煤矸石淋濾液對柳葉空心菜幼苗生長的影響

侯沁文

（長治學院 生物科學與技術系，山西 長治 046011）

煤矸石淋濾液對柳葉空心菜幼苗生長的影響

侯沁文

（長治學院 生物科學與技術系，山西 長治 046011）

為分析煤矸石長期堆放對周圍環境植物生長發育的影響，采用盆栽培養方法，研究了煤矸石不同濃度淋濾液對空心菜種子萌發、葉綠素含量和抗氧化酶活力等的生態毒性。結果表明：煤矸石淋濾液濃度為0～400.3 mg·L-1時，對空心菜種子的發芽率和發芽勢抑制作用顯著，濃度越高，抑制作用越顯著；但當煤矸石淋濾液濃度＞400.3 mg·L-1時，其發芽勢差異不顯著，而發芽率差異顯著。煤矸石淋濾液濃度為814.8 mg·L-1和1358.5mg·L-1時，對空心菜苗高抑制作用最顯著，而其濃度＜271.2 mg·L-1時，抑制作用不顯著；葉綠素含量與煤矸石淋濾液濃度呈線性負相關（＞0.85）。不同濃度煤矸石淋濾液下的空心菜幼苗POD、SOD和CAT在不同部位抑制作用不同。因此，煤矸石淋濾液對空心菜幼苗生長會有一定程度的生態毒性。

煤矸石淋濾液；幼苗；抗氧化物酶；生態毒性

煤矸石是煤炭產業在采煤、洗煤過程中產生的固體廢物，是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物，屬成煤時伴生的一種硬度較大、含碳量較低的黑灰色巖石，占產煤量的10%～20%[1,2]。堆放的煤矸石長期風化加之降雨淋溶作用后，煤矸石所含一部分重金屬元素釋放到周邊土壤，從而造成土壤重金屬污染[3]。由于人為和自然因素作用，造成某些重金屬遷移性較強，使周邊以及較遠處土壤和水源被污染，造成農作物減產甚至絕收。這些重金屬經由食物鏈、食物網進入到人體，危害人身健康[4-8]。

目前國內外研究者主要在淋溶特性、重金屬污染等方面進行了研究。如：煤矸石中重金屬動態淋濾溶出特征[9]、礦區煤矸石堆放引起周邊的農田土壤重金屬污染[10,11]、煤矸石堆場對周圍水環境中的污染[12]。關于煤矸石污染對周邊農作物影響的研究甚少，楊金芳[13]利用礦井廢水灌溉小麥，研究其對小麥生長及土壤環境的影響。文章用不同濃度煤矸石淋濾液來培養柳葉空心菜，通過分析種子的萌發情況、葉綠素含量、三種抗氧化酶活性等的變化，探討了煤矸石淋濾液對柳葉空心菜潛在的生態毒性。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

煤矸石樣品采自山西省潞安礦務局王莊礦區。實驗所用生物材料為空心菜由河南省利奇種子公司提供。

1.2.1 煤矸石淋濾液的制備

制備煤矸石淋濾液參照肖利萍等[14]方法，按照長治市年平均降雨量計算，每次收集950 mL淋濾液，收集5個濃度煤矸石淋濾液，分別為122.5 mg· L-1、271.2 mg·L-1、400.3 mg·L-1、814.8 mg·L-1、1358.5 mg·L-1。

1.2.2 種子發芽和幼苗生理生態毒性

柳葉空心菜先用10%的NaClO溶液浸泡10 min，然后用純凈水反復清洗5次，最后用直徑為30cm塑料盆加土培養，培養試驗煤矸石淋濾液濃度為0、122.5、271.2、400.3、814.8和1358.5mg·L-1。每個濃度設置3個重復，每盆撒20粒種子，在25℃培養箱中培養。發芽勢測定參照王彥梅[15]等的方法。第7 d計算發芽率（%）。7 d后將部分空心菜幼苗收起來，測定苗高，并測定其葉綠素含量。于15 d時測定空心菜葉片和根的抗氧化物酶活性。葉綠素含量的測定按照Hegedüs[16]等的方法。抗氧化酶活力測定采用分光光度法[16]。

1.2.3 數據統計與分析

數據進行統計分析采用dps7.05和origin8.0軟件。

綜上所述，NAFLD患者存在免疫調節紊亂，CD4+CD25+T細胞的變化與NAFLD病情程度及多種危險因素密切相關，外周血CD4+CD25+T細胞水平在一定程度上可反映NAFLD患者的病情進展及肝細胞損害程度，提示檢測NAFLD患者外周血CD4+CD25+T細胞水平或許可協助判斷其病情及預后；并為臨床NAFLD的治療提供新的參考。

2 結果與分析

2.1 煤矸石淋濾液對空心菜種子發芽的影響

從圖1可知，空心菜種子的發芽勢、發芽率隨著淋濾液濃度的增加逐漸降低。煤矸石淋濾液各濃度空心菜發芽率和發芽勢均顯著低于對照組（P＞0.05），對于發芽率來說，除了400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1這兩個濃度下空心菜種子發芽率差異不顯著外，其他濃度之間發芽率差異均顯著。對于發芽勢來說，濃度＜814.8 mg·L-1時，濃度之間發芽率差異均顯著，濃度＞814.8 mg·L-1時，空心菜種子發芽率差異不顯著。

圖1 煤矸石淋濾液對空心菜種子發芽的生態毒性Fig.1 Ecotoxicity of coal gangue leaching filtrate on the seed germination of water spinach

2.2 煤矸石淋濾液對空心菜苗高的影響

柳葉空心菜生長第7 d天以后開始測量株高，每天測量1次，連續測量8次，結果見表1。從表1發現隨著煤矸石淋濾液濃度增大，培養天數增長，其對柳葉空心菜生長有明顯抑制作用。在煤矸石淋濾液濃度為814.8 mg·L-1和1358.5 mg·L-1時，空心菜苗高抑制作用最明顯，而煤矸石淋濾液濃度＜271.2 mg·L-1時，抑制作用不太明顯。但是，其總體趨勢為隨著煤矸石淋濾液的升高，其對柳葉空心菜株高的影響越明顯。

表1 煤矸石淋濾液對柳葉空心菜株高的影響

2.3 煤矸石淋濾液對空心菜幼苗葉綠素的抑制

由圖2可知，煤矸石淋濾液與葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均呈現線性負相關，且達到極顯著水平（<0.01）。葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的相關系數依次為0.881、0.887和0.930。以濃度為因素分別對這3種葉綠素進行方差分析，對照組葉綠素含量均顯著高于處理組，對于葉綠素a處理組之間，除了122.5 mg·L-1與271.2 mg·L-1、271.2 mg·L-1與400.3 mg·L-1、814.8mg·L-1與1358.5mg·L-1的葉綠素含量均差異不顯著，其他處理組之間均差異顯著；對于葉綠素b，處理組之間均差異不顯著；對于總葉綠素，除了400.3 mg·L-1與814.8 mg·L-1、814.8 mg·L-1與1358.5 mg·L-1的葉綠素含量均差異不顯著，其它處理組之間均差異顯著。

2.4 煤矸石淋濾液對空心菜葉、莖和根內抗氧化酶系的生態毒性

從圖3可以看出，POD、SOD和CAT這3種抗氧化酶的含量與煤矸石淋濾液濃度和空心菜不同組織部位有著密切的關系。

空心菜葉片：POD值除濾液濃度為122.5 mg· L-1的處理組外，其它處理組均低于對照組，且與淋濾液濃度為負相關。SOD活性在淋濾液濃度＜400.3 mg·L-1時，與對照組差異不顯著；而淋濾液濃度大于400.3 mg·L-1時，SOD活性顯著升高。CAT活性變化趨勢與POD基本相似。

空心菜莖：濾液濃度在0～271.2 mg·L-1時，POD活性逐步降到最低；濾液濃度在271.2～1358.5 mg· L-1時，其活性逐步升高。SOD活性隨淋濾液濃度逐漸降低，在淋濾液為1358.5 mg·L-1時達到最小值（14.89 U·(mgpr)-1）。CAT活性變化趨勢為“低-高-低”型，在淋濾液濃度為122.5 mg·L-1時其活性略高于對照組，淋濾液濃度大于122.5 mg·L-1，隨淋濾液濃度升高而下降。

空心菜根：POD活性隨淋濾液濃度的升高而逐步下降，但降幅不明顯。SOD活性在濾液為271.2 mg·L-1時活性降到最低，然后隨淋濾液濃度升高略有升高，在淋濾液為400.3～1358.5 mg·L-1時活性變化不大。CAT活性變化趨勢為“高-低-高”型，在淋濾液濃度為0～122.5 mg·L-1時，其活性由高到低，之后隨淋濾液濃度升高而升高。

從部位來看，POD、SOD和CAT這三種酶根部活性顯著高于其它部位，葉和莖的活性也有略微差別。說明同一酶類在空心菜不同組織的分布存在差異，從而表明同一酶類在空心菜不同部位的重要性可能不同。

圖3 煤矸石淋濾液對空心菜葉片及根內抗氧化酶系的生態毒性Tab.3 Ecotoxicity of Coal gangue leaching filtrate on the antioxidant enzymes in the leaf,stem and root of water spinach

3 結論與討論

3.1 煤矸石淋濾液對空心菜幼苗的生態毒性

種子萌發實驗、株高實驗和幼苗苗重實驗等都是植物的毒理實驗基本方法，通過這些方法來觀察在不同毒性條件下種子發芽情況、根系發育狀況、株高苗重狀況等指標的變化，可以方便而快捷地對毒性污染進行診斷。[17-19]。實驗采用煤矸石淋濾液培養空心菜，通過記錄空心菜種子的發芽勢、發芽率，測量其苗高。結果表明：煤矸石淋濾液從0 mg·L-1到814.8 mg·L-1，對空心菜發芽勢抑制作用均顯著，且濃度越高越顯著；煤矸石淋濾液在400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1時，對空心菜發芽勢抑制作用差異不顯著，而對于發芽率來說，除了400.3 mg·L-1和814.8mg·L-1這兩個濃度外，其它濃度之間發芽率抑制作用差異均顯著，且濃度越高越顯著。

3.2 煤矸石淋濾液對空心菜幼苗葉綠素的生態毒性

葉綠素是植物進行光合作用的場所，在一定程度上其含量高低可以反映光合作用水平，其含量和組成是植物光合作用的物質基礎[20,21]。本實驗結果表明：煤矸石淋濾液和葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均呈線性負相關，對幼苗葉這三種葉綠素的影響基本一致。有研究結果表明土壤中重金屬進入植物體內污染對葉綠素含量有明顯影響[22]。本研究也認為，來自煤矸石重金屬對葉綠素含量的一定影響。其原因可能為：煤矸石的重金屬通過雨水淋溶進入土壤，被植物吸收運輸至葉片，進而抑制葉綠素酸酯酶和氨基-γ-酮戊酸的合成，而它們是植物合成葉綠素所必須的酶和物質，從而造成葉綠素含量的下降。因此，在煤矸石淋濾液脅迫條件下，空心菜葉片對光能作用效率降低。

3.3 煤矸石淋濾液對空心菜葉片及根內抗氧化酶系的生態毒性

正常情況下，植物體內抗氧化系統會清除細胞內大量積累活性氧（羥自由基、超氧自由基、過氧化氫和過氧化物自由基）。如，POD、SOD和CAT主要分別清除過氧化物自由基，超氧自由基和過氧化氫自由基，這樣可協同防御細胞膜系統被活性氧破壞，防止細胞快速衰老[23,24]。Polesskay[25]等人研究了植物體的內源和外源異生物質導致機體產生大量活性氧對生物體的影響，結果表明，活性氧可導致機體內的蛋白質、核酸、膜脂等氧化，甚至造成酶變性失活、膜脂被過氧化和DNA發生斷裂。本研究對空心菜葉、莖、根3部位的3種抗氧化酶的活性進行測定。總體來看，煤矸石淋濾液對酶活性有抑制作用，但是，發現在某些濃度下特定部位酶活性不降低反而升高，如，葉片中SOD、莖長POD和根中CAT均表現為較高濃度處理酶活性升高，這可能是植物對外來有毒物質脅迫的一種應激反應機制。

總之，煤矸石淋濾液不但影響空心菜發芽率和苗高，而且引起空心菜葉綠素合成受阻和氧化損傷等效應，進而使某些生物功能失調，必將會導致空心菜農作物產量的降低。因此，我們有必要采取措施對煤礦地區煤矸石進行合理科學的處理，盡量降低其對周圍環境、地下水、農作物等的影響。

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Hou Qin-wen
（Department of Biological Sciences and Technology,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

（責任編輯 鐵軍）

S158.4

A

1673-2015（2015）05-0021-06

山西省高校人文社科重點研究基地項目（2012331）；長治市科技計劃項目（20123055）。

2015—08—23

侯沁文（1975—）男，山西沁水人，碩士，主要從事生態學及環境化學研究。