煤矸石淋滤液对柳叶空心菜幼苗生长的影响

2015-12-16侯沁文

长治学院学报 2015年5期

关键词：空心菜煤矸石发芽率

侯沁文

（长治学院生物科学与技术系，山西长治 046011）

煤矸石淋滤液对柳叶空心菜幼苗生长的影响

侯沁文

（长治学院生物科学与技术系，山西长治 046011）

为分析煤矸石长期堆放对周围环境植物生长发育的影响，采用盆栽培养方法，研究了煤矸石不同浓度淋滤液对空心菜种子萌发、叶绿素含量和抗氧化酶活力等的生态毒性。结果表明：煤矸石淋滤液浓度为0～400.3 mg·L-1时，对空心菜种子的发芽率和发芽势抑制作用显著，浓度越高，抑制作用越显著；但当煤矸石淋滤液浓度＞400.3 mg·L-1时，其发芽势差异不显著，而发芽率差异显著。煤矸石淋滤液浓度为814.8 mg·L-1和1358.5mg·L-1时，对空心菜苗高抑制作用最显著，而其浓度＜271.2 mg·L-1时，抑制作用不显著；叶绿素含量与煤矸石淋滤液浓度呈线性负相关（＞0.85）。不同浓度煤矸石淋滤液下的空心菜幼苗POD、SOD和CAT在不同部位抑制作用不同。因此，煤矸石淋滤液对空心菜幼苗生长会有一定程度的生态毒性。

煤矸石淋滤液；幼苗；抗氧化物酶；生态毒性

煤矸石是煤炭产业在采煤、洗煤过程中产生的固体废物，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，属成煤时伴生的一种硬度较大、含碳量较低的黑灰色岩石，占产煤量的10%～20%[1,2]。堆放的煤矸石长期风化加之降雨淋溶作用后，煤矸石所含一部分重金属元素释放到周边土壤，从而造成土壤重金属污染[3]。由于人为和自然因素作用，造成某些重金属迁移性较强，使周边以及较远处土壤和水源被污染，造成农作物减产甚至绝收。这些重金属经由食物链、食物网进入到人体，危害人身健康[4-8]。

目前国内外研究者主要在淋溶特性、重金属污染等方面进行了研究。如：煤矸石中重金属动态淋滤溶出特征[9]、矿区煤矸石堆放引起周边的农田土壤重金属污染[10,11]、煤矸石堆场对周围水环境中的污染[12]。关于煤矸石污染对周边农作物影响的研究甚少，杨金芳[13]利用矿井废水灌溉小麦，研究其对小麦生长及土壤环境的影响。文章用不同浓度煤矸石淋滤液来培养柳叶空心菜，通过分析种子的萌发情况、叶绿素含量、三种抗氧化酶活性等的变化，探讨了煤矸石淋滤液对柳叶空心菜潜在的生态毒性。

1 材料和方法

1.1 实验材料

煤矸石样品采自山西省潞安矿务局王庄矿区。实验所用生物材料为空心菜由河南省利奇种子公司提供。

1.2.1 煤矸石淋滤液的制备

制备煤矸石淋滤液参照肖利萍等[14]方法，按照长治市年平均降雨量计算，每次收集950 mL淋滤液，收集5个浓度煤矸石淋滤液，分别为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 种子发芽和幼苗生理生态毒性

柳叶空心菜先用10%的NaClO溶液浸泡10 min，然后用纯净水反复清洗5次，最后用直径为30cm塑料盆加土培养，培养试验煤矸石淋滤液浓度为0、122.5、271.2、400.3、814.8和1358.5mg·L-1。每个浓度设置3个重复，每盆撒20粒种子，在25℃培养箱中培养。发芽势测定参照王彦梅[15]等的方法。第7 d计算发芽率（%）。7 d后将部分空心菜幼苗收起来，测定苗高，并测定其叶绿素含量。于15 d时测定空心菜叶片和根的抗氧化物酶活性。叶绿素含量的测定按照Hegedüs[16]等的方法。抗氧化酶活力测定采用分光光度法[16]。

1.2.3 数据统计与分析

数据进行统计分析采用dps7.05和origin8.0软件。

综上所述，NAFLD患者存在免疫调节紊乱，CD4+CD25+T细胞的变化与NAFLD病情程度及多种危险因素密切相关，外周血CD4+CD25+T细胞水平在一定程度上可反映NAFLD患者的病情进展及肝细胞损害程度，提示检测NAFLD患者外周血CD4+CD25+T细胞水平或许可协助判断其病情及预后；并为临床NAFLD的治疗提供新的参考。

2 结果与分析

2.1 煤矸石淋滤液对空心菜种子发芽的影响

从图1可知，空心菜种子的发芽势、发芽率随着淋滤液浓度的增加逐渐降低。煤矸石淋滤液各浓度空心菜发芽率和发芽势均显著低于对照组（P＞0.05），对于发芽率来说，除了400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1这两个浓度下空心菜种子发芽率差异不显著外，其他浓度之间发芽率差异均显著。对于发芽势来说，浓度＜814.8 mg·L-1时，浓度之间发芽率差异均显著，浓度＞814.8 mg·L-1时，空心菜种子发芽率差异不显著。

图1 煤矸石淋滤液对空心菜种子发芽的生态毒性Fig.1 Ecotoxicity of coal gangue leaching filtrate on the seed germination of water spinach

2.2 煤矸石淋滤液对空心菜苗高的影响

柳叶空心菜生长第7 d天以后开始测量株高，每天测量1次，连续测量8次，结果见表1。从表1发现随着煤矸石淋滤液浓度增大，培养天数增长，其对柳叶空心菜生长有明显抑制作用。在煤矸石淋滤液浓度为814.8 mg·L-1和1358.5 mg·L-1时，空心菜苗高抑制作用最明显，而煤矸石淋滤液浓度＜271.2 mg·L-1时，抑制作用不太明显。但是，其总体趋势为随着煤矸石淋滤液的升高，其对柳叶空心菜株高的影响越明显。

表1 煤矸石淋滤液对柳叶空心菜株高的影响

2.3 煤矸石淋滤液对空心菜幼苗叶绿素的抑制

由图2可知，煤矸石淋滤液与叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均呈现线性负相关，且达到极显著水平（<0.01）。叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的相关系数依次为0.881、0.887和0.930。以浓度为因素分别对这3种叶绿素进行方差分析，对照组叶绿素含量均显著高于处理组，对于叶绿素a处理组之间，除了122.5 mg·L-1与271.2 mg·L-1、271.2 mg·L-1与400.3 mg·L-1、814.8mg·L-1与1358.5mg·L-1的叶绿素含量均差异不显著，其他处理组之间均差异显著；对于叶绿素b，处理组之间均差异不显著；对于总叶绿素，除了400.3 mg·L-1与814.8 mg·L-1、814.8 mg·L-1与1358.5 mg·L-1的叶绿素含量均差异不显著，其它处理组之间均差异显著。

2.4 煤矸石淋滤液对空心菜叶、茎和根内抗氧化酶系的生态毒性

从图3可以看出，POD、SOD和CAT这3种抗氧化酶的含量与煤矸石淋滤液浓度和空心菜不同组织部位有着密切的关系。

空心菜叶片：POD值除滤液浓度为122.5 mg· L-1的处理组外，其它处理组均低于对照组，且与淋滤液浓度为负相关。SOD活性在淋滤液浓度＜400.3 mg·L-1时，与对照组差异不显著；而淋滤液浓度大于400.3 mg·L-1时，SOD活性显著升高。CAT活性变化趋势与POD基本相似。

空心菜茎：滤液浓度在0～271.2 mg·L-1时，POD活性逐步降到最低；滤液浓度在271.2～1358.5 mg· L-1时，其活性逐步升高。SOD活性随淋滤液浓度逐渐降低，在淋滤液为1358.5 mg·L-1时达到最小值（14.89 U·(mgpr)-1）。CAT活性变化趋势为“低-高-低”型，在淋滤液浓度为122.5 mg·L-1时其活性略高于对照组，淋滤液浓度大于122.5 mg·L-1，随淋滤液浓度升高而下降。

空心菜根：POD活性随淋滤液浓度的升高而逐步下降，但降幅不明显。SOD活性在滤液为271.2 mg·L-1时活性降到最低，然后随淋滤液浓度升高略有升高，在淋滤液为400.3～1358.5 mg·L-1时活性变化不大。CAT活性变化趋势为“高-低-高”型，在淋滤液浓度为0～122.5 mg·L-1时，其活性由高到低，之后随淋滤液浓度升高而升高。

从部位来看，POD、SOD和CAT这三种酶根部活性显著高于其它部位，叶和茎的活性也有略微差别。说明同一酶类在空心菜不同组织的分布存在差异，从而表明同一酶类在空心菜不同部位的重要性可能不同。

图3 煤矸石淋滤液对空心菜叶片及根内抗氧化酶系的生态毒性Tab.3 Ecotoxicity of Coal gangue leaching filtrate on the antioxidant enzymes in the leaf,stem and root of water spinach

3 结论与讨论

3.1 煤矸石淋滤液对空心菜幼苗的生态毒性

种子萌发实验、株高实验和幼苗苗重实验等都是植物的毒理实验基本方法，通过这些方法来观察在不同毒性条件下种子发芽情况、根系发育状况、株高苗重状况等指标的变化，可以方便而快捷地对毒性污染进行诊断。[17-19]。实验采用煤矸石淋滤液培养空心菜，通过记录空心菜种子的发芽势、发芽率，测量其苗高。结果表明：煤矸石淋滤液从0 mg·L-1到814.8 mg·L-1，对空心菜发芽势抑制作用均显著，且浓度越高越显著；煤矸石淋滤液在400.3 mg·L-1和814.8 mg·L-1时，对空心菜发芽势抑制作用差异不显著，而对于发芽率来说，除了400.3 mg·L-1和814.8mg·L-1这两个浓度外，其它浓度之间发芽率抑制作用差异均显著，且浓度越高越显著。

3.2 煤矸石淋滤液对空心菜幼苗叶绿素的生态毒性

叶绿素是植物进行光合作用的场所，在一定程度上其含量高低可以反映光合作用水平，其含量和组成是植物光合作用的物质基础[20,21]。本实验结果表明：煤矸石淋滤液和叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均呈线性负相关，对幼苗叶这三种叶绿素的影响基本一致。有研究结果表明土壤中重金属进入植物体内污染对叶绿素含量有明显影响[22]。本研究也认为，来自煤矸石重金属对叶绿素含量的一定影响。其原因可能为：煤矸石的重金属通过雨水淋溶进入土壤，被植物吸收运输至叶片，进而抑制叶绿素酸酯酶和氨基-γ-酮戊酸的合成，而它们是植物合成叶绿素所必须的酶和物质，从而造成叶绿素含量的下降。因此，在煤矸石淋滤液胁迫条件下，空心菜叶片对光能作用效率降低。

3.3 煤矸石淋滤液对空心菜叶片及根内抗氧化酶系的生态毒性

正常情况下，植物体内抗氧化系统会清除细胞内大量积累活性氧（羟自由基、超氧自由基、过氧化氢和过氧化物自由基）。如，POD、SOD和CAT主要分别清除过氧化物自由基，超氧自由基和过氧化氢自由基，这样可协同防御细胞膜系统被活性氧破坏，防止细胞快速衰老[23,24]。Polesskay[25]等人研究了植物体的内源和外源异生物质导致机体产生大量活性氧对生物体的影响，结果表明，活性氧可导致机体内的蛋白质、核酸、膜脂等氧化，甚至造成酶变性失活、膜脂被过氧化和DNA发生断裂。本研究对空心菜叶、茎、根3部位的3种抗氧化酶的活性进行测定。总体来看，煤矸石淋滤液对酶活性有抑制作用，但是，发现在某些浓度下特定部位酶活性不降低反而升高，如，叶片中SOD、茎长POD和根中CAT均表现为较高浓度处理酶活性升高，这可能是植物对外来有毒物质胁迫的一种应激反应机制。

总之，煤矸石淋滤液不但影响空心菜发芽率和苗高，而且引起空心菜叶绿素合成受阻和氧化损伤等效应，进而使某些生物功能失调，必将会导致空心菜农作物产量的降低。因此，我们有必要采取措施对煤矿地区煤矸石进行合理科学的处理，尽量降低其对周围环境、地下水、农作物等的影响。

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