對小麥株高和地上部分干重的影響達到了極顯著的水平（P＜0.01）。

表3　不同石油污染土壤中受試植物生長情況

2.3不同石油濃度對兩種植物葉綠素含量的影響

不同石油濃度對小麥葉綠體色素含量的影響結果（圖1）顯示，小麥葉綠素含量隨著種植天數增加，整體呈下降趨勢；并且隨著石油濃度的上升而下降；對照組中的葉綠素含量在3個時間段都高于其他處理組。在25 d的時候，0.5%濃度下葉綠素含量與對照相比表現出顯著性影響（P＜0.05），當濃度達到1.5%和3%時對小麥葉綠素含量的影響表現為極顯著現象（P＜0.01），在35 d的時候，3個處理濃度下的葉綠素含量與對照相比都表現出極顯著差異（P＜0.01）。

分別在玉米播種后第10 d、20 d、30 d的時候測定玉米的葉綠素含量，不同濃度石油處理對玉米葉綠素變化的影響結果（圖2）顯示，玉米葉綠素含量隨著種植天數的增加呈上升趨勢，說明測量時間正處于玉米的生長期，隨著玉米葉片的生長，面積的增加，葉綠素含量也正在增加；從圖2中還可以看出，3個濃度處理下，對照組的葉綠素含量最高，在3個處理中，隨著石油濃度的升高葉綠素含量呈上升趨勢，但與對照相比影響不顯著；在30 d時0.5%和3%的濃度對玉米的葉綠素含量影響極顯著（P＜0.01），這說明在玉米生長初期石油濃度對玉米葉綠素含量的影響較小，直到生長到一定程度時，其影響才慢慢體現。

圖1　不同石油濃度下小麥葉綠體色素含量比較

圖2　不同石油濃度下玉米葉綠體色素含量比較

2.4不同原油濃度對兩種植物丙二醛（MDA）含量的影響

如表4和表5 所示，玉米和小麥葉片中的MDA含量隨著種植天數的增加而積累。玉米（30 d）和小麥（40 d）在1.5%和3%兩個處理濃度下MDA含量與對照組相比都表現出極顯著的差異（P＜0.01），且兩種植物葉片中的MDA含量隨著石油濃度的升高而增加，由此可以說明石油污染土壤對玉米和小麥都具有一定程度的毒害作用。

表4　玉米葉片中丙二醛的含量

表5　小麥葉片中丙二醛的含量

2.5可溶性蛋白

不同的植物在石油污染土壤的脅迫下，其可溶性蛋白含量的變化不同。圖3顯示，小麥在石油污染土壤中生長，隨著石油濃度的增大呈現出先上升后下降的趨勢，原因可能是蛋白質合成受阻，或者是抗逆蛋白含量提高；當濃度達到3%時，超過了小麥的可承受濃度，可溶性蛋白的含量下降。而玉米葉片中可溶性蛋白的含量隨著石油濃度的升高而減少，當濃度為3%時，與對照相比下降了63.8%，影響顯著（P＜0.05）。

圖3　不同石油濃度下受試植物可溶性蛋白含量比較

3　討論

石油主要成分為石油烴，其大部分為高分子化合物，黏著在植物根系上會形成一層黏膜，導致根系對營養元素的吸收以及根系的呼吸功能受到阻礙，甚至會引起根系的腐爛，而石油中的烴組分可以直接進入植物體內對植物造成直接傷害［16］。另一方面石油類物質進入土壤，會破壞土壤結構，分散土粒，使土壤的透水性降低，同時石油碳氫化合物污染的土壤會產生嚴重的疏水性，導致不能正常吸濕和儲存水分，從而阻礙植物生長［17］。

至今，人們已經從植物體內吸收、體內降解、根際降解和植物刺激等方面著手研究植物修復技術的機理，并取得了較大進展［18］。不同濃度處理的石油污染土壤對植物的生長有不同程度的影響，且不同的植物對石油污染土壤也體現出不同的抗逆性。本研究中，石油處理過的土壤上生長的植物都表現出株高、葉片數、干物質量受阻的現象。這可能是由于原油污染導致幼苗養分失衡和生理脫水［19］。但石油對小麥的發芽率有低濃度促進作用，當超過一定濃度時表現為抑制作用。這可能是低濃度石油提高了土壤透性的同時對種子毒害作用較小，從而表現出低濃度促進作用。初步推測，這是由于石油質量分數較高的試驗處理中清潔對照土的含量少，土壤顆粒易黏附成團，且其孔隙度明顯增大，增強了土壤的透氣性，有利于植物種子的發芽［20］。張晶等［21］發現作物對多環芳烴污染農田土壤中吸附態PAHs 降解效率較高，生長性狀受石油含量的影響非常顯著。宋玉芳等［22］考察了不同水平濃度的污染物對高等植物的影響，表明低濃度組對高等植物的生長產生刺激作用，高濃度組對植物的生長產生抑制作用。低濃度的石油組分對植物的生長有促進作用可能主要是因為植物的根系與土壤微生物聯合作用，將土壤中的石油烴轉化成CO2和H2O，為土壤微生物提供能量和碳源。同時，植物能將部分石油烴通過木質化作用，轉化成自身的組成部分［23］。

在石油的脅迫下，兩種植物葉片中的MDA的變化有所差異，但葉片中葉綠素含量、可溶性蛋白等生理指標隨著石油處理濃度的升高呈下降趨勢。小麥葉片中的MDA隨著石油濃度升高先增加后下降，而玉米葉片中的MDA含量則是隨著石油濃度的增加而積累。這有可能是小麥葉片中的脂膜抗壓能力低于玉米，在石油濃度達到3%時脂膜遭到破壞，導致MDA下降。MDA是膜脂過氧化的最終產物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度［24］，其含量越高說明膜通透性越大，植物生存的條件越惡劣。污染物會引起植物體內產生有毒的活性氧和自由基，導致植物氧化能力增大［20］。弓曉峰等［25］研究表明，玉米（20 d）在石油污土中的MDA 含量和空白對比存在極顯著差異（P＜0.01），其MDA 含量隨著污土濃度的增加呈現低-高-低的趨勢，即低濃度抑制，中濃度刺激，當污染達到一定程度時，植物細胞的膜結構破壞，導致 MDA 含量降低。從總的變化趨勢看，經石油處理后可溶性蛋白含量均高于對照組，隨著處理質量分數的增加呈現先增后降的趨勢，這可能是在石油脅迫下，植物為了維持正常新陳代謝，產生了更多的蛋白質，或使細胞內的一些不可溶性蛋白轉化成了可溶性蛋白，這與李妮亞［26］的研究結果相符。但當處理質量分數超過7 500 mg/ kg 時，苜蓿葉片中可溶性蛋白含量下降，這可能是由于超出了植物自身的耐受能力所致。從本研究可以看出，小麥在石油污染土壤中生長，隨著石油濃度的增大呈現出先上升后下降的趨勢，可能也是蛋白質合成受阻；當濃度達到3%時，超過了小麥自身的耐受能力，這與岳冰冰等［27］的研究結果相符。

4　結論

在石油污染的脅迫下，不同植物種子對土壤石油污染表現出不同的耐受性。在一定的石油質量分數范圍內，植物對污染土壤中的石油有一定的降解作用。在石油濃度為0.5%和1.5%的處理組中，石油脅迫對兩種植物的發芽率影響表現不顯著；當濃度高達3%時，石油污染使得兩種植物的發芽率顯著下降（P＜0.05）。

石油污染土壤對玉米和小麥在生長過程中的葉綠素、可溶性蛋白等生理指標的積累表現出抑制作用，且在濃度達到3%時影響極顯著（P＜0.01）；而兩種植物在3個不同石油濃度的脅迫下，葉片中的MDA含量變化有所差異，玉米隨著石油濃度的升高而積累，而小麥呈先增后降的趨勢，可見玉米脂膜的抗壓能力比小麥強。由此可見，小麥和玉米對石油污染土壤均具有潛在的修復效果。

［1］澎勝巍， 周啟星， 張浩， 等.種花卉植物種子萌發對石油烴污染的響應［J］.環境科學學報， 2009， 29（4）：786-790.

［2］曾玲玲， 劉德福， 張興梅.石油污染土壤的微生物治理研究進展［J］.生物技術通報， 2006（6）：48-51.

［3］司美茹， 江翠翠， 李桂芝， 等.石油污染土壤生物修復菌的分離鑒定與調控效應研究［J］.環境污染與防治， 2010， 4：28-39.

［4］劉媚媚， 金臘華， 李文松， 等.一株石油降解菌的活性炭纖維固定化研究［J］.環境污染與防治， 2009， 31（10）：48-51.

［5］何煒， 陳鴻漢， 劉菲， 等.土壤氣相抽提去除土壤中汽油烴污染物柱試驗研究［J］.環境污染與防治， 2007， 29（3）：186-189.

［6］張勝， 陳立， 崔曉梅， 等.陜北黃土區石油污染土壤原位微生態修復試驗研究［J］.農業環境科學學報， 2008， 6：2200-2205.

［7］宋雪英， 宋玉芳， 孫鐵珩， 等.石油污染土壤中芳烴組分的生物降解與微生物生長動態［J］.環境科學， 2004， 3：115-119.

［8］ Seo JS， Keum YS， Li QX. Bacterial degradation of aromatic compounds［J］. Int J Environ Res Public Health， 2009， 6：278-309.

［9］ 屠明明， 王秋玉.石油污染土壤的生物刺激和生物強化修復［J］.中國生物工程雜志， 2009， 29（8）：129-134.

［10］岳冰冰， 李鑫， 任芳菲， 等.石油污染對紫花苜蓿部分生理指標的影響［J］.草業科學， 2011， 28（2）：236-240.

［11］張慧， 黨志， 易筱筠， 等.玉米修復芘污染土壤的初步研究［J］.環境化學， 2010， 29（1）：29-34.

［12］魯如坤.土壤農業化學分析方法［M］.北京：中國農業科技出版社， 1999：1-638.

［13］劉慧霞， 申曉蓉， 郭正剛.硅對紫花苜蓿種子萌發及幼苗生長發育的影響［J］.草業學報， 2012， 20（1）：155-160.

［14］朱艷清.幾種作物對石油污染土壤的耐受性及修復效果研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學， 2011.

［15］華東師范大學.植物生理學實驗指導［M］.北京：人民教育出版社， 1981：20-25.

［16］李小利， 劉國彬， 薛萐， 等.土壤石油污染對植物苗期生長和土壤呼吸的影響［J］.水土保持學報， 2007， 21（3）：95-98.

［17］ Li X， Feng Y， Sawatsky N. Importance of soil water relations in assessing the endpoint of bioremediated soils：I.Plant growth［J］. Plant and Soil， 1997， 192：219-226.

［18］盧麗麗， 石輝.植物修復石油污染土壤的研究進展［J］.化工環保， 2007， 27（3）：245-249.

［19］Amadi A， Dickson A， Moate G. Remediation of oil polluted soils：I Effect of organic nutrient supplements on the perforance of maize（Zeamays L.）［J］. Water Air Soil Polluti， 1993， 66：59-76.

［20］彭昆國， 楊麗珍， 榮亮， 等.土壤石油污染對植物種子萌發和幼苗生長的響應［J］.環境污染與防治， 2012， 7：19-23.

［21］張晶， 林先貴， 曾軍， 等.植物混種原位修復多環芳烴污染農田土壤［J］.環境工程學報， 2012， 1（6）：1341-1346.

［22］宋玉芳， 周啟星， 許華夏， 等.菲， 芘， 1， 2， 4-三氯苯對土壤高等植物根伸長抑制的生態毒性效應［J］.生態學報， 2002，22（11）：1945-1950.

［23］張大庚， 依艷麗， 鄭西來.沈撫污水灌區石油烴對土壤及水稻的影響［J］.土壤通報， 2003， 34（4）：333-336.

［24］劉周莉， 何興元， 陳瑋.鎘脅迫對金銀花生理生態特征的影響［J］.應用生態學報， 2009， 20（1）：40-44.

［25］弓曉峰， 榮亮， 楊麗珍， 等.石油污染土壤對玉米生長的影響及其生態毒性研究［J］.環境科學與技術， 2011， 10：71-75.

［26］李妮亞， 高俊鳳.水分脅迫對抗旱性不同的冬小麥幼芽蛋白質的影響［J］.干旱地區農業研究， 1997， 15（1）：85-90.

［27］岳冰冰， 李鑫， 任芳菲， 等.石油污染對紫花苜蓿部分生理指標的影響［J］.草業科學， 2011， 28（2）：236-240.

（責任編輯 馬鑫）

The Influence for Two Corps Physiological Index by the Different Petroleum Density

LUO Xiao-fang1CHEN Li-hua1WANG Dong-mei1CHEN Fang-yan2
（1. Center of Experiment，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030；2. Life Science and Engineering，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030）

The experiment have been selected the Triticum aestivum Linnand Zea mays L. two different plants for 60 days imitate in the laboratory. According to measure the oil contaminated soil toleranceof two different plants and the oil pollution stress on petroleum contaminated soil restoration potential effect，which hope to provide a theory basis in future remediation cases. The experiment set up 0%，0.5%，1.5%，3% four groups of polluted soil respectively，and doing the experiment that culture the tested plants of wheat and corn in the greenhouse by pot. The results shows that the germination rate of tested plants in the petroleum coercion all shows downward trend，and have an extremely influence on the result when the density reach to 3%；The petroleum density to the wheat and corn have an inhibition actions，compare CK with the height，the number of leafs，the dry substance，which have an obvious descend trend. The content of chlorophyll decreased with the petroleum density increasing for wheat and corn. The content of MDA，soluble protein in the wheat leafs，which shows firstly increased and then decreased with the petroleum density increasing，but the content of MDA increasing with the petroleum density increasing，the content of soluble protein shows a decreased trend with the petroleum density increasing.

different petroleum density；petroleum pollution soil；corn；wheat；physiological index

2015-11-04

國家自然科學基金項目（41361070），2014年甘肅省教育廳項目（2014B-010）

雒曉芳，女，碩士，副教授，研究方向：生物修復方面的研究；E-mail：lxf@xbmu.edu.cn

陳麗華，女，博士，教授，研究方向：土壤石油污染機理與修復；E-mail：clh@xbmu.edu.cn