全 文 ：铜、砷及其复合污染对黄豆( Glycine max )
影响的初步研究*
王友保* * 刘登义 张 莉 郭 虎 (安徽师范大学生物多样性研究中心, 芜湖 241000)
摘要 通过水培实验研究了 Cu、As 单一及复合污染对黄豆种子萌发、幼苗生长及部分酶活性的影响. 结果表
明, Cu、As污染明显抑制黄豆种子萌发、幼苗生长, 对黄豆种子萌发时的呼吸强度、蛋白酶活性有显著的抑制作用,
且随着 Cu、As 浓度的增加, 抑制作用增强, 呈负相关;而 POD 活性则随污染物浓度的增加而增加, 呈正相关. Cu、
As 污染共同存在时,随二者投加比例不同出现不同程度的拮抗效应,可以降低和缓解单一污染物的毒害作用 .
关键词 Cu As 黄豆 种子萌发 幼苗生长 酶活性
文章编号 1001- 9332( 2001) 01- 0117- 04 中图分类号 X171. 5 文献标识码 A
Effect of Cu and As and their combination pollution on Glycine max. WANG Youbao , LIU Dengyi, ZHANG L i and
GUO Hu ( Biodiver sity Resear ch Center , Anhui Normal Univer sity , Wuhu 241000) . Chin. J . A pp l. Ecol. , 2001, 12
( 1) : 117~ 120.
Experiments are carr ied out w ith hoagland cultivation to study t he effects of Cu and As and their interact ions on the ger
mination and seedling grow th of Glycine max . The results show that Cu or As pollution reduced proteinase activities, in
hibited the seedling grow th and t he r espiration rate of germinating seed of soybean. T he inhibition increased as Cu and As
concentration increased, POD activities increased with increasing Cu and As concentration. Cu pollution has an antagonistic
effect ag ainst the pollution of As, and vise versa.
Key words Cu, As, Glycine max , Seed germination, Seedling g rowth, Enzyme activity.
* 教育部留学回归人员基金资助项目和安徽师范大学青年科学基
金资助项目.
* * 通讯联系人.
2000- 09- 25收稿, 2000- 12- 04接受.
1 引 言
随着人们对环境问题认识的不断深入, 土壤环境
中出现的污染问题已引起人们的广泛关注[ 3, 8, 11] , 有
关 Cu、As污染的研究在国内外已被普遍重视, 尤其是
对 Cu、Pb等重金属污染物在农田生态系统中的迁移
与转化动态进行了较深入研究[ 4, 9, 10] . 余国营[ 12]、郑
春荣[ 14]、Abuzid [ 1]和 Lapp 等[ 5]报道了有关 Cu 或 As
污染对作物土壤系统及农作物生长的影响. 朱云集
等[ 15]报道了 As胁迫对小麦根系生长和活性氧代谢的
影响.本文研究了 Cu、As单一及复合污染对黄豆种子
萌发、幼苗生长及种子萌发过程中几种酶活性的影响,
以便进一步了解 Cu、As污染对作物的影响机制,为农
业生产上早期检查 Cu、As对农作物幼苗生长的有害
效应及合理规划农业生产,制定保护农业生态环境对
策提供科学依据.
2 材料与方法
21 实验材料与设计
211 供试作物 六月暴黄豆( Glycine max ) ,购于安徽省肥西
县种子公司.
212 实验设计 实验以 Hoagland 营养液为稀释液, 一次性加
入硫酸铜、亚砷酸钠, 使溶液含 Cu 量 (以纯 Cu 计算 )分别为
25、50、100 和 200mg!L- 1 , 含 As 量(以纯 As 计算) 分别为 0、
05、1、5 和 15mg!L- 1 ,并以 Cu、As 的上述浓度作交叉处理(表
1) ,以蒸馏水作对照. 实验设 3 个重复.
表 1 Cu、As各处理的实验设计
Table 1 Experimental design of Cu and As treatments( mg!L- 1)
Cu As
0 05 1 5 15
0 0 0+ 05 0+ 1 0+ 5 0+ 15
25 25+ 0 25+ 05 25+ 1 25+ 5 25+ 15
50 50+ 0 50+ 05 50+ 1 50+ 5 50+ 15
100 100+ 0 100+ 05 100+ 1 100+ 5 100+ 15
200 200+ 0 200+ 05 200+ 1 200+ 5 200+ 15
22 测试指标与方法
221 种子萌发率与幼苗生长测定 取籽粒饱满、均匀的黄豆
种子,用 05%的 NaClO 溶液消毒 20min, 冲洗后, 分放在各处
理液中,每处理 30 粒种子, 23 ∀ 条件下催芽, 每 3d 更换处理液
1 次. 发芽实验于 2000 年 5 月 10 日进行. 2d 后开始记录发芽
率,连续观察记录其发芽情况, 直至蒸馏水对照的发芽率基本
不再变化为止.本文以胚芽长度达到种子一半为种子发芽的判
断标准[ 7] . 7d 后,记录黄豆幼苗总长、主根长、侧根数和幼苗鲜
重.以上数据均为各重复组的平均值.
222 呼吸强度测定 采用小篮子法[ 13] , 于种子处理、催芽后
第 3 天,测定 Cu、As 污染及蒸馏水对照处理黄豆的呼吸强度.
应 用 生 态 学 报 2001 年 2 月 第 12 卷 第 1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2001, 12( 1)#117~ 120
223 蛋白酶活性的测定 于种子处理后的第 3 天, 采用甲醛
滴定法[ 16] ,测定黄豆萌发种子的蛋白酶活性,以每产生 1mg 氨
基酸为 1 个酶活力单位( mg AA!g- 1!h- 1) .
224 过氧化物酶活性测定 以愈创木酚为过氧化物酶底物,
采用分光光度法[ 16] , 在 470nm 波长下测定光密度. 以 D470!
min- 1!mg- 1FW 表示酶活性单位.
3 结果与讨论
31 Cu、As单独与复合处理对黄豆种子萌发的影响
低浓度的 Cu、As污染对黄豆种子萌发影响不大,
但随着 Cu、As浓度的增加,黄豆种子萌发受到显著抑
制(表 2) ,且表现为随 Cu、As浓度的增加呈显著负相
关.单独处理时,黄豆种子萌发率与 As浓度的相关系
数 r= - 0929, 与 Cu浓度的相关系数 r = - 0897.
这也说明黄豆种子萌发率与 As的相关性大于 Cu.复
合污染情况下, 黄豆种子萌发率总体表现为比单一 As
污染时为高, Cu 降低了 As对种子萌发的抑制效应,
Cu对 As拮抗, 而 As的存在进一步降低了 Cu 污染条
件下黄豆种子的萌发率, 但较高 Cu 浓度条件下
( 200mg!L- 1) ,一定浓度 As( < 75mg!L - 1)的加入也
可缓解高 Cu 浓度对种子萌发的影响, 表现为二者相
互拮抗.
表 2 Cu、As处理黄豆种子的萌发率
Table 2 Germination rate of Glycine max seed in Cu, As treatments(%)
Cu+ As
( mg!L- 1)
日期 Date
512 513 514 515
0( CK) 267 567 800 100
0+ 05 133 460 767 933
0+ 25 67 67 267 670
0+ 75 0 0 0 200
0+ 15 0 0 0 67
25+ 0 33 533 733 100
25+ 05 167 633 700 800
25+ 25 133 500 567 700
25+ 75 0 0 100 400
25+ 15 0 0 37 167
50+ 0 56 500 700 933
50+ 05 167 677 833 833
50+ 25 100 633 733 900
50+ 75 0 33 133 300
50+ 15 0 0 0 100
100+ 0 67 413 667 900
100+ 05 67 433 767 800
100+ 25 34 367 767 833
100+ 75 33 67 267 533
100+ 15 0 0 0 87
200+ 0 30 400 633 867
200+ 05 133 500 867 910
200+ 25 33 400 767 900
200+ 75 0 67 167 860
200+ 15 0 0 0 100
32 Cu、As单独处理时对萌发黄豆种子呼吸强度的
影响
Cu、As对萌发黄豆种子的呼吸强度有明显影响,
随着处理液浓度的增加, 呼吸强度降低(图 1、2) ,呈显
著或极显著负相关. 单一处理时,黄豆呼吸强度与 Cu
浓度的相关方程为 y = 0301- 00012x , 相关系数 r
= - 0843; 与 As 浓度的相关方程为 y = 0229 -
0009x ,相关系数 r = - 0781; 在 As中加入一定浓
度的 Cu时,呼吸强度与 As浓度的回归方程和相关系
数分别为: 加入 25mg !L- 1 Cu 时, 回归方程为 y =
0290- 0010x , 相关系数 r = 0906; 加入 100mg!
L
- 1
Cu时, y= 0306- 0011x , r = 0998,但 As的呼
吸抑制作用较单一 As处理时减轻(图 2) .呼吸底物的
氧化分解可形成大量生物能( ATP)和新物质,因此呼
吸作用不仅与种子中贮存物质的分解有关, 也与新物
质的合成相联系,而且对其他生理生化过程也有重要
影响.处理液对种子呼吸作用的抑制必然会影响种子
萌发过程中的一系列生理生化变化和种子的萌发.
图 1 Cu污染对黄豆萌发种子呼吸强度的影响
Fig. 1 Ef fect of Cu pollution on respiration rate of Glycine max .
图 2 Cu、As污染对黄豆萌发种子呼吸强度的影响
Fig. 2 Ef fect of Cu and As pollut ion on respirat ion rate of G lycine max .
∃ 0mg!L- 1, %25mg!L- 1, &100mg!L- 1.
33 As处理对黄豆萌发种子蛋白酶活性的影响
低浓度As和高浓度 As处理对黄豆蛋白酶活性具
有相反的效应,浓度低时As离子对蛋白酶活性有一定
促进作用,加速蛋白质分解, 为种子萌发及生长提供物
质和能量,但当浓度增加时,酶活力明显降低,黄豆种子
萌发过程中蛋白酶活性受到抑制, 且抑制作用随 As浓
118 应 用 生 态 学 报 12卷
度的升高而增强;当在 As中加入一定浓度的 Cu后(除
As浓度= 05mg!L- 1外) , 黄豆萌发种子的蛋白酶活性
普遍比单一 As处理时为高(图 3) .对其进行相关分析,
单一As处理时, 蛋白酶活性与 As浓度的回归方程为
y= 0106- 0004x , 相关系数r= - 0867; 加入 25mg!
L- 1Cu时,相关方程为 y = 0099- 0002x , r = 0810;
加入 100mg!L - 1Cu时, y= 0094- 0002x , r= 0998,
表明黄豆种子蛋白酶活性与As浓度呈显著或极显著负
相关.蛋白酶活性的抑制,降低了种子贮存物质的分解
速度,使种子萌发率降低.这与前面所述相一致.
图 3 As污染对黄豆萌发种子蛋白酶活性的影响
Fig. 3 Ef fect of As pollut ion on the proteinase act ivity of G lycine max .
34 As处理对黄豆萌发种子过氧化物酶活性的影响
随As浓度的增加, 黄豆过氧化物酶活性急剧上
升(图 4) ,相关分析表明,单一 As处理时,过氧化物酶
活性与As浓度的相关系数 r= 0974;加入 25mg!L - 1
Cu时, r = 0894; 加入 100mg!L- 1Cu时, r = 0993,
均为显著正相关.过氧化物酶是植物体内常见的氧化
还原酶,可催化有毒物质氧化分解,是一种对环境因子
十分敏感的酶. 当环境被污染时,其活性和同工酶都会
发生急剧变化. 过氧化物酶活性的增加是由于 As进
入植物体内后通过一系列生理生化反应产生了对自身
有害的过氧化物,随着这种物质的增加,过氧化物酶利
用H2O2来催化这些对自身有害的过氧化物的氧化分
解.因此, 随植物体内这些过氧化物酶的底物浓度的增
图 4 As污染对黄豆萌发种子 POD 活性的影响
Fig. 4 Ef fect of As pollut ion on POD activity of G lycine max .
加,致使过氧化物酶活性逐渐增加,通过测定对氧化物
酶活性可检测 Cu、As的污染.
35 Cu、As单独与复合处理对黄豆幼苗生长的影响
Cu、As处理的黄豆幼苗总长、主根长、侧根数及幼
苗鲜重都与对照有明显差异(表 3) . Cu处理中,黄豆幼
苗总长、主根长、侧根数及幼苗鲜重随 Cu浓度的增加而
降低, 相关系数 r 分别为- 0808、- 0833、- 0875、
- 0996,为显著或极显著负相关. 这和受重金属元素影
响的种子萌发时, 其籽苗根尖细胞有丝分裂数明显减
少,分裂速度减慢, 以致生物量减少的报道相符合[ 2] .
As处理中,上述指标也与 As 浓度呈显著或极显著负
相关, 相关系数 r 分别为- 0778、- 0897、- 0860、
- 0997, 由表 3可见,黄豆幼苗主根长、侧根数及鲜重
受As影响明显,其与 As浓度的相关性也多大于 Cu,
对根部生长观察也显示, 高浓度 As处理的根系生长
不良,侧根生长异常,侧根数明显减少, 有的甚至无侧
根.究其原因可能是因为溶液中, 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, 干扰酶促反应,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,进而
对植物的光合、呼吸代谢功能产生不良影响, 从而使小
麦表现出生长的不良现象[ 14] . Cu、As复合处理与 As
处理对黄豆幼苗总长、主根长、侧根数和鲜重影响的趋
势相一致.只是其数值总体上高于对应As单一处理,
表 3 Cu、As单一及复合处理对黄豆幼苗生长的影响
Table 3 Effect of Cu and As in single and combination treatments on the
seedling growth of Glycine max
Cu+ As
( mg!L- 1) 幼苗总长T otal length
of seedling
( cm)
主根长
Length of
main root
( cm)
侧根数
Lateral root
number
( piece)
幼苗鲜重
Fresh w eight
of seedl ing
( g)
0+ ( CK) 92 20 16 20362
0+ 05 67 17 8 15723
0+ 25 31 09 4 14562
0+ 75 24 04 2 11812
0+ 15 18 01 1 08623
25+ 0 90 21 7 18467
25+ 05 82 21 10 13938
25+ 25 53 10 10 14141
25+ 75 21 03 2 10747
25+ 15 10 005 1 10071
50+ 0 67 11 3 18071
50+ 05 71 11 11 16733
50+ 25 70 15 6 16867
50+ 75 20 02 1 11482
50+ 15 15 01 1 10143
100+ 0 53 08 2 15504
100+ 05 50 16 7 14478
100+ 25 65 12 9 15609
100+ 75 26 07 3 12394
100+ 15 10 01 1 09683
200+ 0 45 05 1 11342
200+ 05 36 13 3 16072
200+ 25 35 09 9 13348
200+ 75 27 05 1 11015
200+ 15 15 03 1 10187
1191 期 王友保等:铜、砷及其复合污染对黄豆( Glycine max )影响的初步研究
其中幼苗鲜重在 200、100、50、25mg!L- 1Cu 处理下,
对 As 浓度的相关系数分别为 - 0896、- 0953、
- 0933、- 0920. 而不同的 Cu 处理液中, 加入低浓
度的 As,也使上述各指标值增加,从而表现出在黄豆
幼苗生长过程中, Cu、As之间的拮抗效应在一定程度
上起到了减轻和缓解 Cu、As毒害的作用.
种子萌发过程需要大量能量和物质, 这些能量和
物质完全来源于贮存物质的氧化分解、释放能量, 而贮
存物质的分解需要大量酶的参与[ 6] . 黄豆是蛋白型种
子,种子中的贮存物质含有较多的蛋白质,蛋白酶便成
了种子萌发的重要酶. 蛋白质分解产生的氨基酸是制
造新组织的主要原料.环境中的 Cu、As会抑制黄豆种
子萌发过程的呼吸强度, 抑制蛋白酶活性,降低贮存物
质分解速度,使种子萌发所需物质和能量供应受阻,从
而使萌发率降低. 幼苗生长过程中, Cu、As毒害根系,
抑制根系正常发育, 干扰酶促反应,对黄豆幼苗生长产
生不良影响.
4 结 论
41 Cu、As皆可使黄豆萌发种子的呼吸强度及酶活
性降低,造成种子萌发率降低, 其影响率与 Cu、As的
浓度呈负相关; 同时, Cu、As 能毒害根系, 抑制根系正
常发育,干扰酶促反应,使幼苗生长受到明显影响. 其
中As对黄豆生长毒害更为明显.
42 Cu、As复合污染时,其交互作用也影响种子萌发
与幼苗生长, 但存在一定程度的拮抗作用, 是 Cu、As
对作物产生影响的特征反应.这种拮抗作用在某种程
度上能减轻和缓解单一 Cu、As 污染对黄豆产生的有
害影响.
43 过氧化物酶活性可作为黄豆等农作物受污染程
度监测的生理指标.
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作者简介 王友保,男, 1974 年生, 硕士, 主要从事植物生态学
和环境污染生态学研究,发表论文 2篇. T el: 05533873334
120 应 用 生 态 学 报 12卷