硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用

硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用 生态学杂志ChineseJournalofEcology2007,26(12):2051—2056 硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用米 徐胜光周建民刘艳丽陈能场一谢志宜 (广东省生态环境与土壤研究所,广州510650) 摘要通过盆栽和水培试验,探讨了硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用.结果 明:外源Cr?对小白菜铬吸收和积累具有明显的促进效应,抑制了小白菜对铁养分的吸收 并降低了小白菜的硝酸还原酶活性;硝态氮可有效缓减Cr?对小白菜吸收铁和硝酸还原酶 活性的抑制作用,促进小白菜碳氮代谢和Vc的生物合成,并刺激小白菜生长.在相同铬污 染条件下,土壤硝态氮的增加促进了外源Cr?向有机态转化,且硝态氮有协同强化小白菜 吸收Cr?的效应.表明硝态氮在促进小白菜生长的同时,也促进了小白菜对Cr”的吸收, 提高了小白菜的铬累积水平. 关键词小白菜;铬;毒性;硝态氮;调控 中图分类号S15415文献标识码A文章编号 1000—4890(2007)12-2051-06 RegulationeffectofnitratenitrogenonchromiumtoxicitytoBrassicacampestrisL.ssp. chinens~(L.).XUSheng?guang,ZHOUJian?min,LIUYan?li,CHENNeng?chang,XIEZhi? yi(GuangdongInstituteofEco?environmentalandSoilScience,Guangzhou510650,China). ChineseJournalofEcology,2007,26(12):2051—2056. Abstract:Potandwatercultureexperimentswereconductedtostudytheregulationeffectsofni? tratenitrogenonchromiumtoxicitytoBrassicacampestrisL.ssp.chinensis(L.).Theresults showedthatexogenousCr6couldobviouslypromotethechromiumaccumulationinB.campes? tris,restrainitsironuptake,andinhibititsnitratereductaseactivity;whilenitratenitrogencould alleviatetheinhibitoryeffectofContheironabsorptionandnitratereductaseactivityofB. campestris,enhanceitsni~ogenmetabolismandvitaminCbiosynthesis,andstimulateplant growth.Underthesameconditionsofsoilchromiumcontamination,theincreaseofnitratenitro? genpromotedthetransformationofexogenousCrintoorganicform,andtheCr6uptakebyB. campestris.ItwasconcludedthatnitratenitrogencouldpromotetheplantgrowthandCr6ab? sorptionofB.campestris,andobviouslyincreaseditsCr?accumulation. Keywords:BrassicacampestrisL.ssp.chinens~(L.);chromium;toxicity;nitratenitrogen; regulation. 1引言 土壤中重金属污染不但会导致农作物减产和品 质下降,还会通过土壤.植物系统,经食物链危害人 体健康和生命安全.植物修复技术以其有效,非破 坏,经济等优点,正成为当前国内外的热点和前沿课 题(Prasad,2003;Wueta1.,2004),但鉴于中国人多 地少,人口与土地使用矛盾突出的国情,现阶段大规 国家自然科学基金项目(30571l17)和广东省科技资助项目 (2O04B2O5Olo0l和2o06B2o6O1o08). ??通讯作者E—mail:ncchen@soil.gd.cn 收稿日期:2007-01-26接受日期:2007-09?14 模采用”绿色,环保”的植物修复来治理重金属污染 的可能性不大.因此,开发受重金属污染的农田的 高效利用技术具有其重要意义.对于铬污染土壤而 言,土壤总铬含量并不是植物吸收而产生毒害的可 靠指标,土壤中铬的形态,价态及其浓度,决定着其 对环境和作物的毒性(陈英旭,1994a;Arduiniet a1.,2005;Aruneta1.,2005).其中,硝态氮在不同 条件下与活性重金属铬的相互作用,会影响到铬的 生物毒性.本研究旨在揭示硝态氮对小白菜铬毒性 的调控作用,了解其有关机制,为重金属污染修复技 术提供参考. 2052生态学杂志第26卷第l2期 2材料与方法 2.1土培试验 2.1.1试验材料供试土壤采自广州市白云区九 佛镇林区自然表土层(30em),属花岗岩赤红壤,土 壤理化性质见表1.供试作物为小白菜(Brassica campestr~L.ssp.chinens~(L.)),品种为葵扇黑叶 白菜,由广东省农业科学院提供;供试外源cr?为 NaCr20,采用的肥料和化学试剂均为分析纯. 2.1.2试验处理土培试验分2组,第1组探讨施 铬量对土壤铬活性和小白菜吸收铬的影响,依据实 验用土的总铬含量,设置CK.(不施铬),Cr.,Cr2,Cr 和Cr4等处理,分别添加相当于土壤总铬含量的0, 0.5,1,2,4倍的外源铬Cr6,纯铬量分别为0,10,20, 40,8Omg?kg,;第2组探讨不同浓度硝态氮对铬毒 性的调控作用,各处理的铬施用量均为20mg?kg,, 硝酸钙施用量设置4个浓度:0,0.236,0.472,0.708g ? kg,,分别用CK,N,N和N表示. 2.1.3试验方法土培用15em内径,高20em规 格的塑料杯,使用前先在塑料杯下底面打1个100 mm直径的圆孔,再由底部插入相同孔径,长20em 的纤维棒,保留杯内纤维棒长度5em,然后将塑料 杯底面的纤维棒插穿带孔的塑料板,放在里面装水, 上表面面积略小于塑料板的塑料盆上面.再根据试 验,先在小塑料盆中将每一盆试验用试剂,肥 料,外源铬及土壤充分混均匀,然后再放人塑料杯 中.待纤维棒充分吸水,土壤潮湿后种上小白菜苗. 试验期间都采用纤维棒吸水的方法供水,使土壤长 期保持潮湿状态.土培试验于2004年8月14日育 苗.育苗前,在温室条件下以N0.15g?kg(尿 素),P2050.10g?kg(磷酸氨)和K200.15g? (碳酸钾)比例将土和肥料混均匀,然后装入育 苗盘中淋水,播种.2004年8月28日移栽幼苗, 2004年9月27日采收.试验期间所有试验物料均 在移栽前和土混合,移栽后不追肥.盆栽试验基本 肥料用量和育苗用土相同. 2.2水培试验 2.2.1正交试验试验目的在于进一步深入探讨 表1供试土壤的理化性质 Tab.1BasicDhvsiealandchemicalDroi~ertiesoftestedso|l 硝态氮对小白菜cr毒性调控机制.考虑到11月 开始广州气温相对较低,供试小白菜品种改用适合 冷凉气候的台湾大头清江白菜,由广东省农业科学 院提供.选用L.(4X2.)正交表,每个处理种12 株.其中,N.,N,N和N分别代表不同的硝酸 根浓度水平,分别为400,500,600和800mg?L,; 以cr,cr,cr和cr分别代表不同的cr浓度, 分别为0.5,1.0,2.0,4.0mg?L,.土培试验和水 培试验铬浓度相差悬殊的原因在于,土培条件下的 cr”容易被土壤还原,转化而降低其毒性,需要较高 浓度的外源cr?才会对小白菜产生毒害效应.试 验另设1个不施铬的CK处理,采用杜应琼等所用 的(杜应琼,2003)相同基础营养液配方,并根据正 交试验处理作相应调整. 2.2.2正交试验结果验证试验设CK.,CK,, N.,N,N等处理,水培试验基础培养液同正交试 验.CK不施铬,CK:在基础营养液配方基础上控 制cr浓度为1.0mg?L,,N,N:,N等处理 cr浓度也都为1.0mg?L,,硝酸根浓度分别设 置为400,500,600mg?L,. 2.2.3试验方法正交试验.试验用砂培法育苗, 育苗期间不用营养液,待苗长出真叶4d后,用水冲 洗干净黏附在幼苗根部的砂子,转移至培养液(不 含铬)中培养11d,使幼苗长成壮苗,再按试验设计 换营养液.水培营养液pH用稀盐酸和氢氧化钠溶 液调到5.5,每周换1次,每天用气泵,气泡石,塑料 管组装成供氧装置给培养液供氧2次,每次持续2O min左右.水培试验实施1周后,为降低铬毒害过 重对试验的影响,营养液铁浓度统一从1.0mg? L提高到2.0mg?L,.水培试验用盆规格为长 60em,宽40em,高20em,定植板为泡沫板,定植时 用棉花固定幼苗.2005年11月4日育苗,2005年 11月18日正式实施,l2月28日采收. 正交试验结果验证.水培试验每处理种3盆, 每盆种2株,试验用盆的规格为内径为20em,高2O em塑料盆,试验目的在于验证正交试验结果,试验 实施时间和正交试验相同. 总铬水溶态铬交换态铬沉淀态铬有机质有机结合态铬残渣态铬硝 态氮硫酸根交换性钾 (mg’kg一)(mg’kg一)(mg?kg一)(mg?kg一)(mg?kg一)(mg?kg 一)(mg?kg一)(nag?kg一)(nag?kg一)(mg?kg一) l9.82?0.45未检出 Q026?0.040.778?Q1255?Q033.58?n28106?Q45l5.9l?1.2147.12?3.5822 .94?2.2445.0o?2.58 徐胜光等:硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用2O53 2.3分析方法 2.3.1土培试验有效态(水溶态+交换态),沉 淀态,有机结合态铬都采用陈英旭等(1994a)介绍 的提取方法提取,经高锰酸钾氧化后,用二苯碳酰二40 肼比色法进行i贝4定;其它指标按鲁如坤(1999)的方 法测定,其中土壤总铬,小白菜铬含量都采用酸消芋 解,高锰酸钾氧化一二苯碳酰二肼比色法进行测定,., 土壤残渣态铬用总铬减去其它形态铬的方法获得, pH采用电位法,土壤硝态氮采用镉柱还原法,交换10 性钾采用火焰原子吸收分光光度法,有效硅用乙酸 缓冲液提取一钼蓝比色法测定,土壤硫酸根用氯化钡 比浊法,土壤有机质用低温外热重铬酸钾氧化一比色 法测定,小白菜Vc含量用2,6一二氯靛酚滴定法. 2.3.2水培试验硝酸还原酶活性用采用活体法0.50 测定(邹琦,2000),白菜样品经酸消解后,铁含量采 用原子吸收分光光度法测定.水培营养液Cr?用j 二苯碳酰二肼比色法进行测定(国家环境保护总暑 局,2002),其它项目分析方法和土培试验相同. 2.4数据处理0,20 数据经Excel软件整理,作图,用SPSS软件进 行统计分析. nnn 3结果与分析 3.1外源铬在土壤中的转化 研究表明,cr6进入土壤后,很快还原为cr” 而失去其活性(Prasad,2003;Wueta1.,2004;Arunet a1.,2005).本试验实施4周后在0.1tool?L KH:PO浸提液中,未检测到Cr,试验结果与陈英 旭等(1994a)报道的结果基本一致.但Sethunathan 等(2005)的研究指出,土壤微生物通过生物氧化作 用能够把cr?氧化成cr,故土壤cr?和cr的环 境毒性都很高,只是cr易迅速还原转化而难以用 常规方法检定,这给研究土壤Cr对小白菜毒害效 应带来了较多的困难.因此,这次试验结合了水培 试验来研究小白菜cr毒害. 自然土壤条件下铬主要以沉淀态和残渣态形式 存在,但土培试验中由于有持续不断的纤维棒吸水, 加之试验用土属森林表土层,有机质含量较高(表 1),土壤长时间处于还原条件,有利于外源cr6向 有机结合态转化(陈英旭等,1994b),有机结合态铬 比沉淀态铬高(图1A).但绝大部分外源cr”转化 成残渣态铬(图1).从本次试验看,4周后,土壤有效 态铬随施铬量增加呈近线性的增加趋势(图1B), 有效态沉淀态有机态残渣态 CK.Cr 图1外源铬Cr6对土壤铬形态的影响 Fig.1EffectsofCr6additiononchromiumstatusinsoil CKl:Cr,0mg?kg,;Cr,10mg?kg,;Cr2:Cr,20mg?kg,; Cr3:Cr,40mg?kg,;Cr4:Cr,80mg?kg一. 外源Cr对提高土壤有效铬含量有明显效果. 3.2硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用 3.2.1硝态氮对土壤铬形态转化的影响研究表 明,施用硝酸钙能够显着提高土壤硝酸根浓度(P< 001),且有一定的土壤酸化效应(图2).有报道指 出,降低土壤pH有利于提高土壤铬的活性(Chenet a1.,1997),但从本次试验结果看,硝酸根离子对土 壤的酸化效应促进了沉淀态铬解吸,但并未转化成 有效态铬,而土壤硝酸根离子浓度和有机结合态铬 含量变化趋势一致,说明外源Cr”的有机结合态转 化与硝酸离子浓度提高有关.降低土壤pH,有利于 土壤胶体对cr吸附(章永良,1990),这可能对外 源Cr”的有机结合态转化有一定作用.此外,小白 菜是喜硝作物,土壤硝酸根离子浓度提高会强化氮 素营养而促进生长,小白菜产量显着提高(P< 0.05),增强了小白菜生理代谢活动,可能使根系代 谢分泌物相应增多,根分泌物中的粘胶物质与根际 生态学杂志第26卷第12期 f ? g U 怔 f ? g U 斌 4.90 4.88 4.86 4.84 4.82 甚4盘O 4.78 4.76 4.74 4.72 4.70 f - ? g U 怕 舞 怔 图2硝态氮对土壤pH,硝酸根和铬形态的影响 Fig.2Effectsofnitrate?nitrogenonpHvalue,nitrateionscontentandchromiu mstatusinsoil 中的重金属离子络合,形成稳定的螯合体(Cun— ninnghameta1.,1995),使相对多的有效态铬转化为 有机结合态铬.从试验结果来看,由于硝酸根促进 了铬向有机结合态转化,对抑制外源Cr6的活性有 一 定效果. 3.2.2硝态氮对小白菜铬污染毒性的影响1)土 培试验结果.在土培试验中,外源Cr”能够有效提 高土壤铬含量,对促进小白菜吸收铬有明显效果 (表2),这与有关资料一致(Prasad,2003;Wueta1., 2004).由于土壤铬含量背景值低(表2),外源 Cr6对小白菜产量性状的影响相对较小(P> 0.05).但除cr4处理外,其它施铬cr处理都有效 降低了小白菜Vc含量(P<0.05),对小白菜有一定 的生理毒害效应.Cr4处理小白菜鲜重和Vc含量 都较高,并未体现外源Cr6的生物毒性,其原因有 待进一步研究. 小白菜是喜硝作物,硝态氮有效改善了小白菜 氮营养而促进了小白菜生长,对提高小白菜产量和 Vc含量的有明显效果(P<0.05),反映在铬污染对 小白菜生长和Vc生物合成的抑制毒性,通过土壤 硝态氮的养分行为获得有效缓减.但随着土壤硝酸 根浓度的提高,小白菜含铬量有上升趋势(表2),而 土壤硝态氮积累并未提高外源cr的活性,说明硝 态氮促进小白菜吸收铬效应并不是铬活性因素所 致.实际上是因为硝态氮在促进小白菜生长的同 表2硝态氮对小白菜铬含量,产量和维生素C含量的影响 (土培试验) Tab.2Effectsofnitrate-nitrogenonyields,chromiumand vitaminCcontentinB.campestrisL.ssp.chinensis(L.) undersoilcultivatiOn 小毫蓍铬小白菜鲜质量维生素C处理 , 拿警,,;(J土一)tmg’kg.,’, 时,也促进了小白菜对铬的吸收.相关分析表明,硝 酸根离子与小白菜铬含量的相关系数r=0.91,显 示硝酸根离子对促进小白菜铬吸收有一定效果. 2)水培试验结果.正交试验发现,Cr”对小白 菜有极强的致毒能力,在多因素干扰条件下cr6对 小白菜铁养分的吸收和硝酸还原酶活性(表3)有显 着抑制作用,严重抑制了小白菜生长发育(表3),产 量性状较对照显着下降(P<0.O1).在多因素干扰 条件下小白菜铬含量有随硝酸根浓度增加而提高趋 ????????? 堪” 一..j|g一6蝌鼹 徐胜光等:硝态氮对小白菜铬污染毒性的调控作用2055 表3外源Cr”硝态氦对白菜产量性状,铁含量和硝酸还原酶活性的影 响(水培试验) Tab.3Effec~ofCr”andnitratenitrogenonyields, ironcontentandnitratereductaseactivityofBrass~acampestrisL. ssp.chinens~(L.) 势(r=0.97),显示硝酸根离子有协同强化小白菜吸 收Cr6的作用,正交试验结果验证试验也获得相似 的试验结果.正交试验及其结果验证试验均表明, 硝态氮有提高白菜根铁含量和硝酸还原酶活性的作 用效果(表3),Cr6对小白菜铁吸收和硝酸还原酶 活性的抑制毒性,通过硝酸根离子的调控作用而有 明显缓解(表3).在正交试验结果验证试验中,适 当提高营养液硝酸根浓度有提高小白菜产量性状的 明显作用,有效缓解了铬污染对小白菜生长的抑制 毒性.此外,正交试验及其结果验证试验均表明,过 高的硝酸根浓度带来较多铬的生物富集效应而强化 了铬毒害作用,反而会抑制作物生长,降低小白菜产 量(表3). 4讨论 氮肥是农业生产中最重要的肥料,对土壤重金 属形态的影响已有研究.Tu等(2000)认为,施用 尿素会降低红壤中交换态Ph和Cd含量,却增加了 碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态重金属含量,原 因是施尿素使pH上升0.02,0.53个单位.但 Willaea和Verloo(1992)的研究表明,硫酸铵,硝酸 铵和尿素能增加微酸性土壤中水溶态和交换态Zn 和cd的含量,因为这3种肥料均降低土壤pH.可 见,不同学者在氮肥对重金属活性研究的结论并不 完全一致.研究表明,提高土壤硝态氮含量对促进 小白菜生长和铬的有机态转化都有明显效果,说明 硝态氮对小白菜生长的促进作用,也促进了铬的有 机态转化.这可能与硝态氮刺激小白菜生长而产生 了较多的根系分泌代谢物,对促进重金属的有机络 合反应(林琦等,2003;赵中秋等,2003)有一定作用 有关.由于硝酸根有协同强化小白菜吸收铬的效 应,硝态氮在促进铬有机态转化而产生对铬活性的 抑制效应同时,还促进了小白菜对铬的吸收.但硝 态氮能有效缓解铬污染对小白菜吸收铁的抑制作 用,进而缓解了铬污染对硝酸还原酶活性的抑制效 应,故降低了铬毒害对小白菜氮代谢还原的负面效 应,对于促进小白菜生理代谢协调有较好的效果,故 其有降低铬生物毒性的试验效果.此外,本试验采 用的试验材料是硝酸钙,而钙有利于降低土壤酸性 (蒋廷惠等,2006),pH对重金属活性,形态有着极 大的影响.但从本试验结果看,施用硝酸钙并未起 到提高土壤pH的效果,其原因可能与供试土壤有 机质含量高,缓冲性强有关(表1).另外,土壤交换 性钙含量增加有利于抑制土壤Cr?吸附作用,钙还 可能通过钙离子竞争性吸附或拮抗作用(易秀和李 五福,2005)抑制土壤对cr?固定和作物对铬的吸 收.从本研究表明,土壤有效铬含量并不随硝酸钙 的施用量增加而增加,小白菜铬含量也未随硝酸钙 施用量增加而下降.可能是因为硝酸根对小白菜铬 吸收和铬有机态转化的协同促进作用,掩盖了钙对 铬活性作用和抑制铬吸收的效果,这有待进一步研 究证实. 试验证实硝酸根能够有效促进小白菜对外源 cr?吸收,但同时也有降低小白菜铬毒害症状的效 2056生态学杂志第26卷第l2期 应,故施氮造成的铬污染往往容易被忽略.而当前 农业生产技术上通常采用高投入氮肥来获得蔬菜的 高产量,这可能造成土壤硝态氮的富集并对蔬菜铬 吸收提供了好的条件,从而给农产品安全带来了更 多的隐患,故有必要对氮肥施用和蔬菜重金属铬污 染方面进一步深入研究探讨,为合理施氮提供科学 依据. 参考文献 陈英旭,何增耀,吴建平.1994a.土壤中铬的形态及其转 化.环境科学,15(3):53—56. 陈英旭,骆永明,朱永官,等.1994b.土壤中铬的化学行为研 究.V.土壤对cr(111)吸附和沉淀作用的影响因素.土 壤,31(1):77—85. 杜应琼,何江华,陈俊坚,等.2003.铅,镉和铬在叶类蔬菜 中的累积及对其生长的影响.园艺,30(1):51— 55. 国家环境保护总局.2002.水和废水监测分析方法(第4 版).北京:中国环境科学出版社. 蒋廷惠,占新华,薛继澄.2006.植物对土壤高量硝酸钙积 累的反应与温室生理障碍机理浅析.土壤通报,37 (3):606-611. 林琦,陈英旭,陈怀满,等.2003.根系分泌物与重金属的 化学行为研究.植物营养与肥料,9(4):425—431. 鲁如坤.1999.土壤农业化学分析方法.北京:中国农业科 技出版社. 易秀,李五福.2005.黄土性土壤中铬(VI)砷(V)交互 作用及钙镁对其吸附的影响.西北农业,14(3): l67-l72. 章永良.1990.土壤中六价铬的吸附与提取.环境化学,9 (4):43,47. 赵中秋,崔玉静,朱永官.2003.菌根和根分泌物在植物抗 重金属中的作用.生态学杂志,22(6):81—84. 邹琦.2000.植物生理学实验指导.北京:中国农业出版 社. 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