全 文 ：武汉植物学研究 2000, 18( 4) : 309～313
Journal of Wuhan Botanical Research
Cr6
+污染对菱叶中矿质元素含量的影响
杨顶田 施国新 丁小余 解凯彬 尤文鹏
(南京师范大学生命科学学院 南京 210097)
提 要 研究 Cr6+ 污染后菱浮水叶和沉水叶中 Cr、K、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 元素的含量,
结果显示: Cr含量随培养浓度的上升而上升 ,K、Mg 随培养浓度的上升而下降, Fe 含量随培
养浓度的上升而出现先上升后下降, Mn、Zn、Cu、Mo 与 Cr6+的培养浓度无明显的相关关系。
关键词 菱, 元素含量,Cr6+ 污染
中图分类号: X503. 23;Q949. 762. 4 文献标识码:A 文章编号: 1000-470X( 2000) 04-0309-05
CrS POLLUTION AFFECTED CONTENT OF ELEMENTS
IN THE LEAVES OF TRAPA BISPINOSA
Yang Ding tian Shi Guox in Ding Xiaoyu Xie Kaibin You Wenpeng
(B iological Dep artment of N anj ing N ormal Univ ersity Nanjin g 210097)
Abstract This art icle mainly deals w ith Cr s pollut ion affect ing the cont ent of Cr , K , Mg ,
Fe , Mn, Zn, Cu, Mo in flo ating and underwat er leaves of T rapa bisp inosa. T he r esults show ed
the content of Cr increased w it h the raising cultur al concentr ation, the contents of K , M g
decr eased w ith t he raising cultur al concentr ation, t he content of Fe incr eased at low cultura l
concent ration but decreased at high cult ur al concentrat ion, the contents o f Mn, Zn, Cu, M o
have no co rr ela tion w it h Cr s cultural concent rat ion.
Key words T rap a bisp inosa, Element cont ent , Cr6+ po llution
工农业生产中排放的含重金属离子的污染水, 对水生植物生长发育产生了不可忽视
的影响,进而通过食物链的传递对人体健康产生威胁。Cr6+ 是一种重要的环境污染物质。
对 Cr6+ 污染的研究主要局限于在土壤中〔1～6〕, 而在水生环境中 Cr6+ 污染的研究报道很
少〔7〕。在水中的 Cr6+是以离子状态存在的,其活性远远大于土壤中的Cr6+ 。因此研究水中
的 Cr6+ 污染具有重要的意义。
菱( Trapa bisp inosa Roxb. )是江南水乡常见的经济水生植物,富含淀粉, 是大众颇为
喜爱的食品。李大辉等〔8〕曾作了关于 Hg2+ 和 Cd2+对菱结构影响的研究,笔者主要对菱叶
中元素含量变化进行了研究,以期找出菱在受 Cr6+ 污染时不同矿质元素含量的变化, 为
及时查明和排除 Cr6+污染提供理论依据。
收稿日: 1999-07-06,修回日: 2000-02-25。第一作者:男, 1969年 4月生,硕士,从事重金属对高等水生植物体
细胞影响的研究。
国家自然科学基金资助项目( 39770046)、江苏省自然科学基金资助项目( BK97107)。
1 材料与方法
1. 1 材料
菱( T rap a bisp inosa Roxb. )采集于南京师范大学花房, 5月10日(室温16～25℃, 晴天)
采集后在去离子水中培养 2 d,分别加入 4 g / g、8 g/ g、16 g/ g、32 g/ g 的 K 2Cr2O 7 (按
纯 Cr6+ 计)和 1组对照,在培养过程中观察植物的形态,并在第 3 d取材测量。
1. 2 元素含量的测量方法
取新鲜的供试材料, 流水冲净表面杂物,放在烘箱中 60℃烘干,用电子天平称重。取
烘干的菱的浮水叶和沉水叶各 1 g ,用浓硝酸和高氯酸在 70℃温浴 2 d, 在等离子发射光
谱分析仪(南京师范大学理化实验中心)上进行测量(以 g/ g·DW 表示)。实验为 2～3
次重复。
2 观察和测量结果
2. 1 菱叶的观察结果
菱叶受害的情况以网格记数法表示,受害情况如表 1。
表 1 菱浮水叶受害面积
Table 1 Po isoned area o f T rapa bisp inosa floating leaf ( % )
C r6+ 培养浓度( g/ g)
Cul tural concent rat ion of Cr6+
12 h 24 h 36 h 48 h 60 h 72 h
0 0 0 0 0 0 0
4 0 0 0 0. 5 2. 3 7. 1
8 0 0 0. 7 4. 3 17. 8 21. 7
16 0 1. 2 7. 2 17. 2 28 35
32 0 3. 7 23. 3 35 47. 3 57. 2
从表中可以看出在 32 g/ g
中培养的菱的浮水叶在第 72 h
烂斑已过半,而在 4 g / g 中培养
的菱的浮水叶烂斑较少。
菱的沉水叶对 Cr6+ 的毒害
特别敏感,培养第 36 h 后, 在 8、
16、32 g / g 中的菱的沉水叶均
已失绿, 4 g / g 中培养的菱的沉
水叶虽还有绿色, 和对照相比已经有明显的差别。
2. 2 元素含量的测定
2. 2. 1 Cr 含量的测定
菱的浮水叶和沉水叶中 Cr 的含量与Cr6+ 培养浓度的关系见图 1、图 2。
图 1 菱浮水叶中Cr的含量和 Cr6+培养浓度的关系
Fig . 1 Th e r elat ionsh ip between content of Cr and
cultur al concent rat ion of Cr6+ in Trap a bi sp inosa
fl oat ing leaf
图 2 菱沉水叶中 Cr的含量和 Cr6+ 培养浓度的关系
Fig. 2 Th e relat ionsh ip between content of Cr and
cul tu ral con cen tr at ion of Cr6+ in T rap a bisp inosa
underwater leaf
310 武汉 植 物学 研究 第 18卷
从图 1和图 2可以看出,菱的沉水叶和浮水叶中 Cr 的含量和培养浓度之间有一定的
相关性,随着培养浓度的增大, Cr 含量也增大。
2. 2. 2 K含量的测定
菱浮水叶和沉水叶中 K 含量如图 3和图 4所示。
图 3 菱浮水叶中K的含量和 Cr6+ 培养浓度的关系
Fig . 3 T he relat ionship betw een content of K and
cultur al concent rat ion of Cr6+ in Trap a bi sp inosa
fl oat ing leaf
图 4 菱沉水叶中 K的含量和 Cr6+ 培养浓度的关系
Fig. 4 T he relation ship betw een conten t of K cultur al
concent ration of Cr6+ in Tr ap a bi sp inosa underw ater leaf
从图 3和图 4可以看出,随着 Cr 6+培养浓度的增大, K 含量逐渐减少,和培养浓度之
间呈反相关关系。
2. 2. 3 Mg 含量的测定
菱浮水叶和沉水叶中 Mg 含量见图 5和图 6。
从图 5 和图 6 可以看出, 浮水叶中 Mg 含量在对照中为 4. 64 g/ g·DW, 而在
32 g/ g中的含量仅为 3. 25 g/ g·DW; 沉水叶中 Mg 含量在对照中为 6. 3 g / g·DW,
而在 32 g / g 中仅为 2. 64 g / g·DW。呈下降趋势。
图 5 菱浮水叶中Mg的含量和 Cr6+ 培养浓度的关系
Fig . 5 T he relat ionship b etw een content of M g and
cultur al concent ration of Cr6+ in T rap a bisp inosa f loa-
tin g leaf
图 6 菱沉水叶中 Mg的含量Cr6+培养浓度的关系
Fig. 6 T he r elat ionsh ip betw een content of M g and
cul tu ral con cen tr at ion of Cr6+ in T rap a bisp inosa
underwater leaf
2. 2. 4 浮水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的测定浮水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的含量见表 2。
2. 2. 5 沉水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的测定
沉水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的含量见表 3。
311 第 4期 杨顶田等: Cr6+污染对菱叶中矿质元素含量的影响
表 2 浮水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的含量
Table 2 Cont ent of Fe、Mn、Zn、Cu、Mo in T rapa bisp inosa flo ating lea f (g / gDW)
C r6+ 培养浓度( g/ g)
Cul tural concent rat ion of Cr6+
Fe M n Zn Cu M o
0 0. 330 0. 697 0. 154 0. 005 0. 0026
4 0. 321 0. 572 0. 187 0. 008 0. 0031
8 0. 392 0. 567 0. 171 0. 010 0. 0028
16 0. 517 0. 546 0. 175 0. 008 0. 0030
32 0. 512 0. 598 0. 167 0. 005 0. 0025
表 3 沉水叶中 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo 的含量
Table 3 Cont ent of Fe、Mn、Zn、Cu、Mo in T rapa bisp inosa underw ater leaf (g / gDW)
C r6+ 培养浓度( g/ g)
Cul tural concent rat ion of Cr6+
Fe M n Zn Cu M o
0 2. 74 1. 149 0. 397 0. 019 0. 004
4 3. 46 1. 16 0. 469 0. 041 0. 005
8 4. 27 1. 18 0. 408 0. 038 0. 005
16 3. 03 1. 35 0. 44 0. 023 0. 004
32 1. 99 1. 53 0. 378 0. 012 0. 005
从表 2 和表 3来看, 菱沉水叶中 Fe 含量随培养浓度上升有一个先上升后下降的过
程,而浮水叶中 Fe 含量有升高趋势,只是到 32 g/ g 中才略微降低; M n、Zn、Cu、Mo 这几
种元素在受 Cr6+ 毒害时和 Cr6+ 的浓度之间看不出有明显变化趋势,但沉水叶中 Fe含量
竟比浮水叶中高一个数量级, 沉水叶中 Mn、Zn 含量约为浮水叶中 Mn、Zn 含量的两倍,
沉水叶中 Cu 含量是浮水叶中 Cu含量的 2～3倍,而 Mo 含量在沉水叶和浮水叶中变化
不大,均在 10- 3数量级,但沉水叶中较浮水叶中含量略多。
3 讨论
K 在植物中几乎呈离子状态,部分在原生质中处于吸附状态, 且主要集中在最活动的
部位〔9〕。菱在受到Cr6+ 毒害时, 细胞膜系统破损,虽在培养溶液中含有大量 K + ,也无法吸
收利用,浮水叶中和沉水叶中K 含量下降。K在植物体中主要起着酶催化剂、促进蛋白质
合成和碳水化合物合成与运输的作用;由于 K 含量下降, 酶活性降低, 蛋白质合成受阻,
碳水化合物合成和运输速度减慢,原生质水合程度降低, 细胞保水能力下降而失水,蛋白
质降解,叶绿素破坏,结构的破坏造成 K 的大量流失, 缺 K又加速菱的死亡。从实验中可
以看出 32 g/ g 中培养的菱死的相当快, 在 72 h 时叶子烂斑就超过一半。
Mg 在植物中主要存在于幼嫩的器官和组织中,在受到 Cr6 +毒害时 Mg 呈下降趋势。
Mg 是叶绿素的主要组成部分, M g 同时又是蛋白质合成(维持核糖体大小亚基结合)、核
酸合成( DNA 复制、RNA 转录)和糖代谢(糖酵解和三羧酸循环)中的必需离子。Mg 的缺
乏造成蛋白质、核酸的合成抑制,糖代谢无法正常进行,导致菱受害。
李大辉〔8〕在研究 Cd和 Hg 对菱结构伤害时发现核质消失及核解体以及叶绿体基粒
膨胀现象,本实验中 K、Mg 含量的降低也可验证其实验结果。
从实验结果来看 Mn、Zn、Cu、Mo 4种元素在沉水叶中的含量均比在浮水叶中多, 这
312 武汉 植 物学 研究 第 18卷
可以看出在不同的器官中元素含量的不同。但与 Cr6+ 浓度之间看不出有明显的相关关
系,浮水叶和沉水叶之间也看不出明显的相关关系。从沉水叶中的 Fe 含量来看, Fe 在
Cr
6+浓度逐渐升高时有一个先上升后下降的过程;在研究同样浓度的 Cr 对水鳖的过氧化
物酶影响时发现,过氧化物酶的活性也是先上升后下降〔10〕, 而 Fe是过氧化物酶的成分。
浮水叶 Fe 含量在上升, 在 32 g / g 中已略为下降,从元素含量来看, 浮水叶的受害程度比
沉水叶要轻。在含量上升过程中 Fe的来源可能来自茎。
Cr 在菱体中含量与 Cr6+ 的培养浓度之间存在明显的正相关, Cr2O 2-4 进入细胞有两
种可能性: ( 1)自由扩散作用; ( 2)杜南平衡,即在 K + 进入细胞内的同时, Cr 2O 2-4 进入细胞
内。在Cr2O 2-4 进入细胞时细胞膜上的运输蛋白受到Cr2O 2-4 的毒害变性,同时产生超氧阴
离子,通过超氧阴离子的链式作用,对细胞膜中脂肪酸的不饱和键氧化, 破坏膜结构。Cr6+
的氧化还原电势是 1. 33 V,如此强的氧化还原电势本身也足以将细胞膜的不饱和脂肪酸
氧化并破坏。
在本实验中可以看出 Cr 含量在低浓度时上升较为平缓,而高浓度时上升较快(图 1、
图 2) ,这说明在低浓度时,菱受害较轻时对 Cr 进入体内有一定的限制作用,也即抗性;菱
的细胞壁中含有果胶质可以用来结合 Cr 6+ , 同时体内的抗坏血酸、柠檬酸,以及氨基酸类
如 L-组氨酸、甘氨酸、赖氨酸、半胱氨酸均可结合 Cr〔11〕,最近研究发现植物体内存在的
MT-like 蛋白对重金属的毒害有解毒的作用〔12〕。但当 Cr 6+浓度超过菱本身的解毒效应
时, Cr 6+突破菱的防线而进入菱体内,对菱产生伤害。
参 考 文 献
1 张义贤.三价铬和六价铬对大麦毒害效应的研究.中国环境科学, 1997, 17( 6) : 555～568
2 王惟咨,何增耀,叶兆杰.铬对土壤生化代谢的影响.中国环境科学, 1990, 10( 6) : 446～451
3 周易勇,刘同仇,邓波儿. 铬污染对辣椒叶绿素和铁含量及几种酶活性的影响. 环境科学, 1991, 11( 3) : 28～29
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5 张春龙,何增耀,叶兆杰.铬对大豆结瘤和固氮酶活性的影响.中国环境科学, 1988, 8( 3) : 41～44
6 曹仁林,何宗兰,霍文瑞.土壤添加六价铬对农作物生长及铬残留量的影响.中国环境科学, 1988, 8( 3) : 27～33
7 周易勇.高浓度铬对凤眼莲的伤害及膜脂过氧化作用的影响.环境科学, 1994,14( 3) : 60～61
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10 杨顶田,施国新,解凯彬等. Cr6+污染对水鳖叶绿素含量和几种酶活性的的影响.南京师范大学学报( 自然科学
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