李蜜蜜, 樂(lè)一樣, 盧磊, 杜輝輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410128)

鎢(W)是位于元素周期表ⅥB族的一種過(guò)渡金屬,由于其硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軍事、冶金、化工等領(lǐng)域[1-2]。金屬鎢在自然條件下可被氧化成鎢酸鹽(WO42-),這些可溶性陰離子具有較高的遷移性[2-3]。我國(guó)鎢礦資源豐富,儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居世界首位。已探明的鎢礦有200多處,且大多分布在我國(guó)南方地區(qū)[1]。鎢礦開(kāi)采冶煉和鎢制品在各行業(yè)的應(yīng)用,增加了鎢及其化合物進(jìn)入土壤的途徑,其對(duì)土壤環(huán)境、動(dòng)植物和人類的潛在危害也日益凸顯[3-5]。因此,美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)2008年將鎢劃分為新興污染物[6]。然而,目前科學(xué)界對(duì)鎢的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)及毒性效應(yīng)研究還很缺乏[3,7-8]。

重金屬脅迫會(huì)降低作物的抗逆性,導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收。一般而言,作物主要通過(guò)根系吸收土壤中的鎢,且不同作物對(duì)鎢的吸收效率也存在差異[9]。鎢是一種植物非必需元素[6,10],作為一種Mo酶抑制劑而受到大量學(xué)者關(guān)注。關(guān)于鎢對(duì)植物的毒害作用及在植物體內(nèi)累積特征已有少數(shù)研究,而對(duì)植物在鎢污染環(huán)境中生長(zhǎng)的適應(yīng)機(jī)制的研究還較少[11-12]。對(duì)植物生長(zhǎng)而言,種子能否成功萌發(fā)和正常成苗至關(guān)重要[13]。因?yàn)檫@一階段是植物最脆弱、對(duì)環(huán)境最敏感的階段,同時(shí)會(huì)受到病蟲(chóng)害等生物因子和機(jī)械損傷、重金屬等非生物因子的脅迫[14-15]。研究表明,植物受到重金屬的毒害影響首先會(huì)在種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的變化上體現(xiàn)[16-17]。Dawood和Azooz[12]發(fā)現(xiàn),鎢對(duì)西蘭花的種子萌發(fā)指數(shù)、生物量及各類酶活性均有顯著抑制作用。隨著鎢脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),其對(duì)豌豆、棉花幼苗的生長(zhǎng)也有顯著的毒害作用,且濃度為500 mg/L時(shí),對(duì)棉花根長(zhǎng)抑制率達(dá)到50%以上[18]。因此,探究鎢對(duì)植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響十分重要。

本研究以2個(gè)常規(guī)小麥品種為試驗(yàn)材料,通過(guò)培養(yǎng)皿濾紙萌發(fā)試驗(yàn),測(cè)定不同濃度鎢處理后小麥種子的萌發(fā)參數(shù)及生物量,計(jì)算小麥根長(zhǎng)半抑制濃度,為鎢對(duì)小麥的毒性效應(yīng)及劑量關(guān)系研究提供理論依據(jù),為鎢污染地區(qū)的小麥生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究選用的小麥品種為津春6號(hào)[19]和濟(jì)麥22號(hào)[20]。津春6號(hào)為春小麥,常規(guī)種,由天津市農(nóng)作物研究所選育;濟(jì)麥22號(hào)為冬小麥,常規(guī)種,由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育。

不同濃度鎢溶液配制:稱取一定量Na2WO4·2H2O(分析純)溶解于去離子水中,配制1 000 mg/L鎢母液。不同試驗(yàn)濃度鎢由相應(yīng)體積的去離子水稀釋。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置0、5、10、50、100、500、1 000 mg/L等7種鎢濃度處理?xiàng)l件,每種處理?xiàng)l件設(shè)3組重復(fù)。選取大小一致、健康飽滿的小麥種子,分別用5%的次氯酸鈉溶液浸泡15 min進(jìn)行表面消毒處理,蒸餾水沖洗干凈后,按每皿20粒置于鋪有兩層紗布的培養(yǎng)皿內(nèi),每皿加入10 mL對(duì)應(yīng)濃度鎢溶液。稱重后置于恒溫光照培養(yǎng)箱(光周期:14 h(L)/10 h(D);溫度:23 ℃±1 ℃)中進(jìn)行培養(yǎng)。每24 h記錄一次發(fā)芽種子數(shù),2個(gè)品種均在培養(yǎng)7 d后收獲。

1.3 測(cè)定和計(jì)算方法

發(fā)芽勢(shì):在培養(yǎng)72 h后測(cè)定。計(jì)算公式為:發(fā)芽勢(shì)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

發(fā)芽率:在培養(yǎng)7 d后測(cè)定。計(jì)算公式為:發(fā)芽率=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

苗高、根長(zhǎng):在培養(yǎng)7 d后測(cè)定。用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其苗高和根長(zhǎng)。各處理苗高、根長(zhǎng)值取其3個(gè)重復(fù)的平均值。

活力指數(shù)=(株高+根長(zhǎng))×發(fā)芽率,無(wú)單位,表征種子活力[12]。

半抑制濃度:以培養(yǎng)7 d后的各組根長(zhǎng)數(shù)據(jù)與鎢濃度作非線性擬合,得到小麥根長(zhǎng)抑制率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的鎢濃度。

鮮重、干重:用去離子水將幼苗沖洗3次,表面水分用吸水紙擦干,用天平稱其此時(shí)重量,記為鮮重(g);之后將其置于烘箱中,95 ℃殺青30 min,之后60 ℃烘干至恒重后稱重,記為干重(g)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics軟件和Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖,單因素方差分析和LSD多重比較確定不同處理之間的差異,其中P<0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎢對(duì)小麥種子發(fā)芽勢(shì)的影響

從圖1可以看出,對(duì)于津春6號(hào),1 000 mg/L鎢處理對(duì)其種子發(fā)芽勢(shì)有顯著抑制,其他濃度鎢處理對(duì)其種子發(fā)芽勢(shì)有促進(jìn)作用,當(dāng)鎢處理濃度為5 mg/L時(shí)發(fā)芽勢(shì)最高,為83.3%,但顯著性分析表明,鎢對(duì)發(fā)芽勢(shì)的促進(jìn)作用并不顯著(P>0.05)。對(duì)于濟(jì)麥22號(hào),各處理組間的發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著差異。由上述結(jié)果可知,鎢處理不會(huì)顯著影響濟(jì)麥22號(hào)小麥種子的發(fā)芽勢(shì),當(dāng)鎢濃度達(dá)到1 000 mg/L時(shí)會(huì)顯著抑制津春6號(hào)小麥種子的發(fā)芽勢(shì)。

圖1 不同濃度鎢對(duì)小麥發(fā)芽勢(shì)的影響Figure 1 Effect of different concentrations of tungsten on the germination force of wheat注:不同字母表示相互間有顯著差異(P<0.05),下同。

2.2 鎢對(duì)小麥種子發(fā)芽率的影響

對(duì)萌發(fā)7 d后的小麥種子發(fā)芽率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)鎢濃度為1 000 mg/L時(shí),津春6號(hào)的發(fā)芽率為76.6%,且各鎢濃度處理間無(wú)顯著差異。同樣,不同濃度鎢處理下的濟(jì)麥22號(hào)種子發(fā)芽率無(wú)顯著差異,鎢濃度為100 mg/L時(shí)發(fā)芽率為100%。通過(guò)差異性分析可知,不同鎢濃度(0～1 000 mg/L)處理間,津春6號(hào)與濟(jì)麥22號(hào)種子發(fā)芽率差異都不顯著。

圖2 不同濃度鎢對(duì)小麥發(fā)芽率的影響Figure 2 Effect of different concentrations of tungsten on the germination rate of wheat

2.3 鎢對(duì)小麥根長(zhǎng)的影響

如圖3和圖4所示,隨著鎢濃度的升高,2個(gè)小麥品種幼苗的根長(zhǎng)逐漸降低。當(dāng)鎢濃度≤50 mg/L時(shí),津春6號(hào)的根長(zhǎng)在各處理組間差異不顯著(P>0.05),但高于此濃度時(shí)對(duì)其有顯著抑制作用,鎢濃度為1 000 mg/L時(shí),根長(zhǎng)抑制率高達(dá)80%以上。濟(jì)麥22號(hào)在鎢濃度≤10 mg/L時(shí),處理組與對(duì)照組無(wú)顯著差異;在鎢濃度為50 mg/L時(shí),根長(zhǎng)為9.1 cm,抑制率為30%;鎢濃度為1 000 mg/L時(shí),抑制率達(dá)到90%。由此可知,鎢對(duì)小麥幼苗根長(zhǎng)的抑制作用具有濃度效應(yīng),濃度較低時(shí)對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用不顯著,隨著濃度升高,抑制作用會(huì)逐漸增強(qiáng)。同時(shí),不同品種小麥根長(zhǎng)對(duì)鎢處理的敏感性略有不同,濟(jì)麥22號(hào)小麥根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)對(duì)鎢濃度的升高更敏感。

圖3 不同濃度鎢對(duì)小麥根長(zhǎng)的影響Figure 3 Effect of different concentrations of tungsten on root length of wheat

2.4 鎢對(duì)小麥苗高的影響

由圖4和圖5可以看出,2個(gè)小麥品種的苗高均隨鎢濃度的升高而降低。對(duì)于津春6號(hào),鎢濃度低于10 mg/L時(shí)對(duì)其苗高無(wú)影響,但當(dāng)鎢濃度≥50 mg/L時(shí),對(duì)幼苗苗高有抑制作用,鎢濃度為1 000 mg/L時(shí)苗高最低,為5.6 cm,抑制率達(dá)到60%。同樣,濟(jì)麥22號(hào)也呈現(xiàn)相同的下降趨勢(shì),在鎢濃度為1 000 mg/L時(shí)苗高最低,抑制率為40%,且其各處理組的總體抑制率要低于津春6號(hào)。由此可見(jiàn)鎢對(duì)小麥苗高的抑制作用同樣具有濃度效應(yīng),濃度較低時(shí)對(duì)苗高的抑制作用不顯著,隨著濃度升高,抑制作用逐漸增強(qiáng)。不同品種小麥苗高對(duì)鎢處理的敏感性略有不同,津春6號(hào)小麥苗高對(duì)鎢濃度的升高更敏感。

圖4 不同濃度鎢處理7天后小麥的根和植株的圖像Figure 4 Images of root and plant under different concentrations of tungsten for 7 days

圖5 不同濃度鎢對(duì)小麥苗高的影響Figure 5 Effect of different concentrations of tungsten on seedling height of wheat

2.5 鎢對(duì)小麥種子活力指數(shù)的影響

活力指數(shù)能更好地評(píng)價(jià)不同濃度鎢對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響,因此計(jì)算獲得的2個(gè)品種的活力指數(shù),如圖6所示。2個(gè)小麥品種的活力指數(shù)受鎢濃度影響的趨勢(shì)相近。鎢處理濃度≤10 mg/L時(shí),津春6號(hào)各處理組間活力指數(shù)無(wú)顯著差異,當(dāng)鎢濃度達(dá)到50 mg/L時(shí),活力指數(shù)開(kāi)始降低,鎢濃度為1 000 mg/L時(shí)最低,為0.8,抑制率達(dá)到75%。濟(jì)麥22號(hào)活力指數(shù)也在鎢濃度為1 000 mg/L時(shí)最低,抑制率為70%。由上述結(jié)果可知,鎢濃度高于50 mg/L時(shí)顯著抑制了津春6號(hào)的活力指數(shù),鎢濃度高于100 mg/L時(shí),濟(jì)麥22號(hào)的活力指數(shù)受到顯著抑制,濃度越高則抑制作用越強(qiáng)。

2.6 鎢對(duì)小麥幼苗鮮重和干重的影響

由表1可知,當(dāng)鎢濃度為10 mg/L時(shí),津春6號(hào)幼苗鮮重及干重最高,為1.26 g和0.23 g,說(shuō)明此濃度鎢對(duì)津春6號(hào)幼苗生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,但差異性分析表明,無(wú)顯著差異(P>0.05)。鎢濃度為1 000 mg/L時(shí),鮮重和干重最低,分別為0.58 g和0.09 g,抑制率為48%和50%。對(duì)于濟(jì)麥22號(hào),當(dāng)鎢濃度高于50 mg/L時(shí),其干重和鮮重與對(duì)照組相比顯著下降,當(dāng)鎢濃度為1 000 mg/L時(shí),其鮮重抑制率達(dá)到50%。對(duì)于津春6號(hào),鎢濃度高于100 mg/L時(shí),會(huì)顯著抑制其生物量。因此,隨著鎢處理濃度的升高,小麥幼苗的鮮重和干重呈下降趨勢(shì),但兩個(gè)品種間有差別。

圖6 不同濃度鎢對(duì)小麥活力指數(shù)的影響Figure 6 Effect of different concentrations of tungsten on the vigor index of wheat

表1 不同濃度鎢對(duì)小麥鮮重、干重的影響Table 1 Effects of different concentrations of tungsten on fresh weight and dry weight of wheat

2.7 鎢的小麥半抑制濃度

為探究鎢對(duì)小麥幼苗的劑量影響效應(yīng),取各處理組根長(zhǎng)數(shù)據(jù)與鎢濃度擬合后計(jì)算了不同處理組小麥的半抑制濃度,灰色區(qū)域?yàn)?5%置信區(qū)間(圖7)。由圖可知,津春6號(hào)和濟(jì)麥22號(hào)根長(zhǎng)與鎢濃度擬合值分別為0.90和0.91,擬合效果良好。2個(gè)小麥品種的半抑制濃度不同,分別為182.1和139.9 mg/L。津春6號(hào)小麥根系耐性要強(qiáng)于濟(jì)麥22號(hào)。

圖7 小麥根系的半抑制鎢濃度Figure 7 Semi-inhibition tungsten concentration of wheat root

3 討 論

鎢作為一種新興污染物,目前人們對(duì)其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及毒性效應(yīng)的認(rèn)識(shí)還不多,尤其是針對(duì)植物體系的相關(guān)研究還十分缺乏。種子活力可由其發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率來(lái)反映,是判斷重金屬對(duì)植物影響的重要指標(biāo)[21-23]。本研究結(jié)果表明,不同鎢濃度處理對(duì)不同品種小麥種子萌發(fā)的影響不同。鎢濃度低于100 mg/L時(shí)略微促進(jìn)了濟(jì)麥22號(hào)種子的萌發(fā),但無(wú)顯著差異。這與羅巧玉等[15]發(fā)現(xiàn)鎘對(duì)青稞種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用的研究結(jié)果相似,可能是由種子受到鎢刺激后產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)所導(dǎo)致。周秋峰等[24]研究也發(fā)現(xiàn),重金屬對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象。本研究還發(fā)現(xiàn),鎢濃度高于100 mg/L時(shí),對(duì)小麥種子的萌發(fā)也沒(méi)有顯著影響,但Dawood和Azooz[12]發(fā)現(xiàn),鎢濃度為100 mg/L時(shí),顯著抑制了西蘭花種子的萌發(fā)。由此可見(jiàn),不同植物種子萌發(fā)對(duì)鎢脅迫的響應(yīng)不同。

根是植物的營(yíng)養(yǎng)器官,土壤水分及無(wú)機(jī)鹽都由其吸收和溶解,植物根系發(fā)育受到影響,將會(huì)直接影響到植物幼苗后續(xù)的生長(zhǎng)發(fā)育[25-26]。雖然鎢對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響不顯著,但鎢會(huì)對(duì)小麥幼苗產(chǎn)生毒害作用,影響其后續(xù)的生長(zhǎng)發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著鎢濃度的升高,小麥幼苗的根長(zhǎng)和苗高及活力指數(shù)都受到不同程度抑制,且小麥根系受到的抑制作用要明顯高于其苗高。這與羅巧芝[27]研究發(fā)現(xiàn)鎘處理濃度為40 mg/L以上時(shí)對(duì)植物幼苗胚根生長(zhǎng)有明顯抑制作用,更高濃度下幾乎無(wú)根系生成結(jié)果相一致。鎢與鉬作為同主族元素,鎢會(huì)影響植物對(duì)各類大量及微量營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用[28]。當(dāng)植物體內(nèi)磷、鉀元素不足時(shí),將會(huì)直接影響其細(xì)胞分裂、葉綠素的合成,進(jìn)而影響植物正常光合作用[29]。本研究也發(fā)現(xiàn),鎢濃度為10 mg/L時(shí)津春6號(hào)小麥幼苗生物量最高,同樣隨著鎢處理濃度的升高,生物量降低,且在更高濃度鎢脅迫之下,對(duì)其生物量抑制效果更為明顯,這與張東旭[30]研究發(fā)現(xiàn)高濃度銻抑制小麥生物量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),鎢作為鉬酶抑制劑,會(huì)顯著影響植物硝酸還原酶的活性,進(jìn)而影響氮的同化作用[2]。故可知,鎢對(duì)小麥種子萌發(fā)影響并不顯著,但可能會(huì)通過(guò)影響其根系對(duì)各類營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用來(lái)抑制各類酶活性,進(jìn)而導(dǎo)致其生物量降低。

津春6號(hào)和濟(jì)麥22號(hào)的根系半抑制鎢濃度也不同,分別為182.1和139.9 mg/L,濟(jì)麥22號(hào)對(duì)鎢的敏感性要明顯高于津春6號(hào)。姜瑢等[31]研究發(fā)現(xiàn),小麥根長(zhǎng)比芽長(zhǎng)對(duì)重金屬脅迫更為敏感,其半抑制濃度更低,小麥在鎘、銅、鋅脅迫下的半抑制濃度分別為25.4、15.8、89 mg/L,遠(yuǎn)低于此半抑制鎢濃度,說(shuō)明鎢對(duì)植物的毒性可能要低于這三種常見(jiàn)重金屬。張春榮[32]研究發(fā)現(xiàn),鎘脅迫下紫花苜蓿種子半抑制濃度為27 mg/L,鎘濃度達(dá)到100 mg/L以上時(shí),種子幾乎不能發(fā)芽。故鎢相較于其他重金屬對(duì)植物的毒性可能不高,為低毒性重金屬,但其同樣存在劑量效應(yīng)。在極高濃度時(shí)植物幾乎無(wú)根系生成,嚴(yán)重影響植物后續(xù)的生長(zhǎng)發(fā)育。前人研究報(bào)道在鎢污染土壤中[9],鎢含量往往高達(dá)3 000 mg/kg。基于本研究發(fā)現(xiàn)鎢濃度高于100 mg/L時(shí),小麥苗高、根長(zhǎng)及生物量都受到不同程度的抑制,故可推測(cè)鎢礦區(qū)附近的農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量會(huì)受到土壤鎢污染的影響。

4 結(jié) 論

鎢對(duì)津春6號(hào)和濟(jì)麥22號(hào)種子萌發(fā)影響并不顯著,僅在1 000 mg/L鎢處理下對(duì)津春6號(hào)種子萌發(fā)有抑制作用。鎢濃度高于100 mg/L時(shí),對(duì)小麥幼苗生物量及活力指數(shù)有很強(qiáng)的抑制作用,但不同品種間半抑制濃度不相同。相比其他高毒性重金屬,鎢對(duì)植物來(lái)說(shuō)可能表現(xiàn)為低毒性,但也存在劑量效應(yīng)。本研究結(jié)果可為鎢對(duì)植物的毒性效應(yīng)及劑量關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。