重金屬汞鎘污染對水稻生長發育的影響

鄒繼穎，劉 輝，祝 惠，吳文龍，榮洪剛

(1. 吉林化工學院環境與生物工程學院，吉林吉林 132022;2. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春 130102;3. 吉林省水利水電工程局，吉林長春130000)

重金屬對人類有潛在性的危害作用，它在生物體內可以富集，并把它轉化為毒性更大的金屬化合物，從而對人類造成更大的危害［1－2］。由于某些企業將含有重金屬的工業污水排放到河道系統中以及農民長期使用含鎘元素的化肥、農藥從而造成土壤的污染，其中一些鎘可以通過食物鏈進入人體，危害人類健康［3－4］。我國稻米中的重金屬殘留問題較為突出，比農藥殘留對稻米的安全化生產帶來的危害更為嚴重［5］。因此，研究重金屬污染不僅對水稻生產具有指導作用，并且對環境治理，為無公害稻米的生產技術創新提供科學依據和工程化基礎，具有重要的理論意義和實用價值［2，6］。另外，種子萌發時如受重金屬影響，會使其萌發階段的生長狀況直接影響農作物的生長和產量，因此研究種子在萌發階段受重金屬等污染的影響尤為重要［7－9］。并且近年來，一些國際機構組織已先后將高等植物生長狀況檢測方法作為評價化學品生態風險的一項指標以檢測目標化學品的生態毒性［10－12］，并對非目標污染物的潛在毒性進行評價。目前已建立的高植物毒理實驗方法有3 種:根伸長試驗、種子發芽試驗和早期植物幼苗生長試驗［13］。很明顯，不同的高植物，不同的污染介質，不同的毒理實驗方法可能適用范圍不同。采用水培法［14－15］種植水稻，探索在水稻種子早期萌發和幼苗生長階段，不同濃度重金屬對水稻生長的影響及其生態毒性，從而為確立水稻重金屬污染毒理實驗方法和重金屬污染對水稻種子萌發及早期幼苗傷害機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

營養液:0.15 g 尿素，0.1 g 磷酸二氫鉀，0.15 g 氯化鉀于1 000 mL 容量瓶，用1%硝酸定容到刻度。水稻幼苗在營養液中培養2 周后，在營養液中加入不同濃度的HgCl2和CdCl2。營養液中汞濃度為50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250 mg·L－1，鎘濃度為50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250mg·L－1。此外設1 個對照。

供試水稻為輝南宏科67 號，取自吉林輝南。

1.2 試驗方法

試驗采用水培法培育水稻，同等條件下同時培育3 份水稻試樣，從水稻萌芽并生長穩定后開始，第一周在第1 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理1;第二周在第2 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理2;第三周在第3 份水稻試樣中加入HgCl2和CdCl2，并記為處理3。

用原子吸收分光光度法測定水稻莖葉和根部重金屬含量，以分析重金屬在水稻各部分的積累狀況。通過記錄水稻生長過程形態變化和收獲后測定水稻重量和長度，分析重金屬污染對不同階段水稻幼苗生長的影響，及其對水稻的生態毒性。

測定的生理指標主要有，測定不同時期和不同HgCl2(CdCl2)加入量的水稻的株高、鮮質量，葉綠素含量及根系和葉莖中的Hg2+(Cd2+)含量。

2 結果與討論

2.1 水稻的鮮質量

同一時期水稻隨汞濃度增加鮮質量呈遞減趨勢，且降低的幅度逐漸減小，其中以第二批水稻最為明顯，這主要是因為第二批水稻后三組樣品死亡現象比較普遍，由此可見汞污染對水稻生長有抑制作用［16］，且這種作用隨濃度的升高而增大，見表1。

表1 汞處理不同時期水稻的鮮質量(g)Tab.1 Fresh weight of rice from mercury treatment in different periods (g)

較低濃度下的鎘對水稻幼苗的生長有促進作用，當加入量為100 mg·L－1時候表現為抑制作用，并且隨著濃度的升高而增大，見表2。

表2 鎘處理不同時期水稻的鮮質量(g)Tab.2 Fresh weight of rice from cadmium treatment in different periods (g)

2.2 水稻的株高

從測得的水稻株高可知，水稻的生長受到了汞的抑制，且濃度越大，抑制作用越強。同時，水稻葉齡越大，它生長受到汞的影響越嚴重，見圖1。

圖1 汞處理不同時期水稻的植株高度Fig.1 The rice height from mercury treatment in different periods

低濃度的鎘對水稻的生長起促進作用。當加入量為100 mg·L－1時候表現為抑制作用，并且隨著濃度的升高而加大。不同生長期受到鎘的影響基本呈等比例關系［17］，見圖2。

圖2 鎘處理不同時期水稻的植株高度Fig.2 The rice height from cadmium treatment in different periods

2.3 葉綠素的變化

根據所測葉綠素值可以看出，汞對水稻的葉綠素也有一定的影響作用，而這從觀察水稻的生長現象也可得出同樣的結論，具體來說，汞濃度越大，這種作用越強，而且，葉齡期越大的水稻幼苗受到的影響越嚴重，見圖3。

由于低濃度的鎘對水稻幼苗的生長起促進作用［18］，導致鎘濃度為50 mg·L－1時水稻試樣中葉綠素濃度大于空白樣。隨著鎘濃度的增高，葉綠素濃度降低?？梢?，鎘侵染對水稻幼苗中葉綠素的含量有較大影響，見圖4。

圖3 汞處理水稻葉綠素值變化Fig.3 The change of chlorophyll value of rice under mercury treatment

圖4 鎘處理水稻葉綠素值變化Fig.4 The change of chlorophyll value of rice under cadmium treatment

2.4 水稻中汞含量

用HgCl2浸染后的水稻的莖葉和根部汞含量均明顯高于未受HgCl2浸染的水稻的莖葉和根部汞含量。且根部汞含量普遍高于莖葉汞含量。從數據中還可以發現另一現象，即隨著HgCl2量的增加，水稻莖葉和根部汞含量隨之增加，但增加幅度逐漸減小，水稻對重金屬吸附能力開始下降。由此可以看出，HgCl2對植物生長確實有著阻礙作用［19－20］，并且這種作用隨著濃度的升高而增大，見表3。

表3 不同濃度汞處理對水稻中汞含量影響Tab.3 Influence of different concentrations of mercury treatment on mercury contents in rice

2.5 水稻中鎘含量

用原子吸收分光光度法測定水稻中的鎘含量，其結果可以看出，用CdCl2浸染后的水稻莖葉和根部鎘含量均明顯高于未受CdCl2浸染的水稻的莖葉和根部鎘含量。并且根部鎘含量普遍高于莖葉鎘含量。數據還顯示，隨著CdCl2量的增加，水稻莖葉和根部鎘含量雖然都在增加，但增加幅度逐漸減小，見表4。因此，CdCl2對植物生長確實有著抑制作用，并且這種作用隨著濃度的升高而增強［21－22］。

表4 不同濃度鎘處理對水稻中鎘含量影響Tab.4 Influence of different concentrations of cadmium treatment on cadmium contents in rice

3 結 論

實驗為了確保一定的準確性，在設平行樣的同時還分批種植了水稻，從而等到了三批生長狀態不同的水稻，從而使實驗結果更加全面。實驗所得如下結論:

相同條件下，當鎘濃度不同時，表現出“低促高抑”現象，在較低的濃度時，促進了水稻幼苗生長量的增加;高濃度下，水稻幼苗的生長受到抑制，表現在植株矮小、根短粗、葉片失綠等;相同條件下，不同年齡的水稻對汞鎘的耐受性不同。汞鎘溶液濃度相同時，葉齡越小的水稻生長越差，因此，葉齡越大的水稻對汞鎘的耐受性越強;相同條件下，不同濃度汞鎘溶液對相同的水稻影響不同。通過觀察和實驗數據可知，汞鎘溶液濃度越高，其對水稻的影響越大。

汞鎘污染的水稻不同部位中汞鎘含量值皆超過背景值，且差異明顯;受汞鎘污染的水稻各部汞鎘含量均高于莖葉中的汞鎘含量，呈自下而上遞減規律。

雖然對汞鎘的耐受性不強，去除率相對不高，但是水稻對重金屬汞鎘的修復吸收起到了積極的作用，作為一個新的研究方向，水稻修復重金屬污染仍需要繼續探索。

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