时间:2024-05-21
陈永林++陈小锦++丛玮玮++余彬彬++盛海君++张苏波++居静
摘要:通過水培法,研究不同价态铬Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)对玉米幼苗铬吸收曲线及生长发育的影响。结果表明:(1)玉米幼苗对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的吸收符合Michaelis-Menten模拟曲线方程特征,随着Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理浓度的升高,玉米幼苗地上部、根系及整株的Cr含量随之增加;玉米幼苗体内的Cr主要富集在根部,很少往地上部分转运;(2)Cr(Ⅲ)与玉米幼苗根细胞吸收位点的亲和力小于Cr(Ⅵ),但玉米幼苗根系对Cr(Ⅲ)的吸收速率和吸收能力要明显高于Cr(Ⅵ),这可能是玉米幼苗对Cr(Ⅲ)的生物富集能力高于Cr(Ⅵ)的原因之一;(3)Cr(Ⅵ)对玉米幼苗的毒害要高于Cr(Ⅲ),表现在Cr(Ⅵ)对玉米幼苗鲜质量、叶绿素含量、根系性状及根系参数(根长、根表面积、根体积)的影响要大于Cr(Ⅲ),尤其在较高浓度Cr(Ⅵ)时,玉米幼苗出现明显的中毒症状,叶色枯萎,根系发黄腐烂,类似盐胁迫症状;虽然,在低浓度下Cr(Ⅲ)对玉米幼苗的毒害程度较小,但在较高浓度下还是表现了抑制玉米幼苗的生长发育。
关键词:铬;玉米幼苗;吸收;动力学特征;生长发育
中图分类号: S513.01文献标志码: A
文章编号:1002-1302(2017)03-0046-05
收稿日期:2015-12-21
基金项目:江苏省扬州市自然科学基金青年科技人才项目(编号:YZ2014053);扬州大学科技创新培育基金(编号:2014CXJ033)。
作者简介:陈永林(1991—),男,江苏泰州人,硕士研究生,主要从事植物营养与施肥的理论与技术研究。E-mail:893373460@qq.com。
通信作者:居静,博士,副教授,主要从事植物营养生理研究。E-mail:jujing@yzu.edu.cn。
重金属铬是广泛存在于自然界的一种元素,是污染环境的5种重要的重金属之一,也是中国实行总量控制的主要污染物之一。铬以多种价态存在于土壤中,但是在通常的土壤pH值和氧化还原电位(oxidation-reduction potential,简称Eh)值范围内,Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)均是比较稳定的形态[1]。Cr(Ⅲ) 主要以Cr(H2O)63+、Cr(OH)2+和CrO2-的形式存在,Cr(Ⅵ)主要以Cr2O72-和CrO42-等形式存在。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在土壤中的化学活性截然不同,它们在土壤中的移动性主要取决于自身的可溶性[2]。Cr(Ⅲ)进入土壤后一般会以沉淀形式[Cr(OH)-3]存在,或被土壤黏粒强烈地吸附[3]。因此,Cr(Ⅲ)在土壤中溶解度小、移动性差,能稳定存在。同时,土壤中存在的氧化物也会使Cr(Ⅲ)转化成Cr(Ⅵ)。而对于Cr(Ⅵ),土壤对其吸附力较弱,因此,具有较高的生物活性,然而土壤中的还原剂[有机质、Fe(Ⅱ)、亚硫酸盐等]在一定条件下可将其转化为Cr(Ⅲ)。Cr(Ⅵ)由于具有较高的可溶性,因此,无论对动物还是植物都具有毒性。Cr(Ⅵ)刺激人的皮肤、引发胃溃疡、肝损伤等[4]。近年来,关于Cr(Ⅵ)影响植物生长发育的报道也有不少,如种子萌发率、幼芽分化率、根系活力、根系干物量等随铬浓度的升高显著降低[5-8]。随着铬浓度的升高,茎秆伸长受阻、茎纤维结构被破坏,叶片数量、厚度和表面积减少,叶片干物质质量降低,叶片组织结构被破坏[9-11];以及铬会减少单株花的数量、降低种子结实率从而导致产量下降[12-14]。随着铬浓度的升高,碳同化减弱,叶绿素和类胡萝卜素含量降低,气孔导度降低,细胞间隙CO2浓度升高,光合作用减弱[15]等。另有研究认为,低浓度铬对植物生长存在着明显的刺激效应,表现出“低促”现象[16]。但是“低促”实际上也是植物受到伤害后的一种病态表现,此时叶绿素的合成已经受到明显抑制[17],这对植物的进一步生长也是致命的。而对于Cr(Ⅲ),虽然研究发现 Cr(Ⅲ) 可能是动物和人类的基本营养元素[18],但是研究者仍在研究Cr(Ⅲ)是否是植物基本的营养元素。
为进一步明确不同价态铬[Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)]对玉米生长发育的毒害作用。本研究拟通过水培试验,对不同价态铬[Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)]及不同铬处理浓度(0、2、5、10、20 mg/L)对玉米幼苗铬吸收的动力学特征及生长发育(鲜质量、叶绿素含量、根系性状及根系参数)的影响等指标进行比较分析,旨在为研究不同价态铬[Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)]对作物毒性机理提供理论依据,这将有助于铬污染毒害作用的预测、评价和防治。
1材料与方法
试验于2014年6—7月及2015年4—5月在扬州大学环境科学与工程学院养苗室进行,供试玉米品种为苏玉20。
1.1材料与培养
选取生长一致(1叶1心)的玉米幼苗转入有50% Hoaglands(霍格兰氏)营养液的水培容器中预培养,将营养液pH值调至5.5,每盆7株。预培养7 d,再布置各处理。
Hoaglands营养液组成(mmol/L):Ca(NO3)2 5.0、KNO3 5.0、KH2PO4 1.0、MgSO4 2.0、H3BO3 4.6×10-2、CuSO4 3.0×10-4、MnSO4 1.9×10-2、ZnSO4 7.6×10-4、H2MoO4 3.1×10-4、EDTA-Fe 7×10-2。
水培容器:直径20 cm、高48 cm、体积约为5 L的塑料圆桶,桶上带7个孔的同质塑料圆盖。
1.2试验设计
试验设Cr(Ⅵ)浓度梯度为0、2、5、10、20 mg/L(质量浓度以Cr计),Cr(Ⅵ)以K2Cr2O7形式添加;设Cr(Ⅲ)浓度梯度为0、2、5、10、20 mg/L(质量浓度以Cr计),Cr(Ⅲ)以CrCl3形式添加。每3 d更换1次营养液,营养液pH值为5.0~5.5,并间歇通气20 min/h。每个处理7株,重复3次,共培养10 d。处理10 d后,将玉米幼苗取出,用蒸馏水洗净揩干,分解各个器官,测定各项指标。
1.3測定项目与方法
玉米幼苗在不同处理浓度Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的营养液中处理10 d后进行分析,测定项目如下:
生物量(包括地上、地下部生物量)测定采用鲜质量称质量法。
用根系分析系统(WinRhizo regent instruments,Canada)测定根长、根表面积、平均根粗、根体积等。叶绿素含量测定方法参考文献[19]。玉米地上部分和根系铬分析测定采用干灰化—原子吸收分光光度法。
1.4数据分析
玉米幼苗根系吸收Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)动态采用SigmaPlot 10.0软件模拟Michaelis-Menten方程f=Vmax×abs(x)/[Km+abs(x)],abs(x)为底物浓度,按照Michaelis-Menten方程的Hofstee转换式处理数据,得到不同处理浓度Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理下玉米幼苗根系对Cr的最大吸收速率(Vmax)、米氏常数(Km)和吸收能力(Vmax/Km)。Cr生物富集系数=某一器官Cr含量(mg/kg)/Cr浓度(mg/L)。
[JP2]数据均采用Excel 2003、SPSS 17.0等软件进行数据分析。[JP]
2结果与分析
2.1不同价态铬对玉米幼苗铬吸收的生物富集系数及动力学特征的影响
由表1可知,在不同浓度Cr(Ⅵ)处理下,玉米幼苗地上部Cr含量为8.99~92.30 mg/kg,生物富集系数为3.28~4.62;玉米幼苗根系Cr含量为73.64~186.13 mg/kg,生物富集系数为9.31~36.82;玉米幼苗整株Cr含量为29.40~128.99 mg/kg,生物富集系数为6.45~14.70;随着处理浓度的升高,玉米幼苗地上部、根系及整株Cr含量增加。在不同浓度Cr(Ⅲ)处理下,玉米幼苗地上部Cr含量为4.70~44.09 mg/kg,生物富集系数为1.59~2.35;玉米幼苗根系Cr含量为148.92~658.53 mg/kg,生物富集系数为32.93~74.46;玉米幼苗整株Cr含量为52.90~290.30 mg/kg,生物富集系数为14.52~26.45;随着处理浓度的升高,玉米幼苗地上部、根系及整株Cr的含量增加。以上结果表明,随着 Cr(Ⅵ) 和Cr(Ⅲ)处理浓度的升高,玉米幼苗地上部、根系及整株Cr含量增加,玉米幼苗体内的Cr主要富集在根部,很少往地上部分转运,玉米幼苗对Cr(Ⅲ)的生物富集能力明显高于Cr(Ⅵ)。
进一步分析表明,不同浓度Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)对玉米幼苗各处理10 d后,玉米幼苗根系Cr的含量随着Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ) 处理浓度的变化趋势符合Michaelis-Menten模拟曲线方程f=Vmax×abs(x)/[Km+abs(x)]特征;随着Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ) 处理浓度的升高,玉米幼苗根系对Cr(Ⅲ)吸收显著增加,而对Cr(Ⅵ)吸收在2~10 mg/L处理下显著增加,且玉米幼苗根系对Cr(Ⅲ)的吸收量明显高于Cr(Ⅵ)(图1)。在不同浓度Cr(Ⅲ)处理下,Km(米氏常数)、Vmax(最大吸收速率)和Vmax/Km(吸收能力)数值明显大于Cr(Ⅵ)处理(表2)。这些结果表明,Cr(Ⅲ)与玉米幼苗根细胞吸收位点的亲和力小于Cr(Ⅵ),但玉米幼苗根细胞对Cr(Ⅲ)的吸收速率和吸收能力要明显高于Cr(Ⅵ),这可能是玉米幼苗对Cr(Ⅲ)的生物富集能力高于Cr(Ⅵ)的原因之一。
2.2不同价态铬对玉米幼苗鲜质量的影响
由表3可知,在不同浓度Cr(Ⅵ)处理下,地上部、根系及全株的鲜质量与对照相比显著降低,尤其当Cr(Ⅵ)浓度为20 mg/L时,生长10 d左右的玉米幼苗出现明显的中毒症状,表现为叶片发黄、枯萎甚至死亡,类似盐胁迫症状,地上部、[JP2]根系和全株的鲜质量较对照有显著地降低,分别下降了 61.8%、9.4%和30.1%。比较不同价态铬对玉米幼苗各部位鲜质量的影响发现,Cr(Ⅵ)处理下玉米幼苗地上部、根系及全株鲜质量明显低于Cr(Ⅲ)处理。
2.3不同价态铬对玉米幼苗叶绿素含量的影响
由图2可见,在Cr(Ⅵ)处理下,当浓度为2 mg/L时,玉米幼苗叶绿素含量与对照无显著差异;但当Cr(Ⅵ)浓度>2 mg/L,玉米幼苗叶绿素含量显著低于对照,且随着 Cr(Ⅵ) 处理浓度的升高而降低。在Cr(Ⅲ)处理下,当浓度为 2 mg/L,玉米幼苗叶绿素含量显著高于对照;当浓度为 5 mg/L 时,[CM(21]玉米幼苗叶绿素含量与对照无显著差异;当浓度[CM)][FL)]
[TPCYL2.tif][FK)]
>5 mg/L时,玉米幼苗叶绿素含量显著低于对照,且随着处理浓度的升高而降低。这些结果表明,无论是Cr(Ⅵ)还是 Cr(Ⅲ),在高浓度条件下,均会影响玉米幼苗叶绿素含量。Cr(Ⅲ)处理下玉米幼苗叶绿素含量明显高于Cr(Ⅵ)。
2.4不同价态铬对玉米幼苗根系形态及根系参数的影响
由图3可以看出,玉米幼苗在不同浓度Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ) 浓度处理10 d后,根系形态发生了明显的差异。与对照相比,当Cr(Ⅵ)浓度≥2 mg/L时,根系形态发育就被抑制,根长、根量下降,尤其在高浓度下,根系颜色变成黄褐色,甚至出现腐烂。当Cr(Ⅲ)为2 mg/L时,能够促进玉米根系形态发育,根长和根量最大。当Cr(Ⅲ)浓度≥5 mg/L时,根系形态发育受到抑制,根长、根量逐渐较少。
由表4可以看出,Cr(Ⅵ)处理与对照相比,玉米幼苗根长、根表面积、根体积显著减少,Cr(Ⅵ)浓度≤10 mg/L,平均根粗显著增加;随着Cr(Ⅵ)处理浓度的升高,根长、根表面积、平均根粗、根体积下降。Cr(Ⅲ)处理与对照相比,在Cr(Ⅲ) 为2 mg/L时能促进根系发育,根长、根表面积、平均根[CM(25]粗、根体积明显增加;当Cr(Ⅲ)>2[KG*3]mg/L时,与Cr(Ⅲ)浓[CM)]
[FK(W13][TPCYL3.tif][FK)]
度=2 mg/L相比,根长、根表面积、根体积显著下降,但根直径增大,根系变粗。随着Cr(Ⅲ)处理浓度的升高,根长、根表面积下降,平均根粗随之增加。比较不同价态铬对根系参数的影响发现,铬浓度在2~10 mg/L之间,Cr(Ⅲ)处理下,根长、根表面积、根体积稍大于Cr(Ⅵ)处理。
3讨论
3.1不同价态铬对玉米幼苗铬吸收的生物富集系数及动力学特征的影响
植物大部分是通过根系的吸收获得所需养分,并将吸收的养分尽可能转移至地上部分进行利用或累积下来。由于Cr不是植物的必需元素,植物缺乏对Cr的转运机制,因此Cr在植物中移动性一般较低[20]。通常,铬在植物根的积累量是茎和其他组织的10~100倍[17],转移到地上部的铬总量非常少。例如,蚕豆中,有98%的Cr积累在根部,仅有2%的Cr被转移到地上部分[21]。盛海君等通过水培方法,研究不同濃度Cr(Ⅵ)对玉米幼苗生长发育的影响发现,玉米幼苗根系Cr含量明显高于地上部Cr含量,生物富集系数也极显著高于地上部[17]。本研究结果表明,无论Cr(Ⅵ)处理还是Cr(Ⅲ)处理,玉米幼苗中的Cr主要累积在根部,很少往地上部分转运。随着处理浓度的升高,玉米幼苗对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的吸收呈增加的趋势,吸收的曲线符合Michaelis-Menten模拟曲线方程。关于植物对不同价态铬的吸收能力,已有的研究认为,植物对Cr(Ⅵ)的吸收是以主动吸收方式进行,而对Cr(Ⅲ)的吸收是被动吸收的过程,因此,通常认为植物对Cr(Ⅵ)的吸收能力是Cr(Ⅲ)的数倍[22]。然而张学洪等对铬富集植株李氏禾研究中发现,李氏禾对Cr(Ⅵ)的富集能力要低于 Cr(Ⅲ),表现在Cr(Ⅵ)对李氏禾生长的影响要大于Cr(Ⅲ),并且李氏禾对Cr(Ⅲ)的吸收可能存在主动吸收的途径[20]。本研究结果表明,玉米幼苗对Cr(Ⅲ)的生物富集能力大于Cr(Ⅵ),这可能因为玉米根系对Cr(Ⅲ)的吸收速率和吸收能力明显高于Cr(Ⅵ),且存在主动吸收的途径(数据未显示)。
3.2不同价态铬对玉米幼苗生长发育(鲜质量、叶绿素含量、根系形态及根系参数)的影响
近年来研究表明,随着重金属Cr(Ⅵ)或Cr(Ⅲ)浓度的升高,水稻、玉米,金凤花等幼苗株高、鲜质量、干物质量均逐渐降低[23-25]。本研究结果表明,随着Cr(Ⅵ)处理浓度的升高玉米幼苗地上部、根系、全株Cr含量增加,在不同浓度 Cr(Ⅵ) 处理下,地上部、根系及全株的鲜质量随着Cr(Ⅵ)处理浓度(除10 mg/L外)的增加明显降低。在浓度较高的情况下(≥20 mg/L),玉米叶片发黄、枯萎甚至死亡,类似盐胁迫症状。在Cr(Ⅲ)处理下,在浓度为5 mg/L以下,与对照相比,地上部、根系和全株鲜质量无显著差异。当Cr(Ⅲ)浓度>5 mg/L,随着 Cr(Ⅲ) 处理浓度的升高,地上部、根系和全株鲜质量明显低于对照,在不同浓度Cr(Ⅲ)处理下,随着Cr(Ⅲ)处理浓度的升高,根系的鲜质量逐渐降低,地上部、全株的鲜质量呈现先增加后降低的趋势。Cr(Ⅲ)处理下玉米的地上部、根系及全株的鲜质量明显高于Cr(Ⅵ)处理。
在玉米幼苗生长旺盛期,叶绿素含量是表示植物光合器官生理状况的重要指标之一[26]。已有研究表明,重金属铬毒害会引起植物体内叶绿素含量下降,徐勤松等认为是铬毒害使叶绿体膨胀、类囊体排列紊乱、被膜消失和叶绿体解体,导致叶绿素含量下降,最终严重影响植物光合作用的正常进行[27]。van Assche等认为,这是由于重金属离子抑制原叶绿素酸酯还原酶活性,从而影响叶绿素的生物合成引起的[28]。本试验结果表明,Cr(Ⅵ)处理及高浓度Cr(Ⅲ)处理下,玉米叶绿素含量相较于对照有明显的下降趋势,这可能是由于Cr影响玉米对Fe元素的吸收(数据未显示),在合成叶绿素的过程中,有1种酶必须要用Fe离子作为它的活化中心,没有Fe就不能合成叶绿素,从而导致植物出现失绿症。
不同价态铬对根系形态和根系参数的影响试验结果表明,玉米幼苗在不同Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)浓度处理下,根系形态发生了明显的差异。与对照相比,Cr(Ⅲ)浓度为2 mg/L时,能够促进玉米根系形态发育,根毛茂密、颜色洁白、根长和表面积最大;Cr(Ⅲ)浓度≥5 mg/L时,根系发育受到抑制。而当Cr(Ⅵ)浓度≥2 mg/L时根系形态发育就被抑制,根长、表面积下降,高浓度下颜色变成黄褐色,甚至出现腐烂。Cr(Ⅲ) 处理下根长、根表面积、根体积明显大于Cr(Ⅵ)处理。
[JP2]以上结论说明,Cr(Ⅵ)对玉米幼苗的毒害作用要明显大于Cr(Ⅲ)。Cr(Ⅵ)在较低浓度下就会抑制玉米幼苗的生长发育,而Cr(Ⅲ)在低浓度条件下对玉米的毒害较小,但是当浓度达到一定数值(≥5 mg/L)时,也会抑制玉米幼苗的生长发育。[JP]
[HS2]参考文献:
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