Cr6+對(duì)人工濕地薏苡光合特性和微量元素吸收的影響

柳心怡, 農(nóng) 宇, 黃建祥, 李素麗, 李良香, 程夕冉, 王學(xué)禮, 李正文, 李志剛

(廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 南寧 530005 )

鉻能夠通過(guò)食物鏈途徑進(jìn)入植物、動(dòng)物和人的體內(nèi)，并進(jìn)行積累，且極易對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成傷害(Wenzel et al.，2003；Rajkumar et al.，2009；樊霆等，2013)。鉻(Cr)在環(huán)境中的常見價(jià)態(tài)有Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，其中，Cr(Ⅲ)毒性較低，是人體必需的微量元素之一；而Cr(Ⅵ)通常以鉻酸鹽或重鉻酸鹽離子的形式與氧結(jié)合，其強(qiáng)氧化性、高水溶性和膜滲透性使得極低濃度的Cr(Ⅵ)也具有高毒性(王愛云等，2012；Alahmad et al.，2019)。鉻廣泛應(yīng)用于電鍍業(yè)和染料業(yè)等行業(yè)，這些行業(yè)工廠排放的廢水是鉻污染傳播的重要途徑，并會(huì)導(dǎo)致耕地污染。因此，加強(qiáng)含鉻廢水治理和達(dá)標(biāo)排放是避免耕地鉻污染和保護(hù)有限耕地資源的重要手段。

前人研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用化學(xué)固化法、化學(xué)穩(wěn)定化法、化學(xué)還原法、離子交換法和微生物還原法等技術(shù)可以去除污水中鉻，但這些技術(shù)存在成本較高、操作復(fù)雜和不適于低濃度Cr(Ⅵ)污染水體處理(伍清新等，2014；田小利和李倩，2017)等問(wèn)題。人工濕地是植物-微生物聯(lián)合修復(fù)的一種修復(fù)模式，因其成本低、耗能少和具有一定的生態(tài)效益的特點(diǎn)，被認(rèn)為是處理重金屬污染修復(fù)的有效途徑(Rivastava et al.，2009； Zhuang et al.，2019；Xu et al.，2020)。人工濕地對(duì)含鉻污水具有較好的凈化效果，李志剛等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，薏苡(Coixlacryma-jobi)人工濕地能夠高效去除生活污水中低濃度Cr6+(<10 mg·L-1)，且植物表現(xiàn)出相對(duì)較高的耐受性，而高濃度Cr6+(30 mg·L-1)脅迫則對(duì)薏苡的生長(zhǎng)有顯著的抑制作用。光合作用強(qiáng)弱是衡量植物生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，鉻含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致植物葉綠素分解，凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)和胞間CO2濃度(intercelluar CO2concentration，Ci)等光合生理指標(biāo)下降，最終導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受到顯著抑制(Choudhury et al.，2012；邵云等，2012)。其中，植物光合速率的下降可能導(dǎo)致光合電子傳遞過(guò)程中電子傳遞給O2分子，活性氧含量增加，從而引起膜脂過(guò)氧化，丙二醛(malondialdehyde, MDA)在體內(nèi)過(guò)量積累，使得植物體的各類代謝活動(dòng)受到嚴(yán)重阻礙甚至失調(diào)(楊雯一，2021)。植物可通過(guò)提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)等抗氧化酶的活性來(lái)抵御重金屬的毒害作用(鐘旻依等，2019)。此外，植物體內(nèi)產(chǎn)生的可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)亦可緩解重金屬脅迫(呂冬梅等，2021)。但是，有關(guān)鉻脅迫條件下垂直流人工濕地植物光合參數(shù)、抗氧化酶活性的變化特征的研究并不多見。

植物光合能力的大小與礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收關(guān)系極為密切，Cu、Zn、Fe和Mn等微量元素與光合作用關(guān)系極為密切，重金屬脅迫對(duì)植物的養(yǎng)分吸收和代謝產(chǎn)生重要影響，如Ali 等(2012)研究發(fā)現(xiàn)鉻脅迫抑制大麥對(duì)Fe、Mn、Cu和Zn的吸收。肖家昶等(2021)研究發(fā)現(xiàn)在鋁脅迫下，西瓜葉片鉀、鈣和鎂元素積累，而鉀、鈣和鎂元素與植物葉片光合和抗逆等功能密切相關(guān)。因?yàn)镕e、Zn、Mn和Cu都是植物正常生長(zhǎng)和代謝所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，也是某些酶的活化劑，在植物的光合作用、呼吸作用等方面的氧化還原過(guò)程中具有非常重要的作用(徐根娣等，2015)，所以隨著這些元素吸收量的減少，將會(huì)直接導(dǎo)致植物光合能力的下降和生物量的減少等問(wèn)題。迄今為止，有關(guān)Cr6+脅迫對(duì)植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素的影響的研究仍鮮見報(bào)道。因此，了解Cr6+脅迫下植物的養(yǎng)分元素變化對(duì)于深入了解人工濕地植物響應(yīng)鉻脅迫機(jī)制具有重要的實(shí)際意義。

本研究擬采用構(gòu)建模擬垂直流薏苡人工濕地的方法，以含不同濃度Cr6+的鉻廢水(利用1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液配制)作為人工濕地灌溉用水，擬探討以下問(wèn)題：(1)不同濃度Cr6+對(duì)人工濕地中薏苡吸收微量元素的影響；(2)不同濃度Cr6+人工濕地中薏苡生長(zhǎng)、光合特性和人工濕地對(duì)Cr6+去除的關(guān)系。本研究結(jié)果可為實(shí)際人工濕地運(yùn)作提供一定的理論依據(jù)，并為今后人工濕地修復(fù)含重金屬污水提供參考價(jià)值和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2020年的5—8月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院科研基地網(wǎng)室(108°17′14″ E，22°50′17″ N)內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?2.0 ℃，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量為1 300～2 000 mm。

薏苡是禾本科(Poaceae)、薏苡屬(Coix)植物。薏苡為我國(guó)東南部常見栽培或野生植物，生于溫暖潮濕的邊地和山谷溪溝。薏苡是濕生性植物，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，可以在富營(yíng)養(yǎng)化的水體中生長(zhǎng)，根系發(fā)達(dá)，具有修復(fù)受污染水體能力(高沖，2008)。因此，本試驗(yàn)以薏苡為人工濕地植物，試驗(yàn)材料來(lái)自廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)基地。參考李志剛等(2010)的方法構(gòu)建微型垂直流人工濕地系統(tǒng)，選取上、下口直徑和高度分別為71、45、61 cm的塑料桶，于桶內(nèi)從下至上依次裝填高度約10 cm的鵝卵石(直徑2～5 cm)，鋪墊40 cm厚的細(xì)沙層，在距桶底約10 cm處安裝水龍頭作為出水口。每個(gè)桶內(nèi)種植6株株高20 cm且長(zhǎng)勢(shì)均勻的薏苡苗。在1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液中添加K2Cr2O7以獲得含0(對(duì)照，CK)、5、20、40 mg·L-1濃度Cr6+的污水，不同濃度每個(gè)處理重復(fù)3次。

Cr6+處理前20 d，用1/2 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液灌溉人工濕地。5月14日開始進(jìn)行不同濃度Cr6+處理，參考李志剛等(2018)的方法，采取間歇式進(jìn)水方式，進(jìn)水后停留3 d，然后落干4 d。每7 d為一個(gè)周期，直至當(dāng)年8月30日試驗(yàn)結(jié)束。

1.2 樣品采集

分別于Cr6+處理后10、30、60、100 d進(jìn)行樣品采集。取出植株并將根、莖和葉洗凈拭干，一部分葉片鮮樣用于逆境生理指標(biāo)的測(cè)定；另一部分把根、莖和葉分開，放入烘箱105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重后粉碎，最后過(guò)60目篩后裝樣保存待測(cè)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 逆境生理指標(biāo)的測(cè)定 葉片SOD活性采用蘇州科銘試劑盒測(cè)定；POD活性測(cè)定參照李合生(2000)，采用愈創(chuàng)木酚動(dòng)力學(xué)掃描法；MDA含量測(cè)定參照劉大林等(2015)，采用硫代巴比妥酸比色法。

1.3.2 光合生理指標(biāo)的測(cè)定 分別于Cr6+處理后的第10、第30、第60 和第100 天的上午9:00—11:30使用LI-6400XTR光合作用測(cè)定儀(生產(chǎn)廠家：LI-COR，產(chǎn)地：美國(guó))，選擇第一片展開葉(葉片基部出現(xiàn)葉環(huán)時(shí)即為展開葉)，測(cè)定薏苡葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度指標(biāo)。測(cè)定期間光照強(qiáng)度為(480±10 )μmol ·m-2，光照時(shí)間為(16±0.5) h，相對(duì)濕度保持在60%～70%。

1.3.3 微量元素鉻、鐵、銅、錳和鋅含量的測(cè)定 將植株的根、莖和葉分別沖洗干凈后，將根系浸泡于濃度為20 mmol·L-1的Na2-EDTA溶液中30 min，然后用超純水沖洗干凈，以除去吸附在根表面的鉻。將根、莖和葉樣品烘干后粉碎過(guò)100目篩。參照王愛云等(2012)的方法，用濃硝酸與高氯酸按4∶1(V/V=4∶1)的方法進(jìn)行消煮，并用電感耦合等離子發(fā)射體發(fā)射光譜儀(型號(hào)：ICP-5000，生產(chǎn)廠家：北京聚光科技有限公司，產(chǎn)地：中國(guó))測(cè)定各組分中的Cr、Fe、Cu、Mn和Zn元素含量。

1.3.4 農(nóng)藝形狀測(cè)定 分別于Cr6+處理后第10、第30、第60 和第100 天，測(cè)量薏苡莖粗、株高(從基部至頂部第一個(gè)可見葉環(huán))和分蘗數(shù)。

1.3.5 水中Cr6+含量測(cè)定 參照蘇長(zhǎng)青(2016)的方法，使用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定出水中Cr6+含量。其中所用比色管均用10%稀硝酸浸泡16 h以上，以防止試管內(nèi)壁吸附Cr6+。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用軟件Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，數(shù)據(jù)分析軟件DPS 9.50進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。平均數(shù)據(jù)以“平均數(shù) ± 標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cr6+對(duì)薏苡農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，各處理的薏苡株高隨著Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出提高的趨勢(shì)，高濃度的Cr6+脅迫(20～40 mg·L-1)抑制薏苡植株生長(zhǎng)。處理過(guò)程中5 mg·L-1Cr6+處理的薏苡株高與CK相比差異不顯著，而20 mg·L-1和40 mg·L-1Cr6+處理均顯著抑制薏苡的株高，表明Cr6+對(duì)薏苡的抑制隨Cr6+濃度的增加而顯著增強(qiáng)。

表 1 不同濃度Cr6+處理下薏苡株高、莖粗和分蘗數(shù)變化Table 1 Changes of plant height, stem diameter and tiller number of Coix lacryma-jobi treated with different concentrations of Cr6+

不同鉻濃度下薏苡莖粗變化不明顯，與CK差異不顯著。分蘗數(shù)隨Cr6+濃度的增加而減少。5 mg·L-1Cr6+處理可促進(jìn)薏苡分蘗，20 mg·L-1和40 mg·L-1Cr6+處理均抑制薏苡分蘗，40 mg·L-1Cr6+處理與CK相比分蘗數(shù)差異顯著。

2.2 不同處理下薏苡葉片光合作用的變化

由表2可知，薏苡葉片的Pn和Tr隨Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)而呈先升后降的趨勢(shì)，Cr6+處理5 d，Pn和Tr值最高；5 mg·L-1Cr6+處理下，Pn和Tr均顯著大于CK，Cr6+處理30 d，Pn和Tr達(dá)到最高，分別比CK高1.1和1.4倍，隨后逐漸下降；不同Cr6+處理濃度相比較，5 mg·L-1Cr6+處理下，Pn和Tr值最高，而20、40 mg·L-1Cr6+處理下，Pn和Tr均顯著小于CK，濃度越高，Pn和Tr值越低，分別比對(duì)照低6.1%～66.4%和28.2%～55.9%。

表 2 不同濃度Cr6+處理下薏苡葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率的變化Table 2 Changes of Pn, Gs, Tr and Ci in the leaves of Coix lacryma-jobi treated with different concentrations of Cr6+

隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，CK的Gs呈無(wú)規(guī)律變化。5 mg·L-1Cr6+處理下，葉片Gs大于CK，提高幅度在16.7%～26.7%之間，而高濃度的Cr6+脅迫(20～40 mg·L-1)下，除Cr6+處理10 d時(shí)Gs大于對(duì)照外，20 mg·L-1Cr6+處理Gs與CK差別不大，而40 mg·L-1Cr6+處理Gs值則顯著低于CK，降低幅度在27.2%～60%之間；與對(duì)照相比，5 mg·L-1Cr6+處理葉片Ci與CK差異不大，其余處理葉片Ci均顯著大于CK，并隨著Cr6+處理濃度的提高而提高。

2.3 不同處理下薏苡葉片逆境生理指標(biāo)變化

2.3.1 不同處理下薏苡葉片SOD活性的變化 由圖1可知，薏苡葉片的SOD活性在87.9～155.4 U·g-1之間。隨Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)，薏苡葉片SOD活性呈上升的趨勢(shì)。5 mg·L-1Cr6+處理葉片SOD大于CK；20 mg·L-1Cr6+處理薏苡葉片SOD活性與CK差異不顯著；而40 mg·L-1Cr6+隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。

不同字母表示相同天數(shù)不同處理間差異顯著性(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences between different treatments for the same number of days (P<0.05). The same below.圖 1 不同濃度Cr6+處理下薏苡葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性變化Fig. 1 Changes of SOD activities in the leaves of Coix lacryma-jobi treated with different concentrations of Cr6+

2.3.2 不同處理下薏苡葉片POD活性的變化 由圖2可知，薏苡葉片的POD活性在1 194.8～3 562.4 U·g-1·min-1之間，隨Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)和濃度的提高而提高。在5、20 mg·L-1Cr6+處理前期30 d內(nèi)，POD活性與CK差異不顯著，但隨Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)，Cr6+對(duì)葉片POD活性有顯著的促進(jìn)作用，Cr6+處理60～100 d，與CK相比，5、20 mg·L-1Cr6+處理葉片POD活性分別提高了27.8%～36.3%和36.9%～39.4%。40 mg·L-1Cr6+處理下，在Cr6+處理初期(10 d)，葉片POD活性與CK差異不顯著，但Cr6+處理30 d后，葉片POD活性顯著大于其他濃度處理，提高了29.5%～40.6%和26.6%～31.3%。

圖 2 不同濃度Cr6+處理下薏苡葉片過(guò)氧化物酶(POD)活性變化Fig. 2 Changes of POD activities in the leaves of Coix lacryma-jobi treated with different concentrations of Cr6+

2.3.3 不同濃度Cr6+對(duì)薏苡葉片MDA含量的影響 由圖3可知，薏苡葉片MDA含量在9.12～48.83 μmol·g-1之間。隨Cr6+處理時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片MDA含量呈先升后降的趨勢(shì)，Cr6+處理30 d時(shí)，各處理MDA含量達(dá)到最高值，30 d后呈下降趨勢(shì)。5 mg·L-1Cr6+處理下，葉片MDA含量與CK相比差異不顯著，而20、40 mg· L-1Cr6+處理葉片MDA的含量則顯著大于CK及5 mg ·L-1Cr6+處理的。葉片MDA含量隨Cr6+濃度增大呈上升。隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，不同濃度Cr6+處理葉片MDA含量差異逐漸縮小。

圖 3 不同濃度Cr6+處理下薏苡葉片丙二醛(MDA)含量變化Fig. 3 Changes of MDA contents in the leaves of Coix lacryma-jobi treated with different concentrations of Cr6+

2.4 不同濃度Cr6+對(duì)薏苡吸收微量元素及鉻的影響

由表3可知，薏苡植株根、莖、葉的Fe含量分別在450.36～1 996.30 mg·kg-1、39.37～172.44 mg·kg-1和198.33～382.81 mg·kg-1之間，不同部位Fe含量大小依次為根>葉>莖。處理30 d時(shí)，5 mg·L-1Cr6+處理根、莖、葉Fe含量均比處理10 d時(shí)有不同程度的增加，增加幅度為7.8%～29.2%，其中莖中Fe含量增加幅度最大，根次之，最低為葉，而20、40 mg·L-1Cr6+處理下，根、莖、葉中Fe含量均呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大的為20 mg·L-1Cr6+處理的根，下降幅度為24.6%；不同Cr6+處理濃度相比較，除5 mg·L-1Cr6+處理與CK差異不顯著外，其他濃度Cr6+處理均顯著降低了根系對(duì)Fe的吸收，與CK相比，降幅最大的為40 mg·L-1Cr6+處理，降幅為47.5%。

表 3 不同濃度Cr6+處理對(duì)薏苡根、莖、葉鐵含量的影響(單位： mg·kg-1)Table 3 Effects of different concentrations of Cr6+ treatments on Fe contents in root, stem and leaf of Coix lacryma-jobi (Unit: mg·kg-1)

薏苡根系的Mn含量最高，其次是莖，最低的是葉(表4)。除CK和5 mg·L-1Cr6+處理30 d的莖Mn含量大于10 d處理外，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，其他各Cr6+處理下，薏苡根、莖、葉對(duì)Mn含量的吸收皆呈顯著下降趨勢(shì)。與CK相比，在20、40 mg·L-1Cr6+處理下，薏苡根系對(duì)于Mn的含量顯著下降，下降幅度分別在4.4%～10.6%和20.0%～42.6%之間。整個(gè)處理過(guò)程中，Cr6+處理10、40、60 d薏苡葉片的Mn含量隨Cr6+濃度升高而顯著降低。

表 4 不同濃度Cr6+處理對(duì)薏苡根、莖、葉錳含量的影響(單位： mg·kg-1)Table 4 Effects of different concentrations of Cr6+ treatments on Mn contents in root, stem and leaf of Coix lacryma-jobi (Unit: mg·kg-1)

由表5可知，薏苡植株體內(nèi)積累的Zn含量均隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降的趨勢(shì)，不同部位Zn含量大小依次為根>葉>莖。莖Zn含量隨鉻處理濃度的提高而顯著下降外，根和葉片Zn含量的變化沒(méi)有一致的規(guī)律。

表 5 不同濃度 Cr6+處理對(duì)薏苡根、莖、葉鋅含量的影響(單位： mg·kg-1)Table 5 Effects of different concentrations of Cr6+ treatments on Zn contents in root, stem and leaf of Coix lacryma-jobi (Unit: mg·kg-1)

薏苡植株根、莖和葉的Cu含量分別在4.69～15.83 mg·kg-1、 2.12～5.23 mg·kg-1、 2.89～5.29mg·kg-1之間，薏苡植株體內(nèi)的Cu含量最高是根，其次是葉，最低是莖。薏苡植株體內(nèi)積累的Cu含量均隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)(表6)。

表 6 不同濃度Cr6+處理對(duì)薏苡根、莖、葉銅含量的影響(單位： mg·kg-1)Table 6 Effects of different concentrations of Cr6+ treatments on Cu contents in root, stem and leaf of Coix lacryma-jobi (Unit: mg·kg-1)

由表7可知，薏苡植株內(nèi)積累的鉻含量大小依次為根>葉>莖。薏苡根系鉻的含量隨Cr6+處理濃度的提高而增加，處理10 d和100 d，高濃度的Cr6+脅迫(20～40 mg·L-1)對(duì)薏苡根系的鉻含量影響差異不顯著，其他時(shí)期表現(xiàn)均為顯著。在整個(gè)Cr6+處理過(guò)程中，40 mg·L-1Cr6+處理薏苡莖對(duì)于鉻的吸收呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。處理30 d前，40 mg·L-1Cr6+薏苡葉片對(duì)鉻含量的吸收呈上升趨勢(shì)，與10 d相比增加了35.1%；而30 d促進(jìn)作用卻不明顯，表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，處理100 d與30 d相比薏苡葉片對(duì)鉻含量的吸收下降了26.6%。

表 7 不同濃度Cr6+處理對(duì)薏苡根、莖、葉總鉻含量的影響 (單位: mg·kg-1)Table 7 Effects of different concentrations of Cr6+ treatments on Cr contents in root, stem and leaf of Coix lacryma-jobi (Unit: mg·kg-1)

2.5 不同處理下出水Cr6+含量變化

由圖4可知，5、20 mg·L-1Cr6+處理下濕地出水Cr6+含量極低，去除率最高可達(dá)99%，隨鉻處理時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種人工濕地對(duì)Cr6+的去除率下降，但在處理后期去除率最低也高達(dá)89%。而40 mg·L-1Cr6+處理對(duì)Cr6+的去除率與5、20 mg·L-1Cr6+處理相比差異顯著且去除效果不明顯，其在30 d時(shí)達(dá)到最高，為86%，30 d后表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

圖 4 不同濃度Cr6+處理下出水Cr6+變化Fig. 4 Changes of Cr6+ in effluent treated with different concentrations of Cr6+

3 討論

前人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鉻脅迫可促進(jìn)西蘭花生長(zhǎng)，而高濃度鉻脅迫則會(huì)產(chǎn)生抑制作用(徐芬芬，2014)。本研究亦發(fā)現(xiàn)，低濃度5 mg·L-1Cr6+處理提高了薏苡株高；20 mg·L-1以上濃度 Cr6+處理則對(duì)薏苡株高有抑制作用，隨Cr6+濃度提高，抑制效果明顯，但Cr6+處理對(duì)薏苡的莖粗影響不大。薏苡總分蘗數(shù)隨Cr6+處理濃度增加而減少，40 mg·L-1Cr6+抑制作用顯著。

光合作用是綠色植物最基本和最重要的生命活動(dòng)過(guò)程，光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等是衡量光合作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)。有研究表明，適量的鉻可提高植物葉片葉綠素含量，提高植物光合能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)(Bonet et al.，1991; 歐陽(yáng)崢嶸等，2010)；而過(guò)量的鉻脅迫會(huì)則造成植物藻細(xì)胞線粒體損傷，葉綠體破壞，使得植物的光合效率和呼吸作用降低，從而抑制植物生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至還會(huì)導(dǎo)致植物死亡(Lu et al.,2013；楊國(guó)遠(yuǎn)等，2014；王碧霞等，2016)。光合作用的限制酶主要受到CO2濃度的調(diào)控，而氣孔導(dǎo)度受到CO2的影響(姚佳等，2015)。在本研究中，薏苡葉片Gs隨鉻處理時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，表明鉻脅迫會(huì)引起葉片含水量降低，從而促使氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致Ci下降，進(jìn)而引起光合速率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的5 mg·L-1Cr6+處理促進(jìn)薏苡葉片Pn和Tr的提高，而高濃度40 mg·L-1Cr6+處理則表現(xiàn)出抑制作用，植物生長(zhǎng)的表現(xiàn)與光合參數(shù)的變化一致，表明高濃度Cr6+脅迫可能是通過(guò)抑制薏苡的光合作用，引導(dǎo)光合機(jī)構(gòu)受損、光化學(xué)活性降低，從而產(chǎn)生明顯的光抑制，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受到抑制。

重金屬對(duì)植物的毒害機(jī)理之一是干擾植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，破壞植物體內(nèi)的養(yǎng)分平衡(董鉆和謝甫練，1996)。Fe、Mn、Zn和Cu是植物體內(nèi)參與代謝作用的酶類輔基或激化酶活性的活化劑，參加代謝氧化還原過(guò)程，影響著植物呼吸作用、光合作用的過(guò)程。同時(shí)，還能提高作物對(duì)逆境和病害的抗性(陳永林，2016)。本研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的Cr6+脅迫(20～40 mg·L-1)顯著抑制薏苡根、莖和葉對(duì)Fe、Mn和Zn的吸收，而且抑制效果隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。鉻脅迫干擾了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與運(yùn)輸，其原因可能是大量的活性離子在根尖細(xì)胞壁與質(zhì)膜表面的陰離子之間相互作用，改變了其質(zhì)膜結(jié)構(gòu)以及膜電位，從而使得離子轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性發(fā)生了變化，而在土壤中溶出的不同形態(tài)活性鉻也降低了多價(jià)陽(yáng)離子在根皮層細(xì)胞質(zhì)外體的負(fù)載量，從而影響吸收；此外，也有可能是鉻離子與金屬陽(yáng)離子競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子結(jié)合位點(diǎn)，使得其他營(yíng)養(yǎng)元素的結(jié)合位點(diǎn)減少，從而抑制Fe、Mn、Zn等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。高濃度鉻脅迫使植物清除氧自由基和光合能力下降，造成植物氧化損傷，從而導(dǎo)致運(yùn)輸至根系光合產(chǎn)物量下降，根系因得不到足量的物質(zhì)和能量供應(yīng)，使其根系吸收元素能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致植物的代謝紊亂(徐根娣等，2015)。

Fe、Mn和Zn是植物正常生命活動(dòng)所必需的微量元素，在植物體內(nèi)參與調(diào)控葉綠素合成，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)CO2的供應(yīng)和基質(zhì)中的pH，從而影響到植物的光合作用和氧化還原反應(yīng)等重要生理過(guò)程(杜新民和張永清，2008)。過(guò)量的Cr6+導(dǎo)致Fe、Mn和Zn吸收量的下降，可能導(dǎo)致薏苡光合速率和抗氧化系統(tǒng)對(duì)活性氧的調(diào)節(jié)能力下降，最終使得薏苡的生長(zhǎng)受到抑制。

在重金屬脅迫下，植物細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡被破壞，從而導(dǎo)致植株中活性氧含量明顯增加，影響了整個(gè)活性氧清除系統(tǒng)對(duì)活性氧的清除能力，導(dǎo)致整個(gè)生理生化過(guò)程紊亂， 從而進(jìn)一步加重氧化損傷，影響植物生長(zhǎng)(周希琴和莫燦坤，2003)。在本研究中的Cr6+處理下，薏苡葉片MDA含量隨鉻濃度的增大和時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，葉片MDA含量提高，說(shuō)明Cr6+脅迫下細(xì)胞膜脂過(guò)氧化水平高，膜結(jié)構(gòu)受損傷程度加深，植物的抗逆性減弱(陳晶等，2017)。SOD和POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，協(xié)助植物清除氧自由基，抵抗氧化脅迫(曾凡榮，2010)。本研究發(fā)現(xiàn)，在5 mg·L-1Cr6+處理下，薏苡葉片SOD和POD活性顯著增強(qiáng)，有利清除氧自由基，減少葉片中MDA的積累，從而提高薏苡抵抗鉻脅迫能力；而40 mg·L-1Cr6+高濃度鉻脅迫對(duì)薏苡造成了嚴(yán)重的氧化脅迫，脂質(zhì)過(guò)氧化程度增強(qiáng)，已超出了薏苡SOD和POD清除氧自由基抵抗氧化脅迫的能力，盡管此時(shí)SOD仍具有較高活性，但可能由于活性氧生成量過(guò)多，SOD來(lái)不及清除，從而使MDA生成量提高，因此40 mg·L-1Cr6+脅迫下薏苡的抗逆性降低，使其生長(zhǎng)受到抑制。這一結(jié)果與湯茜等(2018)和朱秀紅等(2017)的研究結(jié)果一致。說(shuō)明Cr6+脅迫影響了植株的抗氧化系統(tǒng)，并且植株對(duì)外源抗氧化脅迫迅速做出了反應(yīng)。

人工濕地對(duì)污水中Cr(Ⅵ)的去除與基質(zhì)的吸附、植物吸收和微生物的活動(dòng)密切相關(guān)，而植物的活動(dòng)直接影響到人工濕地氧化還原條件、有機(jī)質(zhì)分配和微生物活動(dòng)，從而影響到人工濕地對(duì)Cr(Ⅵ)去除，人工濕地植物的生長(zhǎng)狀況與其對(duì)重金屬的去除能力有密切的關(guān)系(Vymazal & Brezinova，2016)。本研究中，低濃度Cr6+脅迫下，人工濕地出水所含Cr6+含量較低，對(duì)Cr6+去除能力較強(qiáng)，可能是低濃度Cr6+脅迫下薏苡人工濕地能夠維持相對(duì)較好的長(zhǎng)勢(shì)，對(duì)Cr6+去除率較高的重要原因。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)高濃度Cr6+鉻脅迫下，薏苡植株體內(nèi)的Fe、Mn、Zn和Cu等與光合和抗氧化等生理功能密切相關(guān)的微量元素吸收量大幅度下降，導(dǎo)致薏苡光合速率下降，抗氧化系統(tǒng)受損，從而使薏苡的生長(zhǎng)受到抑制，最終導(dǎo)致人工濕地處理含Cr6+廢水的能力下降。但是，低濃度Cr6+脅迫下的薏苡人工濕地能夠維持相對(duì)較好的長(zhǎng)勢(shì)，且人工濕地對(duì)Cr6+去除效率較高。