不同价态铬在不同水分条件下的生物有效性及其对水稻的毒性

贡晓飞，鄂尔丁夫，王琪，黄青青，李花粉

中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

不同价态铬在不同水分条件下的生物有效性及其对水稻的毒性

贡晓飞，鄂尔丁夫，王琪，黄青青，李花粉*

中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

氧化还原过程在铬的形态转化中起了重要作用，而铬形态的转化能够影响其生物有效性及毒性。通过温室土培试验研究了六价铬(Cr(VI))与三价铬(Cr(III))在淹水与不淹水条件下在土壤溶液中的动态变化及水稻对其吸收的变化。结果表明，土壤中添加Cr(III)时，土壤溶液中检测不出Cr；而随着土壤中添加Cr(VI)浓度的增加，土壤溶液中Cr(VI)的浓度增加，但是溶液中检测不出Cr(III)；淹水处理总体上降低了土壤溶液中Cr(VI)的浓度。而土壤添加Cr(III)、Cr(VI)和水分处理对土壤溶液pH没有显著影响，pH在7.08.0之间变动。土壤添加Cr(VI)处理的水稻中，只有90 mg·kg-1Cr(VI)淹水处理的水稻成活，而其余处理水稻没有成活。土壤中添加Cr(III)处理，水稻幼苗生物量随Cr(III)浓度的增加而显著降低；除了200 mg·kg-1Cr(III)处理外，其余淹水处理的水稻幼苗生物量明显高于不淹水处理的。土壤添加Cr(III)处理的水稻，在不淹水条件下水稻空壳率比较高，淹水条件下，随着土壤中添加Cr(III)浓度水平的增加，水稻各部位Cr含量有增加的趋势，但增加不显著，秸秆最高Cr含量达到33.80 mg·kg-1，籽粒中Cr含量最高0.30 mg·kg-1。土壤固定Cr(III)的能力远强于Cr(VI)，添加Cr(VI)处理的土壤溶液中Cr(VI)的浓度很高，对水稻表现出较强的生长抑制。

六价铬；三价铬；水稻；生物有效性；水分条件

铬(Cr)在冶金、电镀、制革、油漆、颜料等领域广泛应用，而各种含Cr的污水排放到环境中会造成土壤和水的污染。由于现代Cr工业的快速发展，Cr的污染也日趋严重。有研究表明，在我国黄海北部，在过去的几年中，铬的污染呈现显著上升的趋势[1]。微量的Cr是人体必需的，但摄入过量的Cr，尤其是Cr(VI)会对人体健康产生影响[2]。水稻是我国的主要粮食作物之一，因此，水稻的重金属健康风险研究受到学者的广泛关注。

Cr对植物有一定的毒害作用，影响植物体的正常生长，抑制植物根部的正常发育等[3]。有研究表明在受到一定程度Cr污染的土壤附近种植水稻，Cr会对水稻的生长造成影响，并且Cr在水稻籽粒中累积[4]。高浓度的Cr(VI)会影响水稻的正常生长和养分吸收，并且减少根尖细胞的存活率，破坏叶绿素以及根部细胞[5]。而土壤条件的改变，可以影响植物对Cr元素的吸收、转运以及影响植物的正常生长[6]。在自然界土壤中的Cr主要是Cr(III)和Cr(VI)[7]，而进入土壤中的Cr(III)和Cr(VI)由于其化学特性不同，与土壤胶体的吸附特性和化学转化也表现出不同的特性[8]。土壤中pH、有机物含量、以及钙离子等很多因素可以影响Cr的形态转化[9]，而土壤中Cr的价态转化依赖于土壤中的氧化还原平衡。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 供试土壤与水稻

土壤采自北京市中国农业大学上庄实验站0～20 cm的耕层土，质地为砂壤土，基本理化性质如下： pH 8.13，有机质10.19 g·kg-1，总氮0.97 g·kg-1，有效磷5.56 mg·kg-1，速效钾88.16 mg·kg-1，全铬46.90 mg·kg-1。供试植物为水稻(Oryza sativa L.品种为准两优608)，南方超级稻品种，该品种属于籼稻两系杂交水稻，由湖南省农业科学院提供。

1.2 试验处理

采集的土壤经自然风干后过3 mm筛，施入底肥，其中氮((NH4)2CO3)、磷(K2HPO4)、钾(KH2PO4)分别为300、200、300 mg·kg-1。土壤中添加铬的水平分别为0、90、150、200 mg·kg-1(Cr浓度水平的设置参考GB 15618—1995土壤环境质量标准中的一级和二级标准限值)，不同价态铬的形态分别为CrCl3或K2Cr2O7溶液，混匀后装入内径18 cm，深度20 cm的塑料盆中，每盆装土2 kg。土壤溶液取样管(Rhizon MOM 10 cm长，内径2.5 mm,Rhizosphere Research Products,Wageningen,The Netherlands)对角埋入土壤中央，浇适量去离子水保持土面湿润，平衡1周。每个浓度水平和价态处理设置淹水和不淹水2个水分管理，淹水处理保持2～3 cm的水层，不淹水处理保持70%田间持水量。每个处理设置3个重复。

水稻种子用30%H2O2消毒15 min，去离子水洗净后在饱和CaSO4溶液中浸泡过夜，放在有湿润滤纸的培养皿中避光发芽。发芽后选取大小一致的幼苗转移至土壤中，到幼苗长势均匀时，每盆保留5株水稻幼苗。每天补充去离子水，淹水处理保持2～3 cm水层，不淹水处理保持70%田间持水量。植物生长在25 ℃/14 h光照和20 ℃/10 h 黑暗条件下、相对湿度为60%～70%、光照强度为240～350 μmol·m-2·s-1的人工气候室中。

1.3 土壤溶液分析

水稻播种后第7、13、21、29、45、60、90天通过土壤溶液取样管抽取土壤溶液2030 mL，用酸度计(HI98103)测定溶液pH值。采用EDTA配合、紫外-可见分光光度法，同时测定土壤溶液中Cr(III)和Cr(VI)的含量，Cr(III)和Cr(VI)的最大吸收波长分别为540 nm和350 nm[10]。在50 mL的刻度试管中加入5 mL土壤溶液，再加入0.020 mol·L-1硫酸0.2 mL和0.050 mol·L-1EDTA溶液3.0 mL，用去离子水稀释，在70～80 ℃的水浴中加热15 min，冷却定容。试剂空白作参比，分别在波长540 nm与350 nm处测定吸光值，通过线性方程计算Cr(III)和Cr(VI)的含量。

(2) 稀疏性因子及迭代次数的选择.稀疏因子的作用是SNMF分解过程中控制稀疏矩阵的稀疏性,图7给出了不同稀疏因子所对应的目标函数误差(特征维数选为24,迭代次数为200).图7中可以看出:当系数因子等于0时,SNMF等价于NMF,会产生较大的目标函数误差;当目标因子不等于0时,虽然在理论上越大的稀疏因子就对应着更稀疏的稀疏矩阵,即得到最精炼的故障特征信息;目标函数的误差也随着稀疏因子的增大而增大,说明随着稀疏因子的增加,原始时频图像中所蕴含的故障特征信息损失也随之增加.

1.4 植物样品的分析

水稻生长30 d后收获3株水稻幼苗，剩余2株成熟后收获。采集的植株样品用去离子水洗净，放入烘箱将样品在105 ℃杀青0.5 h，然后75 ℃烘干至恒重，称量干重。水稻幼苗及秸秆用粉碎机粉碎，籽粒用自动脱壳机脱壳后，糙米用研磨机磨成粉，保存备用。称取0.2500 g左右植物样品，加入优级纯HNO3浸泡过夜，密闭式微波消解(CEM，MARS5)，消解液用ICP-MS (Agilent ICP-MS 7700,Agilent Technologies,Santa Clara,CA,USA)测定。整个测定过程中加入菠菜叶(GBW10015，GSB-6)标准物质和空白进行质量控制。

1.5 数据处理

试验数据取3次重复的平均值和标准差，采用Excel软件分析数据，SPSS软件进行显著性检验。单因素方差分析，采用LSD 法进行显著性检验(显著性水平设为0.05)。

2 结果(Results)

2.1 土壤溶液中Cr浓度变化

土壤添加Cr(III)的处理溶液中用选定的测定方法检测不出Cr(III)和Cr(VI)，同样添加Cr(VI)的处理溶液中检测不出Cr(III)。淹水处理显著降低了土壤溶液中Cr(VI)的浓度(图1a、b)，但Cr(VI)处理浓度在200 mg·kg-1时，淹水和不淹水处理后期土壤溶液中Cr(VI)的浓度差异不大(图1c)。随着土壤中添加Cr(VI)浓度的增加，土壤溶液中Cr(VI)的浓度显著增加；然而，随着土壤培养时间的增加，土壤溶液中Cr(VI)的浓度显著降低。

土壤添加Cr(VI)浓度为200 mg·kg-1时，在淹水条件下，初次取样(7 d)水稻土壤溶液中Cr(VI)的浓度为40.96 mg·L-1，在最后一次取样(90 d)时Cr(VI)浓度降低到10.38 mg·L-1，比初次取样降低了75%；在不淹水条件下，初次取样土壤溶液中Cr(VI)的浓度为52.03 mg·L-1，在最后一次取样时Cr(VI)浓度降低到9.11 mg·L-1，比初次取样降低了82%(图1c)。同样，在土壤添加Cr(VI) 90 mg·kg-1和150 mg·kg-1时，淹水与不淹水处理土壤溶液中Cr(VI)浓度变化趋势与200 mg·kg-1处理的变化趋势基本相似，只有在200 mg·kg-1处理，第60 天取样时，淹水条件下土壤溶液Cr(VI)含量比不淹水条件下的高4.7 mg·kg-1。

图1 不同浓度Cr(VI)在不同水分条件下土壤溶液中Cr(VI)随时间的动态变化

2.2 土壤溶液pH的变化

与不添加Cr的对照处理相比，土壤添加Cr(III)和水分处理对土壤溶液pH没有显著影响；在水稻的整个生育期内土壤溶液pH先下降，之后稍有回升，随后缓慢降低，pH在7.0～8.0之间变动(图2a、b)。可能的原因是植物生长过程中分泌的有机酸而使土壤溶液中的pH降低。而土壤添加Cr(VI)的处理，由于Cr(VI)的毒性，植物生长很差，其分泌的有机酸对土壤溶液pH的影响不大，pH在7.5～8.0之间变动，并且在生育期内变化不大(图2c、d)。

2.3 水稻地上部生物量

在本试验设置的浓度水平下，土壤添加Cr(VI)处理的水稻，除了90 mg·kg-1Cr(VI)淹水处理条件下的水稻成活，而其余处理水稻都没有成活，即使后续进行了多次水稻移栽，水稻都无法生长。与对照相比，土壤中加入Cr(III)后，水稻幼苗生物量随Cr(III)浓度的增加而显著降低；除了200 mg·kg-1Cr(III)处理外，其余淹水处理的水稻幼苗生物量明显高于不淹水处理的(图3a)，主要是由于在这个浓度下，Cr(III)浓度较高，无论是淹水还是不淹水条件下，都对幼苗造成明显的抑制作用，使幼苗生物量都处于较低的水平。Cr(III)处理浓度在90、150和200 mg·kg-1时，淹水条件下，生物量分别比对照处理降低40%、49%和93%，不淹水条件下，分别降低66%、77%和73%。而水稻在成熟期，Cr(III)处理浓度在90和150 mg·kg-1时，淹水条件下，水稻生物量与对照差异不显著，不淹水条件下，水稻生物量随着浓度Cr(III)增大而降低(图3b)。与苗期生物量相比，Cr(III)处理对水稻成熟期生物量的影响变小，生物量降低的比例在4%～40%之间。

2.4 水稻Cr含量

不淹水条件下，添加Cr(III)的处理水稻籽粒没有灌浆，说明不淹水条件下，Cr(III)对水稻灌浆表现出较强的毒性；而淹水条件下，土壤添加不同浓度Cr(III)处理水稻籽粒Cr含量差别不大，含量在0.220.30 mg·kg-1之间，都低于国家食品污染物限量标准(1.0 mg·kg-1)(图4a)，说明土壤中Cr(III)向水稻籽粒中的迁移能力较弱。土壤添加Cr(III)处理水稻在淹水与不淹水条件下，成熟期秸秆中Cr含量差异显著，Cr(III)添加浓度在90、150和200 mg·kg-1时，淹水处理的水稻秸秆Cr含量比不淹水处理分别增加85%、86%和29%(图4b)，淹水条件显著增加了Cr(III)在秸秆中的富集量，促进了Cr(III)向水稻秸秆的运输。

图2 不同浓度Cr(VI)和Cr(III)处理在不同水分条件下土壤溶液中pH的变化

图3 不同浓度Cr(III)处理和不同水分管理对水稻幼苗(a)和成熟水稻(b)生物量的影响

3 讨论(Discussion)

图4 不同浓度Cr(III)处理和不同水分管理对水稻籽粒(a)和秸秆(b)中铬含量的影响

土壤溶液取样管提取的土壤溶液检测结果表明，随着土壤中添加Cr(VI)浓度的增加，土壤溶液中Cr(VI)的浓度显著升高(图1)，但是溶液中检测不出Cr(III)；而添加Cr(III)的土壤中既检测不出Cr(III)，也检测不出Cr(VI)。有研究表明Cr(III)主要以阳离子形式在土壤中存在，进入土壤后，能够迅速被土壤吸附固定，形成铬和铁的氢氧化物沉淀，其活动性较 差[11]。而Cr(VI)以阴离子的形态存在，一般不易被土壤所吸附，具有较高的活性[12]。土壤对Cr(III) 的吸附量是Cr(VI)吸附量的数倍，Cr(III)更容易被土壤固定，而Cr(VI)相对于三价铬在土壤中易于迁移[13]。本实验的研究结果也表明土壤对Cr(III)的固定能力比Cr(VI)强，Cr(VI)在土壤中有很强的移动性，因此，土壤溶液中能够检测到浓度很高的Cr(VI)。淹水条件下，土壤溶液中Cr(VI)的浓度显著低于不淹水的处理(图1)，可能是由于淹水条件下，部分Cr(VI)被还原为Cr(III)而被土壤固定的结果。有研究表明，氧化还原电位很低时，Cr(VI)可被还原为Cr(III)[14]。

本试验中土壤添加Cr(III)时，不淹水处理的水稻籽粒都没有灌浆，影响了水稻的正常生长发育。而淹水条件下，水稻秸秆和籽粒中Cr含量随着Cr浓度的升高有增加的趋势，但是处理间差异不显著，水稻籽粒Cr含量差别不大，含量在0.22～0.30 mg·kg-1之间，都低于国家食品污染物限量标准(图4a)。秸秆中Cr浓度要比籽粒中高100倍左右，说明Cr在水稻体内的运移较弱，向籽粒中的转移较少。

综上所述，还原状态下的Cr(III)容易被土壤颗粒吸附固定，而氧化状态下的Cr(VI)不容易被吸附，比Cr(III)表现出更强的移动性，因此对植物表现出更大的生长抑制。同时，淹水条件下的还原状态，可能存在土壤中Cr(VI)的还原，使土壤溶液中Cr(VI)的浓度降低。本试验土壤中添加铬的浓度水平是参考GB 15618—1995土壤环境质量标准中的一级和二级标准限值设置的，但是在Cr(III)的添加浓度为200 mg·kg-1已经对成熟期的水稻产生了影响；而Cr(VI)在初始添加90 mg·kg-1时，不淹水水稻已经不能存活(土壤二级标准限值为250～350 mg·kg-1)。

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Bioavailability and Toxicity of Cr(III) and Cr(VI) to Rice (OryzasativaL.) as Influenced by Water Management

Gong Xiaofei,Er Dingfu,Wang Qi,Huang Qingqing,Li Huafen*

College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China

21 August 2014 accepted 22 September 2014

Redox processes play an important role in the form transformation of chromium,which can affect the bioavailability and toxicity of plants.Soil culture experiment was carried out in the greenhouse to study the effect of hexavalent chromium (Cr(VI)) and trivalent chromium (Cr(III)) on the chromium dynamics in soil solution and chromium uptake by rice under flooded and aerobic conditions.The results showed that Cr was not detected in the soil solution in the Cr(III) treatment,while the concentration of Cr(VI) increased with the addition of Cr(VI) in the soil.And the Cr(VI) concentration was generally lower in the flooded treatment than under the aerobic conditions.Cr(III) was not detected in the soil solution in all treatments.pH value in the soil solution ranged from 7.0 to 8.0,which was not significantly influenced by the addition of Cr and water management.In the Cr(VI) treatment,rice seedlings survived only at the treatment of 90 mg Cr(VI) per kg soil,while in the Cr(III) treatment,the biomass of rice seedlings decreased with the increasing concentration of Cr(III).Compared with the aerobic treatment,flooded treatment increased the biomass of rice seedlings with the exception of the treatment of 200 mg Cr(III) per kg soil.Under the aerobic condition,Cr(III) addition affected the rice grain filling,Cr concentrations in all parts of rice showed increasing trend with the increase of Cr(III) addition in soil under the flooded condition.And the highest Cr contents in the straw and brown rice were 33.80 mg·kg-1and 0.30 mg·kg-1,respectively.The results indicated that Cr(VI) is more toxic to rice than Cr(III) because of its high-mobility in the soil.

hexavalent chromium; trivalent chromium; rice; bioavailability; flooded condition; aerobic condition

公益性行业(农业)科研专项(200903015)

贡晓飞(1990-)，男，硕士，研究方向为重金属污染生态学，E-mail：289417962@qq.com；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: lihuafen@cau.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140821001

2014-08-21 录用日期：2014-09-22

1673-5897(2015)4-170-07

X171.5

A

李花粉(1969-)，女，博士，教授，主要从事重金属在土壤-植物系统中的迁移转运以及污染控制等方面的研究，近年来在国内外期刊发表学术论文60余篇。

贡晓飞,鄂尔丁夫,王琪,等.不同价态铬在不同水分条件下的生物有效性及其对水稻的毒性[J].生态毒理学报，2015,10(4): 170-176

Gong X F,Er D F,Wang Q,et al.Bioavailability and toxicity of Cr(III) and Cr(VI) to rice (Oryza sativa L.) as influenced by water management [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015,10(4): 170-176 (in Chinese)