煤矿废水对蚕豆种子发芽与幼苗生长的生态毒性研究

刘许柯　邢明明　陈守益

【摘 要】煤矿区废水对周边环境的污染越来越引起人们的广泛重视和研究。以淮南某煤矿废水为研究对象， 采集距煤矿废水排污口不同距离的煤矿废水，测试其对蚕豆种子的发芽及幼苗生长情况，利用蚕豆生长及微核实验监测煤矿废水的生态毒性。结果表明：蚕豆种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、根长、总长、总重、芽重随距排污口距离变化受到不同程度的影响，与蒸馏水对照，表现出明显的抑制作用，在距排污口200-300m处抑制作用相对较强。对比水质常规测试指标发现：该煤矿废水对生态环境产生了一定负面影响，废水中有机污染物、氨氮抑制了蚕豆种子发芽和幼苗生长，同时，煤矿废水诱导出的蚕豆根尖微核率较对照高，可能是常见有机物导致。微核的污染指数表明该煤矿废水具有一定的生物毒性。

【关键词】煤矿废水；生长情况；微核；生态毒性

煤矿废水包括酸性矿井废水、洗煤废水、尾矿废水等，组成成分及性质复杂，兼具有悬浮液以及胶休溶液性质，处理难度较大[1]，仅经过沉淀处理，水体中仍有大量有毒有害物质，直接排放到环境中会造成自然生态环境的破坏；种子萌芽过程易受到各类有毒有害物质影响，一些有毒有害物质可以通过食物链传递进入人体，影响人类健康[2]。因此，从生态学角度，运用高等植物研究煤矿废水对种子萌芽阶段生态影响具有重要意义。本研究按照已建立的高等植物毒理实验方法，以淮南某煤矿废水为例，通过蚕豆种子发芽和幼苗生长抑制情况及根尖细胞微核情况，结合该废水水质指标，对该煤矿废水进行生态风险监测及生态毒性评价，为煤矿废水环境影响及生态毒性效应提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

松滋青皮蚕豆（Vicia faba），均购置于淮南农贸市场。

1.2 实验方法

1.2.1 采样点的布置和水样的采集

按照相关水质分析要求[3]，从煤矿废水排污口开始，沿河流下游方向每隔100米设置5个瞬时水样采样点。各采样点坐标：W1（x=116.5124，y=32.3837）；W2（x=116.5125，y=32.3837）；W3（x=116.5127，y=32.3839）；W4（x=116.5128，y=32.3840）；W5（x=116.5129，y=32.3841），W1、W2、W3、W4和W5代表采样点编号（下同）。采用多点瞬时水样方法进行水样采集。每采样点采集水样5L于塑料瓶内，按照国家环保部（HJ493-2009）要求放于4℃冰箱中保存。

1.2.2 水质理化指标的分析

按照相关标准对采集水样的pH、电导率、总溶解性固体、氨氮、总氮、总磷、化学需氧量、溶解氧等理化指标进行测试[3]。

1.2.3 蚕豆微核实验和幼苗生长情况测定

取40粒籽粒饱满且均匀的蚕豆，用0.5%NaClO溶液消毒20min冲洗后分别放入盛有各采样点水样的五组烧杯中，同时设一组蒸馏水对照组，在25℃下浸泡48h，蚕豆吸胀后，选取发育良好的蚕豆，在25℃温箱中保持湿度培育7d；在蚕豆萌芽3d后，按照莫测辉等对种子萌芽评判标准[4]，逐日观察记录蚕豆萌发数。培育7d后，用医用镊子取萌芽蚕豆测其生理指标：总长、芽长、根长、总重、芽重、根重（均为鲜重）[5]。

另取上述处理吸胀后的蚕豆，按照王友保等、钱晓薇培育保存方法对蚕豆进行培育保存[12，14]，根据王跃华等对蚕豆根尖微核技术的改良[13]，将恢复后的种子从根尖顶端切下幼根放入广口瓶中，使用由无水乙醇：冰醋酸：浓盐酸 =1∶125∶1配制成的改良固定离析液对根尖细胞进行固定解析，用改良石炭酸品红染液染色[14]，加1滴蒸馏水压片观察。每个断面镜检10个根尖，测定其微核千分率（MCN‰）和污染指数（PI）， 并进行统计学处理[15]，蚕豆根尖细胞微核的识别标准同陈光荣等[18]。

1.2.4 数据处理

发芽率[5]（%）=7d发芽的种子数/供试验种子数×100%

发芽势[5]（%）=3d发芽种子数/供试验种子数×100%

发芽指数[5]Gi=∑（），Gi发芽指数；Gt在t日的发芽数，个；Dt相应的发芽天数， d

活力指数[6]Vi=S×Gi，Vi活力指数；S总长；Gi发芽指数

微核细胞千分率（M CN‰）=含有微核的细胞数/观察细胞总数×1000

污染指数根据陈光荣提出的计算方法计算[16]， 即：

污染指数（PI）=样品微核率均值/对照微核率均值。

所有数据均取三次重复平均值，并用SPSS16.5进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 煤矿废水水质特征

由表1，该煤矿废水的水质特征为：（1）pH 值为7.81-8.30， 属于中性或弱碱性；（2）TDS值均在559-643mg/L，电导率值在1174.22-3190.92μs/cm，符合污水综合排放标准（GB 8978-1996）；（3）总磷含量很低，相对污水综合排放标准（GB 8978-1996）而言总氮含量略高；（4）化学需氧量较高（87-280mg/L）；（5）溶解氧含量正常。将其与地表水环境质量标准IV类水（GB3838-2002）与污水综合排放标准第二类污染物标准（GB8978-1996）对比（见表1）发现：符合污水综合排放标准，水样的电导率和可溶解性固体含量较低，且属于弱碱性水；总氮总磷含量也远远低于规定值，而化学需氧量含量较高，这与程学丰等[10]研究淮南矿区矿井水水质特征及其资源化研究结果类似[7]。

2.2 煤矿废水对蚕豆生长的影响

由表2，该煤矿区废水对蚕豆种子萌发有明显抑制作用。蚕豆种子的发芽指数、活力指数、发芽率和发芽势均随距煤矿废水排污口的距离增大呈先升后降趋势。W2处水样培育的蚕豆种子的发芽指数、活力指数和发芽势均较其它采样点高（1.34、0.12、22%），较对照组抑制作用分别达到64.83%、60%和21.43%； W3处水样培育的蚕豆种子发芽率最高为53.19%，较对照组抑制作用达到了41.76%。

幼苗生长过程中，煤矿废水对其有显著的影响，与对照组相比，表现出明显的抑制效应（表2）。从幼苗伸长生理指标来看，蚕豆幼苗的芽长、根长以及总长基本上随样点分布距离增加而降低；W3培养的芽长达至峰值3.65cm，与对照组比，芽长抑制率为15.9%；W5培养的幼苗芽长最短为2.90cm，与对照组比，芽长抑制率为33.18%；W3处幼苗根长达到峰值3.75cm，与对照组比，根长抑制率为17.03%，W5培养的幼苗根长达至最低值2.88cm，与对照组比，根长抑制率为36.28%。煤矿废水对蚕豆种子萌发及幼苗生长有明显抑制作用，一般认为发芽抑制物质可能是盐分、重金属等和其它有机物等[4]。本研究中蚕豆种子各生理指数都表现出不同程度抑制。对比该煤矿废水的水质指标（表1），分析发现，该煤矿废水的pH值、电导率、TDS、DO、氨氮和总磷总氮均符合国家排放标准，而CODcr值略微偏高，说明该煤矿废水中有机物含量偏高；W4（第四个采样点）水样的氨氮含量最高，电导率值和可溶解性固体的含量最低，表明废水中的氨氮含量对蚕豆幼苗的生长具有抑制作用，同时，该煤矿废水中可能含有发芽抑制物质，很可能还有有机物，刘劲松[9]的淮南潘集矿区地表水质及环境影响因素分析研究结果中关于矿业污染源的研究监测中，分析该类有机物可能为酚类、醛类和有机酸、醇等发芽抑制物质[10]。

2.3 煤矿废水对蚕豆根尖细胞微核的影响

经过检测发现，蚕豆根尖细胞的有丝分裂率随距排放口增加而增加，但煤矿废水处理的蚕豆根尖细胞有丝分裂率明显低于对照组（有丝分裂率），表明蚕豆根尖细胞的生理活动受到了水体中污染成分的影响。W1（有丝分裂率27.2%）和W2（有丝分裂率24.5%）对应有丝分裂率明显低于后三组的实验结果，相比对照组分别下降了36.68%和38.23%，且W3（有丝分裂率28.3%）、W4（有丝分裂率28.6%）以及W5（有丝分裂率28.5%）的有丝分裂率较类似。这说明W1和W2水体中影响蚕豆根尖细胞的污染物含量较高，而W3、W4以及W5水样中污染成分得到了明显的净化稀释，污染物浓度已降低。将煤矿废水对蚕豆根尖微核率与对照组对比，W1～5各采样点的水样引起蚕豆根尖细胞微核率分别为：0.162‰、0.156‰、0.143‰、0.135‰、0.128‰，对比对照组（微核率为0.023‰）有显著提高。表明该煤矿废水中含有致突变的污染物，在根尖细胞分裂期间，可诱导细胞核内的遗传物质发生了异常变化，抑制细胞有丝分裂的正常进行，并产生微核，表现出了一定的生物毒性效应[17，18]。

2.4 煤矿废水水质指标与蚕豆生长的相关分析

经过对水质指标与蚕豆根尖生理指标的相关性分析，TDS含量与蚕豆根长呈显著正相关（r=0.94，p<0.05）即水样中可溶解性固体物质对蚕豆根尖的生长具有促进作用。pH值与蚕豆种子生理指标之间基本呈负相关（p>0.05）。pH与蚕豆根尖的根长、总长、芽长、根重之间相关系数分别为r=-0.80（p>0.05）、r=-0.74（p>0.05）、r=-0.71（p>0.05）、r=-0.77（p>0.05），可能表明矿区排污水的pH值会抑制蚕豆根尖生长（表1可知，水样明显偏碱性，可能会对蚕豆的生长产生抑制作用）。除CODcr外，其它理化指标与生理指标间均呈现出一定负相关，CODcr含量与蚕豆根尖细胞微核率呈之间显著正相关，其相关系数r=0.97（p<0.01），即随着水样中CODcr含量的增加，会在根尖诱导产生大量微核，说明水样中有机污染物，如酚类、苯、多环芳烃等可能会损伤真核细胞内染色体或纺锤丝的结构，影响细胞的增殖，表现出了一定的生物遗传毒性效应[14]。

3 结论

（1）该煤矿区排放的废水符合工业污废水的综合排放标准（GB8978-1996）。

（2）煤矿废水可通过对根生长影响造成对幼苗整株生长的控制，影响不同生长发育过程：主要影响萌发过程及幼苗生长过程。

（3）煤矿废水中能诱导产生一定数量微核，从而表现出一定生物毒性，而CODcr与微核率呈显著正相关，表明微核主要由水体中的有机物质导致。同时，这也表明蚕豆微核可用来监测煤矿废水的有机污染。

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[责任编辑：汤静]