砷對黃瓜和蘿卜種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響

房志浩， 臧淑艷， 馬 原， 于 波

(沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

砷對黃瓜和蘿卜種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響

房志浩， 臧淑艷， 馬 原， 于 波

(沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

通過水培實驗研究水中的砷對黃瓜種子和蘿卜種子發(fā)芽及幼苗生長的影響.實驗結(jié)果說明:水中砷的濃度較低時對黃瓜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和幼苗根長具有一定的促進生長作用；水中砷的濃度較高時對黃瓜種子的發(fā)芽和幼苗的生長有較顯著的抑制作用,且隨著砷濃度的增強,對黃瓜種子的抑制作用增強.砷污染對蘿卜的脅迫作用比較明顯，濃度較低時就能夠影響蘿卜種子的萌發(fā)和幼苗的生長.

砷； 黃瓜； 蘿卜； 種子萌發(fā)； 幼苗生長

水體砷污染是我國目前深受關(guān)注的環(huán)境問題.現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)表明，我國西北、華北、東北及臺灣等地的部分區(qū)域存在較嚴重的地下水體砷污染問題，受含砷飲用水影響人口高達數(shù)百萬[1].沉積物是水體中砷的主要載體，砷的環(huán)境行為與歸趨很大程度上取決于其賦存形態(tài).地球化學(xué)條件的改變可引起沉積物固持的砷在不同形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，從而可能引發(fā)砷的活化和遷移而進入水相，造成地下水砷污染或地表水的二次污染[2].沉積物低價態(tài)砷在微氧化環(huán)境中的氧化過程及其對砷的行為影響受多種因素制約.其中，低價態(tài)砷的存在形式、沉積物礦物及有機質(zhì)組成、氧化還原電勢及其他環(huán)境條件起主導(dǎo)作用[3-6].砷是廣泛分布于環(huán)境中的最毒的類金屬，對所有生命都具有很高的毒性[7-9].環(huán)境砷污染不僅危害人類的生命健康[10-11]而且也影響著植物的生長[12].種子萌發(fā)特性是作物生長狀態(tài)的早期反應(yīng).因此研究砷污染對種子萌發(fā)的影響，對于認識砷脅迫植物生長的機理，揭示砷與植物生長之間的關(guān)系和調(diào)節(jié)砷污染地區(qū)的植物種植都具有重要意義.本文利用水培養(yǎng)實驗，研究外加砷對黃瓜種子和蘿卜種子萌發(fā)的影響，為認識砷污染與種子萌發(fā)和植物生長的關(guān)系以及植物砷毒害的機理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供選材料

黃瓜種子、蘿卜種子，遼寧省沈陽種子站；Na2HAsO4·7H2O，分析純，沈陽力誠試劑廠；雙氧水，分析純，沈陽市新化試劑廠.

1.2 實驗方法

配制100 mg/L的砷溶液，再分別稀釋配制質(zhì)量濃度梯度為0、0.1、0.5、1、5、10 mg/L的砷處理液.篩選飽滿完好的黃瓜種子和蘿卜種子，用質(zhì)量分數(shù)為3 %的H2O2溶液浸泡滅菌30 min.然后用蒸餾水沖洗3次除去H2O2等雜質(zhì),每個培養(yǎng)皿先放2層濾紙，選出20粒放入適當?shù)呐囵B(yǎng)皿中,向每個培養(yǎng)皿中分別加入15 mL砷處理液，用蒸餾水做空白對照.每個質(zhì)量濃度的處理液設(shè)置3個重復(fù),在25 ℃ 條件下進行恒溫暗處培養(yǎng).在種子培養(yǎng)期間定時添加一定量的相應(yīng)含砷溶液(約恒質(zhì)量).培養(yǎng)8 d后統(tǒng)計發(fā)芽率、發(fā)芽勢、測量根長、芽長等形態(tài)指標[13-14].

1.2.1 測定項目

實驗期間每24 h觀察并記錄發(fā)芽種子數(shù)，并補充蒸發(fā)掉的處理液.發(fā)芽第8天，統(tǒng)計各個質(zhì)量濃度梯度的發(fā)芽率，從不同質(zhì)量濃度的培養(yǎng)皿中隨機取樣分別測定各幼苗的芽長、根長以及株高.植物幼苗生長的各種指標測定方法[15-16]如下：

發(fā)芽勢/ %=(種子的發(fā)芽高峰期時發(fā)芽的種子數(shù)/皿中共有種子數(shù))×100 %.

(注意：每24 h記錄1次種子的發(fā)芽率，種子發(fā)芽最多的那一天即是種子的發(fā)芽高峰期)

發(fā)芽率/ % =(植物種子的發(fā)芽數(shù)/皿中共有種子數(shù))×100 %.

發(fā)芽指數(shù)(GI)=Σ(Gt/Dt),

式中：Gt是指在t天內(nèi)的種子的發(fā)芽數(shù)；Dt是指種子的發(fā)芽天數(shù).

根伸長抑制率=[(對照種子的平均根長-處理種子的平均根長)/對照種子的平均根長]×100 %.

植物的根長是指胚軸與根之間的轉(zhuǎn)折點到根末端的距離；

植物的芽長是指胚軸與芽之間的轉(zhuǎn)折點開始到芽末端的距離；

植物的株高是指植株根頸部到植株頂部之間的距離.

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003 統(tǒng)計軟件進分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對黃瓜和蘿卜生長的影響

從植物的生長來看,種子的發(fā)芽既是植物生命的啟程,也是植物受重金屬影響的起始階段[17].種子的發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和發(fā)芽率是描述種子品質(zhì)的重要指標,植物種子發(fā)芽率的高低是評定種子實用價值的主要依據(jù)[18].

由表1可以看出，在各質(zhì)量濃度砷處理液中，As5+質(zhì)量濃度在1 mg/L時黃瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均達到最大值，但是，隨著砷處理液質(zhì)量濃度的增加，黃瓜的各項生理指標均呈下降趨勢，黃瓜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等總體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，這與李仁英等[19]研究的無機砷對不同水稻品種的影響相一致.低質(zhì)量濃度砷促進了黃瓜種子的生長而高質(zhì)量濃度砷則抑制了黃瓜種子的生長.重金屬離子對植物種子的萌發(fā)具有“低則促高則抑”現(xiàn)象[20-21]，低質(zhì)量濃度的重金屬離子可以提高種子的活性，促進種子的發(fā)芽；高質(zhì)量濃度的重金屬離子對芽、根等產(chǎn)生了一定的傷害抑制作用，高質(zhì)量濃度重金屬離子能夠抑制蛋白酶和淀粉酶的生理活性，即指抑制種子內(nèi)貯藏的淀粉和蛋白質(zhì)進行分解，無法提供種子萌發(fā)所需要的能量與物質(zhì)，從而致使種子萌發(fā)受到干擾進而抑制[22].

表1 不同質(zhì)量濃度砷溶液對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表2可以看出，在各質(zhì)量濃度砷處理液中，As5+質(zhì)量濃度在0 mg/L時蘿卜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均為最大值，隨著砷處理液質(zhì)量濃度的增加，蘿卜的各項生理指標均呈下降趨勢，這是由于重金屬離子與種子萌發(fā)時所必須的酶反應(yīng)，產(chǎn)生了刺激性物質(zhì)或抑制酶等，因為蘿卜對砷較敏感，所以砷對蘿卜的生長和發(fā)育影響較明顯.通常認為，金屬離子對種子的萌發(fā)期產(chǎn)生了影響，過量的砷會干擾植物組織的生理代謝過程，干擾植物根和芽的生長，甚至可以導(dǎo)致它的壞死[23].

表2 不同質(zhì)量濃度砷溶液對蘿卜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

2.2 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對黃瓜株高的影響

為研究砷溶液對黃瓜株高的影響，在種子發(fā)芽后的第8天對黃瓜的株高進行測量并記錄.砷溶液對黃瓜株高的影響如圖1所示.由圖1可知：在第8天時，當砷溶液質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，株高比對照組高28 %；當砷溶液質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時，株高達到最高值74.8 mm，高出對照組98 %.在低質(zhì)量濃度時，促進株高的增長，隨著砷溶液質(zhì)量濃度的增加，抑制作用逐漸加強，當As5+質(zhì)量濃度高達10 mg/L時，抑制作用較明顯.低質(zhì)量濃度的重金屬離子可以提高植株的活性，促進株高的生長；高質(zhì)量濃度的重金屬離子對芽高、株高等產(chǎn)生了一定的傷害抑制作用，這與楊志敏[24]的實驗結(jié)果相一致.

圖1 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對黃瓜株高的影響

2.3 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對蘿卜株高的影響

為研究砷溶液對蘿卜株高的影響，在種子發(fā)芽后的第8天對蘿卜的株高進行測量并記錄.結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出：當溶液中不含砷時，植株生長最快，株高最長；當溶液質(zhì)量濃度在0.1 mg/L和0.5 mg/L時株高沒有太大的變化；當增加到1 mg/L時蘿卜株高有了明顯的變化，隨著質(zhì)量濃度的增加影響越來越明顯.這可能是由于蘿卜種子抗砷的脅迫作用較小，不能有效地抵抗砷離子對株高的影響.蘿卜更易受到砷離子的影響，影響株高的生長.

圖2 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對蘿卜株高的影響

2.4 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對黃瓜根長的影響

為探究不同質(zhì)量濃度的砷對黃瓜根長的影響，在第8天對其根長進行測量并記錄，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同質(zhì)量濃度的含砷溶液對黃瓜根長的影響

由圖3可以看出：當砷溶液在0.5 mg/L以下時，根長抑制率為負值，即促進根長的生長；隨著質(zhì)量濃度的升高根長抑制率逐漸增加，在10 mg/L時根長抑制率達到最大.由此可見，不同質(zhì)量濃度的砷溶液對根長生長具有不同的作用，在低濃度時對種子的根長起到一定的促進作用，然而在高濃度時具有較強的抑制作用.這與秦天才等[25]所得出的實驗結(jié)果相一致.高質(zhì)量濃度的As5+產(chǎn)生了對根尖細胞有毒害的物質(zhì)，進而影響根尖細胞分裂和生長，導(dǎo)致根的生長伸長受阻，最終導(dǎo)致根長抑制[26].

2.5 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對蘿卜根長的影響

為探究不同質(zhì)量濃度的砷對蘿卜根長的影響，在第8天對其根長進行測量并記錄，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知：隨著含砷溶液質(zhì)量濃度的增加，根的生長逐漸受到抑制，根長抑制率逐漸增大，即溶液濃度越大對蘿卜的脅迫作用越大，影響越明顯；通過對根長長勢的觀察，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高質(zhì)量濃度脅迫后的蘿卜幼苗的根粗而短，且根系的顏色從最初的淡黃色轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?，最后根長生長緩慢[27].

圖4 不同質(zhì)量濃度的砷溶液對蘿卜根長的影響

3 結(jié) 論

(1) 低質(zhì)量濃度的砷對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響不顯著，當砷質(zhì)量濃度在一定范圍時，對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長有明顯地刺激作用，當砷質(zhì)量濃度高于0.5 mg/L時，開始抑制黃瓜種子的萌發(fā)與生長，且隨著質(zhì)量濃度的增加抑制效果越來越明顯；低濃度的砷對蘿卜種子的影響較明顯，當濃度為0.1 mg/L時，就有一定程度的抑制.高質(zhì)量濃度砷對黃瓜種子和蘿卜種子的萌發(fā)和幼苗生長均表現(xiàn)為明顯的抑制作用,且隨著砷質(zhì)量濃度的增加,抑制作用越明顯.

(2) 本文所做的蘿卜種子的發(fā)芽實驗，還需要進一步探究出較低質(zhì)量濃度對蘿卜種子發(fā)芽的影響和植株中相應(yīng)物質(zhì)的變化，進而找到砷離子影響蘿卜種子發(fā)芽和幼苗生長的直接原因.

(3) 后續(xù)將探究砷離子對其他植物種子發(fā)芽和幼苗生長的影響.找到最佳的植物，用于高砷污染區(qū)的治理和某一地區(qū)砷含量的測定.

(4) 本文種子發(fā)芽實驗可以為砷污染區(qū)的蔬菜種植業(yè)的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù).

[1] LIU T,RAO P,MAK M S,et al.Removal of Co-present Chromate and Arsenate by Zero-valent Iron in Groundwater with Humic Acid and Bicarbonate[J].Water Research,2009,43(9):2540-2548.

[2] SMEDLEY P L,KINNIBURGH D G.A review of the Source,Behaviour and Distribution of Arsenic in Natural Waters[J].Applied Geochemistry,2002,17(5):517-568.

[3] ROUTH J,BHATTACHARYA A,SARASWATHY A,et al.Arsenic Remobilization from Sediments Contaminated with Mine Tailings Near the Adak Mine in V?sterbotten District(northern Sweden)[J].Journal of Geochemical Exploration,2007,92(1):43-54.

[4] ISLAM F S,PEDERICK R L,GAULT A G,et al.Interactions between the Fe(Ⅲ)-reducing Bacterium Geobacter Sulfurreducens and Arsenate,and Capture of the Metalloid by Biogenic Fe(Ⅱ)[J].Applied Environmental Microbiology,2005,71(12):8642-8648.

[5] HARVEY C F,SWARTZ C H,BADRUZZAMAN A B,et al.Arsenic Mobility and Groundwater Extraction in Bangladesh[J].Science,2002,298(5598):1602-1606.

[6] CHOW S S,TAILLEFERT M.Effect of Arsenic Concentration on Microbial Iron Reduction and Arsenic Speciation in an Iron-rich Freshwater Sediment[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2009,73(20):6008-6021.

[7] 趙素蓮,王玲芬,梁京輝.飲用水中砷的危害及除砷措施[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2002,29(5):651-652.

[8] 世界衛(wèi)生組織.砷的環(huán)境衛(wèi)生標準[M].姚佩佩,牛勝田，譯.北京:人民衛(wèi)生出版社,1985：100-156.

[9] 廖自基.環(huán)境中微量重金屬元素的污染危害與遷移轉(zhuǎn)化[M].北京:科學(xué)出版社,1989:113-135.

[10]王華東,郝春曦,王建.環(huán)境中的砷：行為·影響·控制[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1992:72-73.

[11]韓俊洋,吳順華.地方性砷中毒致肝損傷機制研究進展[J].中國公共衛(wèi)生,2014,30(3):374-376.

[12]HINGSTON J A,COLLINS C D,MURPHY R J,et al.Leaching of Chromated Copper Arsenate Wood Preservatives:A Review[J].Environment Pollution,2001,111(1):53-66.

[13]臧淑艷,尹利利，馬原，等.乙酰甲胺磷和汞單一及復(fù)合污染對黃瓜發(fā)芽及幼苗生長的影響[J].地球與環(huán)境,2013,41(4):435-440.

[14]王婷婷,臧淑艷,馬原,等.生活污水與銅和鉛對黃瓜種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報，2015,29(2):107-112.

[15]張霞,李妍.鉛脅迫對補血草種子萌發(fā)和幼苗初期生長及膜透性的影響[J].德州學(xué)院學(xué)報,2007,23(2):23-25.

[16]劉登義,王友保.Cu、As對作物種子萌發(fā)和幼苗生長影響的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2002,13(2):179-182.

[17]李春喜,魯旭陽,邵云,等.As Zn復(fù)合污染對小麥幼苗生長及生理生化反應(yīng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,25(1):43-48.

[18]胡勤海，葉兆杰，陳廣照，等.CaAs、Ca3+和As(Ⅴ)對蔬菜種子萌發(fā)生理影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,1996,15(2):53-57.

[19]李仁英,沈孝輝,張耀鴻,等.無機砷對不同水稻品種種子萌發(fā)和幼苗光合生理的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(6):1067-1074.

[20]張春榮,李紅,夏立江,等.鎘、鋅對紫花苜蓿種子萌發(fā)及幼苗的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報,2005,20(1):96-99.

[21]于爽,李繼光,王守麗.鋅對無芒雀麥種子萌發(fā)的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(12):75-77.

[22]李合生.現(xiàn)代植物生理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002:421-429.

[23]SHARMA I.Arsenic Induced Oxidative Stress in Plants[J].Biologia,2012,67(3):447-453.

[24]楊志敏.鋅污染對小麥萌發(fā)期生長和某些生理生化特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,1994,13(3):121-123.

[25]秦天才,吳玉樹,王煥校,等.鎘、鉛及其相互作用對小白菜根系生理生態(tài)效應(yīng)的研究[J].生態(tài)學(xué)報,1998,18(3):320-325.

[26]楊桂娣,郭徐魁,陸錦池,等.不同價態(tài)無機砷對水稻種子萌發(fā)的影響[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊,2009(4):34-35.

[27]胡家恕,邵愛萍,葉兆杰.砷化鎵和其它砷化物對大豆種子萌發(fā)和異檸檬酸裂解酶(ICL)及超氧物岐化酶(SOD)活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,1994,13(5):194-198.

Effects of As on Seed Germination and Seedling Growth of Cucumber and Radish

FANG Zhi-hao, ZANG Shu-yan, MA Yuan, YU Bo

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

A hydroponic experiment was carried to study the effects of arsenic in the water on the germination and seedling growth of radish seeds and cucumber seeds.The results showed that low concentration of As has a certain role in promoting cucumber seed germination rate,germination potential,germination index and seedling root length.High concentration of As significantly inhibited cucumber seed germination and seedling growth and with the enhancement of As stress,the inhibition increased.As pollution has obvious effects on radish and the presence of As can influence the germination and seedling growth of radish.

As; cucumber; radish; seed germination; seedling growth

2015-10-19

國家自然科學(xué)基金項目(41373127)；沈陽市科技計劃項目(F16-205-1-12)

房志浩(1987-)，男，山東濰坊人，碩士研究生在讀，主要從事環(huán)境中金屬的治理和機理探究.

臧淑艷(1973-)，女，吉林四平人，副教授，博士，主要從事環(huán)境中金屬的治理和機理探究.

2095-2198(2017)02-0138-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.009

X523

： A