（环境科学专业论文）镉与乙草胺复合污染对玉米幼苗生理特性的影响.pdf

独独 创创 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 （注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保 密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 山东师范大学硕士学位论文 目目 录录 摘要 - i abstract- iii 第一章 文献综述 - 1 1.1 土壤污染概述 - 1 1.2 污染物镉简介 - 3 1.2.1 镉的化学特性 - 3 1.2.2 镉对植物生理功能的影响 - 3 1.2.3 镉对人类健康的危害 - 4 1.3 污染物乙草胺简介 - 5 1.4 植物对重金属的防御机制 - 6 1.4.1 植物根系的作用 - 6 1.4.2 重金属离子的区域化 - 6 1.4.3 螯合作用 - 7 1.4.4 植物体内抗氧化酶系统 - 8 1.5 相关生理指标简介 - 9 1.5.1 叶绿素 - 9 1.5.2 丙二醛和相对电导率 - 10 1.5.3 酶促抗氧化系统 - 10 1.6 研究意义- 12 第二章 镉与乙草胺复合污染对玉米种子萌发情况的影响 - 13 2.1 实验材料与处理 - 13 2.1.1 供试植物 - 13 2.1.2 供试药品 - 13 2.1.3 种子萌发实验 - 13 2.2 实验方法- 14 2.2.1 萌发指标测定 - 14 2.2.2 玉米芽、幼根的测定 - 14 2.3 数据分析处理 - 14 2.4 实验结果与分析 - 14 2.4.1 镉与乙草胺复合污染对发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数的影响 - 14 2.4.2 镉与乙草胺复合污染对玉米芽生长的影响 - 15 2.4.3 镉与乙草胺复合污染对玉米幼根生长的影响 - 17 2.5 小结与讨论 - 18 第三章 镉与乙草胺复合污染对玉米苗期某些生理特性的影响 - 19 3.1 实验材料与处理 - 19 3.1.1 供试植物 - 19 3.1.2 供试药品 - 19 山东师范大学硕士学位论文 3.1.3 供试土壤 - 19 3.1.4 幼苗培养实验 - 19 3.2 实验方法- 20 3.2.1 植株株高、生物量测定 - 20 3.2.1.1 株高的测量 - 20 3.2.1.2 生物量测定 - 20 3.2.2 叶绿素测定 - 20 3.2.3 细胞膜伤害指标测定 - 21 3.2.3.1 丙二醛（mda）测定 - 21 3.2.3.2 细胞质膜透性测定 - 21 3.2.4 抗氧化酶活性测定 - 21 3.2.4.1 超氧化物歧化酶（sod）活性测定 - 22 3.2.4.2 过氧化物酶（pod）活性测定 - 22 3.2.4.3 过氧化氢酶（cat）活性测定 - 23 3.3 数据分析处理 - 23 3.4 实验结果与分析 - 23 3.4.1 镉与乙草胺复合污染对玉米幼苗生长情况的影响 - 23 3.4.1.1 镉与乙草胺复合污染对地上部分形态的影响 - 23 3.4.1.2 镉与乙草胺复合污染对株高的影响 - 25 3.4.1.3 镉与乙草胺复合污染对生物量的影响 - 26 3.4.2 镉与乙草胺复合污染对玉米幼苗叶绿素合成的影响 - 27 3.4.2.1 镉与乙草胺复合污染对叶绿素 a 含量的影响 - 27 3.4.2.2 镉与乙草胺复合污染对叶绿素 b 含量的影响 - 28 3.4.2.3 镉与乙草胺复合污染对叶绿素 a+b 含量的影响 - 29 3.4.2.4 镉与乙草胺复合污染对叶绿素 a/b 的影响 - 29 3.4.3 镉与乙草胺复合污染对玉米幼苗细胞膜伤害指标的影响 - 30 3.4.3.1 镉与乙草胺复合污染对 mda 含量的影响 - 30 3.4.3.2 镉与乙草胺复合污染对叶片质膜透性的影响 - 31 3.4.4 镉与乙草胺复合污染对抗氧化酶活性的影响 - 32 3.4.4.1 镉与乙草胺复合污染对 sod 活性的影响 - 32 3.4.4.2 镉与乙草胺复合污染对 pod 活性的影响 - 33 3.4.4.3 镉与乙草胺复合污染对 cat 活性的影响 - 34 3.5 小结与讨论 - 35 第四章 研究结论与展望 - 37 4.1 全文主要研究结论 - 37 4.2 展望 - 38 参考文献 - 40 致 谢 - 44 攻读学位期间发表的学术论著 - 45 山东师范大学硕士学位论文 i 镉与乙草胺复合污染对玉米幼苗生理特性的影响 摘要 镉是毒性较大的重金属元素之一，土壤中的镉会被植物吸收， 并在其体内积 累， 从而影响植物的生长， 最终会通过食物链进入人体， 对人类的健康造成威胁。 乙草胺是我国生产量最大的除草剂，适于大豆，玉米，花生和棉花田的除草。本 文以玉米作为研究材料，通过萌发试验和盆栽试验，探讨了重金属镉污染，以及 镉与乙草胺复合污染对玉米种子萌发和幼苗生长时期某些生理特性的影响。 本研 究所获得的主要结论如下： 1、单镉处理、镉与乙草胺复合处理，均抑制玉米种子的萌发。单镉处理， 随着镉浓度的逐渐增大，玉米种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均呈 现下降趋势；镉和乙草胺复合处理，变化趋势与单镉处理相类似，但抑制作用高 于单镉处理，且抑制程度和浓度的关系表现为正相关。 2、镉、乙草胺对玉米种子幼芽和幼根的生长有明显的抑制作用，且两者的 敏感性不同。单镉处理，低镉浓度（510mg/l） ，玉米芽长与对照相比，无显 著差异；而幼根长与对照相比差异显著。镉与乙草胺复合处理，对玉米幼芽和幼 根的抑制作用增大，乙草胺处理浓度为 50 mg/l 时，镉浓度30 mg/l，芽长小 于 2 cm，而幼根在镉浓度5 mg/l，其长度就小于 2 cm；乙草胺处理浓度为 100 mg/l 时，玉米芽长和幼根长在低镉浓度下均小于 2 cm，高镉浓度下，幼根的长 度不到 1 cm。 3、镉污染，镉和乙草胺复合污染胁迫玉米苗期的生长，结果表明，单镉处 理，低浓度下玉米的株高（镉浓度 510 mg/kg） 、生物量（镉浓度为 5 mg/kg） 与对照相比无明显差异，但随着镉浓度的逐渐增大，株高、生物量均呈现下降的 趋势；镉和乙草胺复合处理，低浓度下与对照相比差异显著，且随着镉浓度的增 大以及施加乙草胺的浓度增大，下降趋势越明显。 4、玉米幼苗叶绿素的含量在单镉、镉和乙草胺复合污染胁迫下呈下降趋势。 镉单独处理，叶绿素 a、b、a+b 的含量均随着镉浓度的增大而逐渐下降，且与对 照相比均差异显著， 叶绿素 a/b 则呈先上升后下降的趋势； 镉和乙草胺复合污染， 对叶绿素的影响趋势与单镉处理相似，但影响程度增大， 且与镉和乙草胺的浓度 山东师范大学硕士学位论文 ii 呈现正相关性。 5、镉和乙草胺胁迫玉米幼苗，丙二醛（mda）含量和相对电导率都升高。 镉单一污染，低镉浓度下 mda 含量变化不大，当镉浓度30 mg/kg 时，mda 含量急剧上升；镉和乙草胺复合污染，低镉浓度下 mda 的含量与对照相比差异 显著，且镉浓度、乙草胺浓度越大，mda 的含量越高。相对电导率与 mda 含 量的变化趋势相似，但是变化幅度要小很多。 6、玉米苗期受到镉和乙草胺胁迫，抗氧化酶（sod、cat、pod）活性的 变化趋势不一致。单镉处理时，浓度为 30 mg/kg 时，sod、cat 的活性达到最 高，之后随着镉浓度的增大，这 2 种酶的活性呈逐渐降低的趋势，而 pod 的活 性随着镉浓度的增大逐渐升高，镉浓度 100 mg/kg 时达到最高。加入乙草胺后， 两者复合处理，随着镉浓度的升高，sod、cat 的活性均呈先上升后下降的趋 势，且随着乙草胺浓度的增大，变化趋势越明显，而 pod 的活性仍然呈上升的 趋势，并且镉浓度、乙草胺浓度越大，其活性越高。在此过程中，pod 被激活 的程度最大，推测它起着关键作用。 综上所述，镉单一污染、镉和乙草胺复合污染对玉米种子萌发时期和幼苗时 期的生长产生一定的毒害效应，且复合污染的毒害程度要大于镉单一污染。 因此 推测镉和乙草胺两者复合污染表现一定的协同毒害效应。 关键词关键词：玉米；镉；乙草胺；复合污染；萌发；生理特性 分类号：分类号：x171.5 山东师范大学硕士学位论文 iii influences of combined pollution of cadmium and acetochlor on physiological property of maize seedlings abstract cadmium, as one of the bigger toxicity heavy metals, can be absorbed by the plants from the soil and it will affect the growth of plants and accumulate in their bodies, furthermore endanger human health through the food chain. acetochlor is one of the biggest productions of herbicide in china, it is widely used in many kinds of plants for killing weeds such as soybean, corn, peanut, and cotton. in this thesis, with corn as an experimental subject, we study the effects of cadmium, the association of cadmium and acetochlor on the physiological characteristics of maize seedlings by the germination and the pot experiment. the main conclusions and results are presented in the following: 1. the inhibitions to the germination of seeds are obvious by the single pollution of cadmium and the combined pollution of cadmium and acetochlor. for the first case of single pollution of cadmium, with the increase of concentration of cadmium, the germinating potentiality, germinating rate, sprout index and vigor index of seeds all presented a declined tendency. for the second case of combined pollution, it exhibits similar tendency with the former ones, but the inhibition effect is stronger than cadmium alone, and the degree of inhibition is proportional to the concentration of pollutions. 2. the inhibition effects of cadmium and acetochlor on the growth of roots and bugs are obvious, and the roots and bugs have different sensitivities to the pollutions. under the stress of single pollution of cadmium, by the low concentration of cadmium of 510 mg/l, the length of bugs has no significant difference with the control group; but the length of roots is greatly shorter than those of controls. under the condition of combined pollution of cadmium and acetochlor, the inhibition becomes stronger. when the concentration of acethchlor in treatment is 50 mg/l, the length of bugs is 山东师范大学硕士学位论文 iv less than 2 cm by the concentration of cadmium 30 mg/l, and the length of roots is less than 2 cm by the concentration of cadmium 5 mg/l, when the concentration of acethchlor in treatment is 100 mg/l, the length of bugs and roots is less than 2 cm by the lower concentration of cadmium, but it was less than 1 cm by the higher concentration of cadmium. 3. the effects of cadmium and combined pollution with acetochlor on the growth of maize seedlings. the results of experiment show that, under the single pollution of cadmium, the height (the concentration of cadmium is 510 mg/kg) and biomass (the concentration of cadmium is 5 mg/kg) have no significant difference with the control group by low concentration of cadmium, but with the increase of concentration of cadmium, the plant height and biomass decrease apparently. under the condition of combined pollution of cadmium and acetochlor, the height and biomass are greatly lower than those of control group by the low concentration of pollution, and the declining trends become more obvious with the increase of concentration of combined pollution. 4. the contents of chlorophyll of maize seedlings decrease under the stress of cadmium and combined pollution with acetochlor. by the cadmium alone, the contents of chlorophyll a, b, a+b decrease with the increasing concentration of cadmium, and the phenomenon is evident than those of control group, while the value of chlorophyll a/b first increases and then decreases. under the stress of combined pollution of cadmium and acetochlor, the changes of chlorophyll are similar with the treatment of cadmium alone, but the influence is more seriously and the degree is positively related to the concentration of cadmium and acetochlor. 5. the effects of cadmium and acetochlor on the mda content and relative electric conductivity of seedlings. by the treatment of cadmium alone, the mda content has no obvious change in low concentration of cadmium, but when the concentration of cadmium 30 mg/kg, the mda content increase drastically. under the stress of combined pollution, the mda content is greatly higher than those of controls in low cadmium concentration, and increase as the concentration of pollution 山东师范大学硕士学位论文 v increased. the relative electric conductivity demonstrates similar manners with the mda but the amplitude of change is smaller than the mda. 6. the changes of antioxidant enzyme (sod, cat and pod) activities are different on cadmium and acetochlor stress. under the stress of cadmium only, the activities of sod, cat reach the peak value when the concentration is 30 mg/kg, and then they decrease with the increasing of cadmium concentration, but the activity of pod increases and reaches the peak value at cadmium concentration of 100 mg/kg. under the combined treatment of cadmium and acetochlor, the activities of sod, cat first increase and then decrease with the increasing concentration of cadmium, and the trends are more obvious when the concentration of acetochlor increasing, but the activity of pod is still increasing as the cadmium and acetochlor concentration increased. in this process, pod is greatly activated, and may be play a key role in these three antioxidant enzymes. in conclusion, both single pollution of cadmium and the combined pollution of cadmium and acetochlor are toxic to maize bugs and seedlings, and the toxic effect of combined pollution is more serious than single cadmium pollution. therefore we can deduce that the toxicity of associated pollution of cadmium and acetochlor shows to be synergistic effect. key words: maize, cadmium, acetochlor, combined pollution, germination, physiological characteristics category number: x171.5 山东师范大学硕士学位论文 1 第一章 文献综述 1.1 土壤污染概述 土壤是组成人类生态环境的重要部分， 也是人类赖以生存的自然环境和农业 生产的重要资源。 它位于自然环境的中心位置， 承担着环境中 90%左右的来自各 方面的污染物。目前人们已经初步认识到，要做好大气环境、水环境等的保护工 作， 必须同时做好土壤环境的研究与防治，因为整个生态环境的质量依赖于土壤 环境的改善和提高。近年来，随着全球经济的快速发展，现代工农业发展速度日 益增快，农用化学物质种类和数量逐渐增加，城市环境污染日益加剧，致使土壤 环境污染问题日趋严重。在许多发达国家和发展中国家，都面临着农业发展被土 壤环境污染所阻碍的问题，已经引起人们的广泛关注。土壤污染会对人类生存和 生活产生严重的影响，包括导致严重的直接经济损失，导致食物品质不断下降， 危害人类身体健康，以及引发一系列的环境问题等1。 重金属是指密度大于6 g/cm3（或者有的学者认为大于5 g/cm3）的金属元素。 如铜（cu） 、铅（pb） 、锌（zn） 、铁（fe） 、钴（co） 、镍（ni） 、锰（mn） 、镉 （cd） 、汞（hg） 、银（ag） 、铬（cr）等。砷作为一种准金属，其化学性质、 环境行为等与重金属极为类似，所以通常将它归于重金属的研究范围内。由于土 壤中有较高含量的铁和锰，因而一般认为它们不是造成土壤污染的元素2，而土 壤中的某些微量元素（如铜、锌等）则既具有营养元素的属性，也具有污染物属 性。在环境污染研究中具有显著生物毒性的重金属汞、镉、铅、铬以及类金属砷 是人们目前特别关注的重金属，还包括具有毒性的重金属铜、锌等3。重金属污 染物属无机污染物，其通过各种途径（如污水灌溉、污泥农田利用、肥料大量使 用等）进入土壤中，由于重金属在土壤中具长期性、隐蔽性和不可逆性的特点， 因而在土壤中不断富集，造成土壤重金属污染。根据国家环保总局统计结果，目 前中国遭受重金属污染的土壤面积近2000万公顷，约为耕地总面积的20%4。根 据我国农业部进行的全国污灌区调查， 在约140万公顷的污灌区中， 就约有64.8% 的污水灌区面积遭受重金属的污染，其中46.7%为轻度污染，9.7%为中度污染， 8.4%为严重污染5。不同程度的重金属污染会造成大约18.5%农产品所含的污染 山东师范大学硕士学位论文 2 物超过食物卫生标准以及超过上千万吨粮食的减产。 土壤中的重金属不能被生物 分解，但可以在生物体内进行积累和转化，当超过一定的强度时便产生毒害，可 对地下水、农作物、农产品等许多方面造成重大影响，并可以通过食物链危害人 类健康。 土壤是农业生产的基础，随着现代农业的快速发展，以及对农产品需求的日 益增加，使用农药（主要为化学农药）已经成为保证农业生产增长的重要途径， 但是在保障农业生产稳产增产的同时， 对环境尤其是土壤环境和水域环境造成了 严重的污染，破坏了生态平衡。在农田生态系统中广泛的、反复的使用化学农药 的过程中， 一部分的农药直接作用于目标生物，而另一部分农药则洒落于防治区 域外。 有研究表明， 农药在土壤中的结合残留量一般占施药总量的 20%70%6。 农药属于有机污染物，它主要通过以下几种途径进入土壤：农药以拌种、浸种等 形式施入土壤；喷洒农药时，直接落到地面上或附着在作物上，经风吹雨淋落入 土壤中；大气中悬浮的农药颗粒或以气态形式存在的农药经雨水溶解和淋失，最 后落到地面上；死亡动植物残体或灌溉污水将农药带入土壤。此外，造成我国目 前耕地中农药的残留量过高， 污染严重的原因还有： 农药种类繁多， 结构不合理， 农民使用农药盲目以及施用技术不当等。 在自然界中， 污染可能是以某一元素或某一化学物为主， 但在大多数情况下， 也会伴随有其他污染物存在，即复合污染，复合污染中元素或化学物之间对生物 效应的综合影响是一个十分棘手的问题7,8。复合污染比单一效应更趋于实际， 多种污染物复合污染现象是非常普遍的， 有关复合污染的环境效应和环境毒理学 等相关课题也正成为生态毒理学研究的热点。 大量研究表明， 对于不同目标生物， 无机污染物之间，有机污染物之间，无机污染物和有机污染物之间的复合污染效 应通常比其相应的单因子污染物对生物的毒性要复杂得多，可表现为拮抗作用、 相加（加和）作用、独立作用和协同作用等9,10。土壤中残留的重金属与农药使 用过程中落入土壤的农药一起构成了农田生态系统的复合污染， 对农作物构成了 一定的威胁， 影响农作物的生长和品质，并有可能通过食物链进一步危害人类的 健康。 山东师范大学硕士学位论文 3 1.2 污染物镉简介 1.2.1 镉的化学特性 镉为银白色，具有光泽，沸点为 765，熔点为 320.9，相对密度为 8.642， 具有韧性和延展性。镉一般在土壤表层 015 cm 处积累，在地壳中的含量约为 210-5%。自然界中镉的存在形式都是化合物，其主要是以硫化物、氧化物、碳 酸盐形式与锌矿等共存。镉的用途广泛，由于它对碱性物质的防腐蚀能力强，主 要用于钢、铁、铜、黄铜和其他金属的电镀；可用于制造体积小和电容量大的电 池；镉的化合物还大量用于生产颜料和荧光粉；硫化镉、硒化镉、碲化镉用于制 造光电池。 虽然环境中的镉自然来源很少，在地壳中的含量也甚微，但是随着工业、农 业的迅速发展，工矿企业采矿、冶炼及其过程中废弃物的排放量增加；农业生产 中化肥、有机肥和农药的使用量增加以及不合理使用；污水灌溉面积的扩大；交 通运输尾气排放、 轮胎磨损等都使得土壤中重金属镉的含量增加11。 据联合国环 境资料报道，目前全球已经达到近200万公顷的土壤面积被重金属镉污染，成为 对土壤-植物系统影响比较大的重金属污染物类型。我国镉的污染形势也比较严 峻，据相关报道，2000年我国约有2000万公顷耕地面积受到cd、as、cr、pb等 重金属的污染，其中受镉污染的土壤面积约3.2万公顷，全国每年因重金属污染 而造成的粮食减产1000多万吨， 其经济损失至少200亿元12。 镉具有较大的毒性， 对植物产生毒害作用的临界浓度比其他重金属元素（锌、铅和铜等）也要低；空 气和食物被镉污染后会严重危害人体的健康， 如日本因镉中毒曾出现过“痛痛病” 13。镉污染已经成为当今危害最大的、污染重面积最广泛重金属元素之一，而 且由于镉污染的生物效应和毒理机制极为复杂，被称为“三毒之首” ，因此当前 重金属污染研究的热点之一就是镉污染。 1.2.2 镉对植物生理功能的影响 镉是植物的非必需元素，植物对其吸收和运转的作用都很强，当植物从土壤 中或空气中吸收镉后，体内的生理、生化过程会发生相应的变化，进而影响植物 正常的生长发育。对于镉对植物的伤害作用已经有许多报道1416，但重金属镉 在生态系统中和植物体内存在形态、 迁移方式、 毒害机理、 环境变化等的复杂性， 山东师范大学硕士学位论文 4 因而这其中许多机理还没有研究透彻， 并且已经报道过的一些观点也存在分歧和 相互矛盾的地方。镉对植物影响的大小与植物种类、作用时间、环境因子、镉的 浓度等因素有关，一般而言，在高镉浓度和胁迫时间较长的情况下，对植物的伤 害作用比较显著，而在低镉浓度时，对植物的生理代谢伤害作用不显著或有促进 作用。 镉的植物毒性非常强，对植物生理、生化特性及品质都有一定的影响，但这 种毒害作用是相对的而不是绝对的，在一定浓度范围内它也表现某些生理作用， 但超过这个浓度范围，便会抑制或者破坏正常的生理生化过程。具体来讲，镉对 植物的毒害主要表现在降低植物光合作用能力、 干扰植物体内营养和物质的迁移 和再分配， 植物受镉毒害的症状不仅仅表现为外表的伤害，还表现在对植物本身 防御能力的破坏1724。一定浓度的镉会影响植物种子萌发所需的物质和能量， 从而抑制种子的萌发过程，且对根尖有致畸效应；镉能够通过促进植物的伤流速 度和蒸腾强度来影响植物苗期的水分代谢； 光合作用是植物物质生产的重要生理 过程，镉能引起叶绿素的含量降低，气孔开度减少甚至关闭，镉在植物体内大量 积累会破坏叶绿素的结构，伤害光合膜系统，降低酶的合成能力等，从而造成光 合速率降低，影响植物的光合作用；镉胁迫下，植物体内会产生大量的活性氧自 由基， 导致细胞膜脂过氧化水平升高和细胞保护系统发生变化，植物叶片的质膜 透性与丙二醛的含量变化有着相同的变化趋势， 即随着重金属浓度的增大和处理 时间的延长，膜脂过氧化程度加剧，细胞质膜透性升高；同时活性氧的过量产生 会干扰植物体内保护酶系统的动态平衡，使保护酶（sod、pod、cat等）变性、 失活；另外，镉由于在土壤中有稳定的化学特性，作物很容易吸收土壤中的镉， 使籽粒的营养品质和卫生品质等受到一定的影响，从而在人体中积累并产生毒 害。 1.2.3 镉对人类健康的危害 镉是人体的非必需