鉬對綠豆種子萌發及其幼苗生長的影響

單華旭， 于 波， 張佳晰， 周曼曼， 房志浩， 黨璐一， 臧淑艷

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

我國的鉬礦資源十分豐富，貯備量位居世界前列.鉬不僅具備極高的經濟價值，而且在軍事上具有重要的戰略儲備價值，具有廣闊的發展前景[1].然而，經濟利益促使大量的商家利用落后的技術對鉬礦資源進行無節制的開采和加工，導致了鉬礦資源的嚴重浪費.與此同時，殘留的尾礦對當地的水資源造成了嚴重污染[2-4].在整個生物圈內，隨著食物鏈的逐級提高，鉬污染物對農作物的生長發育和人體健康也造成了嚴重影響.另一方面，鉬元素缺乏對植物的生長發育以及人體健康成長同樣具有危害，人體缺鉬會產生貧血、齲齒、食管癌等疾病[5].雖然鉬元素是動植物生長必需的重要微量元素之一，但鉬攝入量過多也會對動植物生長發育產生嚴重的副作用.長期生存在高鉬環境中，會導致雄性小白鼠的精子質量降低，雌性小白鼠的分娩率下降[6].劉鵬[7]研究指出：對于飼用植物來說，當植物中鉬的含量超過10 μg/g時，將對動物產生毒害，造成動物生長受阻甚至是畸形.在農作物中，豆科植物是對鉬的需求較多一類作物，鉬脅迫對豆科植物的生理生化特性以及產量都產生顯著地影響.而鉬在植物體內的富集會直接影響到動物以及人類的健康.所以鉬污染對農作物毒害效應研究迫在眉睫.

截止目前就有許多人研究過鉬對農作物毒害效應的機理：W.S.FERGUSON等[8]在1943年就首次報道反芻動物因食用高鉬草導致鉬中毒.劉鵬[9]等報道鉬污染會影響植物品質，使植物產生褪綠和黃化的現象.趙婷[10]的研究表明鉬污染會抑制植物光合作用和蒸騰作用，導致植物膜脂過氧化嚴重.近幾年，國內外的眾多學者將研究方向主要集中在鉛、汞、砷等重金屬對植物以及人體的傷害等方面，關于鉬對豆科植物以及人體危害的研究較少，僅有劉鵬[11]和翟登攀等[12]通過實驗對大豆幼苗的抗逆性做了研究，但關于鉬對種子的萌發和幼苗生長期的生理特征(根長、莖長等)的影響沒有進行具體研究，缺乏鉬對豆科植物毒害敏感性的系統性研究.

由于微量的鉬不僅可以促進植物的生長發育，而且對人體的健康有重要意義，而綠豆是日常生活中常吃食物之一，所以本文選擇綠豆為實驗材料，在相同的實驗條件下，通過水培實驗方法研究暴露在鉬環境下綠豆種子萌發期的毒害特征和幼苗生長期的表觀癥狀，以便找出鉬對綠豆脅迫的異同關系，為人體合理利用綠豆攝入微量元素鉬提供理論依據.

1 材料和方法

1.1 材料

供試綠豆，沈陽市寧官種子站；試劑Na2MoO4，分析純，沈陽力誠試劑廠；過氧化氫，沈陽市新化試劑廠.

1.2 實驗方法

1.2.1 材料的預處理

分別配制質量濃度0.0、0.3、2.5、7.5、22.3、49.5、247.4 mg/L(以純Mo計算)的鉬溶液.選擇發育良好且顆粒完整飽滿的綠豆種子，在實驗開始前先將選好的種子浸泡在體積分數為3 %的過氧化氫溶液中，對種子表面進行殺菌消毒30 min.處理結束后，取出種子用蒸餾水沖洗4次.在干燥的培養皿中放入2層大小適中的濾紙，每個培養皿中倒入15 mL處理液，同時以加入15 mL蒸餾水的培養皿為對照組.在每個培養皿中放入35粒清洗后的綠豆種子，每一個質量濃度的處理液進行3次平行實驗， 將培養皿放入溫度為25 ℃的恒溫培養箱(HPX-9052 MBE型數顯電熱恒溫培養箱)中暗處培養.

1.2.2 測定項目

實驗開始后，每24 h補充一次蒸發掉的少量水分(保持質量平衡)，觀察種子的變化，并記錄每天發芽的種子數.發芽第9天，統計各個質量濃度的培養皿中種子的發芽數.并在每一質量濃度的培養皿中隨機抽取15株幼苗測量其芽長、根長及苗高.將幼苗的根與莖剪開，稱量各個部分的鮮質量.然后分別放入培養皿中，將培養皿置于100 ℃的恒溫干燥箱(DZF-2060型真空干燥箱)中干燥，每隔12 h測量一次質量，當相鄰兩次質量基本恒定時，取出樣品稱量其干質量.并對測量的數據進行統計處理，計算種子的發芽率、活力指數、發芽指數、以及根冠比等.

幼苗生長各項指標的測定參見王婷婷等[13-14]的方法.

1.2.3 數據處理

采用WPS軟件對實驗數據進行統計分析(最終結果是3次重復實驗的平均值).

顯著性檢驗結果由Excel 2007軟件中顯著性方差檢驗法求得.

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度鉬溶液對綠豆種子萌發及幼苗生長的影響

通過每日觀察種子的發芽情況，在種子萌發到第3 d時，高質量濃度的處理液(≥22.3 mg/L)的培養皿中，綠豆種子的子葉發青，種子易腐爛，而低質量濃度的處理液中子葉與對照組相比沒有明顯變化.在種子發芽后期，與低質量濃度處理液和對照組相比高質量濃度處理液處理的綠豆種子更容易出現主根腐爛的情況.從表1可以看出：不同質量濃度的鉬處理液對綠豆種子的各項生理指標均呈現先促進后抑制的趨勢.當鉬的質量濃度達到0.3 mg/L時，綠豆種子的發芽指數、活力指數、干質量均達到最大值，這與微量鉬可以促進植株生長發育的結論相一致[7].但隨著鉬處理液質量濃度的增加綠豆植株的各項指標值均呈現下降趨勢，抑制效果也越發明顯.當鉬的質量濃度≥7.5 mg/L時植株的生命指數均下降并低于對照組，鉬處理液對植株的抑制作用明顯，這可能是因為鉬阻礙了植株體內Fe的代謝，導致種子的某些活性物質失活或轉化，萌發過程無法正常進行，從而影響植株的生長發育.當鉬的質量濃度達到49.5 mg/L以上時，綠豆種子在發芽初期出現了種皮暗紅，子葉發青的現象.通過對各組數據進行顯著性方差檢驗，結果表明：不同質量濃度處理的綠豆種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數及植株干質量均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

由以上實驗結果可知，在綠豆種子萌發過程中，主要依靠自身的營養物質，所以鉬對綠豆種子萌發影響不大，但是在幼苗生長階段鉬對綠豆的生長呈現“低促高抑”的現象，高質量濃度的鉬培養液會抑制綠豆種子的發芽，甚至中毒.K.WARINGTON[15]的研究也表明：當植物所處的環境中鉬的含量過高，會使植物鉬中毒，將產生褪綠和黃化現象，本實驗結果對相關現象的描述，與上述研究結果相一致.

表1 不同質量濃度鉬處理液對綠豆種子萌發及幼苗生長的影響Table 1 Effects of different concentration of Mo6+ on seed germination and seedling growth

2.2 不同質量濃度的鉬溶液對綠豆苗高的影響

由圖1可以看出：隨著鉬質量濃度的升高綠豆的苗高呈現先增高后降低的趨勢.這表明低質量濃度鉬可以促進綠豆植株的生長而高質量濃度的鉬則抑制了植株的生長.當鉬處理液質量濃度為0.3 mg/L時，綠豆苗高達最大值(高于對照組39.43 %)，表現為促進作用；隨著處理液質量濃度的增大，苗高逐漸降低，表現為抑制作用.當質量濃度增大到247.4 mg/L時，抑制作用最為明顯(低于對照組55.53 %)這可能是因為鉬首先抑制了根系的活性，阻礙作物中水分輸送，更進一步抑制地上部養分的供給，從而導致植株矮小，發育不良[16].通過對數據進行顯著性方差檢驗，結果表明不同質量濃度處理的綠豆種子的苗高不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖1 不同質量濃度鉬處理液對苗高的影響Fig.1 Effects of different concentration of Mo6+ on the stem length

2.3 不同質量濃度的鉬溶液對綠豆根長的影響

由圖2可知：當Mo6+的質量濃度為0.3 mg/L時，綠豆植株的根長達到最大值(高于對照組26.05 %)，表現為促進作用.當Mo6+質量濃度大于等于7.5 mg/L時，根長明顯低于對照組.其中，當鉬處理液質量濃度為247.4 mg/L時，根長最短(低于對照組84.19 %)，這表明，高質量濃度鉬抑制了植株根部的生長.此外，綠豆在Mo6+的質量濃度≥7.5 mg/L時還表現為側根、須根增多，主根偏短且易腐爛，根部發褐、發黑，根長較對照組顯著下降.這可能是因為過高質量濃度的鉬會抑制植株根系的活性，從而使根部生長受到迫害，根部生長受抑是植物受鉬毒害后普遍的癥狀[16].通過對數據進行顯著性方差檢驗，結果表明不同質量濃度處理的綠豆種子的根長不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖2 不同質量濃度鉬處理液對根長的影響Fig.2 Effects of different concentration of Mo6+ on the root length

2.4 不同質量濃度的鉬溶液對綠豆根冠比的影響

不同質量濃度鉬溶液對綠豆根冠比的影響如圖3所示.從圖3可以看出：綠豆植株的根冠比隨著Mo6+質量濃度的升高呈現先增大后降低的趨勢.當鉬處理液質量濃度為0.3 mg/L時，根冠比為0.266 8 %，明顯大于對照組(0.195 8 %)這表明低質量濃度的鉬處理液對綠豆地上部分的抑制作用大于促進作用.隨著質量濃度的升高根冠比逐漸降低，當鉬處理液的質量濃度為2.5～7.5 mg/L時，根冠比和對照組相近，說明鉬對綠豆根部的抑制作用在增強，對地上部分的抑制作用減弱.當鉬處理液質量濃度≥22.3 mg/L時，根冠比(0.103 3 %)明顯低于對照組，說明鉬對綠豆根部的抑制作用大于地上部分.結合圖1和圖2分析可知：低質量濃度的處理液可以促進綠豆根部的生長，對莖伸長有一定的抑制作用，但是對整體植株而言，生長表現為促進作用.高質量濃度的處理液(≥22.3 mg/L)對綠豆根部和莖伸長均表現在抑制作用，而且濃度越高抑制作用越明顯.這可能是因為幼苗在生長階段的營養物質主要來自于外界，當鉬處理液的質量濃度過高種子吸收了鉬溶液以后進入了細胞中，影響并且降低了RNA和DNA的活性，抑制了細胞的分裂過程從而影響了植株的伸長[17].通過對數據進行顯著性方差檢驗，結果表明不同質量濃度處理的綠豆種子的根冠比不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖3 不同質量濃度鉬處理液對根冠比的影響Fig.3 Effects of different concentration of Mo6+ on root-shoot ratio

2.5 不同質量濃度的鉬溶液對綠豆耐性指數的影響

植物與重金屬作用時，根是最先接觸到處理液的部位，所以通過植株根系的耐性指數來反應植株對某類重金屬的耐性情況.由圖4可以看出：植株根系的耐性指數隨著處理液質量濃度的增大逐漸降低.當鉬處理液質量濃度為0.3 mg/L時，耐性指數最大(1.23)，說明在該質量濃度下促進植株根系的生長.當處理液質量濃度大于0.3 mg/L時，植株根系的耐性指數逐漸降低，當鉬處理液濃度為247.4 mg/L時，耐性指數最低(0.16)，接近對照的耐性指數(0.00)，說明當鉬處理液濃度過大時抑制植株根系的生長.通過對數據進行顯著性方差檢驗，結果表明不同質量濃度處理的綠豆種子的耐性指數不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖4 不同質量濃度鉬處理液對耐性指數的影響Fig.4 Effects of different concentration of Mo6+ on root tolerance index

3 結 論

(1) 實驗通過用不同質量濃度的鉬溶液進行水培綠豆種子，結果表明：當鉬質量濃度為0.3 mg/L時，植株的各項生長指標、苗高、根長、耐性指數以及根冠比均優于對照組，表現為促進作用.這說明低質量濃度的鉬可以促進綠豆種子的萌發以及植株幼苗的生長.

(2) 鉬的質量濃度不斷增大時，植株的各項生長指標、苗高、根長、耐性指數以及根冠比均呈現下降趨勢，在高質量濃度鉬的脅迫下，綠豆的萌發和幼苗的生長均受到抑制作用，且質量濃度越高抑制作用越強.高質量濃度的鉬對芽、根生長的抑制作用較種子萌發指標更為顯著.

實驗僅在簡單水培條件下，研究不同梯度鉬溶液對綠豆的生長指標的影響，其吸收方式、作用機理等尚待進一步研究.

：

[1] 黃凡,王登紅,王成輝,等.中國鉬礦資源特征及其成礦規律概要[J].地質學報,2014,88(12):2296-2314.

[2] 國家環境保護總局，國家質量監督檢驗檢疫總局.地表水環境質量標準GB3838-2002[S].北京：中國標準出版社， 2002：1-6.

[3] 鄂學禮.《生活飲用水衛生標準》(GB5749)的修訂[G]//中國醫療保健國際交流促進會.2007年世界水日·中國飲用水高層論壇論文匯編.北京：出版者不詳，2007：57-61.

[4] HUANG Y H,TANG C,ZENG H.Removing Molybdate from Water Using a Hybridized Zero-valent Iron/magnetite/Fe(II) Treatment System[J].Chemical Engineering Journal,2012,200-202:257-263.

[5] 屈健.動物營養中必需微量元素-鉬[J].飼料研究,2000(6):16-18.

[6] 張才,郝貴增,王亞壘,等.鉬對小鼠生殖毒性研究[J].河南科技大學學報(自然科學版),2012,33(3):54-57.

[7] 劉鵬.鉬脅迫對植物的影響及鉬與其他元素相互作用的研究進展[J].農業環境保護,2002,21(3):277.

[8] FERGUSON W S,LEWIS A H,WATSON S J.The Teart Pastures of Somerset:Ⅰ.The Cause and Cure of Teartness[J].Journal of Agricultural Science,1943,33(1):44-51.

[9] 劉鵬,楊玉愛.土壤中的鉬及其植物效應的研究進展[J].農業環境保護,2001,20(4):280-282.

[10] 趙婷.燈心草對土壤重金屬釩、鈦、鉬、鎳、錳污染的抗性研究[D].湖南農業大學,2007.

[11] 劉鵬,楊玉愛.鉬、硼對大豆品質的影響[J].中國農業科學,2003,36(2):184-189.

[12] 翟登攀,薛勇,吳玉德.鉬對大豆種子萌發的影響試驗研究[J].科技信息,2009(7):345.

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

[14] 于波,臧淑艷,房志浩.砷對西瓜和哈密瓜種子萌發及其幼苗生長的影響[J].沈陽化工大學學報,2017,31(1):9-13.

[15] WARINGTON K.The Influence of High Concentrations of Ammonium and Sodium Molybdates on Flax,Soybean and Peas Grown in Nutrient Solutions Containing Deficient or Excess Iron[J].Annals of Applied Biology,1955，43(4):709-719.

[16] BUNZL K,TRAUTMANNSHEIMER M,SCHRAMEL P，et al.Availability of Arsenic,Copper,Lead,Thallium and Zinc to Various Vegetables Grown in Slag-Contaminated Soils[J].Journal of Environmental Quality,2001,30(3):934-939.

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