重金属汞镉污染对水稻生长发育的影响

邹继颖，刘 辉，祝 惠，吴文龙，荣洪刚

(1. 吉林化工学院环境与生物工程学院，吉林吉林 132022;2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春 130102;3. 吉林省水利水电工程局，吉林长春130000)

重金属对人类有潜在性的危害作用，它在生物体内可以富集，并把它转化为毒性更大的金属化合物，从而对人类造成更大的危害［1－2］。由于某些企业将含有重金属的工业污水排放到河道系统中以及农民长期使用含镉元素的化肥、农药从而造成土壤的污染，其中一些镉可以通过食物链进入人体，危害人类健康［3－4］。我国稻米中的重金属残留问题较为突出，比农药残留对稻米的安全化生产带来的危害更为严重［5］。因此，研究重金属污染不仅对水稻生产具有指导作用，并且对环境治理，为无公害稻米的生产技术创新提供科学依据和工程化基础，具有重要的理论意义和实用价值［2，6］。另外，种子萌发时如受重金属影响，会使其萌发阶段的生长状况直接影响农作物的生长和产量，因此研究种子在萌发阶段受重金属等污染的影响尤为重要［7－9］。并且近年来，一些国际机构组织已先后将高等植物生长状况检测方法作为评价化学品生态风险的一项指标以检测目标化学品的生态毒性［10－12］，并对非目标污染物的潜在毒性进行评价。目前已建立的高植物毒理实验方法有3 种:根伸长试验、种子发芽试验和早期植物幼苗生长试验［13］。很明显，不同的高植物，不同的污染介质，不同的毒理实验方法可能适用范围不同。采用水培法［14－15］种植水稻，探索在水稻种子早期萌发和幼苗生长阶段，不同浓度重金属对水稻生长的影响及其生态毒性，从而为确立水稻重金属污染毒理实验方法和重金属污染对水稻种子萌发及早期幼苗伤害机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

营养液:0.15 g 尿素，0.1 g 磷酸二氢钾，0.15 g 氯化钾于1 000 mL 容量瓶，用1%硝酸定容到刻度。水稻幼苗在营养液中培养2 周后，在营养液中加入不同浓度的HgCl2和CdCl2。营养液中汞浓度为50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250 mg·L－1，镉浓度为50 mg·L－1、100 mg·L－1、150 mg·L－1、200 mg·L－1、250mg·L－1。此外设1 个对照。

供试水稻为辉南宏科67 号，取自吉林辉南。

1.2 试验方法

试验采用水培法培育水稻，同等条件下同时培育3 份水稻试样，从水稻萌芽并生长稳定后开始，第一周在第1 份水稻试样中加入HgCl2和CdCl2，并记为处理1;第二周在第2 份水稻试样中加入HgCl2和CdCl2，并记为处理2;第三周在第3 份水稻试样中加入HgCl2和CdCl2，并记为处理3。

用原子吸收分光光度法测定水稻茎叶和根部重金属含量，以分析重金属在水稻各部分的积累状况。通过记录水稻生长过程形态变化和收获后测定水稻重量和长度，分析重金属污染对不同阶段水稻幼苗生长的影响，及其对水稻的生态毒性。

测定的生理指标主要有，测定不同时期和不同HgCl2(CdCl2)加入量的水稻的株高、鲜质量，叶绿素含量及根系和叶茎中的Hg2+(Cd2+)含量。

2 结果与讨论

2.1 水稻的鲜质量

同一时期水稻随汞浓度增加鲜质量呈递减趋势，且降低的幅度逐渐减小，其中以第二批水稻最为明显，这主要是因为第二批水稻后三组样品死亡现象比较普遍，由此可见汞污染对水稻生长有抑制作用［16］，且这种作用随浓度的升高而增大，见表1。

表1 汞处理不同时期水稻的鲜质量(g)Tab.1 Fresh weight of rice from mercury treatment in different periods (g)

较低浓度下的镉对水稻幼苗的生长有促进作用，当加入量为100 mg·L－1时候表现为抑制作用，并且随着浓度的升高而增大，见表2。

表2 镉处理不同时期水稻的鲜质量(g)Tab.2 Fresh weight of rice from cadmium treatment in different periods (g)

2.2 水稻的株高

从测得的水稻株高可知，水稻的生长受到了汞的抑制，且浓度越大，抑制作用越强。同时，水稻叶龄越大，它生长受到汞的影响越严重，见图1。

图1 汞处理不同时期水稻的植株高度Fig.1 The rice height from mercury treatment in different periods

低浓度的镉对水稻的生长起促进作用。当加入量为100 mg·L－1时候表现为抑制作用，并且随着浓度的升高而加大。不同生长期受到镉的影响基本呈等比例关系［17］，见图2。

图2 镉处理不同时期水稻的植株高度Fig.2 The rice height from cadmium treatment in different periods

2.3 叶绿素的变化

根据所测叶绿素值可以看出，汞对水稻的叶绿素也有一定的影响作用，而这从观察水稻的生长现象也可得出同样的结论，具体来说，汞浓度越大，这种作用越强，而且，叶龄期越大的水稻幼苗受到的影响越严重，见图3。

由于低浓度的镉对水稻幼苗的生长起促进作用［18］，导致镉浓度为50 mg·L－1时水稻试样中叶绿素浓度大于空白样。随着镉浓度的增高，叶绿素浓度降低。可见，镉侵染对水稻幼苗中叶绿素的含量有较大影响，见图4。

图3 汞处理水稻叶绿素值变化Fig.3 The change of chlorophyll value of rice under mercury treatment

图4 镉处理水稻叶绿素值变化Fig.4 The change of chlorophyll value of rice under cadmium treatment

2.4 水稻中汞含量

用HgCl2浸染后的水稻的茎叶和根部汞含量均明显高于未受HgCl2浸染的水稻的茎叶和根部汞含量。且根部汞含量普遍高于茎叶汞含量。从数据中还可以发现另一现象，即随着HgCl2量的增加，水稻茎叶和根部汞含量随之增加，但增加幅度逐渐减小，水稻对重金属吸附能力开始下降。由此可以看出，HgCl2对植物生长确实有着阻碍作用［19－20］，并且这种作用随着浓度的升高而增大，见表3。

表3 不同浓度汞处理对水稻中汞含量影响Tab.3 Influence of different concentrations of mercury treatment on mercury contents in rice

2.5 水稻中镉含量

用原子吸收分光光度法测定水稻中的镉含量，其结果可以看出，用CdCl2浸染后的水稻茎叶和根部镉含量均明显高于未受CdCl2浸染的水稻的茎叶和根部镉含量。并且根部镉含量普遍高于茎叶镉含量。数据还显示，随着CdCl2量的增加，水稻茎叶和根部镉含量虽然都在增加，但增加幅度逐渐减小，见表4。因此，CdCl2对植物生长确实有着抑制作用，并且这种作用随着浓度的升高而增强［21－22］。

表4 不同浓度镉处理对水稻中镉含量影响Tab.4 Influence of different concentrations of cadmium treatment on cadmium contents in rice

3 结 论

实验为了确保一定的准确性，在设平行样的同时还分批种植了水稻，从而等到了三批生长状态不同的水稻，从而使实验结果更加全面。实验所得如下结论:

相同条件下，当镉浓度不同时，表现出“低促高抑”现象，在较低的浓度时，促进了水稻幼苗生长量的增加;高浓度下，水稻幼苗的生长受到抑制，表现在植株矮小、根短粗、叶片失绿等;相同条件下，不同年龄的水稻对汞镉的耐受性不同。汞镉溶液浓度相同时，叶龄越小的水稻生长越差，因此，叶龄越大的水稻对汞镉的耐受性越强;相同条件下，不同浓度汞镉溶液对相同的水稻影响不同。通过观察和实验数据可知，汞镉溶液浓度越高，其对水稻的影响越大。

汞镉污染的水稻不同部位中汞镉含量值皆超过背景值，且差异明显;受汞镉污染的水稻各部汞镉含量均高于茎叶中的汞镉含量，呈自下而上递减规律。

虽然对汞镉的耐受性不强，去除率相对不高，但是水稻对重金属汞镉的修复吸收起到了积极的作用，作为一个新的研究方向，水稻修复重金属污染仍需要继续探索。

［1］王开勇，于 树，瞿 琨，等. 水稻土中Cd、Cr、Hg、Pb 污染元素的研究进展［J］. 垦殖与稻作，2005 (2):43－45.

［2］鲁红娟，叶正钱，杨肖娥，等. 土壤－植物系统中的汞污染与农产品安全生产［J］. 广东微量元素科学，2005，12 (6):1－5.

［3］郑袁明，陈同斌，郑国砥，等. 北京市不同土地利用方式下土壤铬和镍的积累［J］. 资源科学，2005，27 (6):162－166.

［4］蒋大猛，邓天龙，赖冬梅，等. 汞污染土壤的植物修复研究进展［J］. 科技创新导报，2010 (1):126，128.

［5］潘 杰，毛建华，陆文龙，等. 垃圾堆肥对土壤和农产品重金属含量的影响［J］. 农业环境保护，1998，17 (3):109－112.

［6］费云芸，刘代成. 低剂量汞元素的毒性作用机理［J］. 山东师范大学学报:自然科学版，2003，18 (1):88－90.

［7］周 青，黄晓华，张 一. 镉对种子萌发的影响［J］. 农业环境保护，2000，19 (3):156－158.

［8］Bapu C，Purohit R C，Sood P P. Fluctuation of trace elements during methylmercury toxication and chelation therapy ［J］. Human and Experimental Toxicology，1994，13 (12):815－823.

［9］王 宏，徐 智. 汞在环境中的污染和迁移转化［J］. 内蒙古环境保护，2000，12 (1):46－47.

［10］王维岗，亚库甫江·吐尔逊. 环境的重金属污染物来源和毒理作用［J］. 新疆农业科技，2004 (2):39－40.

［11］鲁红娟，倪吾钟，叶正钱，等. 土壤中汞的存在形态及过量汞对生物的不良影响［J］. 土壤通报，2007，38 (3):597－600.

［12］韩 阳，李雪梅，朱延姝，等. 环境污染与植物功能［M］. 北京:化学工业出版社，2005.

［13］Books RR，Lee J，Reeves R D，el at，Detection of nickeli ferrous rocks by analysis of herbarium specimens of indicator plants ［J］. Geochem Explor，1977 (7):49－57.

［14］李 玥. 镉、铜、锌对四种水生植物的毒性效应［D］. 长春:东北师范大学，2007.

［15］Baker A J M，Brooks R R，Pease A J，et al. Studies on copper and cobalt tolerance in three closely related taxa within the genus SilenceL，(caryophyllaceae)from Zaire ［J］. Plant and Soil，1983，73 (7):377－385.

［16］袁祖丽，孙晓楠，刘秀敏. 植物耐受和解除重金属毒性研究进展［J］. 生态环境，2008，17 (6):2494－2502.

［17］程红艳. 蔬菜中铅、镉、汞污染状况分析［J］. 山西农业大学学报:社会科学版，2005，4 (5):107－109.

［18］程旺大，姚海根，吴 伟，等. 土壤－水稻体系中的重金属污染及其控制［J］. 中国农业科技报，2005，7 (4):51－54.

［19］徐美艳. 镉、铬胁迫以及硒对水稻幼苗生理生化影响的研究［D］. 桂林:广西师范大学，2007.

［20］杜 心. 汞、砷复合污染及铁膜对水稻吸收汞的影响［D］. 长春:吉林农业大学，2004.

［21］詹嘉红，蓝宗辉，陈洁锋. 汞污染对水稻幼苗生长及其过氧化物酶活性的影响［J］. 韩山师范学院学报，2007，28 (3):77－81.

［22］杜 心，朱永官，刘文菊，等. 汞、砷复合污染对水稻生长及吸收汞、砷的影响［J］. 生态毒理学报，2006，1 (2):160－164.