生活污水与铜和铅对黄瓜种子萌发及其幼苗生长的影响

王婷婷， 臧淑艳， 马 原， 尹利利， 房志浩， 卜新雅

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

生活污水与铜和铅对黄瓜种子萌发及其幼苗生长的影响

王婷婷， 臧淑艳， 马 原， 尹利利， 房志浩， 卜新雅

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

通过水培实验研究生活污水及铜和铅污染对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响.实验所设Cu2+质量浓度范围为25～300 mg/L，Pb2+质量浓度范围为100～500 mg/L.结果表明:低质量浓度的Cu2+、Pb2+溶液对种子生长无明显抑制效果，生活污水对黄瓜种子株高具有一定的促进作用，对根长则呈抑制作用.其中，低质量浓度(≤50 mg/L)的Cu2+溶液以及低质量浓度(≤200 mg/L)的Pb2+溶液均对黄瓜种子的萌发无明显抑制作用，黄瓜种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、植株鲜质量均高于其他质量浓度.但随着Cu2+、Pb2+质量浓度的增加，对各项生长指标的抑制作用增强，且呈负相关.

生活污水； 铜； 铅； 黄瓜； 种子萌发； 幼苗生长

随着城市化进程及冶金工业的迅猛发展，水污染及铜和铅等有害重金属不断进入农业环境，影响工农业的生产及农作物的安全，对农田造成严重的破坏[1-3].由于重金属在环境中很难降解，因此，其对环境的毒害效应引起人们的广泛关注[4-6].有关铜和铅及其污水对农作物的影响，国内已有一些报道[7-9].铜是植物生长必需的微量元素之一，但其含量过高则会抑制植物的生长，引发植物铜慢性中毒[10].铅是植物非必须元素，是一种有毒的重金属，铅的过量不仅对植物的生长发育造成严重的影响，而且会通过食物链的富集导致人体神经及免疫系统失调及肾损伤等[11].生活污水主要来源于城市居民日常生活的排放，还有医院，工厂等公共集体单位的排放以及一部分雨水冲刷城市地面所形成的污水.生活污水中含有大量的有毒有害成份，如有机物，无机盐类，悬浮物，各类细菌、病毒、病菌微生物等.这些均会给动植物生命带来安全隐患.

目前，重金属及污水毒害主要集中于蔬菜类及经济作物类[12-14]，对此，国内外做了许多研究，但多集中于小麦，水稻，高粱等大田作物[15-17]，而对于蔬菜作物的研究甚少.相对于大田作物，蔬菜作物对重金属铜和铅的污染更为敏感[18].为此，本文以黄瓜种子为材料，通过不同质量浓度梯度的铜和铅溶液及自配生活污水，对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响进行研究，探究生活污水及重金属污染对黄瓜生长时各项生理指标的影响，为农业生产提供基础的科学理论依据，以此来制定有效创新的对策，保护人类赖以生存的环境.

1 材料和方法

1.1 材料

供试黄瓜种子(农大14号)Cucumis satives Linn，购自辽宁省宁官种子站；试剂Pb(NO3)2和CuSO4·5H2O，均为分析纯，产自沈阳力诚试剂厂；双氧水购自姜堰市环球试剂厂；配置生活污水的葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾均为分析纯，产自沈阳力诚试剂厂.

1.2 实验方法

1.2.1 材料的预处理

选择完好健壮饱满的黄瓜种子，用体积分数3 %的双氧水溶液以浸泡方式进行表面灭菌30 min.然后分别先后用自来水和蒸馏水冲洗2～3次,置于培养皿中,每皿30粒,向每皿中分别加入15 mL处理液，2层定性滤纸， 以蒸馏水为对照.先配制生活污水[19]，再分别配制质量浓度梯度为0 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L的铜离子溶液和质量浓度梯度为100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L的铅离子溶液，每一处理液设3个重复,于25 ℃ 条件下恒温暗处培养(JS061型数显电热恒温培养箱).

1.2.2 测定项目

实验期间每天观察并记录发芽种子数，并补充蒸发掉的水分约恒质量.发芽第5天，统计各个质量浓度发芽率.并在每种试剂质量浓度中随机抽取20株幼苗测量其芽长及鲜质量.在培养 第5天和第15天时随机取样分别测定根长和株高.

幼苗生长各项指标的测定参见王文萍等的方法[20]，其中：

发芽率/%=(供试种子的发芽数/供试种子数)×100 %；

发芽势/%=(发芽高峰期发芽的种子数/供试种子数)×100 %；

(注：每24 h记录1次发芽率，发芽最多的一天即为发芽高峰期)

活力指数(VI)=GI×S，式中GI为发芽指数，S为幼苗的生长势(芽长度)；

发芽指数(GI)=∑Gt/Dt,式中Gt为在t天内的发芽数,Dt为发芽天数；

根长的测定:胚轴与根之间的过渡点开始到根末端的长度；

芽长的测定:胚轴与芽之间的过渡点开始到芽末端的长度.

株高的测定：植株根颈部到顶部之间的长度.

1.2.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel 统计软件进分析.

2 结果与分析

2.1 生活污水对黄瓜种子的萌发及幼苗生长的影响

生活污水对黄瓜种子的萌发及幼苗生长的影响见表1.由表1可以看出：生活污水对黄瓜种子萌发及生长具有一定的影响，与CK(空白对照)组相比其各项生长指标数值均相对偏低.这说明，虽然生活污水中含有的N、P、K等元素为黄瓜提供一定的营养成分促使其生长，但污水中还含有其他对黄瓜呈抑制作用的毒害物质(如病毒性细菌、有机物、病毒性微生物等)抑制其继续生长，所以其各项生长指标均低于对照组.

表1 生活污水对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

2.2 不同质量浓度铜溶液对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

不同质量浓度Cu2+对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响如表2所示.由表2可以看出：在Cu2+各质量浓度处理中， Cu2+质量浓度在50 mg/L时的发芽率、发芽势、发芽指数均达到最大值，而活力指数和植株鲜质量在质量浓度为25 mg/L时最大，这与郑爱珍等[5]在铜对黄瓜、玉米种子萌发及其幼苗生长的影响中的实验结果相似.但是，随着铜处理液质量浓度的增加，黄瓜的各项生理指标均呈下降趋势，这可能是由于重金属离子与种子萌发时所必须的酶反应产生了刺激性物质或抑制酶等[15]，这些物质均对种子的萌发期产生影响.其中Cu2+处理液质量浓度对黄瓜活力指数的影响较为明显，当Cu2+质量浓度为300 mg/L时，活力指数仅为7.42，较对照组相比，降低了89.26 %.其次，Cu2+处理液质量浓度对黄瓜的鲜质量也具有较明显的影响，与对照组相比降低了62.05 %.这表明：低质量浓度Cu2+(≤50 mg/L)对黄瓜种子萌发及幼苗生长的抑制效果并不明显，但随着质量浓度的增加，抑制效果越发明显，并且在其各项生长指标中，Cu2+对于活力指数和植株鲜质量的抑制作用最为显著.

表2 不同质量浓度Cu2+对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

2.3 不同质量浓度铅溶液对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

不同质量浓度Pb2+对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响见表3.由表3可以看出：当Pb2+处理液质量浓度为200 mg/L时，各项生长指标均与对照组较为相近，即质量浓度200 mg/L的Pb2+处理液对黄瓜的萌发及幼苗生长无明显影响，但随着质量浓度增加，各项生长指标均呈下降趋势，其中，黄瓜种子的活力指数下降趋势最为显著.由对照组的69.07下降到Pb2+质量浓度为500 mg/L时的7.73，下降倍数近9倍.活力指数与幼苗长度成正比，在发芽指数下降幅度较小的同时，由于幼苗长度随着Pb2+质量浓度的增加而下降，且下降幅度较大，导致活力指数变化较为明显，这可能由于低质量浓度Pb2+对黄瓜种子芽长影响并不明显，而高质量浓度则显著抑制芽的生长.杜连彩[15]在铅处理对小麦种子萌发和幼苗生长的影响的实验中提出，在一定铅胁迫的强度下使根长生长受到抑制而影响植物正常生长的情况下，植物自身会产生应激反应提高对处理液的吸收状况，但当铅胁迫强度超过自身应激反应的极限时就会产生抑制作用.由表3还可知：Pb2+对于黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响是低质量浓度(≤200 mg/L)时无明显影响，高质量浓度(300～500 mg/L)时有较强的抑制作用.

表3 不同质量浓度Pb2+对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

2.4 不同质量浓度的铜处理液对黄瓜株高的影响

为探究Cu2+对黄瓜株高生长状况的影响，分别在种子发芽后的第5天和第15天对黄瓜的株高进行测量并记录.结果如图1所示.图1结果表明：相对于对照组，Cu2+对于黄瓜株高的影响呈递减性，但低质量浓度的Cu2+溶液对株高的生长抑制影响较小，这说明低质量浓度的Cu2+溶液对幼苗的生长并无致命性伤害，只是长势不如对照组.但当ρ(Cu2+)≥100 mg/L时，Cu2+溶液对株高抑制作用较为明显，且株高并未随着时间的增加而增长，当Cu2+溶液质量浓度为300 mg/L时，株高生长长度几乎为零.这说明Cu2+溶液对于黄瓜种子株高生长的影响较大，质量浓度越高，抑制作用越强，幼苗生长势减弱，株高逐渐变矮.

图1 不同质量浓度Cu2+对黄瓜株高的影响

2.5 不同质量浓度的铅处理液对黄瓜株高的影响

为探讨Pb2+对黄瓜株高是否存在一定的影响，分别在第5天、第15天测量株高生长状况并记录，结果如图2所示.从图2可以看出：不同质量浓度Pb2+在第5天对黄瓜株高的影响差别较小，且当ρ(Pb2+)≥500 mg/L时株高不再变化.相比于Cu2+溶液对黄瓜株高的影响，在第15天时低质量浓度的Pb2+溶液则表现为较低的抑制作用，当Pb2+溶液质量浓度为100 mg/L时，株高达到最高值9.22 cm，高出对照组1.62 cm.随着Pb2+溶液质量浓度的增加，抑制作用逐渐加强，当Pb2+质量浓度高达500 mg/L时，株高在第5天和第15天的生长值相近，这说明当ρ(Pb2+)≥500 mg/L时，黄瓜对于Pb2+的吸收度已达到饱和状态，此时对于黄瓜株高的生长只存在抑制作用，而无促进作用.

图2 不同质量浓度Pb2+对黄瓜株高的影响

2.6 不同质量浓度铜处理液对黄瓜根长的影响

为探究不同质量浓度Cu2+对黄瓜根长的影响，分别在第5天、第15天对其根长进行测量并记录，结果如图3所示.尽管Cu2+对于黄瓜株高的影响较大，但远不如对根长的影响.由图3可以看出：当ρ(Cu2+)≥100 mg/L时，根的生长逐渐受到抑制，在发芽后的第15天，Cu2+质量浓度达到200 mg/L以上时，会发现根的生长停留在瘤状物阶段，呈焦黄色或黑褐色.这种现象与郑曦等[21]在铜对小麦种子萌发及幼苗生长的影响中对根长受到高质量浓度Cu2+溶液侵润的现象描述基本一致.说明高质量浓度Cu2+对黄瓜根长的抑制作用极其显著，这可能是因为高质量浓度的Cu2+产生了对根尖细胞有毒害的物质，进而影响了根尖细胞分裂和抑制细胞伸长生长的结果，导致根伸长受阻.

图3 不同质量浓度Cu2+对黄瓜根长的影响

2.7 不同质量浓度铅处理液对黄瓜根长的影响

为探究Pb2+对黄瓜根长的抑制作用，在Pb2+溶液处理后的第5天、第15天分别对黄瓜的根长进行观察测量，并记录数据，实验结果如图4所示.由图4可知：在ρ(Pb2+)≤200 mg/L时，黄瓜根长有生长，但生长趋势缓慢.当质量浓度超过300 mg/L时，根长受到严重抑制，根长生长率几乎为零.通过对根长涨势的观察，发现经高质量浓度(≥300 mg/L)Pb2+胁迫后的黄瓜幼苗的根粗而短，且根系的颜色从最初的淡黄色转变为褐色[22]，这说明铅对黄瓜根系的生长抑制作用也极其显著，尤其是高质量浓度时.

图4 不同质量浓度Pb2+对黄瓜根长的影响

2.8 生活污水对黄瓜株高、根长的影响

对对照组与生活污水处理的黄瓜株高、根长在不同时间进行比较，实验结果如图5所示.由图5可知：生活污水对黄瓜的株高具有一定的促进作用.这可能是由于生活污水里的部分成分能够为植株的生长提供活性酶或较好的营养元素从而起到促进作用.但随着时间的推移，浸润在生活污水的黄瓜在第15天的根长明显比对照组要低的多，这可能是由于污水中污染物占主要部分，根系对污水中营养成分吸收的同时也会选择性摄取定量的污染物质，导致根系吸收能力下降，生长势逐渐削弱，根伸长度逐渐降低.

图5 生活污水对黄瓜株高、根长的影响

3 结 论

(1) 重金属铜和铅对黄瓜种子的萌发及幼苗生长影响表现在低质量浓度时抑制效果较弱，高质量浓度时则显著抑制.其中，相比铅对种子幼苗生长的影响力来说，铜对种子幼苗的抑制作用则更为显著.通过几组图表之间的比较，可总结得出重金属铜和铅对各项生长指标的生态毒性敏感程度依次为：根长>芽长>发芽率，即污染物对于植株的破坏顺序是根部最先受到侵害，然后再向上面依次蔓延.

(2) 生活污水对于黄瓜种子萌发和幼苗生长的影响表现为株高具有一定的促进作用，根长表现为抑制作用.通过植株对污染物毒害性的响应得知，生活污水中含有的少量部分营养成分最先为植物提供养分而促其生长，但随着根系的吸收选择性逐渐削弱，对污染物的吸收能力开始加强，导致根系生长能力减弱，整体植株的生长指标开始下降，直至植株整体被污染物所浸染毒害.

(3) 生活污水与重金属铜和铅污染对植物的影响是多方面的，不仅影响植株的生长状态，且对植株的内部结构，形态长势等均有一定的影响[23].本文仅在短期水培的条件下，通过生活污水和两种重金属铜和铅对黄瓜初期的一些生长指标作出了简单的初步探讨，其吸收方式、作用机理等尚待进一步研究.

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Effects of Domestic Sewage and Cu,Pb on Seed Germination and Seedling Growth of Cucumber

WANG Ting-ting, ZANG Shu-yan, MA Yuan, YIN Li-li, FANG Zhi-hao, BU Xin-ya

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

A solution-culture experiment was carried out to explore effects of domestic sewage and Cu,Pb pollution on seed germination and seedling growth of cucumber.The experiment designed the Cu2+concentration in the range of 25～300 mg/L,and the Pb2+concentration in the range of 100～500 mg/L.The results showed that low concentrations of Cu2+,Pb2+solutiondid did not have significant inhibitory effect.The domestic sewage had a promoting role at stem length of cucumber,and had an inhibitory role at root length.The low concentration(≤50 mg/L) of Cu2+and the low concentration(≤200 mg/L) of Pb2+treatments did not have significant inhibition on the cucumber seed,and germination potential,germination index,vigor index,and plant fresh weight were higher than other concentrations.However,the inhibition on the growth index was strengthened with the increasing of concentration of Cu2+and Pb2+having a negative correlation.

domestic sewage; Cu; Pb; cucumber; seed germination; seedling growth

2014-04-19

国家自然科学基金(40803037)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划(LJQ2011041)；辽宁省自然科学基金项目(201202176，20092054)；沈阳市科技计划项目(F12-277-1-84)

王婷婷 (1989-) ，女，辽宁营口人，硕士研究生在读，主要从事环境地球化学方面的研究.

臧淑艳(1973-)，女，吉林四平人，副教授，博士，主要从事环境地球化学方面的研究.

2095-2198(2015)02-0107-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.02.003

X523

A