六价铬对茼蒿和油菜种子萌发及其幼苗生长的影响

党璐一， 周华锋， 于 波， 单华旭， 张佳晰

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

伴随工农业的快速发展，重金属污染极大地影响人们的生活和生存环境[1].其中重金属铬主要以三价和六价的形式存在[2].三价铬毒害较低，其活动迁移性差；而六价铬毒害相对较大，一般不易被土壤吸附，且活性较高，更易在土壤及其孔隙水中进行活动迁移[3-4].环境中毒性大的六价铬对人体和动植物会产生严重的危害[5].铬及其化合物作为重要的工业原材料，在电镀、铬矿开采等工业领域中被广泛应用，未经环保处理或处理不完全的铬原料被直接排放到环境中，使当地的土地资源和水资源遭受不同程度的污染，对周围的动植物及人类的健康造成严重的威胁[6].农作物和蔬菜对铬具有明显的富集作用，其产量和品质也受到铬的严重影响[7].蔬菜作为人类重要的食物来源，是人体每天需摄入的重要物质，其富集的铬随着蔬菜一同进入人体，对人体健康造成严重的危害[8].所以,了解铬的生物毒害作用，对农作物和蔬菜生产以及环境保护都具有重要意义.

目前，农作物和蔬菜在铬胁迫下生长发育的研究报道较多[9].徐成斌等[10]研究表明：以玉米作为农作物进行水培实验，六价铬会明显抑制玉米的生长，并随溶液中六价铬浓度的增加，抑制加重，且玉米幼苗植株吸收六价铬的量随其胁迫浓度的增加而增加.赵雨云[11]等研究表明：高浓度铬不利于辣椒种子的萌发和生长，而且六价铬对辣椒幼根的毒害作用高于对芽的毒害作用.任立研等[12]研究表明：以小白菜作为农作物进行水培实验，不同浓度的六价铬处理液对小白菜种子的萌发、根长和苗高都表现出一定影响，浓度逐渐增大，毒害抑制作用逐渐增大，但其对小白菜鲜重的铬毒害效应尚未作研究.蔬菜是人类所必需的，但人们对蔬菜的铬毒害敏感性方面缺乏系统性研究.

茼蒿和油菜是人们常食用的蔬菜.本文选择茼蒿和油菜为试验对象，在相同的实验条件下研究种子萌发期的毒害特征和幼苗生长期的表观症状，以便找出茼蒿和油菜被铬胁迫的异同关系.

1 材料和方法

1.1 材料

(1) 供试茼蒿种子(四季嫩茼蒿)和油菜种子(四季青帮油菜)，购自铁岭市铁南种子有限公司；

(2) 试剂K2Cr2O7，分析纯，沈阳科达试剂厂；双氧水购自沈阳市新化试剂厂.

1.2 实验方法

1.2.1 材料的预处理

挑选饱满一致、无虫害、无破损的茼蒿和油菜种子，选用体积分数为3 %的过氧化氢溶液对种子表面进行杀菌消毒，浸泡大约30 min后，用蒸馏水对种子冲洗3次.配制重铬酸根离子溶液，铬处理液质量浓度分别为0.1 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L、25.0 mg/L.向准备好的培养皿中放入两层大小适中的滤纸，每个培养皿中倒入10 mL的处理液，将清洗后的茼蒿种子和油菜种子放入培养皿中，每个培养皿中的种子颗粒数为30粒， 以加入10 mL蒸馏水的培养皿为对照组.每一浓度的处理液设3个重复进行对比， 将培养皿放入培养箱(HPX-9052 MBE型数显电热恒温培养箱)中，进行恒温暗处培养，温度设置为25 ℃.

1.2.2 测定项目

每天观察种子萌发情况，且记录发芽数.实验结束后，随机抽取每一浓度的20株幼苗，测量其芽长及鲜重，并分别测定根长和苗高.

幼苗生长各项指标的测定参见王婷婷等的方法[13].

发芽率=(种子的发芽数/供试种子数)×100 %；

发芽势=(种子发芽高峰期发芽的种子数/供试种子数)×100 %；

(注：每24 h记录1次发芽率，发芽最多的一天即为发芽高峰期)

活力指数(VI)=GI×S，

式中GI为发芽指数，S为幼苗的生长势(芽长度)；

发芽指数(GI)=∑Gt/Dt,

式中Gt为在t天内的发芽数,Dt为发芽天数；

标准方差={[∑(Xn-X)2]/n}(1/2),

式中X表示这组数据的平均数.

1.2.3 数据处理

采用Excel 2003软件对试验数据进行统计分析.显著性检验结果由Excel 2003软件中显著性方差检验法求得.所有测定的数据均取平均值.

2 结果与分析

2.1 不同铬质量浓度处理液对茼蒿种子萌发的毒性实验结果

由表1可以看出：茼蒿种子经各质量浓度六价铬溶液处理后，均受到不同程度的影响；与对照组相比，Cr6+质量浓度在0.1～1.0 mg/L内，其发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数和植物鲜质量均得到促进，且在Cr6+质量浓度为1.0 mg/L时达到最大值，这可能是微量铬是种子萌发阶段所需的微量元素[14]；但处理液质量浓度大于1.0 mg/L时，茼蒿却受到抑制作用，呈下降趋势，这或许是由于植物生长发育所必须的酶反应受到处理液的影响，形成了缓聚酶等物质，影响种子的萌芽[15].

活力指数可以反应种子萌发受铬毒害的情况、成苗率及生长活力，其中Cr6+处理液质量浓度对茼蒿活力指数的影响较为明显.与对照组相比，当Cr6+质量浓度为25.0 mg/L时，茼蒿的活力指数仅为8.7，降低了68.48 %；其次，Cr6+处理液质量浓度对茼蒿的鲜质量也具有显著的影响，与对照组相比降低了51.03 %.

这表明：与对照组相比，当Cr6+质量浓度小于1.0 mg/L时，Cr6+处理液对茼蒿种子萌发及幼苗生长具有促进作用；而当处理液质量浓度大于1.0 mg/L时，则抑制茼蒿种子萌发及幼苗生长，且随着质量浓度的增加，抑制程度越发严重；并且在其各项生长指标中，Cr6+对于活力指数和植株鲜质量的毒害作用最为突出.根据显著性方差检验法，不同质量浓度下茼蒿的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及植株鲜质量均无显著性误差(p<0.05).

表1 不同铬质量浓度处理溶液对茼蒿种子萌发及幼苗生长的影响Table 1 Effects of Cr6+ concentration on seed germination and seedling growth of chrysanthemum

2.2 不同铬质量浓度处理液对油菜种子萌发的毒性实验结果

由表2可以看出：油菜种子经各质量浓度六价铬溶液处理后，对油菜种子的萌发产生了严重影响，具有抑制作用.与对照组相比，随着铬处理液质量浓度的增加，其种子发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数和植物鲜质量均呈下降趋势，且铬溶液质量浓度越高，其毒害效应越强.有不少文献报道，低浓度Cr6+促进种子萌发，高浓度抑制萌发[16-18].但在本试验中未见六价铬的促进作用.其中Cr6+处理液质量浓度对油菜活力指数的影响较为明显，与对照组相比，当Cr6+质量浓度为25.0 mg/L时，油菜的活力指数仅为17.7，降低了59.68 %；其次，Cr6+处理液质量浓度对油菜的鲜质量也具有较明显的影响，与对照组相比降低了58.20 %.根据显著性方差检验法验证，不同质量浓度下油菜均无显著性误差(p<0.05).

由以上实验结果可知：六价铬对茼蒿种子萌发及幼苗生长具有“低促高抑”的现象，但对油菜种子具有抑制作用.植物种子萌发是相对比较脆弱的阶段，且缺少抵御机制，所以，成为受铬影响相对比较敏感的阶段.若在此时，将植物种子暴露于铬溶液中，由于参与萌发的酶活性系统遭到无机铬的破坏，某些活性物质失活或转化，萌发过程无法正常进行[19].这可能一方面由于加入的低浓度铬化合物提高茼蒿细胞中氧化还原酶的活性，从而起到促进生长的作用；另一方面是铬化物杀死了对植物有害的微生物所致[20].赵雨云[11]等的研究结果表明：低浓度铬能够促进辣椒种子发芽，但是高浓度铬对种子萌发有显著抑制作用.通过对玉米的研究[10]，六价铬会抑制玉米种子的萌发，毒害作用与处理液浓度成正比.前人的研究结果表明：种子萌发明显受到较高浓度无机铬的胁迫.本实验结果与前人用Cr6+处理其他植物的研究结果一致.

表2 不同铬质量浓度处理液对油菜种子萌发及幼苗生长的影响Table 2 Effects of Cr6+ concentration on seed germination and seedling growth of rape

2.3 不同铬质量浓度处理液对茼蒿和油菜苗高的毒性实验结果

由图1可见：在低质量浓度Cr6+的胁迫下(<0.1 mg/L)，茼蒿和油菜的苗高均略有下降，变化趋势不明显；但随着Cr6+处理液质量浓度增加，苗高显著减少.利用Excel软件进行分析可得到茼蒿的苗高和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.162 2x+4.196 2R2=0.592 7；

(1)

油菜的苗高和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.175 4x+5.633 2R2=0.759 0

(2)

式中：y为苗高；x为六价铬质量浓度.

由方程(1)、方程(2)可知：2个方程均为一次函数，图像为直线，斜率分别为-0.162 2、-0.175 4，均为递减函数，因此，六价铬质量浓度与茼蒿、油菜的苗高呈负相关的关系.即随着六价铬质量浓度的增大，茼蒿与油菜的株高逐渐减少，所表现的铬胁迫毒害能力不断增强，其中，油菜受到的抑制作用最明显，其次是茼蒿.通过显著性方差检验法验证，不同质量浓度下茼蒿与油菜的株高均无显著性误差(p<0.05).

图1 不同质量浓度铬溶液对茼蒿和油菜苗高的影响Fig.1 Effects of different concentration of Cr6+ on the stem length of chrysanthemum and rape

2.4 不同铬质量浓度处理液对茼蒿和油菜根长的毒性实验结果

由图2可见：在不同质量浓度六价铬溶液的处理下，茼蒿和油菜的根长均有下降，且随着Cr6+处理液质量浓度的提高，其根长逐渐缩短，其中铬处理液质量浓度为25.0 mg/L时，表现尤为明显，根系萎缩.植物根系是受环境毒害胁迫的敏感器官，根部生长受抑是植物受铬毒害后的普遍症状，这可能与植物根系受铬毒害有关，铬首先抑制了根系的活性，阻碍作物中水分输送，降低伤流，更进一步抑制地上部养分的供给[21].六价铬对茼蒿根、油菜根的伸长都表现为不同程度的毒害抑制作用，随着处理液质量浓度的增长，抑制植株根长的先后顺序是，先侧根后主根，逐渐表现为主根短小且侧根消失，甚至不形成主根.利用Excel软件进行分析可得到茼蒿的根长和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.129 5x+2.612 1R2=0.522 4

(3)

油菜的根长和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.154 6x+3.363 8R2=0.708 3

(4)

式中：y为根长；x为六价铬质量浓度.

由方程(3)、方程(4)可知：2个方程均为一次函数，图像为直线，斜率分别为-0.129 5、-0.154 6，均为递减函数，因此，六价铬质量浓度与茼蒿、油菜的根长呈负相关的关系，即随着六价铬质量浓度的增大，茼蒿与油菜的根长逐渐减少，表现为铬胁迫毒害能力不断增强.其中，油菜受到的抑制作用最明显，其次是茼蒿.通过显著性方差检验法验证，不同质量浓度下茼蒿与油菜的根长均无显著误差(p<0.05).

图2 不同质量浓度Cr6+溶液对茼蒿和油菜根长的影响Fig.2 Effects of different concentration of Cr6+ on the root length of chrysanthemum and rape

2.5 不同铬质量浓度处理液对茼蒿和油菜根耐受性指数的毒性实验结果

不同质量浓度铬溶液对茼蒿和油菜根耐受性指数的影响见表3.在不同质量浓度铬胁迫下，比较茼蒿和油菜的根耐受性指数，与对照组相比，六价铬严重影响茼蒿根和油菜根的耐受性指数，具有抑制作用.利用Excel软件进行分析可得到茼蒿的根耐受性指数和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.029 8x+0.621 8R2=0.516 7

(5)

油菜的根耐受性指数和Cr6+处理液质量浓度的回归方程：

y=-0.030 6x+0.682R2=0.680 7

(6)

式中：y为根耐受性指数；x为六价铬质量浓度.

由方程(5)、方程(6)可知：2个方程均为一次函数，图像为直线，斜率分别为-0.029 8、-0.030 6，均为递减函数，六价铬与茼蒿根、油菜根的耐受性指数呈负相关的关系，即随着六价铬质量浓度的增大，茼蒿根与油菜根的耐受性指数逐渐减少，表现的毒害抑制作用逐渐增强.其中，油菜受到的抑制作用最明显，其次是茼蒿.通过显著性方差检验法验证，不同质量浓度下茼蒿根与油菜根的耐受性指数均无显著性误差(p<0.05).

表3 不同铬质量浓度处理液对茼蒿根和油菜根 耐受性指数的影响Table 3 Effects of different concentration of chromium on root tolerance index

3 结 论

(1) 铬质量浓度小于1.0 mg/L时，促进了茼蒿种子的萌发和幼苗的生长，其鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均优于对照组.铬质量浓度大于1.0 mg/L时，茼蒿的萌发和幼苗的生长受到抑制作用，且铬处理液质量浓度越高抑制作用越强.

(2) 在铬胁迫下，油菜的萌发和幼苗的生长受到抑制作用，其鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均呈负相关关系.

(3) 在铬胁迫下，茼蒿和油菜的根长、苗高、根耐受性指数均受到抑制作用，劣于对照组.

(4) 当铬溶液质量浓度达到实验范围内最大(25.0 mg/L)时，多数种子不能发芽，并且高质量浓度的铬对芽、根生长的抑制作用较种子萌发指标更为显著，这与李国良[22]和苗明升等[23]研究结果一致.

(5) 在高质量浓度铬的胁迫下，油菜的根长、根耐受性指数和株高的抑制作用均大于茼蒿，说明高浓度的铬对油菜的毒害作用大于茼蒿.

本实验仅在简单水培条件下，研究不同梯度铬溶液对茼蒿和油菜的生长指标的影响，其吸收方式和作用机理尚待进一步研究.

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