六價鉻對茼蒿和油菜種子萌發及其幼苗生長的影響

黨璐一， 周華鋒， 于 波， 單華旭， 張佳晰

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

伴隨工農業的快速發展，重金屬污染極大地影響人們的生活和生存環境[1].其中重金屬鉻主要以三價和六價的形式存在[2].三價鉻毒害較低，其活動遷移性差；而六價鉻毒害相對較大，一般不易被土壤吸附，且活性較高，更易在土壤及其孔隙水中進行活動遷移[3-4].環境中毒性大的六價鉻對人體和動植物會產生嚴重的危害[5].鉻及其化合物作為重要的工業原材料，在電鍍、鉻礦開采等工業領域中被廣泛應用，未經環保處理或處理不完全的鉻原料被直接排放到環境中，使當地的土地資源和水資源遭受不同程度的污染，對周圍的動植物及人類的健康造成嚴重的威脅[6].農作物和蔬菜對鉻具有明顯的富集作用，其產量和品質也受到鉻的嚴重影響[7].蔬菜作為人類重要的食物來源，是人體每天需攝入的重要物質，其富集的鉻隨著蔬菜一同進入人體，對人體健康造成嚴重的危害[8].所以,了解鉻的生物毒害作用，對農作物和蔬菜生產以及環境保護都具有重要意義.

目前，農作物和蔬菜在鉻脅迫下生長發育的研究報道較多[9].徐成斌等[10]研究表明：以玉米作為農作物進行水培實驗，六價鉻會明顯抑制玉米的生長，并隨溶液中六價鉻濃度的增加，抑制加重，且玉米幼苗植株吸收六價鉻的量隨其脅迫濃度的增加而增加.趙雨云[11]等研究表明：高濃度鉻不利于辣椒種子的萌發和生長，而且六價鉻對辣椒幼根的毒害作用高于對芽的毒害作用.任立研等[12]研究表明：以小白菜作為農作物進行水培實驗，不同濃度的六價鉻處理液對小白菜種子的萌發、根長和苗高都表現出一定影響，濃度逐漸增大，毒害抑制作用逐漸增大，但其對小白菜鮮重的鉻毒害效應尚未作研究.蔬菜是人類所必需的，但人們對蔬菜的鉻毒害敏感性方面缺乏系統性研究.

茼蒿和油菜是人們常食用的蔬菜.本文選擇茼蒿和油菜為試驗對象，在相同的實驗條件下研究種子萌發期的毒害特征和幼苗生長期的表觀癥狀，以便找出茼蒿和油菜被鉻脅迫的異同關系.

1 材料和方法

1.1 材料

(1) 供試茼蒿種子(四季嫩茼蒿)和油菜種子(四季青幫油菜)，購自鐵嶺市鐵南種子有限公司；

(2) 試劑K2Cr2O7，分析純，沈陽科達試劑廠；雙氧水購自沈陽市新化試劑廠.

1.2 實驗方法

1.2.1 材料的預處理

挑選飽滿一致、無蟲害、無破損的茼蒿和油菜種子，選用體積分數為3 %的過氧化氫溶液對種子表面進行殺菌消毒，浸泡大約30 min后，用蒸餾水對種子沖洗3次.配制重鉻酸根離子溶液，鉻處理液質量濃度分別為0.1 mg/L、1.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L、25.0 mg/L.向準備好的培養皿中放入兩層大小適中的濾紙，每個培養皿中倒入10 mL的處理液，將清洗后的茼蒿種子和油菜種子放入培養皿中，每個培養皿中的種子顆粒數為30粒， 以加入10 mL蒸餾水的培養皿為對照組.每一濃度的處理液設3個重復進行對比， 將培養皿放入培養箱(HPX-9052 MBE型數顯電熱恒溫培養箱)中，進行恒溫暗處培養，溫度設置為25 ℃.

1.2.2 測定項目

每天觀察種子萌發情況，且記錄發芽數.實驗結束后，隨機抽取每一濃度的20株幼苗，測量其芽長及鮮重，并分別測定根長和苗高.

幼苗生長各項指標的測定參見王婷婷等的方法[13].

發芽率=(種子的發芽數/供試種子數)×100 %；

發芽勢=(種子發芽高峰期發芽的種子數/供試種子數)×100 %；

(注：每24 h記錄1次發芽率，發芽最多的一天即為發芽高峰期)

活力指數(VI)=GI×S，

式中GI為發芽指數，S為幼苗的生長勢(芽長度)；

發芽指數(GI)=∑Gt/Dt,

式中Gt為在t天內的發芽數,Dt為發芽天數；

標準方差={[∑(Xn-X)2]/n}(1/2),

式中X表示這組數據的平均數.

1.2.3 數據處理

采用Excel 2003軟件對試驗數據進行統計分析.顯著性檢驗結果由Excel 2003軟件中顯著性方差檢驗法求得.所有測定的數據均取平均值.

2 結果與分析

2.1 不同鉻質量濃度處理液對茼蒿種子萌發的毒性實驗結果

由表1可以看出：茼蒿種子經各質量濃度六價鉻溶液處理后，均受到不同程度的影響；與對照組相比，Cr6+質量濃度在0.1～1.0 mg/L內，其發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數和植物鮮質量均得到促進，且在Cr6+質量濃度為1.0 mg/L時達到最大值，這可能是微量鉻是種子萌發階段所需的微量元素[14]；但處理液質量濃度大于1.0 mg/L時，茼蒿卻受到抑制作用，呈下降趨勢，這或許是由于植物生長發育所必須的酶反應受到處理液的影響，形成了緩聚酶等物質，影響種子的萌芽[15].

活力指數可以反應種子萌發受鉻毒害的情況、成苗率及生長活力，其中Cr6+處理液質量濃度對茼蒿活力指數的影響較為明顯.與對照組相比，當Cr6+質量濃度為25.0 mg/L時，茼蒿的活力指數僅為8.7，降低了68.48 %；其次，Cr6+處理液質量濃度對茼蒿的鮮質量也具有顯著的影響，與對照組相比降低了51.03 %.

這表明：與對照組相比，當Cr6+質量濃度小于1.0 mg/L時，Cr6+處理液對茼蒿種子萌發及幼苗生長具有促進作用；而當處理液質量濃度大于1.0 mg/L時，則抑制茼蒿種子萌發及幼苗生長，且隨著質量濃度的增加，抑制程度越發嚴重；并且在其各項生長指標中，Cr6+對于活力指數和植株鮮質量的毒害作用最為突出.根據顯著性方差檢驗法，不同質量濃度下茼蒿的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數及植株鮮質量均無顯著性誤差(p<0.05).

表1 不同鉻質量濃度處理溶液對茼蒿種子萌發及幼苗生長的影響Table 1 Effects of Cr6+ concentration on seed germination and seedling growth of chrysanthemum

2.2 不同鉻質量濃度處理液對油菜種子萌發的毒性實驗結果

由表2可以看出：油菜種子經各質量濃度六價鉻溶液處理后，對油菜種子的萌發產生了嚴重影響，具有抑制作用.與對照組相比，隨著鉻處理液質量濃度的增加，其種子發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數和植物鮮質量均呈下降趨勢，且鉻溶液質量濃度越高，其毒害效應越強.有不少文獻報道，低濃度Cr6+促進種子萌發，高濃度抑制萌發[16-18].但在本試驗中未見六價鉻的促進作用.其中Cr6+處理液質量濃度對油菜活力指數的影響較為明顯，與對照組相比，當Cr6+質量濃度為25.0 mg/L時，油菜的活力指數僅為17.7，降低了59.68 %；其次，Cr6+處理液質量濃度對油菜的鮮質量也具有較明顯的影響，與對照組相比降低了58.20 %.根據顯著性方差檢驗法驗證，不同質量濃度下油菜均無顯著性誤差(p<0.05).

由以上實驗結果可知：六價鉻對茼蒿種子萌發及幼苗生長具有“低促高抑”的現象，但對油菜種子具有抑制作用.植物種子萌發是相對比較脆弱的階段，且缺少抵御機制，所以，成為受鉻影響相對比較敏感的階段.若在此時，將植物種子暴露于鉻溶液中，由于參與萌發的酶活性系統遭到無機鉻的破壞，某些活性物質失活或轉化，萌發過程無法正常進行[19].這可能一方面由于加入的低濃度鉻化合物提高茼蒿細胞中氧化還原酶的活性，從而起到促進生長的作用；另一方面是鉻化物殺死了對植物有害的微生物所致[20].趙雨云[11]等的研究結果表明：低濃度鉻能夠促進辣椒種子發芽，但是高濃度鉻對種子萌發有顯著抑制作用.通過對玉米的研究[10]，六價鉻會抑制玉米種子的萌發，毒害作用與處理液濃度成正比.前人的研究結果表明：種子萌發明顯受到較高濃度無機鉻的脅迫.本實驗結果與前人用Cr6+處理其他植物的研究結果一致.

表2 不同鉻質量濃度處理液對油菜種子萌發及幼苗生長的影響Table 2 Effects of Cr6+ concentration on seed germination and seedling growth of rape

2.3 不同鉻質量濃度處理液對茼蒿和油菜苗高的毒性實驗結果

由圖1可見：在低質量濃度Cr6+的脅迫下(<0.1 mg/L)，茼蒿和油菜的苗高均略有下降，變化趨勢不明顯；但隨著Cr6+處理液質量濃度增加，苗高顯著減少.利用Excel軟件進行分析可得到茼蒿的苗高和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

y=-0.162 2x+4.196 2R2=0.592 7；

(1)

油菜的苗高和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

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

(2)

式中：y為苗高；x為六價鉻質量濃度.

由方程(1)、方程(2)可知：2個方程均為一次函數，圖像為直線，斜率分別為-0.162 2、-0.175 4，均為遞減函數，因此，六價鉻質量濃度與茼蒿、油菜的苗高呈負相關的關系.即隨著六價鉻質量濃度的增大，茼蒿與油菜的株高逐漸減少，所表現的鉻脅迫毒害能力不斷增強，其中，油菜受到的抑制作用最明顯，其次是茼蒿.通過顯著性方差檢驗法驗證，不同質量濃度下茼蒿與油菜的株高均無顯著性誤差(p<0.05).

圖1 不同質量濃度鉻溶液對茼蒿和油菜苗高的影響Fig.1 Effects of different concentration of Cr6+ on the stem length of chrysanthemum and rape

2.4 不同鉻質量濃度處理液對茼蒿和油菜根長的毒性實驗結果

由圖2可見：在不同質量濃度六價鉻溶液的處理下，茼蒿和油菜的根長均有下降，且隨著Cr6+處理液質量濃度的提高，其根長逐漸縮短，其中鉻處理液質量濃度為25.0 mg/L時，表現尤為明顯，根系萎縮.植物根系是受環境毒害脅迫的敏感器官，根部生長受抑是植物受鉻毒害后的普遍癥狀，這可能與植物根系受鉻毒害有關，鉻首先抑制了根系的活性，阻礙作物中水分輸送，降低傷流，更進一步抑制地上部養分的供給[21].六價鉻對茼蒿根、油菜根的伸長都表現為不同程度的毒害抑制作用，隨著處理液質量濃度的增長，抑制植株根長的先后順序是，先側根后主根，逐漸表現為主根短小且側根消失，甚至不形成主根.利用Excel軟件進行分析可得到茼蒿的根長和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

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

(3)

油菜的根長和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

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

(4)

式中：y為根長；x為六價鉻質量濃度.

由方程(3)、方程(4)可知：2個方程均為一次函數，圖像為直線，斜率分別為-0.129 5、-0.154 6，均為遞減函數，因此，六價鉻質量濃度與茼蒿、油菜的根長呈負相關的關系，即隨著六價鉻質量濃度的增大，茼蒿與油菜的根長逐漸減少，表現為鉻脅迫毒害能力不斷增強.其中，油菜受到的抑制作用最明顯，其次是茼蒿.通過顯著性方差檢驗法驗證，不同質量濃度下茼蒿與油菜的根長均無顯著誤差(p<0.05).

圖2 不同質量濃度Cr6+溶液對茼蒿和油菜根長的影響Fig.2 Effects of different concentration of Cr6+ on the root length of chrysanthemum and rape

2.5 不同鉻質量濃度處理液對茼蒿和油菜根耐受性指數的毒性實驗結果

不同質量濃度鉻溶液對茼蒿和油菜根耐受性指數的影響見表3.在不同質量濃度鉻脅迫下，比較茼蒿和油菜的根耐受性指數，與對照組相比，六價鉻嚴重影響茼蒿根和油菜根的耐受性指數，具有抑制作用.利用Excel軟件進行分析可得到茼蒿的根耐受性指數和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

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

(5)

油菜的根耐受性指數和Cr6+處理液質量濃度的回歸方程：

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

(6)

式中：y為根耐受性指數；x為六價鉻質量濃度.

由方程(5)、方程(6)可知：2個方程均為一次函數，圖像為直線，斜率分別為-0.029 8、-0.030 6，均為遞減函數，六價鉻與茼蒿根、油菜根的耐受性指數呈負相關的關系，即隨著六價鉻質量濃度的增大，茼蒿根與油菜根的耐受性指數逐漸減少，表現的毒害抑制作用逐漸增強.其中，油菜受到的抑制作用最明顯，其次是茼蒿.通過顯著性方差檢驗法驗證，不同質量濃度下茼蒿根與油菜根的耐受性指數均無顯著性誤差(p<0.05).

表3 不同鉻質量濃度處理液對茼蒿根和油菜根 耐受性指數的影響Table 3 Effects of different concentration of chromium on root tolerance index

3 結 論

(1) 鉻質量濃度小于1.0 mg/L時，促進了茼蒿種子的萌發和幼苗的生長，其鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均優于對照組.鉻質量濃度大于1.0 mg/L時，茼蒿的萌發和幼苗的生長受到抑制作用，且鉻處理液質量濃度越高抑制作用越強.

(2) 在鉻脅迫下，油菜的萌發和幼苗的生長受到抑制作用，其鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均呈負相關關系.

(3) 在鉻脅迫下，茼蒿和油菜的根長、苗高、根耐受性指數均受到抑制作用，劣于對照組.

(4) 當鉻溶液質量濃度達到實驗范圍內最大(25.0 mg/L)時，多數種子不能發芽，并且高質量濃度的鉻對芽、根生長的抑制作用較種子萌發指標更為顯著，這與李國良[22]和苗明升等[23]研究結果一致.

(5) 在高質量濃度鉻的脅迫下，油菜的根長、根耐受性指數和株高的抑制作用均大于茼蒿，說明高濃度的鉻對油菜的毒害作用大于茼蒿.

本實驗僅在簡單水培條件下，研究不同梯度鉻溶液對茼蒿和油菜的生長指標的影響，其吸收方式和作用機理尚待進一步研究.

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