水溶态Cd、Zn及其复合污染对3种豆类胚根生长的影响*

陈 坤 徐龙君 袁 智 李世贵 易 俊

(1.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆，400030;2.重庆科技学院安全工程学院，重庆，401331;3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京，100195)

水溶态Cd、Zn及其复合污染对3种豆类胚根生长的影响*

陈 坤1，2徐龙君1＊＊袁 智3李世贵2易 俊2

(1.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆，400030;2.重庆科技学院安全工程学院，重庆，401331;3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京，100195)

采用水培实验，研究了 Cd、Zn 单一及其 Cd(20 mg·kg－1)、Zn(5、10、15、20 mg·kg－1)复合污染对3 种豆类胚根生长的影响.结果表明，Cd溶液处理，Cd2+浓度为2 mg·kg－1时，3种豆类发芽数(粒)高于对照组，黄豆的发芽数随处理浓度增加而减少，呈负相关，对绿豆和豌豆的发芽没有明显影响，对3种豆类胚根的生长均抑制，对绿豆抑制效应明显，24 h后3种豆类胚根开始出现坏死，或停止生长;不同Zn溶液处理，对3种豆类发芽没有明显影响，低浓度Zn溶液处理(Zn2+＜15 mg·kg－1)，刺激胚根生长，抑制率随Zn浓度增加而减小，对绿豆刺激作用明显，Zn2+＞15 mg·kg－1，抑制率随浓度增加而增加，出现抑制效应，20 mg·kg－1时抑制3种豆类胚根的生长;Cd(20 mg·kg－1)和不同浓度Zn复合污染，低浓度Zn(Zn2+＜15 mg·kg－1)，抑制率随Zn2+浓度增加而减小，促进胚根生长，Zn与Cd主要表现为拮抗作用，Zn2+＞15 mg·kg－1，Zn与Cd一起毒害，抑制率随浓度增加而增加，20 mg·kg－1时抑制3种豆类胚根生长.

豆类，镉，锌，水培实验，复合污染，发芽，胚根生长.

重金属物质进入土壤、大气、水，通过蔬菜的吸收和富集使蔬菜质量下降.Cd是毒性最强的重金属元素之一，过量的Cd会影响植物的生长，在植物体内累积，进入食物链，对人体造成危害［1－3］.有关重金属对蔬菜的影响研究有许多报道，吴鹏等［4］采用水培法发现低浓度Cd对大豆生长有促进作用，高浓度Cd对大豆生长有抑制作用.党锋［5］等研究了Cd、Zn处理对烤烟生长的影响，Zn、Cd之间有拮抗作用，烟叶中吸收累积的Cd随土壤Zn浓度的增高而降低.侯艳伟等［6］在Cd单一及Cd、Zn复合污染对玉米幼苗生理特性的影响研究中表明Zn对Cd的氧化胁迫表现出一定的缓解作用.贾彦等［7］发现低浓度的Cd能够促进金针菇的生长，高浓度的Cd、Zn对金针菇生长会产生抑制作用.Cd-Zn之间表现既有Cd-Zn协同作用，又有拮抗作用［8，9］，目前关于Cd、Zn单一以及交互作用的植物效应已经有了比较深入的研究.

豆类在我国广泛种植，土壤中重金属对豆类种子胚根生长产生危害.Cd是对人体有危害的一种重金属，而Zn是植物生长需要的一种微量元素，Cd和Zn往往在自然界中共存，目前对豆类污染的研究报道较少，特别是对黄豆、绿豆、豌豆胚根污染对比生长、以及交互作用的影响.

本实验主要采用水培实验，针对绿豆、黄豆和豌豆，采用不同浓度的Cd、Zn对种芽胚根的抑制作用进行研究，并探讨了Cd、Zn的交互作用下对种芽胚根的影响.

1 材料与方法

1.1 供试材料

CdCl2和ZnCl2均为分析纯.用蒸馏水将 CdCl2、ZnCl2配制成1000 mg·kg－1母液，浓度设置参考文献［10-11］，稀释为 12 种不同浓度的溶液:Cd2+(2、5、10、20 mg·kg－1);Zn2+(5、10、15、20 mg·kg－1);Cd2++Zn2+(20+5、20+10、20+15、20+20 mg·kg－1).供试种子绿豆(中绿 1 号)、黄豆(西豆 3 号)、豌豆(中豌6号)，由重庆市农业科学院提供.

1.2 试验方法

选取籽粒饱满种子以0.5%次氯酸钠溶液浸泡消毒30 min，用去离子水冲洗净，室温下用12种不同浓度的溶液分别浸种9 h后排列于铺有两层滤纸的12个培养皿中，每皿50粒，以蒸馏水为对照组，设12种重金属处理液，每皿加入重金属溶液;每组重复3次，置人工气候箱中培养(温度25℃ ±1℃，湿度75% ±1%，光照时间12 h)，保持滤纸润湿，并纪录下1 d的发芽数.发芽24 h，每皿选取整齐一致的种芽15个，测定胚根长度.

1.3 测定指标及方法

胚根长度:采每皿15个种芽用游标卡尺测定取其平均值，然后再计算3次重复的平均值.

胚根平均生长率(%):胚根平均生长率 =dy/dt×100%(y为胚根长度，单位为cm;t为时间，d).

胚根生长抑制率:胚根生长抑制率(%)=1－(胚根平均生长率/对照胚根平均生长率).

采用SPSS统计软件和Excel软件进行显著性检验和相关性分析.

2 结果与讨论

2.1 不同浓度Cd处理对3种豆类发芽的影响

由图1可知，与对照组相比，Cd2+浓度为2 mg·kg－1时，3种豆类发芽数(粒)高于对照组，添加低浓度Cd2+对3种豆类种子发芽均有刺激作用.不同浓度的Cd2+处理，对黄豆的发芽影响最大，随Cd2+浓度增加，抑制作用显著，抑制效应增强，Cd对黄豆的发芽产生明显的抑制，浸种9 h，种子的发芽数随Cd处理液浓度的增加而减少，呈负相关，相关系数为0.9365.对豌豆和绿豆发芽无明显影响，抑制效应不显著.随Cd2+浓度的提高，过多的Cd2+进入细胞与核酸相结合，降低了RNA和DNA的活性，引起核酸裂解，从而影响有丝分裂.黄豆种子萌发受Cd胁迫伤害过程中，活性氧代谢失衡，从而造成膜脂过氧化加剧，增加过氧化有害物积累，使细胞膜系统破坏及大分子生命物质损伤，细胞原生质膜遭到破坏，致使膜透性增加，抑制了黄豆种子的萌发［6］.绿豆和豌豆种子发芽随Cd2+浓度增加影响不显著，可能原因是细胞膜系统破坏程度不高，膜透性基本不变.

2.2 不同浓度Cd处理对3种豆类胚根生长的影响

由图2、表1可知，胚根平均长度随Cd2+处理浓度的增加而减小，其长度均低于对照组，抑制率均随处理浓度的增加而增加.各浓度Cd2+处理对3种豆类生长种芽均有抑制作用，且随时间的推移，浓度的增加，抑制效应更加明显，3种豆类抑制效果相比较，对绿豆抑制效应明显.

图1 24 h不同Cd浓度处理对发芽数的影响Fig.1 Effect on the germination of three beans treated with different concentrations of Cd for 24 h

图2 不同浓度Cd对3种豆类生长抑制率的影响Fig.2 The inhibition rates on the root growth of the three beans treated with different concentations of Cd

通过观察，对绿豆而言，当Cd2+浓度达5 mg·kg－1时，24 h后胚根就出现褐色坏死，并随着处理浓度的增加，出现褐色坏死的数目也随之增加，叶片数也随之降低，Cd2+浓度为20 mg·kg－1时，胚根的生长基本停止.对黄豆而言，Cd2+浓度为10 mg·kg－1时，胚根开始变褐，24 h后开始出现侧根，并随Cd2+浓度的增加，侧根数逐渐减少，表现抑制效应.对于豌豆而言，Cd2+浓度为10 mg·kg－1时，48 h胚根出现褐变，坏死.Cd2+浓度较低时，根系对镉的积累会对IAA(生长素)、GA3(赤霉素)类激素产生抑制作用;微量镉的存在对其产生刺激效应，随着Cd2+处理浓度的增加，对IAA和GA3合成的抑制作用加强，幼苗的生长发育受到严重影响［12］.本试验，Cd2+＞5 mg·kg－1时，3种豆类胚根出现畸形，甚至褐化坏死，抑制效应显著.Cd对胚根生长抑制的原因可能是Cd2+进入植物体后，大多数在根部积累，根细胞中存在大量交换位点，将重金属离子固定在这些位点上，进而破坏细胞内染色体和核仁，抑制了细胞的分裂［13］.随着Cd2+浓度的增加，染色体和核仁进一步遭到破坏，抑制效应增加，与陈世军等［14］研究Cd2+对辣椒的影响一致.低浓度的Cd提高根系活力，随着Cd2+浓度增加抑制植物根系活力，这可能是抑制3种豆类胚根生长的主要原因.

表1 不同浓度Cd处理3种豆类的胚根长度Table 1 The root length of three beans treated with different concentrations of Cd

2.3 Zn处理对3种豆类发芽及胚根生长的影响

在本试验处理的浓度内，不同浓度的Zn2+对3种豆类的发芽数均无明显影响.由表2可知，Zn2+浓度为 5 mg·kg－1、10 mg·kg－1和 15 mg·kg－1时，胚根长度高于对照组，表现为植物生长的暂时性增强，其胚根长度随浓度的增加而增加，3种豆类比较，对绿豆刺激作用明显.15 mg·kg－1时，3种豆类胚根平均长度达到最大，随后，胚根长度随浓度增加而减小，浓度为20 mg·kg－1时，其生长反而受到抑制.由图3可知，Zn2+浓度为 5 mg·kg－1、10 mg·kg－1和 15 mg·kg－1时，胚根抑制率均小于对照组，抑制率随浓度增加而降低，在15 mg·kg－1抑制率到达最低，随后抑制率随浓度增加而增加.

表2 不同浓度Zn处理3种豆类的胚根长度Table 2 The root length of three beans treated with different concentrations of Zn

陈素华等［15］报道，随Zn2+浓度的提高，Zn对根系生长和根系活力的促进作用逐渐减弱，而抑制作用逐渐增强.由此可以看出，试验设计浓度范围内，抑制率先减小后增加，刺激作用先增强后减弱，15 mg·kg－1时出现转折.Zn2+＜20 mg·kg－1对3种豆类胚根的生长表现出一定的促进作用，对绿豆的促进表现明显，Zn2+＞20 mg·kg－1抑制胚根生长，生长速度下降，绿豆和黄豆抑制效应显著，豌豆仍表现为促进作用.齐春艳等［16］报道，环境中有效Zn与其形态密切相关，其中以水溶态和交换态的活性最强，含量分布在 1—10 mg·kg－1之间.本实验设计水溶态 Zn2+浓度 20 mg·kg－1时，受到抑制，与徐卫红［17］报道Zn2+≥20 mg·kg－1对大白菜生长就产生了较强的毒害作用一致.过量供Zn大幅度提高胚根的Zn含量和吸收量，主要累积在根部并使胚根严重受害，Zn2+浓度20 mg·kg－1处理的培养介质，可能是胚根受重金属伤害，破坏了质膜，造成有机物、H+大量外渗的结果，导致胚根生长受到抑制.在低浓度Zn2+处理下，种子的胚根生长反而增快，但当Zn增大到一定浓度时，也会抑制胚根生长.Zn对种芽生长的影响主要是通过合成生长素IAA的量来控制，在一定的范围内，Zn的含量与IAA的量呈正相关，这可能是在一定浓度内Zn对胚根有促进作用的原因，当Zn浓度进一步增大时，产生了过量的IAA，会扰乱种芽正常的激素平衡体系，从而抑制了种芽胚根的正常生长.

2.4 Zn和Cd复合污染对3种豆类胚根生长的影响

高浓度的重金属处理容易造成胚根的生长停止，为了探讨重金属复合污染对3种豆类种芽胚根的影响，设计了不同浓度Zn2+与定浓度Cd2+(20 mg·kg－1)对3种豆类胚根生长的影响，以Zn2+浓度计.由图4可知，随着低浓度Zn的加入，对3种豆类的胚根均出现刺激作用，其中对豌豆的促进作用最明显;Zn2+浓度达20 mg·kg－1时，3种豆类胚根的生长均出现抑制，对豌豆胚根的抑制效应最强.同一浓度Zn2+下，绿豆抑制率高于豌豆和黄豆，黄豆较另两种豆类对Zn的抵抗能力较弱，但仍高于对照组;从图4中还可以看到，Zn2+＜15 mg·kg－1时，抑制率随Zn浓度的增加而减小，Zn2+的浓度增加对胚根生长的促进作用增强.Zn2+＞15 mg·kg－1时，抑制率随Zn浓度的增加而增加，促进作用减弱.

图3 不同浓度Zn处理对3种豆类生长的抑制率Fig.3 The inhibition rates on the root growth of the three beans treated with different concentations of Zn

图4 不同浓度Zn与低浓度Cd的混合溶液对豆类生长的抑制率Fig.4 The inhibition rate on the root growth of the tree beans treated with a mixed solution of low concentration Cd and various concentrations of Zn

Zn2+和Cd2+混合污染，它们之间的作用并不是简单的累加效应，由于它们具有相同的结构，所以在种芽内Zn2+与Cd2+相互竞争吸附点，由于不同重金属离子专性吸附的能力不同，它们进入胚根数量不同［18］.种芽减少对Cd2+的吸收，使Cd的毒性减弱，表现为在一定浓度内，混合处理液对胚根生长的促进作用，但当Zn的浓度过大时，又会产生过量的IAA，反过来抑制胚根的生长.可见，Zn2+＜15 mg·kg－1时，Cd2+浓度不变，Zn2+浓度增加，Cd单一污染时，20 mg·kg－1抑制作用最强，此时，3种豆类胚根抑制率随Zn2+浓度增加而减小，表现促进作用，起主要作用的是Zn2+促进胚根生长，与Cd2+竞争吸附，主要表现为拮抗作用，Cd、Zn拮抗作用可能的机制是因为Zn和Cd具有相同的核外电子构型，竞争Zn酶中Zn的结合位点，抑制Cd的吸收，减少含Zn酶中Zn被Cd取代，从而减弱Cd对含Zn酶的破坏，加入Zn后，Cd进入胚根的机会减少，Cd竞争力减弱，Zn竞争力增强，更多的Zn仍能与Zn酶结合使Zn酶保持原有活性，同时 Zn可能促进 Cd复合物的合成，使 Cd的毒性下降［19］.Zn2+＞15 mg·kg－1，Cd2+不变时，3种豆类抑制率随Zn2+浓度增加，抑制率增加，促进作用减弱，Zn2+浓度为20 mg·kg－1时，抑制效应开始显现，Zn2+、Cd2+一起抑制胚根生长，主要表现为协同作用.由于Cd与Zn具有相同的价态和近似的离子半径，在胚根细胞表面发生Zn竞争Cd位的协同作用，导致Cd有效性增强，从而使Cd大量进入胚根细胞，影响胚根的生长发育，对胚根的生理毒害效应协同效应降低了3种豆类胚根对Cd的控制力，可能的原因:一是一定浓度的Zn阻断了Cd2+对金属硫蛋白生物合成过程的诱导作用［20］，抑制了Cd结合蛋白的合成，从而增强了Cd的毒害作用，抑制了胚根的生长发育;二是Zn刺激根部产生更多的转运载体，促进了与Zn相似性质Cd的吸收和转运［21］，让更多的Cd迁移，对胚根产生毒害效应.

3 结论

试验中，不同浓度Cd2+与黄豆发芽数呈负相关，对豌豆、绿豆发芽数没有明显影响;3种豆类胚根长度随Cd2+浓度增加而减小，抑制率随Cd2+浓度增加而增加，对绿豆的抑制效应显著.不同浓度Zn2+对3种豆类发芽数无明显影响，Zn2+＜15 mg·kg－1，随浓度增加，促进胚根生长，Zn2+＞15 mg·kg－1，浓度增加，抑制率增加.Cd(20 mg·kg－1)与不同浓度 Zn复合处理，存在交互作用，Zn2+＜15 mg·kg－1，Zn 与Cd主要表现为拮抗作用.Zn2+＞15 mg·kg－1时，主要表现为协同作用;目前得出的Cd、Zn复合污染的结论，仅考虑了20 mg·kg－1的Cd和不同浓度的Zn，关于不同浓度的Cd与不同浓度的Zn复合污染的相互作用机制有待进一步研究.

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EFFECT OF WATER-SOLUBLE CADMIUM，ZINC AND THEIR COMBINED SOLUTION ON ROOT GROWTH OF THREE KINDS OF BEANS

CHEN Kun1，2XU Longjun1YUAN Zhi3LI Shigui2YI Jun2

(1.Key Lab for the Exploitation of Southwestern Resources＆ the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing，400030，China;2，College of Safety Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing，401331，China;3.CNPC Drilling Research Institute，Beijing，100195，China)

Effects of Cd，Zn，separately and in combination，on the root growth of three kinds of beans have been investigated by water-culturing experiments.The results showed that at 2 mg·kg－1Cd the germination of the three beans was higher than the control group.The germination index of soy bean decreased with the increase of Cd concentration.There was a negative correlation between germination index of soy bean and Cd concentration.There was no effect on the germination index of mung bean and pea，and the root growth of the three beans was inhibited，especially for mung bean.After 24 h the roots of the three beans became putrescence or stopped growing Zn had no effect on the germination of the three beans.As Zn concentration was lower(Zn2+＜15 mg·kg－1)，the growth of the roots was stimulated，and the inhibition on the root growth decreased with the increase of Zn concentrations，especially for mung bean.The inhibition rates increased with the increase of Zn concentrations，and the root growth was inhibited(20 mg·kg－1).With 20 mg·kg－1Cd，the inhibition rates decreased with the increase of Zn at low concentration(Zn2+＜ 15 mg·kg－1)，and the growth was stimulated.At Zn2+＞15 mg·kg－1，Cd and Zn inhibited together.The inhibition rates increased with the increase of Zn concentrations，and the roots growth was inhibited when the concentration of Zn was 20 mg·kg－1.

beans，Cd，Zn，water-culture experiment，combined pollution，germinate，root growth.

2010年12月1日收稿.

*重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ08A05)资助.

＊＊通讯联系人，xulj@cqu.edu.cn