模擬水環境離子液體污染對小麥幼苗生長及生理特性的影響

代磊, 薛醒, 李曉亮, 項伍杰, 付朵朵, 朱佳琦, 歐行奇

模擬水環境離子液體污染對小麥幼苗生長及生理特性的影響

代磊, 薛醒, 李曉亮, 項伍杰, 付朵朵, 朱佳琦, 歐行奇*

河南科技學院生命科技學院, 河南新鄉, 453003

通為了研究離子液體對小麥的毒害, 以周麥18、百農207和百旱207三種小麥為實驗材料, 研究了不同質量濃度(0、100、300、500、700 mg·L-1)的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑溴化鹽對三種小麥幼苗生長及生理特性的影響。結果表明, 隨著離子液體濃度的增加, 三種小麥的株高、根長、光合色素、凈光合速率和鮮質量都隨之降低, 而MDA含量和POD活性則隨之增加。在離子液體低濃度100 mg·L-1處理下, 三種小麥相比, 百農207的株高、根長、凈光合速率、光合色素含量都沒有顯著下降, MDA和POD活性也沒有顯著上升, 表明該品種在此濃度下未引起脅迫響應, 表明其耐逆性高于其他兩個品種。當質量濃度為300 mg·L-1—700 mg·L-1時, 三種小麥的各項指標與對照相比都有顯著性差異。因此說明離子液體對三種小麥都有一定的毒害作用, 且隨著離子液體質量濃度增加毒害作用逐漸增大; 三種小麥對離子液體的耐受性也不同, 相對而言, 百農207抗性最強。

離子液體; 小麥; 幼苗生長; 生理特性; 毒害

0 前言

離子液體 (ionic liquids, ILs)是指在室溫或接近室溫下呈現液態的、完全由陰陽離子所組成的鹽, 也稱為室溫熔融鹽或低溫熔融鹽[1,2]。它具有極低的蒸汽壓、不易燃、導電性強、性質穩定、對許多無機鹽和有機物有良好溶解性等諸多優點, 在分離過程、有機合成、生物催化、電化學、生物質溶解和轉化等領域具有廣闊的應用前景, 被認為替代傳統揮發性有機溶劑的新型綠色溶劑[3]。在ILs廣泛應用的同時, 它的化學和熱力學穩定性導致其在環境中難以降解, 加上其較好的水溶性, 在實際使用中大量ILs被釋放到水環境中, 其在水中的積累和污染對環境存在潛在威脅[4]。

近年來, 國內外人們對離子液體的關注也是越來越多, 關于離子液體對生物的毒性研究也屢見報道。離子液體對生物的影響與離子液體的種類、濃度、作用時間和動植物品種有關。關于離子液體種類方面, 劉芳等[5]以青海弧菌Q67為指示生物, 測定了12種ILs對發光菌的發光抑制毒性。結果表明, 4種ILs具有較高的抑制毒(pEC50> 4.5), 而另外8種ILs的毒性相對較小(pEC50<3.5)。關于離子液體的濃度和作用時間方面, 牧輝等[6]的研究顯示, [C8mirn]PF6濃度越高對普通小球藻的生長和葉綠素a的產生的抑制作用越明顯, 毒性均隨時間延長而增強, 且對葉綠素a含量的影響比對其生長的影響更顯著。Landry等[7]研究了離子液體對Fischer 344大鼠的急性毒性效應, 發現一定濃度的離子液體對大鼠體重、運動和健康均產生影響; 關于動植物品種方面, 李效宇等[8]研究了早期胚胎發育期暴露1-辛基-3-甲基咪唑離子液體后對金魚仔魚的氧化損傷; Zhang等[9]對水生植物浮萍()的研究表明, 離子液體[C8mim]Br處理會對浮萍產生毒性作用, 主要表現在光合色素含量顯著下降, 抗氧化系統受到影響, 細胞發生了脂質過氧化作用; 楊芬芬等[10]研究了5種離子液體對3種農作物(白菜、黃瓜和玉米)發芽及生長狀況的影響, 結果表明, 在一定濃度下離子液體對3種農作物均具有一定的毒害作用, 不同作物對離子液體毒性的敏感程度不同。隨著2020年新型冠狀病毒肺炎疫情的影響, 糧食安全問題已經是當前人們面臨的重大問題, 關于離子液體對糧食作物的毒害研究還很少, 本試驗就模擬離子液體１-乙基-3-甲基咪唑溴化鹽污染灌溉水源后對三種小麥的幼苗生長和生理特性的影響, 通過測定小麥幼苗生長和生理生化的相關指標, 以期探索離子液體對小麥毒性效應, 為選育抗性較強的小麥品種以及離子液體對農業生態環境和糧食安全的潛在風險評估提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥材料為: 周麥18(ZM18)、百農207(BN207)和百旱207(BH207)三種小麥均來自河南科技學院歐行奇老師的小麥育種團隊。離子液體采用的是1-乙基-3-甲基咪唑溴化鹽, 來自該校化工學院, 用于有機合成反應。

1.2 試驗方法

選取顆粒飽滿形態相似的小麥種子, 用2%次氯酸鈉的溶液浸泡小麥種子6分鐘后, 再用蒸餾水沖洗3次。在規格大小一致的培養皿內加入10 mL不同質量濃度的離子液體, 根據預試驗, 離子液體的質量濃度分別設定為0(CK)、100、300、500 mg·L-1和700 mg·L-1, CK組加10 mL蒸餾水, 每個培養皿放種子10粒, 每個處理設置三個重復。每隔兩天添加相同適量的離子液體, 對照加等量的蒸餾水。培養室為恒溫25 ℃, 光強4000-4500 lx, 光暗比為13:11。播種后, 每天統計發芽情況, 直至10天。15天后測定株高、根長、葉片葉綠素含量和鮮重等指標。

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標的測定

播種15天后, 從每個處理的培養皿中隨機選取10株幼苗, 用直尺測量株高, 即從莖基部到形態學最高點的長度; 根長是用直尺測量上述幼苗的最長根長; 鮮重測量是把上述幼苗洗干凈, 立即吸干水后, 稱重[11]。

1.3.2 光合色素含量的測定

取小麥葉片, 用去離子水清洗表面灰塵將其剪碎, 混勻。稱取0.2 g放入試管中, 加10 mL95%乙醇, 然后放在暗處浸提48 h, 期間搖動3次。提取液倒入比色杯內, 以95%乙醇為空白, 在波長665 nm、649 nm和470 nm下測定吸光度。(葉綠素見光分解, 操作時應在弱光下快速進行。)計算葉綠素a(Ca)、葉綠素b(Cb)和類胡蘿卜素(Cc)的質量濃度(mg·L-1)[12]。

Ca=13.95A665 nm-6.88A649 nm

Cb=24.96A649 nm-7.32A665 nm

Cc=(1000A470 nm-2.05Ca-114.8Cb)/245

葉片中色素含量計算公式:

葉綠素含量(mg·g-1)=(葉綠素的質量濃度×提取液總體積×稀釋倍數)／樣品鮮重。

1.3.3 凈光合速率的測定

采用Li6400便攜式光合儀(Li-Cor, USA)測定三種小麥同一葉位的葉片的凈光合速率, 每次測定時間為晴天的上午9:00-11:30, 測定時使用內置紅藍光源, 設定光量子通量密度為1200 μmol·m-2·s-1, 葉室二氧化碳濃度為400 μmol·mol-1, 葉室內溫度為25 ℃。每個處理重復三次。

1.3.4 丙二醛(MDA)含量和過氧化物酶(POD)活性的測定

丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法; 過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚比色法[13]。

1.4 數據分析

采用Excel2010軟件進行作圖, 用SPSS19.0統計軟件進行方差分析。所有數據統計前進行方差齊性檢驗, 如果, 方差齊性檢驗顯著, 則利用開平方或對數進行數據轉換。不同處理間采用LSD法進行多重比較, 顯著水平(為<0.05)。

2 結果與分析

2.1 對小麥株高的影響

由圖1可知, 不同質量濃度的離子液體對三種小麥幼苗的株高都有抑制效應, 且隨著離子液體質量濃度的增加, 對三種小麥株高的抑制作用越來越明顯。在離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 周麥18和百旱207兩種小麥的株高與對照相比都達到的顯著性差異(<0.05), 百農207與對照相比, 雖有下降, 但未達到顯著性差異。當質量濃度為300 mg·L-1時, 三種小麥的株高下降幅度很大, 與對照相比都有了顯著性降低(<0.05)。當質量濃度為700 mg·L-1時, 三種小麥在發芽后, 幾乎都停止了生長, 周麥18、百農207和百旱207的株高比對照分別減少了97%、95%和98%。

2.2 對小麥根長的影響

由圖2可知, 不同質量濃度的離子液體對三種小麥的根長都有抑制作用, 且隨著質量濃度的增加, 根長越來越短。當離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 三種小麥的根長都有明顯縮短, 周麥18和百旱207兩種小麥的根長與對照相比都達到的顯著性差異(<0.05), 百農207的根長雖有下降, 但與對照相比并未達到顯著性差異。當質量濃度為300 mg·L-1時, 三種小麥的根長與對照相比都有了顯著性降低(<0.05)。當質量濃度為700 mg·L-1時, 三種小麥的根長分別降到最低。

注: ZM18: 周麥18, BN207: 百農207, BH207: 百旱207; CK、100、300、500、700是指不同處理的離子液體的質量濃度, 單位為mg·L-1; 不同的小寫字母表示同一品種時不同處理之間存在顯著性差異(P<0.05), 下同。

Figure 1 The effect of different concentrations of ionic liquid on the plant height of three wheat varieties

2.3 不同濃度的離子液體對小麥鮮質量的影響

由圖3可知, 在不同質量濃度的離子液體處理下, 三種小麥的鮮重都收到了影響, 且隨著離子液體質量濃度的增加, 鮮質量逐漸減小。在離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 周麥18、百農207和百旱207與對照相比都達到的顯著性差異(<0.05), 當離子液體質量濃度為700 mg·L-1時, 周麥18、百農207和百旱207三種小麥的鮮重都在0.1 g以下, 分別比對照減少了75%、69%、71%。整體來看, 抑制較輕的為百農207。

圖2 不同質量濃度的離子液體對三種小麥根長的影響

Figure 2 The effect of different concentrations of ionic liquid on the root length of three wheat varieties

圖3 不同質量濃度的離子液體對三種小麥鮮質量的影響

Figure 3 The effect of different concentrations of ionic liquid on the fresh weight of three wheat varieties

2.4 對小麥葉片凈光合速率的影響

由圖4可知, 不同質量濃度的離子液體對三種小麥葉片的凈光合速率均有抑制作用, 且隨著離子質量濃度的增加, 三種小麥的凈光合速率都逐漸降低。在離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 周麥18的凈光合速率與對照相比已經達到顯著性差異(<0.05), 百農207和百旱207的凈光合速率與對照相比均有降低, 但并未達到顯著性水平。當離子液體質量濃度為300-700 mg·L-1時, 三種小麥的凈光合速率與對照相比, 都有了顯著性降低(<0.05), 其中700 mg·L-1時, 都分別降到最低值。三者比較, 百農207的凈光合速率整體降幅較小。

2.5 對小麥葉片光合色素含量的影響

由表1可知, 在不同質量濃度的離子液體處理下三種小麥葉片的光合色素含量均明顯降低, 且隨著質量濃度的增加, 葉綠素含量逐漸降低。在離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 周麥18的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素三種色素含量和百旱207的葉綠素a、葉綠素b兩種色素含量與對照相比都達到顯著性差異(<0.05), 而百農207的三種色素均有降低, 但與對照相比都沒有達到顯著性差異。當離子液體質量濃度為300-700 mg·L-1時, 三種小麥的三種色素與對照相比都達到了顯著性差異(<0.05), 當離子液體質量濃度為700 mg·L-1時, 三種小麥的三種色素含量都分別下降到最低值。說明離子液體對小麥葉片的光合色素的影響很大, 進而影響小麥的生長和發育。

圖4 不同質量濃度的離子液體對小麥葉片凈光合速率的影響

Figure 4 The effect of different concentrations of ionic liquid on the net photosynthetic rate of wheat leaves

2.6 對小麥葉片MDA含量的影響

如圖5所示, 離子液體對三種小麥葉片的MDA含量都有很大影響, 隨著離子液體質量濃度的增加, 三種小麥葉片的MDA含量也隨之升高。當離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 三種小麥葉片的MDA含量與對照相比都有所升高, 但并未達到顯著性水平。當質量濃度在300-700 mg·L-1時, 三種小麥葉片的MDA含量與對照相比都達到了顯著性水平, 其中當質量濃度為700 mg·L-1時, ZM18、BN207和BH207三種小麥葉片的MDA含量都達到最大值, 分別是各自對照的3.9倍、3.6倍、3.8倍。

表1 不同質量濃度的離子液體對小麥葉片的光合色素含量的影響

注: 不同小寫字母表示差異達到顯著水平(<0.05)。

圖5 不同質量濃度的離子液體對小麥葉片MDA含量的影響

Figure 5 The effect of different concentrations of ionic liquid on MDA content of wheat leaves

2.7 對小麥葉片POD活性的影響

如圖6所示, 隨著離子液體質量濃度的升高, 三種小麥葉片的POD活性隨之增大。當離子液體質量濃度為100 mg·L-1時, 三種小麥葉片的POD活性與對照相比都有明顯升高, 其中ZM18、BH207兩種小麥葉片的POD活性與對照相比達到了顯著性水平, 但BN207小麥葉片的POD活性與對照相比并沒有顯著性差異。隨著離子液體質量濃度, 三種小麥葉片的POD活性與對照相比都有了顯著性差異, 當質量濃度為700 mg·L-1時, ZM18、BN207和BH207三種小麥葉片的POD活性都達到最大值, 與各自的對照相比分別增加了2.3倍、2.0倍、2.2倍。

圖6 不同質量濃度的離子液體對小麥葉片POD活性的影響

Figure 6 The effect of different concentrations of ionic liquid on POD activity of wheat leaves

3 討論

本實驗研究了離子液體１-乙基-3-甲基咪唑溴化鹽對三種小麥周麥18、百農207和百旱207的株高、根長、葉片葉綠素含量和鮮質量等指標, 結果表明, 離子液體對三種小麥的這些指標均有不同程度的抑制作用, 由此可知, 離子液體對三種小麥都有一定的毒害作用, 且三種小麥對對離子液體毒性的耐受程度不同, 相對來說, 百農207抗性最強。這與楊芬芬等[10]對三種農作物的研究結果相似, 不同受體對離子液體的脅迫響應是不一樣的。

離子液體對小麥幼苗生長方面的影響, 本試驗表明, 離子液體對三種小麥的株高、根長和鮮質量都有顯著性抑制作用。這與郭瑾[14]研究的離子液體對擬南芥種子萌發及根系發育的影響有相似的地方, 可能離子液體影響了植物根尖細胞的活性, 進而影響了根尖細胞的分裂和伸長。還有研究離子液體(1-己基-3-甲基咪唑溴化鹽)對玉米幼苗生長與生理生化特性的影響, 當該離子液體質量濃度≥10 mg·L-1時, 玉米幼苗的株高、根長均顯著減少, 根系受到的傷害更大, 可能是根系直接可以接觸到離子液體[15]。楊苗等[16]研究得出, 三種不同烴鏈長度咪唑類的離子液體對玉米幼苗根、莖干重均有顯著抑制作用, 原因可能是因為離子液體在分子結構上與某種除草劑或抗生素相似, 從而產生類似的毒性效應。

離子液體對小麥幼苗生理方面的影響, 光合作用是物質積累最重要的代謝過程, 光合色素在光合作用中承擔著光能的吸收、傳遞和轉換, 其含量高低與光合作用密切相關[17]。本試驗還研究了該離子液體對三種小麥葉片的光合色素和凈光合速率的影響, 結果表明, 三種小麥的光合色素含量和凈光合速率都隨著離子液體質量濃度的增加而逐漸降低。Wang等[18]研究了不同濃度[C4mim]BF4對小麥幼苗的影響, 結果表明, 隨著[C4mim]BF4濃度的增加, 小麥生長受到明顯的抑制, 葉綠素含量急劇下降。還有人研究了咪唑離子液體對四尾柵藻的毒性, 得出了在0-200 mg·L-1范圍內, 離子液體[C4mim]Cl和[C4mim]BF4對四尾柵藻生長的抑制作用隨濃度的增加而增強, 葉綠素含量也隨之下降。可能是因為離子液體透過植物的細胞壁, 結合在磷脂雙分子膜結構表面, 破壞了膜蛋白的結構和葉綠體結構的完整性, 導致葉綠體片層結構斷裂, 從而影響了葉綠素的合成[19]。

在逆境條件下, 植物體內會有活性氧的積累, 從而導致細胞膜膜脂過氧化, MDA是膜脂過氧化的重要產物, 因此MDA含量是衡量膜脂過氧化程度的重要指標[20]。為了適應外界環境的脅迫, 植物常通過自身的保護酶(如POD)來清除體內的活性氧, 維持正常的新陳代謝[21]。本研究結果表明, 隨著離子液體的質量濃度的增加, 三種小麥的葉片的MDA含量和POD活性都隨之增加。說明離子液體的質量濃度越大, 對三種小麥的傷害程度越大, 隨著小麥體內MDA的大量產生, 小麥會通過提高自身體內POD的活性來減輕外界脅迫對它帶來的傷害, 這趨勢與胡鐵柱[21]、張倩等[22]在小麥逆境條件下的研究是相近的。

4 結論

隨著模擬水環境離子液體質量濃度的增加, 周麥18、百農207和百旱207三種小麥的株高、根長、光合色素、凈光合速率和鮮質量都隨之降低, 而MDA含量和POD活性則隨之增加。在離子液體低濃度100 mg·L-1處理下, 三種小麥相比, 百農207的株高、根長、凈光合速率、光合色素含量都沒有顯著下降, MDA和POD活性也沒有顯著上升, 表明該品種在此濃度下未引起脅迫響應, 說明其耐逆性高于其他兩個品種。當質量濃度為300 mg·L-1-700 mg·L-1時, 三種小麥的各項指標與對照相比都有顯著性差異。因此可知, 離子液體對三種小麥都有一定的毒害作用, 且隨著離子液體質量濃度增加毒害作用逐漸增大; 三種小麥對離子液體的耐受性不同, 相對而言, 百農207抗性最強。隨著離子液體的廣泛應用, 離子液體對農業生態環境存在巨大的潛在威脅, 為了良好的生態環境和糧食安全, 需要人們及相關部門的高度重視。

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Effects of simulated water environment polluted by ionic liquid on growth and physiological characteristics of wheat seedlings

DAI Lei, XUE Xing, LI Xiaoliang, XIANG Wujie, FU Duoduo, ZHU Jiaqi, OU Xingqi*

College of Life Science and Technology, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China

In order to study the toxicity of ionic liquid on wheat, the effects of ionic liquid 1-ethyl-3- methylimidazolium bromide with different concentrations (0, 100, 300, 500 and 700 mg·L-1) on growth and physiological characteristics of three wheat seedlings(Zhoumai18, Bainong207 and Baihan207) were studied in the paper. The results showed that with the increase of ionic liquid concentration, the plant height, root length, photosynthetic pigment, net photosynthetic rate and fresh weight of the three wheat varieties decreased, while MDA content and POD activity increased. When the low concentration of ionic liquid was 100 mg·L-1, the plant height, root length, net photosynthetic rate, and photosynthetic pigment content of Bainong207 did not decrease significantly, and the MDA content and POD activity of Bainong207 did not increase significantly, indicating that this variety did not cause a stress response at this concentration, and its stress tolerance was higher than that of the other two varieties. When the concentration was 300 mg·L-1-700 mg·L-1, the indexes of the three wheat varieties had significant differences compared with those of the control group. Therefore, the ionic liquid had toxic effect on three kinds of wheat, and the toxic effect increased with the increase of ionic liquid concentration. The tolerance of three kinds of wheat to ionic liquid was also different. In comparison, Bainong207 had the strongest resistance.

ionic liquid; wheat; seedling growth; physiological characteristics; poison

代磊, 薛醒, 李曉亮, 等. 模擬水環境離子液體污染對小麥幼苗生長及生理特性的影響[J]. 生態科學, 2022, 41(3): 166–171.

DAI Lei, XUE Xing, LI Xiaoliang, et al. Effects of simulated water environment polluted by ionic liquid on growth and physiological characteristics of wheat seedlings[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 166–171.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.019

948.1

A

1008-8873(2022)03-166-06

2020-07-02;

2020-09-03

河南省重大科技專項(151100110700); 大學生創新訓練重點項目(201910467017); 博士科研啟動基金項目(201010613003)

代磊(1982—), 男, 河南扶溝人, 博士, 主要從事植物生理生態學研究, E-mail: daileinihao@126.com

歐行奇, 教授, 主要從事小麥育種研究, E-mail: ouyangxq@163.com