不同石油濃度對(duì)兩種作物生理生化的影響

雒曉芳陳麗華王冬梅陳芳艷

（1.西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，蘭州 730030；2 西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730030）

不同石油濃度對(duì)兩種作物生理生化的影響

雒曉芳1陳麗華1王冬梅1陳芳艷2

（1.西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，蘭州 730030；2 西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730030）

初步探索小麥和玉米對(duì)石油污染土壤的耐受性，同時(shí)摸索這兩種農(nóng)作物在石油污染的脅迫下對(duì)石油污染土壤的潛在修復(fù)效果，以期為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了0%、0.5%、1.5%、3%四組石油污染土壤處理，對(duì)小麥和玉米兩種供試植物進(jìn)行了溫室盆栽觀測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，受試植物的發(fā)芽率在石油的脅迫下均呈下降的趨勢(shì)，并且當(dāng)濃度達(dá)到3%時(shí)影響顯著；石油對(duì)小麥和玉米的生長(zhǎng)表現(xiàn)出抑制作用，其株高、葉片數(shù)、干物質(zhì)量與對(duì)照相比有較明顯的降低；小麥和玉米的葉綠素含量隨著石油濃度的升高而降低；小麥葉片中丙二醛（MDA）含量及可溶性蛋白含量隨著石油濃度的升高呈先增加后下降的趨勢(shì)，而玉米種的MDA含量則是隨著石油濃度的升高而升高，可溶性蛋白含量則是隨著石油濃度的升高呈下降趨勢(shì)。

不同原油濃度；石油污染土樣；玉米；小麥；生理指標(biāo)

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.10.016

隨著人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，資源的不斷利用，現(xiàn)代工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。土壤的環(huán)境狀況不僅直接影響著生態(tài)環(huán)境，而且直接關(guān)系到農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，從而關(guān)系著人民群眾的健康問(wèn)題。因此，石油污染土壤的治理研究已受到國(guó)內(nèi)外專家的高度關(guān)注。隨著石油類(lèi)污染土壤面積的迅速擴(kuò)大，如何經(jīng)濟(jì)有效地對(duì)之加以修復(fù)和控制已成為當(dāng)今環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一大技術(shù)難點(diǎn)［1］。石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究越來(lái)越多［2-7］，但在石油污染修復(fù)前需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，而且修復(fù)效果涉及修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題等。生物修復(fù)技術(shù)具有處理費(fèi)用低、無(wú)二次污染、對(duì)環(huán)境影響小、可就地處理、公眾接受程度高和處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的方法［8，9］。植物修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)技術(shù)中的一種，植物在生長(zhǎng)的過(guò)程當(dāng)中直接或間接的吸收，分解了土壤中的有機(jī)污染物從而達(dá)到修復(fù)的作用。石油污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)以其吸收污染物能力強(qiáng)并兼顧美化環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)已成為人們普遍接受的去除石油污染物的首選技術(shù)［10］。

小麥（Triticum aestivum Linn.）和玉米（Zea mays L.）是我國(guó)主要糧食作物。小麥不但有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且小麥苗、麥芽、麥麩、麥籽均可入藥。小麥的種類(lèi)很多，按照小麥播種季節(jié)可分為兩類(lèi)：冬小麥和春小麥。玉米，亦稱玉蜀黍、包谷、苞米、棒子，是一年生禾本科草本植物，是重要的糧食作物和重要的飼料來(lái)源，也是全世界總產(chǎn)量最高的糧食作物。研究結(jié)果顯示，當(dāng)含油量為3 100 mg/kg時(shí)，玉米減產(chǎn)10%，若原油含量達(dá)到500 mg/kg時(shí)，則苯并芘在玉米中的含量超標(biāo)，玉米不能食用［11］。因此，本研究擬通過(guò)初步探索小麥和玉米對(duì)石油污染土壤的耐受性，來(lái)摸索這兩種農(nóng)作物在石油污染的脅迫下對(duì)石油污染土壤的潛在修復(fù)效果，以期為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

實(shí)驗(yàn)選用冬小麥和玉米一年生種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2方法

1.2.1土壤預(yù)處理 將收集到的供試土壤置于實(shí)驗(yàn)室透風(fēng)陰涼處天然風(fēng)干。將供試土壤過(guò)2 mm的篩，然后充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?。稱量2 kg若干份，分別放入花盆。

1.2.2培養(yǎng)土壤制備 用正己烷溶解原油，使原油與供試土壤充分混勻。稱量好各組所需的原油質(zhì)量，然后以1∶1的質(zhì)量比將原油溶于正己烷中，最后分別向各盆土壤中加入原油，充分?jǐn)嚢?，使土壤中原油的濃度分別得到0%、0.5%、1.5%及3%。將配制好的培養(yǎng)土置于通風(fēng)處，用水將其澆透，平衡2 d，待播種。

1.2.3實(shí)驗(yàn)方法 小麥和玉米種子分別用0.2%氯化汞消毒10 min，用無(wú)菌水漂洗數(shù)次，待用。小麥每盆播種30粒，深度為3-5 cm，玉米每盆播種10粒，深度為3-6 cm。幼苗生長(zhǎng)期間應(yīng)當(dāng)每天按時(shí)噴水，以保證土壤的持水率在60%左右，各花盆的澆水量也相同。在直徑12 cm、高15 cm的花盆中加入1.2.2配置好的不同原油濃度的污染土樣2 kg，再分別種植小麥和玉米種子，將土樣充分混勻。室溫下暗培養(yǎng)，待其萌發(fā)。實(shí)驗(yàn)維持60 d，每種處理設(shè)置3組平行。

1.2.4測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.4.1土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定參照魯如坤［12］的方法。土壤pH值的測(cè)定（pH計(jì)法）；土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定（重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法）；有效磷的測(cè)定（NaCO3法）；全氮的測(cè)定（半微量開(kāi)氏法）。

從背景測(cè)定值情況來(lái)看，隴東油區(qū)因?yàn)榻涤炅科?，采樣為冬季，土壤含水率較低（1.2%左右）；pH7.8左右，弱堿性，有利于微生物降解；總氮量較低0.180 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量低（1%左右），土壤較為貧瘠；電導(dǎo)率普遍小于2 ms/cm，土壤鹽度低，如表1所示。

表1　未受石油污染的土壤理化值

1.2.4.2種子萌發(fā)率的測(cè)定 種子萌發(fā)期間，定期記錄種子出苗數(shù)、出苗時(shí)間，計(jì)算發(fā)芽率。連續(xù)3 d沒(méi)有新的發(fā)芽種子出現(xiàn)時(shí)，可視作發(fā)芽期結(jié)束。發(fā)芽率（%）=（發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子粒數(shù)）× 100%［13］；發(fā)芽期結(jié)束后每5 d測(cè)一次葉片數(shù)、株高，生長(zhǎng)達(dá)到一定程度后測(cè)定葉綠素、丙二醛、蛋白質(zhì)含量等生理指標(biāo)。

1.2.4.3葉綠素含量測(cè)定 葉綠素含量采取乙醇—丙酮浸泡提取法，測(cè)定參照朱艷清的方法［14］。

1.2.4.4丙二醛（MDA）含量測(cè)定 丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法，測(cè)定參照朱艷清的方法［14］。

1.2.4.5可溶性蛋白的測(cè)定 可溶性蛋白含量測(cè)定參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的方法［15］。

1.2.5數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用SPSS 20.0軟件和Excel進(jìn)行單因素方差分析，并用Sigmaplot 10.0作圖。

2　結(jié)果

2.1不同石油濃度對(duì)兩種植物種子發(fā)芽率的影響

受試植物小麥和玉米在不同石油濃度的處理下，種子的發(fā)芽率情況如表2所示。較高的石油濃度會(huì)使得土壤板結(jié)，因此當(dāng)油濃度達(dá)到一定值時(shí)，土壤發(fā)生板結(jié)，影響到了玉米的發(fā)芽率。從表2可以看出，在0.5%和1.5%石油濃度下，玉米的發(fā)芽率與對(duì)照相比表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明較低濃度對(duì)玉米發(fā)芽沒(méi)有太大影響；而在濃度為3%時(shí)，與空白對(duì)照組相比具有顯著差異性。說(shuō)明在0%-3%石油濃度范圍內(nèi)，玉米發(fā)芽率隨著石油濃度的升高而下降，并且在3%濃度時(shí)表現(xiàn)出顯著性差異。而石油對(duì)小麥的發(fā)芽率有低濃度促進(jìn)作用，當(dāng)濃度在0.5%時(shí)發(fā)芽率達(dá)到93.3%，比對(duì)照增加6.7%；當(dāng)石油濃度繼續(xù)升高時(shí)，發(fā)芽率下降，石油濃度達(dá)到3%時(shí)，小麥發(fā)芽率與對(duì)照相比下降了12.2%，表現(xiàn)出顯著性差異。

表2　受試植物在不同石油濃度下的種子發(fā)芽率

2.2不同石油濃度對(duì)兩種植物生長(zhǎng)的影響

表3為不同濃度石油污染土壤對(duì)受試植物玉米和小麥生長(zhǎng)情況的影響。隨著石油濃度的不斷上升，玉米的株高、地上部分干重和地下部分干重有著不同程度的下降。在0.5%和1.5%的濃度下，玉米的株高與對(duì)照相比表現(xiàn)出極顯著性差異，分別下降了30.4%和29.7%；而當(dāng)石油濃度達(dá)到3%時(shí)，與對(duì)照相比僅表現(xiàn)出顯著差異現(xiàn)象，且與對(duì)照相比只下降了9.6%。而小麥在石油污染土壤中生長(zhǎng)，葉片數(shù)，株高，地上、地下部分干重都隨著油濃度上升呈下降趨勢(shì)，在濃度為3%時(shí)，分別下降了25%、37.11%、35.18%和37.15%。分析表明，3%的石油對(duì)小麥株高和地上部分干重的影響達(dá)到了極顯著的水平（P＜0.01）。

表3　不同石油污染土壤中受試植物生長(zhǎng)情況

2.3不同石油濃度對(duì)兩種植物葉綠素含量的影響

不同石油濃度對(duì)小麥葉綠體色素含量的影響結(jié)果（圖1）顯示，小麥葉綠素含量隨著種植天數(shù)增加，整體呈下降趨勢(shì)；并且隨著石油濃度的上升而下降；對(duì)照組中的葉綠素含量在3個(gè)時(shí)間段都高于其他處理組。在25 d的時(shí)候，0.5%濃度下葉綠素含量與對(duì)照相比表現(xiàn)出顯著性影響（P＜0.05），當(dāng)濃度達(dá)到1.5%和3%時(shí)對(duì)小麥葉綠素含量的影響表現(xiàn)為極顯著現(xiàn)象（P＜0.01），在35 d的時(shí)候，3個(gè)處理濃度下的葉綠素含量與對(duì)照相比都表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.01）。

分別在玉米播種后第10 d、20 d、30 d的時(shí)候測(cè)定玉米的葉綠素含量，不同濃度石油處理對(duì)玉米葉綠素變化的影響結(jié)果（圖2）顯示，玉米葉綠素含量隨著種植天數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明測(cè)量時(shí)間正處于玉米的生長(zhǎng)期，隨著玉米葉片的生長(zhǎng)，面積的增加，葉綠素含量也正在增加；從圖2中還可以看出，3個(gè)濃度處理下，對(duì)照組的葉綠素含量最高，在3個(gè)處理中，隨著石油濃度的升高葉綠素含量呈上升趨勢(shì)，但與對(duì)照相比影響不顯著；在30 d時(shí)0.5%和3%的濃度對(duì)玉米的葉綠素含量影響極顯著（P＜0.01），這說(shuō)明在玉米生長(zhǎng)初期石油濃度對(duì)玉米葉綠素含量的影響較小，直到生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，其影響才慢慢體現(xiàn)。

圖1　不同石油濃度下小麥葉綠體色素含量比較

圖2　不同石油濃度下玉米葉綠體色素含量比較

2.4不同原油濃度對(duì)兩種植物丙二醛（MDA）含量的影響

如表4和表5 所示，玉米和小麥葉片中的MDA含量隨著種植天數(shù)的增加而積累。玉米（30 d）和小麥（40 d）在1.5%和3%兩個(gè)處理濃度下MDA含量與對(duì)照組相比都表現(xiàn)出極顯著的差異（P＜0.01），且兩種植物葉片中的MDA含量隨著石油濃度的升高而增加，由此可以說(shuō)明石油污染土壤對(duì)玉米和小麥都具有一定程度的毒害作用。

表4　玉米葉片中丙二醛的含量

表5　小麥葉片中丙二醛的含量

2.5可溶性蛋白

不同的植物在石油污染土壤的脅迫下，其可溶性蛋白含量的變化不同。圖3顯示，小麥在石油污染土壤中生長(zhǎng)，隨著石油濃度的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，原因可能是蛋白質(zhì)合成受阻，或者是抗逆蛋白含量提高；當(dāng)濃度達(dá)到3%時(shí)，超過(guò)了小麥的可承受濃度，可溶性蛋白的含量下降。而玉米葉片中可溶性蛋白的含量隨著石油濃度的升高而減少，當(dāng)濃度為3%時(shí)，與對(duì)照相比下降了63.8%，影響顯著（P＜0.05）。

圖3　不同石油濃度下受試植物可溶性蛋白含量比較

3　討論

石油主要成分為石油烴，其大部分為高分子化合物，黏著在植物根系上會(huì)形成一層黏膜，導(dǎo)致根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收以及根系的呼吸功能受到阻礙，甚至?xí)鸶档母癄€，而石油中的烴組分可以直接進(jìn)入植物體內(nèi)對(duì)植物造成直接傷害［16］。另一方面石油類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入土壤，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，分散土粒，使土壤的透水性降低，同時(shí)石油碳?xì)浠衔镂廴镜耐寥罆?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疏水性，導(dǎo)致不能正常吸濕和儲(chǔ)存水分，從而阻礙植物生長(zhǎng)［17］。

至今，人們已經(jīng)從植物體內(nèi)吸收、體內(nèi)降解、根際降解和植物刺激等方面著手研究植物修復(fù)技術(shù)的機(jī)理，并取得了較大進(jìn)展［18］。不同濃度處理的石油污染土壤對(duì)植物的生長(zhǎng)有不同程度的影響，且不同的植物對(duì)石油污染土壤也體現(xiàn)出不同的抗逆性。本研究中，石油處理過(guò)的土壤上生長(zhǎng)的植物都表現(xiàn)出株高、葉片數(shù)、干物質(zhì)量受阻的現(xiàn)象。這可能是由于原油污染導(dǎo)致幼苗養(yǎng)分失衡和生理脫水［19］。但石油對(duì)小麥的發(fā)芽率有低濃度促進(jìn)作用，當(dāng)超過(guò)一定濃度時(shí)表現(xiàn)為抑制作用。這可能是低濃度石油提高了土壤透性的同時(shí)對(duì)種子毒害作用較小，從而表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)作用。初步推測(cè)，這是由于石油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的試驗(yàn)處理中清潔對(duì)照土的含量少，土壤顆粒易黏附成團(tuán)，且其孔隙度明顯增大，增強(qiáng)了土壤的透氣性，有利于植物種子的發(fā)芽［20］。張晶等［21］發(fā)現(xiàn)作物對(duì)多環(huán)芳烴污染農(nóng)田土壤中吸附態(tài)PAHs 降解效率較高，生長(zhǎng)性狀受石油含量的影響非常顯著。宋玉芳等［22］考察了不同水平濃度的污染物對(duì)高等植物的影響，表明低濃度組對(duì)高等植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生刺激作用，高濃度組對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。低濃度的石油組分對(duì)植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用可能主要是因?yàn)橹参锏母蹬c土壤微生物聯(lián)合作用，將土壤中的石油烴轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，為土壤微生物提供能量和碳源。同時(shí)，植物能將部分石油烴通過(guò)木質(zhì)化作用，轉(zhuǎn)化成自身的組成部分［23］。

在石油的脅迫下，兩種植物葉片中的MDA的變化有所差異，但葉片中葉綠素含量、可溶性蛋白等生理指標(biāo)隨著石油處理濃度的升高呈下降趨勢(shì)。小麥葉片中的MDA隨著石油濃度升高先增加后下降，而玉米葉片中的MDA含量則是隨著石油濃度的增加而積累。這有可能是小麥葉片中的脂膜抗壓能力低于玉米，在石油濃度達(dá)到3%時(shí)脂膜遭到破壞，導(dǎo)致MDA下降。MDA是膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度［24］，其含量越高說(shuō)明膜通透性越大，植物生存的條件越惡劣。污染物會(huì)引起植物體內(nèi)產(chǎn)生有毒的活性氧和自由基，導(dǎo)致植物氧化能力增大［20］。弓曉峰等［25］研究表明，玉米（20 d）在石油污土中的MDA 含量和空白對(duì)比存在極顯著差異（P＜0.01），其MDA 含量隨著污土濃度的增加呈現(xiàn)低-高-低的趨勢(shì)，即低濃度抑制，中濃度刺激，當(dāng)污染達(dá)到一定程度時(shí)，植物細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致 MDA 含量降低。從總的變化趨勢(shì)看，經(jīng)石油處理后可溶性蛋白含量均高于對(duì)照組，隨著處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，這可能是在石油脅迫下，植物為了維持正常新陳代謝，產(chǎn)生了更多的蛋白質(zhì)，或使細(xì)胞內(nèi)的一些不可溶性蛋白轉(zhuǎn)化成了可溶性蛋白，這與李妮亞［26］的研究結(jié)果相符。但當(dāng)處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)7 500 mg/ kg 時(shí)，苜蓿葉片中可溶性蛋白含量下降，這可能是由于超出了植物自身的耐受能力所致。從本研究可以看出，小麥在石油污染土壤中生長(zhǎng)，隨著石油濃度的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，可能也是蛋白質(zhì)合成受阻；當(dāng)濃度達(dá)到3%時(shí)，超過(guò)了小麥自身的耐受能力，這與岳冰冰等［27］的研究結(jié)果相符。

4　結(jié)論

在石油污染的脅迫下，不同植物種子對(duì)土壤石油污染表現(xiàn)出不同的耐受性。在一定的石油質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，植物對(duì)污染土壤中的石油有一定的降解作用。在石油濃度為0.5%和1.5%的處理組中，石油脅迫對(duì)兩種植物的發(fā)芽率影響表現(xiàn)不顯著；當(dāng)濃度高達(dá)3%時(shí)，石油污染使得兩種植物的發(fā)芽率顯著下降（P＜0.05）。

石油污染土壤對(duì)玉米和小麥在生長(zhǎng)過(guò)程中的葉綠素、可溶性蛋白等生理指標(biāo)的積累表現(xiàn)出抑制作用，且在濃度達(dá)到3%時(shí)影響極顯著（P＜0.01）；而兩種植物在3個(gè)不同石油濃度的脅迫下，葉片中的MDA含量變化有所差異，玉米隨著石油濃度的升高而積累，而小麥呈先增后降的趨勢(shì)，可見(jiàn)玉米脂膜的抗壓能力比小麥強(qiáng)。由此可見(jiàn)，小麥和玉米對(duì)石油污染土壤均具有潛在的修復(fù)效果。

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（責(zé)任編輯 馬鑫）

The Influence for Two Corps Physiological Index by the Different Petroleum Density

LUO Xiao-fang1CHEN Li-hua1WANG Dong-mei1CHEN Fang-yan2
（1. Center of Experiment，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030；2. Life Science and Engineering，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030）

The experiment have been selected the Triticum aestivum Linnand Zea mays L. two different plants for 60 days imitate in the laboratory. According to measure the oil contaminated soil toleranceof two different plants and the oil pollution stress on petroleum contaminated soil restoration potential effect，which hope to provide a theory basis in future remediation cases. The experiment set up 0%，0.5%，1.5%，3% four groups of polluted soil respectively，and doing the experiment that culture the tested plants of wheat and corn in the greenhouse by pot. The results shows that the germination rate of tested plants in the petroleum coercion all shows downward trend，and have an extremely influence on the result when the density reach to 3%；The petroleum density to the wheat and corn have an inhibition actions，compare CK with the height，the number of leafs，the dry substance，which have an obvious descend trend. The content of chlorophyll decreased with the petroleum density increasing for wheat and corn. The content of MDA，soluble protein in the wheat leafs，which shows firstly increased and then decreased with the petroleum density increasing，but the content of MDA increasing with the petroleum density increasing，the content of soluble protein shows a decreased trend with the petroleum density increasing.

different petroleum density；petroleum pollution soil；corn；wheat；physiological index

2015-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41361070），2014年甘肅省教育廳項(xiàng)目（2014B-010）

雒曉芳，女，碩士，副教授，研究方向：生物修復(fù)方面的研究；E-mail：lxf@xbmu.edu.cn

陳麗華，女，博士，教授，研究方向：土壤石油污染機(jī)理與修復(fù)；E-mail：clh@xbmu.edu.cn