铅、铜单一及复合污染对水稻种子萌发及生长的影响

王立新，王 存，吴小芳

（常熟理工学院 生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500）

随着我国工业化的发展,一些企业将含有重金属的工业废水废物直接排放到河道,这不仅会污染水源,继而还会对土壤造成污染.重金属污染已成为当今污染面最广、危害最大的环境问题之一.

铅与铜是两种较为常见的重金属.大多数学者认为铅不是生物生长的必需元素，而是一种对生物有积累性危害的污染物质［1］.铅对植物体生长及生理生化有多方面的影响,如抑制植物光合作用、抑制呼吸作用等［2,3］.铜是植物生长的必需微量元素之一，但过量会对植物造成许多生理毒害,抑制植物生长［4,5］.

本实验以当地水稻品种常优1号为研究对象,通过添加外源重金属铅与铜,分析水稻种子萌发和苗期生理指标的变化,以探讨重金属铅及铜对水稻生命初期的抑制作用,为预防水稻早期的重金属伤害以及由此而引发的食品安全问题提供理论参考.

1 材料和方法

1.1 实验材料

供试水稻(Oryza sativa L.)种子，品种为常优1号，购于常熟市种子站.

供试重金属离子：Cu2+(CuSO4·5H2O)、Pb2+（Pb(NO3)2），均为分析纯.

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理

水稻种子用0.5%次氯酸钠消毒10min，经蒸馏水冲洗3次后浸种24h,挑选颗粒饱满一致、无病虫害、无破损者放入铺有双层消毒纱布的培养皿中，每皿均匀放置30粒,分别用不同质量浓度Cu2+或Pb2+溶液处理，加液量以种子湿润为宜.于光照培养室中培养,条件为：28℃、12h/12h(光照/黑暗)、光照强度2000lux.培养过程中，每12h更换一次处理液.重金属离子溶液处理5d改用木村B营养液恢复培养，5d后进行各项指标测定.

1.2.2 实验设计

铅离子单一处理的浓度分别为300、400、500、600mg·L-1；铜离子单一处理的浓度分别为5、10、15、20mg·L-1；复合处理为两种离子的正交组合；对照组用蒸馏水培养.每组设3个重复，数据取其平均值.

1.2.3 测定方法

发芽率的统计采用直接计数法，前5d内胚芽长度大于1/2种子长度者视为萌发，用百分率表示［6］.初生根长及苗高的测定采用直尺测量法，每皿随机挑选5颗种子进行测量，取其平均值.水稻幼苗叶片叶绿素含量的测定采用丙酮提取法［7］.

2 结果与分析

2.1 Pb2+与Cu2+单一及复合处理对水稻发芽率的影响

植物生理理论认为：种子吸水膨胀后的萌发活动是各种酶的调控结果，此时对外界条件变化较为敏感.发芽率作为一个重要指标能较直观地体现外界条件变化对其的影响.由表一可知，在Pb2+单一因子处理下，水稻发芽率相比对照而言出现一定程度的低促高抑现象，但差异不显著.而Cu2+单一处理对萌发率的影响较大.其中2mg·L-1处理组明显降低水稻发芽率，而5mg·L-1的Cu2+处理则促进水稻发芽，随后发芽率又有所降低，至15mg·L-1时比对照组降低了17%，差异显著.复合处理下，由于相对低浓度的Pb2+（≤400mg·L-1）的加入，Cu2+影响下的水稻发芽率与单一处理相比有一定程度的上升.随着Pb2+浓度的升高，特别是Pb2+浓度达到600mg·L-1时，在铅与铜的共同作用下，5mg·L-1的Cu2+与400mg·L-1的Pb2+组合使水稻种子发芽率达到最高，而后发芽率急剧下降，至最高浓度组合时仅为对照的76%.

2.2 Pb2+与Cu2+单一及复合处理对水稻初生根长及苗高的影响

由表2可知,初生根长度随着单一Pb2+浓度的增加而不断下降，当Pb2+浓度为300mg·L-1和600mg·L-1时，初生根长分别降为对照组的35.4%和22.6%，差异显著.从观察中还发现,随着Pb2+浓度的增加，水稻种子根系颜色由正常的白色逐渐转成褐色，当Pb2+浓度达到最高值时时，根系大部分呈现褐色.说明Pb2+对水稻根系的生长产生了严重抑制.而单一Cu2+对水稻初生根长度的抑制作用也极其显著，两者呈显著负相关.从表3可见，单一Pb2+与Cu2+对水稻苗高的影响均呈现出抑制苗高的趋势，具体表现为随着Pb2+与Cu2+浓度的升高水稻苗高度不断下降，差异显著.

就复合作用而言，Pb2+与Cu2+的共同作用对水稻初生根长及苗高的抑制均大于相应浓度下的单一作用.特别是最高浓度组合（Pb2+600mg·L-1与Cu2+15mg·L-1），初生根长仅为对照组的1.7%，而苗高也比对照组降低了92.2%，严重抑制了水稻幼苗的生长.

表1 不同浓度的Pb2+与Cu2+复合处理对水稻发芽率的影响（%）

表2 不同浓度的Pb2+与Cu2+处理对水稻初生根长的影响（cm）

表3 不同浓度的Pb2+与Cu2+处理对水稻幼苗高度的影响（cm）

2.3 Pb2+与Cu2+单一及复合处理对水稻幼苗叶片叶绿素含量的影响

光合作用是植物生长的物质基础，叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量的多少对光合作用有直接的影响，是植物生理状态的重要指标［8］.由表4可知水稻幼苗的叶绿素含量在单一Pb2+作用下表现为随着浓度的升高呈下降趋势.这与单一Cu2+处理结果有较大的不同.在Cu2+单一处理下，水稻幼苗叶绿素含量呈现较明显的先升后降趋势.当Cu2+浓度为2mg·L-1时达到最高，此时比对照组高出0.7倍.此后随着Cu2+浓度的上升叶绿素含量开始逐步下降.铅与铜两种离子复合处理对水稻幼苗叶绿素含量的影响总体呈现出低促高抑.其中最低浓度组合Pb2+300mg·L-1、Cu2+2mg·L-1处理时叶绿素含量最高，为对照组的2.5倍.但随着较高浓度Pb2+的加入，叶绿素含量呈现下降趋势，至最高浓度组合时降到最低.此结果也与观察中发现水稻幼苗叶色在处理末期呈现枯黄现象相吻合.

表4 不同浓度的Pb2+与Cu2+处理对水稻叶片叶绿素含量的影响(mg/g FW)

3 讨论

一般而言，植物吸收重金属的浓度有随外界重金属浓度的增高而增加的趋势，重金属浓度增加到一定数值后，可对植物的生长产生危害，其生理、生化过程受阻，生长发育停滞甚至死亡.本试验中，在Pb2+与Cu2+单一处理下，两者都在不同程度上影响了水稻种子萌发及生长.表现为不同浓度的Pb2+与Cu2+均显著抑制了水稻根及茎叶的生长，且对根长的抑制作用大于茎叶.就其生物学效应而言，Cu2+的毒害效应远大于Pb2+.其原因可能跟植物对铜与铅有不同的吸收、转运及累积模式有关［9］.Pb2+与铜单一处理对水稻叶绿素含量的影响却不尽相同.Cu2+处理下呈现低促高抑现象，且促进幅度较大.而Pb2+处理总体表现下降趋势.说明低浓度的Cu2+处理能促进水稻幼苗叶绿素的合成，这是植物的一种应激反应［10］.对于叶绿素含量降低的原因，Stohard A K等［11］认为是重金属抑制了原叶绿素酸脂的还原，而此酶是叶绿素合成所必需的.

重金属的复合污染是一个非常复杂的过程，其生态效应受作物品种、元素组合、相对浓度和比例以及环境因素等的多重影响［12］.由于300mg·L-1Pb2+的添加，协同Cu2+使叶绿素含量上升；当Pb2+浓度超过300mg·L-1时，又协同Cu2+使叶绿素含量下降.其他几组指标也有类似现象.总体而言，在本实验中Pb2+与Cu2+复合作用对常优1号水稻表现出一定的协同作用，此结果与吴涛等[9]对鱼腥草的研究基本一致.

重金属胁迫对植物的影响是多方面的，其不仅影响植物的生理状态，对植物的组织结构、形态建成等均有一定的影响［13，14］.本文仅在短期水培条件下，利用铅与铜两种重金属离子对水稻生命初期的一些生理指标作了初步探讨，其吸收方式、作用机理等尚待进一步的研究.

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