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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