不同价态铬对玉米幼苗铬吸收动力学特征及生长发育的影响.docx

    不同价态铬对玉米幼苗铬吸收动力学特征及生长发育的影响    陈永林++陈小锦++丛玮玮++余彬彬++盛海君++张苏波++居静Reference：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。

Keys：铬；玉米幼苗；吸收；动力学特征；生长发育S513.01： A：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：[email protected]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：[email protected]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201.1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Reference[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][TPCYL。