劉秋霞，彭承浪，，毛勁，文月，盛鋒，杜雪竹*

（1.省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室/湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430062；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所，武漢 430062）

鉻具有良好的抗氧化和防腐蝕能力，常用于各種合金制造、印染紡織和皮革鞣制等行業(yè)。隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，涉鉻行業(yè)快速發(fā)展，大量的鉻污染物排放到水體、土壤等環(huán)境中，影響植物生長，危害人體健康。

環(huán)境中的鉻主要以Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）兩種氧化態(tài)形式穩(wěn)定存在。Cr（Ⅵ）污染會破壞土壤微生物群落，損傷植物根系，降低葉綠素含量，干擾作物養(yǎng)分吸收，限制作物生長。Cr（Ⅵ）不易被土壤膠體吸附，具有較高的活性；而Cr（Ⅲ）能與Fe、OH、SO等離子形成沉淀，降低生物有效性，且毒性較Cr（Ⅵ）低。因此，將環(huán)境中的Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ）是鉻污染治理過程中的重要思路和有效途徑。

由2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》可知，我國鉻點位超標率達1.1%，Cr（Ⅵ）是耕地主要的無機污染物。通過向土壤環(huán)境施加電場，將Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ），集中處理陰極Cr（Ⅲ）可高效降低Cr（Ⅵ）污染。但這種電化學(xué)法除Cr（Ⅵ）效果受水溶液pH的影響，且陰極Cr（Ⅲ）易與溶液中的膠體、OH、SO形成沉淀，影響電極使用壽命。向溶液中添加普通還原劑，如NaSO、FeSO、鐵粉等，使Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ），沉淀后進行分離是鉻廢水的經(jīng)典處理方法，該反應(yīng)速度慢，在復(fù)雜的土壤環(huán)境中可能難以充分發(fā)揮還原劑的效果，且還原劑回收困難，給環(huán)境帶來額外負擔(dān)。光催化劑是一種用于加快反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)的媒介，光催化還原是基于光激發(fā)電子和半導(dǎo)體空穴在光照下促進氧化還原的反應(yīng)，因其快速、高效、安全、可回收、操作簡單、不借助額外設(shè)施等優(yōu)點而日益受到重視。常用的光催化劑有TiO、ZnO等，但這些催化劑仍存在催化效率低、回收率低的問題。

鐵酸鎳是具有強磁性的可見光響應(yīng)光催化劑，具有強磁性、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、無毒易回收等優(yōu)點，且成本低、制備方法簡單，通常采用水熱、溶劑熱等方法制備納米鐵酸鎳。本研究通過溶膠-凝膠法制備納米級鐵酸鎳材料，評價了可見光照射條件下鐵酸鎳處理含Cr（Ⅵ）營養(yǎng)液對水稻生長的影響，以期為稻田灌溉水鉻污染治理提供新的思路和手段。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用催化劑為鐵酸鎳光催化劑，由硝酸鐵、硝酸鎳和檸檬酸通過溶膠-凝膠法制成，其可在可見光（>420 nm）照射下發(fā)生催化反應(yīng)，將Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ）。高分辨掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對納米鐵酸鎳的微觀形貌的表征表明（圖1），所制備的納米鐵酸鎳形貌均一，呈納米棒狀，平均長度約為100 nm；納米鐵酸鎳具有清晰的晶格條紋，對應(yīng)（311）晶面的晶格條紋間距約為0.25 nm。

圖1 納米鐵酸鎳的SEM圖及TEM圖Figure 1 SEM and TEMmap of nickel ferrate nanoparticle

X-射線電子衍射（XRD）對鐵酸鎳納米材料晶體結(jié)構(gòu)的分析表明（圖2），所制備的納米鐵酸鎳的XRD圖譜對應(yīng)標準卡片為JCPDS#10-0325，其為典型的單斜相結(jié)構(gòu)，特征衍射峰位于18.5°、30.2°、35.6°、37.4°、43.2°、53.9°、57.2°及63.1°，分 別 與（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（511）和（440）晶面相對應(yīng)。在含1 mmol·L的Cr（Ⅵ）培養(yǎng)液中處理80 min，Cr（Ⅵ）的還原率達到61%。通過以上材料表征說明納米鐵酸鎳制備成功，且具備較好的還原Cr（Ⅵ）的性能。

圖2 納米鐵酸鎳的XRD圖譜Figure 2 XRD map of nickel ferrate nanoparticles

1.2 試驗設(shè)計

水稻水培試驗共設(shè)置3種培養(yǎng)液處理：對照處理，不加KCrO和催化劑；Cr（Ⅵ）脅迫處理，只加KCrO，添加量為1 mmol·L；光催化處理，加1 mmol·LKCrO和1.0 g·L鐵酸鎳光催化劑，在氙燈光照（波長為420~780 nm）下，以200 r·min速度均勻攪拌，以保證催化劑均勻分散，光催化時間為80 min，光照強度為5 500 lx，催化結(jié)束后用強力磁鐵和高速離心機去除鐵酸鎳催化劑。Cr（Ⅵ）脅迫濃度由預(yù)試驗確定，以確保試驗設(shè)置的Cr（Ⅵ）脅迫濃度在短時間內(nèi)可以抑制水稻幼苗的生長，但不會導(dǎo)致水稻植株死亡。

本試驗于2020年8—11月開展，選取兩個水稻品種——7優(yōu)88和7優(yōu)370（審定編號分別為鄂審稻20200012和鄂審稻2019023，由湖北大學(xué)水稻育種團隊提供）大小一致的水稻種子，使用1%的NaClO殺菌處理10 min；用蒸餾水將種子表面沖洗干凈后，37℃下用超純水（<18.25 MΩ·cm）浸泡催芽。催芽后的種子分別置于不同處理營養(yǎng)液中培養(yǎng)21 d。培養(yǎng)箱采用塑料盒，上覆消毒紗布，每盒裝營養(yǎng)液800 mL，種植水稻50株。水稻于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)箱溫度為37℃，光照周期為16 h（光照）/8 h（黑暗），光照強度為5 500 lx，相對濕度為60%~80%。營養(yǎng)液組成采用國際水稻研究所（IRRI）的Yoshida水稻營養(yǎng)液配制。于每日上午9：00和下午16：00更換營養(yǎng)液，各處理營養(yǎng)液加入量相同，營養(yǎng)液pH維持在5.8。

1.3 指標測定與方法

1.3.1 苗長和根長動態(tài)測定

分別于不同處理營養(yǎng)液培養(yǎng)9、12、15、18、21 d后取水稻植株，用直尺測量苗長和根長，每個處理隨機選取5株測定，取平均值。植株測定后不放回。

1.3.2 葉綠素含量測定

于培養(yǎng)21 d后取水稻地上部倒二葉，用吸水紙擦凈葉片表面后，采用不銹鋼剪刀將葉片剪碎（避開主葉脈）。取0.5 g剪碎的葉片樣品放入乙醇－丙酮混合液，黑暗條件下浸提24 h（葉片呈白色），采用紫外分光光度計分別在663 nm和645 nm波長下測定浸提液吸光值，分別計算得到葉綠素a和葉綠素b含量。

1.3.3 干物質(zhì)和鉻含量測定

培養(yǎng)21 d后各處理隨機選取10株水稻植株，自來水清洗3次，去離子水漂洗3次，并吸干水分，按地上部和根系分開稱取質(zhì)量。新鮮樣品先于105℃烘箱中殺青30 min，然后再置于80℃下烘干至質(zhì)量恒定，得到各部位干物質(zhì)量。烘干樣品磨細過篩，稱取約0.2 g植株樣品于100 mL消解罐中，加5 mL濃硝酸、2 mL過氧化氫和2 mL水后，輕輕搖勻，靜置消解2 h。將消解罐放于微波消解儀中消解1 h，消解結(jié)束后，待罐體溫度降至室溫后將消解罐取出，用水少量多次洗滌消解罐，洗液合并于50 mL容量瓶中，定容至刻度后混勻；同時作試劑空白，蒸餾水定容后，分取10 mL溶液，電熱板上趕酸至0.5 mL左右，用純水定容至10 mL，采用原子吸收法測定總鉻含量。稱取植物樣0.2 g于玻璃管中，加10 mL濃硝酸沒過植株樣品，浸泡一夜，過濾，取濾液在8 000 r·min下離心2 min，取上清液加水稀釋至30 mL，用1 mol·L氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至2，加入0.1 g二苯碳酰二肼顯色劑定容后顯色，待溶液30 s內(nèi)不褪色后，在540 nm下用紫外分光光度計測定Cr（Ⅵ）含量?？傘t含量和Cr（Ⅵ）含量的差值即為Cr（Ⅲ）含量。

鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部總鉻含量/根系總鉻含量

1.3.4 抗氧化酶活性和丙二醛含量測定

取培養(yǎng)21 d的水稻地上部鮮樣，洗凈后用液氮保存。采用試劑盒法分別測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量。酶活性均采用鮮樣測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析，結(jié)果表示為平均值±標準差。利用Origin Pro 8對數(shù)據(jù)進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵酸鎳光催化還原Cr（Ⅵ）對水稻苗長和根長動態(tài)變化的影響

由圖3可知，隨培養(yǎng)時間延長，水稻苗長和根長均逐漸增長。Cr（Ⅵ）脅迫處理在水稻培養(yǎng)第9 d即受到顯著影響，與對照處理相比，7優(yōu)88和7優(yōu)370的苗長分別降低了14.6%和10.4%，根長分別降低了59.5%和57.8%，根長降低幅度大于苗長，表明根系受到的影響更大。至培養(yǎng)后21 d，Cr（Ⅵ）脅迫處理7優(yōu)88和7優(yōu)370的苗長分別比對照處理降低14.6%和15.4%，根長分別比對照降低47.4%和45.9%。光催化劑處理含Cr（Ⅵ）營養(yǎng)液后，水稻生長脅迫得到緩解，與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，培養(yǎng)21 d后光催化處理苗長平均增加17.6%，根長平均增長73.8%；與對照處理相比，光催化處理培養(yǎng)21 d后的水稻苗長沒有差異，但7優(yōu)88的根長降低12.8%。光催化處理可以緩解Cr（Ⅵ）對水稻苗長和根長的脅迫。

圖3 不同處理對兩個水稻品種苗長和根長動態(tài)變化的影響Figure 3 Effectsof different treatments on dynamics of rice shoot length and root length of the both varieties

2.2 鐵酸鎳光催化還原Cr（Ⅵ）對水稻葉綠素含量的影響

Cr（Ⅵ）脅迫顯著降低水稻葉綠素含量（圖4），與對照處理相比，7優(yōu)88和7優(yōu)370在Cr（Ⅵ）脅迫處理下葉綠素含量分別降低了42.6%和38.4%，其中，7優(yōu)88受到的影響更大。與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，兩個水稻品種光催化處理下的葉綠素含量分別增加了70.6%和60.7%。光催化處理與對照處理葉綠素含量沒有差異。

圖4 不同處理對兩個水稻品種培養(yǎng)21 d后葉綠素含量的影響Figure 4 Effectsof different treatments on rice chlorophyll content of both rice varieties at 21th day after culture

2.3 鐵酸鎳光催化還原Cr（Ⅵ）對水稻不同部位干物質(zhì)量的影響

兩個水稻品種在不同處理營養(yǎng)液中培養(yǎng)21 d后各部位干物質(zhì)量差異顯著（表1）。地上部、根系及植株總干質(zhì)量均表現(xiàn)為Cr（Ⅵ）脅迫處理<光催化處理<對照處理。與對照處理相比，Cr（Ⅵ）脅迫處理下7優(yōu)88地上部、根系及植株總干質(zhì)量分別降低了11.5%、9.6%和10.4%，7優(yōu)370各部位分別降低了13.9%、12.6%和13.1%。施用光催化劑后，不同部位干物質(zhì)量有所增加，但均顯著低于對照處理。與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，光催化處理7優(yōu)88地上部、根系及植株總干質(zhì)量分別增加了9.1%、4.0%和5.9%，7優(yōu)370分別增加了8.4%、2.3%和4.9%。光催化劑可以一定程度緩解Cr（Ⅵ）脅迫。7優(yōu)370各部位干物質(zhì)量均顯著高于7優(yōu)88，受Cr（Ⅵ）脅迫時干物質(zhì)降幅也大于7優(yōu)88。

表1 不同處理對兩個水稻品種培養(yǎng)21 d后各部位干物質(zhì)量的影響（mg·株-1）Table1 Effectsof differenttreatmentsonricedrybiomassweightof differenttissuesof both ricevarietiesat 21thdayafter culture（mg·plant-1）

2.4 鐵酸鎳光催化還原Cr（Ⅵ）對水稻不同部位鉻含量和鉻積累量的影響

對照處理下，水稻植株地上部和根系鉻含量均較低，植株總鉻積累量僅為23.85~25.68 ng·株，且主要集中在根系，鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.08（表2）。營養(yǎng)液中存在Cr（Ⅵ）脅迫時，水稻各部位Cr（Ⅵ）含量顯著增加，與對照相比，7優(yōu)88地上部和根系Cr（Ⅵ）含量分別增加了130倍和158倍，7優(yōu)370分別增加了66倍和189倍；地上部Cr（Ⅲ）含量也有一定程度增加，7優(yōu)88和7優(yōu)370水稻地上部Cr（Ⅲ）含量均比對照處理增加了約5倍，而根系Cr（Ⅲ）含量較對照處理降低。Cr（Ⅵ）脅迫處理的鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著增加至0.19和0.20。

表2 不同處理對兩個水稻品種培養(yǎng)21 d后各部位鉻含量和積累量的影響Table 2 Effects of different treatments on Cr content and accumulation of different tissues of both rice varieties at 21 day after culture

使用光催化劑處理含Cr（Ⅵ）營養(yǎng)液，水稻地上部和根系Cr（Ⅵ）含量顯著降低。與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，光催化處理的7優(yōu)88和7優(yōu)370地上部Cr（Ⅵ）含量分別降低了50.4%和50.6%，鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)降低，總鉻積累量減少27.8%~25.9%。不同水稻品種間Cr（Ⅵ）含量和積累量沒有差異（表3）。

表3 各參數(shù)方差分析Table 3 ANOVA analysis between different treatments and varietiesof different parameters

2.5 鐵酸鎳光催化還原Cr（Ⅵ）對水稻幼苗抗氧化酶和丙二醛含量的影響

由圖5可知，Cr（Ⅵ）脅迫處理SOD活性較對照處理顯著降低，POD活性顯著提高，可見，Cr（Ⅵ）脅迫引起了水稻植株活性氧損傷，使植株活性氧清除受到影響。與對照處理相比，Cr（Ⅵ）脅迫處理7優(yōu)88和7優(yōu)370 MDA含量分別增加了82.9%和86.6%。光催化處理可緩解活性氧損傷，與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，兩個水稻品種SOD活性平均增加14.0%，POD活性平均降低10.0%，MDA含量平均降低29.7%。

圖5 不同處理對兩個水稻品種培養(yǎng)21 d后超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量的影響Figure 5 Effects of different treatments on SOD，PODactivities and MDA content of both rice varieties at 21 day after culture

3 討論

重金屬在植株體內(nèi)，尤其是在地上部的過量積累是植株受損的重要原因，土壤環(huán)境中的重金屬超過安全閾值不僅影響農(nóng)作物正常生長，還會引起農(nóng)產(chǎn)品安全問題，危害人類健康。減少重金屬向環(huán)境的排放是減少重金屬污染的根本途徑，然而當環(huán)境中存在污染時，盡量降低其對作物和人類的影響也是需要我們積極解決的問題。

鉻存在多種形態(tài)，其中Cr（Ⅵ）是鉻污染治理的重點。本研究發(fā)現(xiàn)，在1 mmol·LCr（Ⅵ）生長條件下，水稻在短時間（9 d）即受到影響，表現(xiàn)為苗長、根長降低，至培養(yǎng)21 d后，水稻葉片下垂、葉色變黃、干物質(zhì)積累減慢，生長受到顯著抑制。前人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cr（Ⅵ）脅迫下，植株SOD活性升高，但存在高濃度Cr（Ⅵ）時，SOD活性降低。本研究Cr（Ⅵ）濃度偏高，屬于高鉻脅迫水平，與對照相比，Cr（Ⅵ）脅迫處理的SOD活性顯著降低，表明植株活性氧清除系統(tǒng)受到影響，因此，Cr（Ⅵ）脅迫植株的MDA含量顯著增加。

鐵酸鎳光催化處理可以有效降低Cr（Ⅵ）含量，緩解Cr（Ⅵ）脅迫。與Cr（Ⅵ）脅迫處理相比，光催化處理水稻各部位Cr（Ⅵ）含量和總鉻含量顯著降低，SOD活性升高，活性氧損傷降低，MDA含量減少，干物質(zhì)積累顯著增加。至培養(yǎng)21 d后，光催化處理葉色與對照處理沒有差異?？梢?，鐵酸鎳光催化處理可有效緩解重度鉻脅迫，然而，由于鐵酸鎳復(fù)合材料的催化效率并不能達到100%，并不能完全消除Cr（Ⅵ）脅迫的影響。因此，水稻植株體內(nèi)Cr（Ⅵ）含量和總鉻含量較對照處理顯著升高，干物質(zhì)積累量降低。作為單一催化材料，鐵酸鎳性質(zhì)穩(wěn)定、磁性強，易于回收可重復(fù)利用，能減輕環(huán)境負擔(dān)，且節(jié)約成本，未來可與其他催化劑聯(lián)合使用，進一步提高催化效率。

曾凡榮研究138份水稻材料對鉻的吸收發(fā)現(xiàn)，不同基因型水稻品種籽粒鉻含量存在顯著差異，基因型和鉻污染程度對植株籽粒中的鉻存在顯著的互作效應(yīng)，高鉻污染下，不同基因型水稻籽粒鉻含量差異比低鉻污染水平下的小，可見，在鉻污染程度嚴重時，不同水稻的鉻吸收能力差異變小。本研究中的兩個水稻品種在1 mmol·LCr（Ⅵ）脅迫下，植株Cr（Ⅵ）含量沒有差異，這可能與Cr（Ⅵ）脅迫程度高有關(guān)。然而，7優(yōu)370受Cr（Ⅵ）脅迫時干物質(zhì)降幅大于7優(yōu)88，表明其受到的毒害作用更強。鉻在水稻組織和亞細胞水平上的分布與其對植株的毒害作用密切相關(guān)，7優(yōu)88和7優(yōu)370體內(nèi)鉻的分布可能存在差異，導(dǎo)致其對相同的Cr（Ⅵ）含量毒害作用不同，但鉻在兩個水稻品種體內(nèi)的分布及7優(yōu)88更耐鉻毒害的其他可能機制還有待進一步研究。

在沒有作物種植條件下，催化環(huán)境穩(wěn)定且均一，可保持催化劑較理想的催化環(huán)境。如TiO在pH較低時（酸性環(huán)境下）催化效果好，改變pH則會降低催化效果。然而，無論是工業(yè)廢水，還是農(nóng)田體系，其催化環(huán)境均復(fù)雜；其中，農(nóng)田體系受植物生長、土壤動物和微生物活動的影響，環(huán)境時刻變化，且土壤具有較強的緩沖能力，難以調(diào)控土壤環(huán)境pH維持在酸性條件。本研究研制的光催化劑催化條件pH偏中性，在可見光下即可進行反應(yīng)，且易于回收再利用，成本低、污染小，未來有希望在重金屬污染農(nóng)田中應(yīng)用。光催化快速、高效、安全、可回收、操作簡單等優(yōu)勢，因此開展農(nóng)田催化劑緩解重金屬脅迫相關(guān)研究對提高農(nóng)田重金屬治理效率、降低治理成本具有重要的實踐意義。

4 結(jié)論

（1）1 mmol·LCr（Ⅵ）脅迫導(dǎo)致7優(yōu)88和7優(yōu)370兩個水稻品種地上部和根系Cr（Ⅵ）含量分別增加66~130倍和158~189倍，苗長、根長、葉綠素含量均降低，導(dǎo)致植株干物質(zhì)降低10.4%~13.1%，嚴重阻礙了水稻生長發(fā)育。

（2）鐵酸鎳光催化劑顯著緩解了水稻植株的Cr（Ⅵ）脅迫。與沒有施用光催化劑相比，使用鐵酸鎳光催化劑后水稻地上部Cr（Ⅵ）含量平均降低了50.5%，且鉻轉(zhuǎn)移系數(shù)降低至0.13，葉綠素恢復(fù)至對照水平，植株干物質(zhì)量平均增加4.9%~5.9%，但其干物質(zhì)量仍低于無Cr（Ⅵ）脅迫的對照處理。