鎘、砷單一污染對作物種子萌發的毒害效應

郭 振

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，西安 710075)

1 引言

隨著現代化社會、高新產業及現代工農業的迅猛發展，大量的城市垃圾，工業礦產的開采、冶煉垃圾以及農業活動中污灌、施用不同程度的污泥、污水，使用某些含量超標的各種農藥和劣質化肥(特別是大量施用含Cd量很高地不同形態的磷肥)等因處理不妥而導致泥土內差異重金屬的濃度含量急劇增長，鎘、砷、汞、鉛等有害重金屬不斷進入農業生態環境中，對農田、菜地、農作物、微生物等造成一定程度的不同類型的污染[1]。同時也還會導致土質壤土的退化和原生態環境損壞的惡化等現象[2]。鎘元素在地球上整個生物圈中具有以下幾個特點：移動范圍較大、毒性特征強、極容易被植物所吸收并積累在自身體內。并且鎘是生物毒性十分強的一種重金屬元素，在土壤中的含量達到飽和界定值后不僅會影響農作物的生長發育，還會影響其產量及品質的變化。砷元素在天然環境中的分散是普遍存在的，砷元素的污染在全國乃至國外均是一個非常惡劣且突出的環境毒害問題。砷元素的環境污染來源主要有自然原因和人為因素，包括：農用除草劑和殺蟲劑的混亂使用以及燃煤礦渣的不合理使用，采礦后的尾料也能造成環境砷的污染。截至目前，由砷元素污染所帶來的流行性疾病在中國的8個省和37個縣比較突出，其中山西省、新疆維吾爾族自治區、內蒙古自治區、寧夏回族自治區和青海省等地飲用水受到了砷元素污染，貴州省的礦產資源比較豐富，由于不合理的開發及煤的大量燃燒也產生了或輕或重的砷元素污染。目前，砷污染問題己經成為全國領域內的一個非常嚴重的環境污染問題[3]。

因此，通過對重金屬鎘、砷的植物毒害機制研究可以有針對性的采取措施以降低重金屬的毒害程度，對耐性植物的篩選以及育種，對土壤污染的治理均有重要的理論和現實意義[4]。

2 重金屬污染現狀

通常把密度大于5.0的元素金屬稱作重金屬元素，這些元素大概有45種，然而，在土壤中不同的重金屬具有不同的毒性，并且其毒性的大小因重金屬元素特性的不同而差距較大，影響植物對鎘吸收的因素有很多，如土壤的pH值、土壤中的陰離子濃度、泥土有機質的含量等，并且因泥土壤質類型和植物種類的差異性區別，鎘吸收也存在一定的差異。因此在環境科學中人們主要關注鋅、銅、鉻、汞、鎳、錫、鎘、鉛、釩等重金屬。硒、砷固然不是我們所熟悉的金屬元素，但因為它的某些性子及毒性與重金屬相似，于是將硒、砷列為重金屬范圍內，然而錳和鐵在土壤中天然含量相對較高一般不列為重金屬[5]。

重金屬污染主要是因為人為因素(采礦、廢氣排放、使用重金屬超標制品等)使自然界的重金屬及其化合物對環境產生一定水平的污染。它不可以被土壤微生物降解徹底消弭，當其在土壤中積累到一定程度時，就會對環境產生毒害作用。因此，檢測土壤重金屬污染，土壤樣品分析和檢測重金屬在農作物上的殘留是常用的兩種方法，有時還通過對人畜健康狀況的研究才能得到保證。胡金朝[6]將重金屬污染的特點歸納為以下幾點：①環境中只要有微量的重金屬就會產生毒害效應，一般金屬產生毒害效應的規模，在天然水體為1～10 mg/L，毒性較強的重金屬Cd產生毒性的范圍為0.001～0.01 mg/L；②在微生物的作用下有些重金屬可向對植物發展成長有利的方向轉化，有些則會轉化為毒性更強的金屬化合物，如Hg的甲基化；③生物可通過食物鏈從環境中攝取重金屬，生物又以具有差異性的的方式進入人體，重金屬必然會在人體的某些器官中積累，導致慢性中毒，影響人們的正常生活。可是，并不是全部的重金屬對生物都是有害的，如，Cu、Fe等在低啊濃度時是動物和植物正常運行代謝過程中必須的營養元素[7]。

3 重金屬對植物的毒害效應

國際上一些組織如美國EPA(Environmental Protection Agency)、FDA(Food and Drug Administration)以及OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development)等建議使用白菜、玉米、黃瓜、青菜、小麥等作物實行生理毒性試驗[8]。植物在受到鎘元素毒害時的獨特癥狀有：葉片綠色逐漸消失，葉緣顏色逐漸變成褐色，葉柄逐漸變成紅褐色或者紅色，葉片逐步卷曲，根系也逐漸變粗，變短，成為黑褐色等[9]。不管是植物生長需要的必要元素還是非必要元素，當其含量超出某一特定數值時， 均會對植物的生長發育產生一定程度的毒害作用，低濃度的迫害作用可以使植物體內的生長代謝過程發生混亂，生長發育過程變得遲緩，嚴重的毒害效應則會導致整個植物死亡。

3.1 重金屬鎘、砷對作物種子萌發的影響

鎘、砷單一污染對作物種子萌發都有抑制作用。重金屬元素的濃度不同，則種子的發芽勢和發芽率對濃度均會有不同的響應程度，一般當Cd離子的濃度在5 mg/kg以下時，種子的發芽率及發芽勢均明顯高于空白對照，當重金屬離子的濃度逐漸提高時，植物的發芽勢及發芽率均呈現出逐漸下降的變化趨勢；不同濃度的重金屬對種子發芽指數、活力指數的影響，Cd2+單一處理毛濃度為≤5 mg/kg時，種子的內發芽指數是高于空白對照阻的；隨跟著離子濃度的提高，某發萌芽指數的數值就會逐漸降低沉，Cd2+單一處理濃度為1 mg/kg時，種子活力指數會高于空白對照[10]。低濃度的Cd2+脅迫對作物(白菜，小麥，油菜等)種子的發芽率、活力指數及發芽勢均有一定的刺激效應，而高濃度下的Cd2+對種子的發芽率，活力指數及發芽勢等都有一定的阻礙作用[11]。因為重金屬Cd的毒害影響，植物體受到不同程度的損傷，則會引起一系列生理生化紊亂，表現為抑制作用[12]。究其原因，重金屬元素抑制了植物種子的萌發其實是抑制了其淀粉酶、蛋卵白酶活性，使種子內部含有的淀粉和蛋白質受到了不同程度的分化，從而阻斷了種子萌發時所需要的物質基礎和能量來源，從而使種子萌發受到了抑制作用[13]。

3.2 重金屬鎘、砷對種子萌發胚根長、胚芽長及根、芽鮮重的影響

重金屬對植物種子萌發有兩種效應：低刺激濃度和高濃度效應抑制。從各指標受鎘脅迫抑制的程度來看，依次為：胚根長>活力指數>發芽指數>胚鮮重>發芽勢>胚芽長>發芽率，那說明重金屬對胚根長的影響最大，對發芽率的影響最小[14]。張義賢[15]發現大麥受鎘重金屬元素污染后，它的種子萌發率和根成長速度就會降慢，其迫害效應等隨處理濃度的增大和時間的延長而加劇。大麥種子在鎘元素處理后的濃度為10 mmol/L時，其種子的萌發率就會低于45%，根系此時則會停止生長。

3.3 Ec值的計算分析

通過水培毒性測試， 確立從種子萌發砷、鎘毒害效應的表觀響應端點和植物生長的抑制效應濃度2 個方面來綜合判斷植物對砷、鎘毒害的敏感性[16]。

EC50(半數效應量)是表現出物質生理毒性的有用參數。根據回歸方程計算EC50，比較數值的大小，可以得出鎘、砷的毒害效應強弱。EC值小的毒害效應較大，反之成立[17]。

4 植物對重金屬耐性機制

同種生物的差異個體群散布和成長在不同的環境中，因為長久的受不同的環境的影響，在植物的生態習性適合順應的過程中，就會分解轉化而形成不同的生態類型。圓葉天藍遏藍菜的地上組織分別累積了長達1800 mg/kg的鎘和8200 mg/kg的鉛時，仍然沒有表現出任何受到毒害的癥狀，這一類植物就被稱之為超富集植物，這一類植物主要在凈化被重金屬污染了的土壤的各方面有很大潛力和影響。除此之外，在中國云南省邊境內發現的一種耐性植物-鴨跖草，其生物體內的銅元素含量已經達到了超富集水平，對銅元素表現出了它特有的高耐性[18]。

植物保護酶系統[19]是植物適應多種逆境脅迫的重要酶類(SOD、POD、CAT)。植物體低沉低落金屬鎘的有效用性和毒性主要是通過一系列的生心理生化作用，如調節體內抗氧化保衛酶的活性來實現的。植物的抗氧化系統即是解毒功能的場所，同時也是重金屬毒迫害作用的位點[20]。SOD酶活性均高于對照，說明作物種子萌發時，為減少自身傷害，其防御系統對Cd毒害產生了應激性響應[21]。重金屬對各種酶：淀粉酶有抑制作用。但這些方面的研究還較少，需要進一步進行更多的研究。

5 結語

重金屬元素的低濃度促進了種子萌發和高濃度抑制了其萌發，究其原因可能是源于低濃度的Cd能夠提高種子胚的生物活性，增強了其萌發過程；高濃度Cd對胚、芽等產生了危害作用，況且高濃度的Cd離子使種子的蛋白酶和淀粉酶活性受到了抑制，主要原因是克制了貯藏在種子內部的淀粉的解析和蛋白質的分解，從而使種子萌發所需要的物質基礎和能量來源受到抑制，最終致使作物種子萌發受到了不同程度的抑制[22]。通過研究Cd元素和As元素對農作物種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、株高、芽干重、根干重的影響及酶系統的影響，可以為后期進一步了解Cd、As污染對作物的毒害作用和對植物的毒害機理提供理論依據，為Cd、As污染土壤的環境修復提供理論和實踐現實依據。