全 文 ：Cu、As及其复合污染对小麦生理生态指标的影响*
王友保* * 刘登义 (安徽师范大学生命科学学院,芜湖 241000)
摘要 通过盆栽实验研究了 Cu、As及其复合处理对小麦生理生态指标的影响. 结果表明, 少量低浓度的 Cu
( 500mg!kg- 1 )、As( 5mg!kg - 1)对植物的生长无明显毒害作用,但随着其浓度的增加( Cu: 1000~ 4000mg!kg- 1 ,
As: 15~ 60mg!kg- 1 )则显示出一定的负效应, 表现为小麦 POD活性增加,叶片电导率增大,色素含量降低, 根尖
细胞有丝分裂指数下降, 小麦生物量降低;而两者的复合处理则存在一定拮抗作用. 此外, 研究还表明,小麦生
物量与 As 浓度的相关性大于 Cu.
关键词 Cu As 小麦 生理生态指标
文章编号 1001- 9332( 2001) 05- 0773- 04 中图分类号 X171. 5 文献标识码 A
Effect of Cu, As and their combination pollution on ecophysiological index of wheat. WANG Youbao and L IU
Dengyi ( College of Lif e Science , A nhui Normal Univer sity , Wuhu 241000) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2001, 12( 5) :
773~ 776.
Based on the pot exper iments, effects of Cu, As and t heir combination pollution on ecophysiological index of t he wheat
were studied in this paper . The r esults show ed that the low concentration of Cu ( 500mg!kg- 1 ) , As ( 5mg!kg- 1 ) had
no obvious effects on w heat. But as the concentration of Cu and As ( Cu 1000~ 4000mg!kg - 1, As 15~ 60mg!kg- 1 )
incr eased, there existed obvious negative effects such as the POD activit y and conductivity of w heat leaves increased,
mitosis index and contents of chlorophy ll decr eased. Ther e also existed antag onism betw een Cu and As in the combina
tion pollution. It w as also found that t he effect of As on w heat is heav ier than the effect o f Cu from the experiment.
Key words Cu, As, Wheat, Ecophysiological index.
* 教育部留学回国人员基金和安徽师范大学青年基金资助项目
( 2000QL 37) .
* * 通讯联系人.
2000- 12- 08收稿, 2001- 04- 02接受.
1 引 言
Cu、As是有毒的环境污染物质,随着冶金工业的
发展, 大量 Cu、As进入环境, 造成污染,特别是对农作
物的生长产生明显危害. 目前,这种危害还有上升的趋
势, 并引起人们越来越多的关注. 吴燕玉[ 9]、胡正
义[ 3]、汪金航[ 7]等先后研究了 Cu、Pb等重金属污染物
在农田生态系统中的迁移动态和转化; 郑春荣等[ 13]、
余国营等[ 11]研究了 Cu、Pb、Zn 等重金属污染物对土
壤、作物系统的影响; 张克云等[ 12]研究了水稻土壤系
统对 Cu、As污染的缓冲作用, Abuzid 等[ 1]就 Cu污染
对植物、重金属对玉米幼苗生长的影响进行了较为深
入的研究; Lapp[ 4]对 Cu制品工厂附近土壤 Cu污染模
式和植物的变化作了报道.何孟常等[ 2]报道了受污染
作物籽实中 As的分布及结合形态, 朱云集等[ 15]指出
As胁迫对小麦根系生长和活性氧代谢有明显影响.但
是,有关 Cu、As及其复合污染对小麦生理生态指标的
影响并未报道. 本文通过对 Cu、As单一及其复合污染
对小麦叶片色素含量、细胞膜渗透性及幼苗总重等影
响的研究,为揭示 Cu、As污染在生理生态方面对植物
危害提供参考依据.
2 材料与方法
21 材料和处理
矮早号小麦种 (安徽省肥西县种子公司提供) , 用 0. 5%
NaClO消毒 10min,自来水、蒸馏水冲洗 3 次后, 于安徽师范大
学花房进行盆栽实验,每盆 10 粒.以安徽师大后山园田土为栽
培土(其 Cu、As的本底浓度分别为 28. 35 和 3. 26mg!kg- 1) , 一
次性加入硫酸铜、亚砷酸钠, 使土壤含 Cu 量(以纯 Cu 计算 )分
别为 500、1000、2000、4000mg!kg- 1土; 含 As(以纯 As 计算 )分
别为 5、15、30、60mg!kg- 1土; 并以 Cu、As 各浓度作交叉处理
(如表 1) ,以安徽师大后山 园田土为对照,设 3 个重复, 20d 后
取样分析.另取小麦种子于培养皿中, 加适量自来水于 23∀ 培
养箱中催芽 48h后, 吸去表面水, 分别播入上述处理及对照盆
中培养 24h, 每处理 20粒, 用于测定根尖细胞有丝分裂指数.
22 测试指标及方法
221 植株外伤症状 参考秦天才[ 6]的方法, 用目测估计, 将
小麦植株的外伤症状分为 4 级: 正常生长(无伤害) ,目测不到
伤害症状; 轻度伤害: 仅中心部位失绿;中度伤害, 中心部位及
表 1 Cu、As各处理的实验设计( mg!kg- 1)
Table 1 Experimental design of Cu and As treatments
Cu
As
0 5 15 30 60
0 0 0+ 5 0+ 15 0+ 30 0+ 60
500 500+ 0 500+ 5 500+ 15 500+ 30 500+ 60
1000 1000+ 0 1000+ 5 1000+ 15 1000+ 30 1000+ 60
2000 2000+ 0 2000+ 5 2000+ 15 2000+ 30 2000+ 60
4000 4000+ 0 4000+ 5 4000+ 15 4000+ 30 4000+ 60
注:表中浓度为 0者, 指不向土壤中施加 Cu或 As 的处理 T he zero in
table is the t reatment of not adding Cu or As in soil.下同T he same below .
应 用 生 态 学 报 2001 年 10 月 第 12 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2001, 12( 5)#773~ 776
外围叶不同程度失绿;重度伤害, 植株矮小,叶片失绿.
222 叶片色素含量测定 分别取各处理组同一功能区的鲜
叶 0. 25g ,研磨匀浆, 参照朱广廉[ 14]的方法, 用 721A 型分光光
度计分别测定 440、645、663 nm 处吸光值.计算叶绿素 a、叶绿
素 b、叶绿素 a+ b及类胡萝卜素含量.
223 细胞渗透性测定 取各处理组同一功能区 0. 2 g 鲜叶,
剪成 1cm 长小段,加入装有 40ml双蒸水的三角瓶中, 于电动振
荡机上以 400 次!min- 1的速度振荡 1h. 过滤后用 DDS12 型电
导仪测定电导率.
224 生物量测定 将土培小麦连根小心取出, 轻轻除去根上
土壤,自来水冲冼, 滤纸吸干,称取每种处理下整个植株的总鲜
重,然后用剪刀将根部与茎部分开, 再分别称量, 得茎重和根
重.
225 POD 活性测定 采用分光光度法[ 8] , 以每分钟光密度的
变化值,即∃ D470!min- 1!mg - 1 FW表示酶活性单位.
226 有丝分裂指数测定 参照朱广廉等[ 14]的方法,计算有丝
分裂指数和相对有丝分裂指数(以处理组细胞有丝分裂指数占
对照组的百分数表示) .
3 结果与讨论
31 外伤症状
Cu、As单一和复合污染对小麦的外部伤害与培养
基质中 Cu和 As的含量有关.种麦 2d后可观测出对照
组和低浓度处理组小麦种发芽率比高浓度处理组的小
麦发芽率高. 5d后小麦基本发芽; 10d后对照组长势正
常,而随着时间的进一步延长,低浓度 Cu、As处理组小
麦逐渐表现出叶尖有轻微失绿.随着 Cu、As浓度的增
大,植物的外表伤害症状明显表现出来.首先,叶子细小
瘦弱,其次,叶片普遍失绿.当 Cu、As达到一定浓度( Cu
为2000mg!kg- 1,As为 30mg!kg- 1)后,植物几乎停止生
长,植株萎蔫,叶片狭小变薄;而交叉组普遍好于对应的
单一处理(表 2) .由此可见,当 Cu、As含量微小时,对植
株生长无明显不良影响,但当两者浓度增加到一定程度
时,会对植株产生明显影响. 复合处理降低了植物伤害
程度,说明 Cu、As之间存在拮抗作用.
表 2 Cu、As处理小麦外伤症状
Table 2 External symptoms of wheat from Cu and As treatments
Cu
( mg!kg- 1)
As (mg!kg- 1)
0 5 15 30 60
0
正常生长
Normal grow th
正常生长
Normal grow th
轻度伤害
Light injury
中度伤害
Secondary injury
中度伤害
Secondary injury
500
轻度伤害
Light injury
正常生长
Normal grow th
轻度伤害
Light injury
轻度伤害
Light injury
中度伤害
Secondary injury
1000
轻度伤害
Light injury
轻度伤害
Light in jury
轻度伤害
Light injury
轻度伤害
Light injury
中度伤害
Secondary injury
2000
中度伤害
Secondary injury
中度伤害
Secondary injury
轻度伤害
Light injury
轻度伤害
Light injury
中度伤害
Secondary injury
4000
重度伤害
Serious injury
重度伤害
Serious injury
中度伤害
Secondary injury
中度伤害
Secondary injury
重度伤害
Serious injury
32 对小麦叶片色素含量的影响
叶绿素是植物进行光合作用的色素, 叶绿素含量
高低在一定程度上反映了光合作用水平, 叶绿素含量
低,光合作用弱,会导致植物鲜重降低. 小麦经处理后,
24个处理组的叶绿素含量均低于对照, 而且随 Cu、As
单一和复合污染浓度的增加而降低,呈负相关(表 3) .
其中单一处理时, 叶绿素含量与 Cu、As 浓度相关显
著,相关系数 r 分别为- 0. 932、- 0. 966. 复合处理情
况下, 当 Cu浓度为 500、1000、2000、4000mg!kg - 1时,
叶绿素含量与 As浓度相关显著或极显著,相关系数 r
分别为- 0. 975、- 0. 898、- 0. 892和- 0. 753. 叶绿素
含量的减少,可能是由于 Cu、As进入植物体内使叶绿
体酶活性比例失调, 致使叶绿素分解加快. 同时,由于
Cu、As局部积累过多,与叶绿体中蛋白质上SH 结合
或取代其中 Fe2+ 、Zn2+ 、Mg2+ 致使叶绿素蛋白中心离
子组成发生变化而失活. Cu、As复合作用时, 一定 Cu
浓度条件下( < 1000mg!kg- 1) ,加入低浓度 As( < 5mg
!kg- 1)存在一定的拮抗作用, 表现为叶绿素含量较单
一 Cu作用时为高; 当 Cu 浓度较高( 2000~ 4000mg!
kg- 1)时, As的加入,不论其浓度如何, 均表现为协同
效应,即两者对小麦叶片叶绿素破坏的协同作用. 小麦
叶片类胡萝卜素含量也有类似的变化趋势.对表 3数
据进行比较可以发现, 与对照组相比, 在 Cu、As污染
下,小麦叶片叶绿素 a含量平均降低 35. 6%, 叶绿素 b
平均降低 47. 2% ,类胡萝卜素平均降低 218% ,表现
为小麦叶片色素对 Cu、As污染的敏感程度为叶绿素 b
> 叶绿素 a> 类胡萝卜素.
33 对小麦叶片电导率的影响
细胞膜是选择透过性膜 ,它能调节和控制细胞内
外物质的运输和交换, 其透性是评定植物对污染物反
应的指标之一. 小麦叶片外渗液电导率随土壤中 Cu
和As浓度的增加而增加, 呈显著或极显著正相关(图
1) .单一处理情况下,电导率与 Cu、As浓度相关显著,
对 Cu的相关系数 r= 0. 969,回归方程为 Y = 2. 1622
+ 0. 0002X ; 对As的相关系数 r= 0. 954,回归方程 Y
= 3. 0277+ 0. 0058X .复合污染情况下, 当 Cu浓度为
774 应 用 生 态 学 报 12卷
500mg!kg- 1时,电导率比对应的单一 As污染时为低.
其对 As浓度的相关系数 r= 0. 887,小于As单独处理
时的相关系数 0. 954; 当 Cu 浓度为 1000、2000 和
4000mg!kg- 1时, 其膜透性也普遍小于单一处理时的
膜透性.其原因可能是 Cu、As进入小麦后, 当植物体
受到毒害时, Cu、As 与细胞膜蛋白的SH 或磷脂分子
层的磷脂类物质反应,造成膜蛋白的磷脂结构改变,致
使细胞膜结构改变, 膜系统遭受损坏,透性增大,使细
胞内一些可溶性物质外渗,从而电导率增大. 而 Cu、As
的相互拮抗,在一定程度上抑制了Cu、As对细胞膜的
影响, 使得 Cu、As共同存在时, 小麦叶片外渗液电导
率低于对应的单一污染.
表 3 Cu、As单一及其复合污染情况下小麦叶片色素含量 ( mg!g- 1!
FW)
Table 3 Effects of Cu, As and combination treatments on contents of blade
pigment of wheat
Cu+ As
( mg!kg- 1) 叶绿素 aChlorophyll
a
叶绿素 b
Chlorophyll
b
叶绿素 a+ b
Chlorophyll
a+ b
类胡萝卜素
Carotenoid
CK 1. 096 0. 582 1. 678 0. 490
500+ 0 0. 864 0. 379 1. 243 0. 461
1000+ 0 0. 841 0. 368 1. 209 0. 432
2000+ 0 0. 801 0. 334 1. 165 0. 393
4000+ 0 0. 795 0. 346 1. 141 0. 343
0+ 5 1. 066 0. 298 1. 364 0. 492
0+ 15 0. 959 0. 294 1. 253 0. 481
0+ 30 0. 853 0. 293 1. 146 0. 442
0+ 60 0. 752 0. 289 1. 041 0. 354
500+ 5 1. 086 0. 548 1. 634 0. 404
500+ 15 1. 031 0. 488 1. 519 0. 381
500+ 30 0. 882 0. 502 1. 384 0. 366
500+ 60 0. 674 0. 577 1. 251 0. 302
1000+ 5 0. 846 0. 307 1. 153 0. 514
1000+ 15 0. 622 0. 221 0. 843 0. 492
1000+ 30 0. 515 0. 134 0. 649 0. 477
1000+ 60 0. 433 0. 102 0. 535 0. 315
2000+ 5 0. 792 0. 265 1. 057 0. 451
2000+ 15 0. 752 0. 372 1. 124 0. 308
2000+ 30 0. 647 0. 418 1. 065 0. 285
2000+ 60 0. 504 0. 212 0. 716 0. 246
4000+ 5 0. 406 0. 178 0. 584 0. 396
4000+ 15 0. 248 0. 146 0. 494 0. 344
4000+ 30 0. 294 0. 133 0. 427 0. 298
4000+ 60 0. 282 0. 162 0. 444 0. 214
图 1 Cu、As及其复合污染对小麦叶片细胞膜透性的影响
Fig. 1Ef fect of Cu and As t reatments on cell membrane permeabilit y of
w heat blade.
%1. 0mg!kg- 1, &500mg!kg- 1, ∋1000mg!kg- 1, (2000mg! kg- 1,
)4000mg!kg- 1.下同 The sam e below .
34 对生物量的影响
小麦茎重、根重、总鲜重受 Cu、As污染影响明显,
Cu、As单一处理时, 茎重、根重、总鲜重随 Cu、As浓度
的增加而降低,呈负相关(图 2) , 其中与 Cu浓度的相
关系数 r 分别为 0. 871、0. 923、0. 873;与 As浓度的相
关系数 r 分别为 0. 911、0. 979、0. 908. 结果表明,小麦
茎重、根重、总鲜重受 As的影响大于 Cu. 这可能因为
在土壤中, As 直接毒害根系, 抑制根系生长, 甚至腐
烂,影响根系对营养元素的吸收, 阻碍水分运输,干扰
酶促作用,直接影响植物的生长和产量. 而 Cu毒害可
能是通过影响酶促生理活动, 对植物的光合、呼吸代谢
功能产生不良影响, 进而使小麦生长表现出不良现
象[ 11] . 在比较 Cu、As复合与单一处理对小麦茎重、根
重与总鲜重的影响时发现, Cu、As之间是以拮抗形式
表现其对小麦的影响的, 这点在低浓度时尤为明显.如
不同浓度 As情况下加入低浓度 Cu( 500mg!kg- 1) ,小
麦总鲜重大于单独As处理时总鲜重. 同样,低浓度的
图 2 Cu、As及其复合污染对小麦茎重( a)、根重( b)和总鲜重( c)的影
响
Fig. 2 Ef fect of Cu and As treatments on stem w eight ( a) , root weight ( b)
and total w eight ( c) of w heat .
7755 期 王友保等: Cu、As及其复合污染对小麦生理生态指标的影响
As( 5mg!kg- 1)的加入也使小麦总鲜重优于单独 Cu处
理的情况.而 Cu、As的浓度都较低时, 对小麦生长常
无不良影响,在一定程度上可能还有促进作用(如 5mg
!kg- 1As条件下小麦生长状况比对照组还好) .当 Cu、
As浓度进一步增大时, 则开始影响小麦正常生长. 当
浓度增大到一定程度时, 则严重伤害小麦.
35 对 POD活性的影响
如图 3 所示, 随 Cu、As 浓度的增加, 小麦幼苗
POD活性急剧上升.单一处理情况下, POD 活性与 As
浓度的相关系数为 0. 962; 复合处理情况下,在 500mg
!kg- 1 Cu浓度下, POD活性与 As浓度的相关系数分
别为 0. 968, 均达显著正相关. 其结果和李元[ 5]、王友
保等[ 8]的观点一致.
POD活性的增加是由于 Cu、As进入植物体后,通
过一系列生理生化反应, 产生了一些过氧化物, 造成
POD底物浓度增加, 致使 POD活性渐增. 有研究表
明, PODH2O2 分解系统参与叶绿素的降解[ 10] , 本实
验中, 随 Cu、As处理液浓度的增加, POD活性增加,叶
绿素含量减少, 说明 Cu、As通过 POD活性直接或间
接地影响到叶绿素的降解.
图 3 Cu、As处理对小麦 POD 活性的影响
Fig. 3 Ef fect of Cu and As t reatments on POD act ivity of w heat .
36 对根尖细胞有丝分裂的影响
细胞有丝分裂指数代表细胞群体中每一个细胞进
行有丝分裂所需时间占细胞周期持续时间的平均
数[ 14] ,其值越高,细胞分裂速度越快,植物生长越旺盛,
反之,则生长不良.通过测定细胞有丝分裂指数,有助于
了解植物生长状况和环境胁迫对植物生长的影响.
本实验中, 随着 Cu、As 处理液浓度的变化, 细胞
相对有丝分裂指数发生较大变化. 在低浓度处理( Cu
500mg!kg- 1, As 1~ 5mg!kg- 1)时,细胞相对分裂指数
较对照为高,但随处理液浓度的增大,又很快下降, 表
现出对细胞分裂的抑制作用(图 4) .单一处理情况下,
细胞相对分裂指数与As浓度的相关系数分别为
图 4 Cu、As处理对小麦细胞相对有丝分裂指数的影响
Fig. 4 Ef fects of Cu and As t reatments on relative mitosis index of w heat .
- 0984;在 500mg!kg- 1 Cu 存在情况下,细胞相对分
裂指数与 As浓度的相关系数为- 0. 969, 充分显示出
二者之间的负相关性.
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作者简介 王友保,男, 1974 年生,硕士, 讲师,主要从事污染生
态学和植物保护生物学研究. 已发表论文 3 篇. Email: wybzl@
263. net
776 应 用 生 态 学 报 12卷