水稻重金属生态毒性诊断研究进展

李 欢 陈 亮 潘 琼 谢 武

（1.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004；2.湖南省环境保护科学研究院，湖南 长沙 410004）

1 生态毒理学概况

生态毒理学是研究有毒、有害物质以及各种不良生态因子对生命系统产生毒性效应，以及生命系统反馈解毒与适应进化及其机理与调控的一门综合性科学。它的主要目的和任务是揭示有毒有害因素包括潜在的有毒有害因素对生态系统损害作用的规律，并为保护生态系统的健康提供策略和措施。可见，生态毒理学主要研究已知或可疑有害物质特别是环境中的污染物质对生态系统产生的影响和机理，包括对植物、动物和微生物个体健康、种群或群落以及生态系统可持续发展构成的危害作用及其微观机理。

Newman把生态毒理学的研究内容分成3大部分：（1）生物富集：研究生物体对污染物的吸收、污染物在生物体内的转运、解毒和消除机制，以及毒物在生物体内积累乃至沿食物链在生态系统中的富集效应；（2）毒理效应：研究污染物对分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统、景观和地球生物圈等各个层次的毒性效应和作用机理；（3）风险评价：研究污染物对生命系统各层次毒性效应的评价方法和技术。包括环境中污染物的生物标记（分子、生理与生化）、生物指示、生物多样性评价、群落、生态系统和景观的指示、监测和评研究污染物及其在环境中的降解和转化产物在机体内的吸收、分布、排泄等生物转运和代谢转化过程，以了解污染物对机体造成的损害和作用机理。

生态毒理学的技术方法按1998年出版的专著Ecotoxicology明显分为两大类技术即：（1）宏观分析技术：生物个体水平及以上的生物组成对污染的响应，主要包括常规毒性试验（急性毒性试验、亚慢性和慢性毒性试验和蓄积毒性试验）、微宇宙毒性试验（水生微宇宙毒性试验、土壤微宇宙毒性试验）；（2）微观分析技术：细胞水平以下对污染的响应，主要包括分子及细胞毒性生态毒性试验（PCR-SCCP技术、荧光原位杂交技术、DNA损伤试验、基因芯片技术、一般代谢酶活性的测定、解毒系统酶类诱导作用的检测、抗氧化防御系统检测和RAPD技术）以及生物致突变效应检测（体外基因突变试验、细胞遗传学试验、体内基因突变试验）等。宏观技术以生态学理论为基础，以生物个体为基本单位，研究污染对生态系统中各层次（个体、种群、群落）的影响。微观技术以细胞生物学理论为基础，研究污染对单细胞、染色体及蛋白质、核酸等遗传物质的效应。

综上所述，水稻重金属生态毒性诊断隶属于生态毒理学的范畴。

2 植物的生态毒性诊断概述

高等植物是生态系统中的基本组成部分。一个平衡、稳定的生态系统可生长健康、优良的高等植物；反之，一个不稳定或受到外来污染的生态系统，对高等植物的生长可带来不利和可见的负面影响。利用高等植物毒理试验评价化学物质的毒性有二大优点：一是方法简单，持续时间短；二是这种方法对毒物毒性比较敏感。目前植物生态毒性诊断的方法主要有：1）根伸长试验；2）种子发芽试验；3）早期植物幼苗生长试验。

3 单一金属对水稻的生态毒性诊断研究进展

重金属是构成地壳的物质之一，它以不同的形态分布于自然界中，重金属对水稻的作用主要与重金属的种类和浓度有关，大多数研究表明，部分重金属低浓度对水稻的生长发育没有影响，甚至还会刺激生长，而当浓度过高则将严重影响其生长发育，使有毒重金属在水稻体内大量累积，并会通过食物链传递，严重威胁人和动物的健康和生命。

重金属对植物的毒性作用，根据其影响或危害的程度大小，可以分为毒性很大、毒性中等和毒性较小三种。Ag+、Be2+、Hg2+、Sn2+，可能还有 Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和 CrO42+，是毒性很大的重金属，在溶液中浓度达1mg·L-1时就对植物产生 毒 害。As、Se、Ba、Cd、Cr、Fe、Mn、Zn 等，在浓度为1~100mg·L-1范围内对植物产生抑制影响，是中等毒性的重金属。Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Rb+、Sr2+、Li+、NO3-、SO42-等，在溶液中元素浓度达1800mg·L-1以上时才产生影响，是毒性较小的金属元素。以下介绍几种单一金属对水稻的生态毒性诊断：

3.1 锰（Mn）

锰（Mn）是植物生长的必需元素，它不仅是组成酶或辅酶的成分，而且是酶的活化剂。Mn在植物体内最重要的生理功能是作为植物叶绿体结构所必需的元素，参与光合作用，同时，还作为植物体内的一个重要的氧化还原剂，参与植物体内许多氧化还原体系的活动。所以Mn在植物的光合放氧、维持细胞器的正常结构、活化酶活力等方面具有不可替代的作用。但过量的Mn对植物也有明显的毒害效应，包括大量活性氧的产生对植株造成氧化伤害和诱发植物缺乏铁、钼。人体摄入过量的Mn，则会引起Mn中毒，主要表现在神经系统方面，导致帕金森综合症，也对生殖系统、免疫系统产生影响。

截止到日前，尚未见到锰对水稻生态毒性诊断的相关报道，但已陆续出现一些关于Mn生态毒理研究的报道。朱端卫等人通过试验发现，在不断轮作的土壤上种植的油菜（Brassica campestris L.），其幼苗生长往往比较缓慢，植株新叶黄化，成熟叶片失绿明显，严重者边缘皱缩向下卷曲成勺状，并有褐色斑点。经分析，土壤中交换性锰明显增加，从而造成油菜对锰吸收过量。锰毒由于植物种类、营养物质及土壤环境的不同其表现有差异。Kitao在日本白桦（Betula platypHylla Var.japonica）试验中发现，锰毒害程度还与叶的年龄以及锰的分布和浓度有关。锰毒典型症状类似缺铁，一般在老叶上出现褐斑。这种坏死的褐斑已被作为锰毒指示性标志来检测植物受锰毒害的程度。在危害部位上，曾琦等人发现，油菜锰毒害症状首先出现于叶片，然后逐渐向其它部位发展即锰毒首先抑制植物地上部生长，随着锰毒害程度加剧，根系生长也相应受到明显伤害，而植物在其它重金属毒害时，根系才是最直接、最严重的受害器官之一，也就是说，在危害部位上，锰有别于其他重金属。锰对植物各个水平上的毒害机制既有差异，又有联系。不同植物及同一植物的不同品种在锰胁迫响应机制上表现出很大的差异，研究者们也提出了众多机理，但由于锰毒及植物耐受机制的复杂性，至今还没有哪一个机理能够得到普遍的认可。

3.2 铬（Cr）

有试验研究表明，在投加铬酸盐的土壤中，低剂量时，铬有一定刺激生长作用。铬对水稻的危害及迁移能力都以六价铬强于三价铬，六价铬对水稻种子的萌发及其生长发育都有一定影响。铬在灌溉水中的浓度为5mg/L时，对作物有害；浓度为10mg/L时，作物出现严重的萎黄病；铬与镍协同作用时，铬浓度仅2mg/L即对作物产生损害。石贵玉的试验结果说明，重金属铬毒害使水稻植株矮小，叶片失绿，植株鲜重、干重下降，同时抗氧化酶活性下降。吸收的铬主要积累在根中，其次是茎叶，少量积累在子粒里。

3.3 镉（Cd）

镉对水稻的危害，在较低浓度时虽在外部形态特征上无明显症状，但通过食物链可危及人类健康。研究表明在镉的毒害下，可诱导自由基产生，使水稻的保护酶活性降低，水稻幼苗叶片膜脂过氧化产物含量增加，从而抑制水稻幼苗生长发育。王逸群等以不同浓度的Cd2+处理水稻， 发现叶肉细胞中细胞核核膜破裂，核仁消失；叶绿体被膜受损，类囊体遭到破坏；线粒体被膜结构也受损， 内嵴逐渐解体。且随着Cd2+浓度的提高，叶肉细胞中细胞核、叶绿体、线粒体受毒害程度加重。而且由于Cd2+能降低叶绿素与蛋白质结合的牢固度，能抑制原叶绿素酸酯还原酶活性，进而导致叶绿素降解，其含量显著降低，从而使同化CO2能力下降，作为光合产物的糖类（尤其可溶性糖）减少。

细胞膜透性变化是评定植物逆境受伤害的重要指标。黄秋婵等［24］通过试验发现，Cd2+能使水稻细胞质膜透性显著增加，使K+外流量增多，从而干扰了细胞的正常代谢：如淀粉酶活性降低，可溶性糖含量减少，呼吸作用变弱，因而导致伤害作用。同时该研究还表明Cd2+不但抑制根的伸长，而且影响侧根的生长，破坏根的生长点，使侧根原基失去发根能力，这可能与Cd2+改变或破坏膜结构有关：Cd2+可能与膜蛋白的巯基（-SH）结合（形成-S-Cd-S-），也可能与膜脂中的磷酯酰乙醇胺和磷酯酰丝氨酸反应。

3.4 硒（Se）

大多数情况下土壤中硒含量很低，平均为0.2mg/kg。低浓度的硒对植物的生长有利，过多的硒则有毒害作用。硒毒害表现为植物生长发育受阻、黄化，硒引起植物毒害的原因可能是硒酸盐干扰了S的代谢。而谭周磁等的试验说明水稻施硒能降低稻米中Pb、Cd、Cr的含量。在同等条件下，水稻施用低浓度的亚硒酸钠后稻米中的Pb、Cd、Cr的含量有所降低。可见在确保稻米安全含硒量的前提下，水稻补施低浓度的硒能降低稻米中重金属的含量，说明水稻施硒对重金属有拮抗作用。

3.5 铅（Pb）

低浓度的铅处理能够促进植株正常的生理代谢活动，如茎叶内硝酸还原酶活性、可溶性糖含量、叶绿素含量均有不同程度的增加，但随着浓度的升高而表现出对水稻秧苗素质、生长发育状况、生育期和产量的不良影响。匡少平等进行的水稻盐袭试验表明，当土壤中加入低浓度不同比例的铅时，基本没有观察到铅对水稻的毒害病症，铅对水稻的生长发育没有明显的宏观影响。但微区调查揭示，水稻对土壤中的铅具有强烈的吸收性，并可残留在水稻的各个部位，且吸收量随土壤中铅浓度的提高而增加，其分布规律为：根>茎叶>糙米。MESMAR等人研究了铅对小麦种子萌发、幼苗生长、叶绿素和蛋白含量的影响，20mmol/L的Pb（NO3）2对种子萌发的抑制率约达60%。生长对铅的吸收为被动吸收，铅对根生长的抑制大于芽生长，叶绿素随处理浓度的增加而减少，而蛋白含量则增加。

4 复合重金属对水稻的生态毒性诊断研究进展

重金属污染常常是两种或两种以上元素同时作用形成的复合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同时进入土壤-植物系统。近十几年来，国内外学者特别关注复合污染方面的研究，认为元素间的联合作用对作物的产量及元素在作物体内的再分配有着至关重要的影响。同时，多元素的联合作用是一个相当复杂的过程。美国Wallace等将重金属的联合作用分为协同、竞争、加和、屏蔽和独立作用。

用重金属复合（Cu，Zn，Pb，Cd，As等）对植物种子和生长的生态效应的研究显示重金属的复合协同毒性大于单一金属。周启星等人以乙草胺-Cu和Cd－Zn两组污染物为代表，分别对小麦（Triticumae stivum） 、水稻 （Oryza sativa）等以水、土壤为环境介质进行复合污染生态毒理效应的定量关系研究，结果发现污染物本身的化学性质对复合污染生态效应所起的作用，要比其浓度组合关系的影响小得多；污染物暴露的浓度组合关系更为直接，在一定条件下甚至起决定作用；复合污染生态效应还与生物种类，特别是生态系统类型有关，也与这些污染物作用的生物部位有关。林立金等研究得出：锌铬复合污染不仅降低水稻生物量，增大根系比重，而且影响不同生育期土壤酶活性。锌铬复合污染对水稻不同生育期土壤过氧化氢酶活性均有抑制作用，且随土壤中锌铬浓度的增加呈降低的趋势；土壤脲酶活性、转化酶活性在水稻分蘖期受到抑制，且随土壤中锌铬浓度的增加呈降低的趋势，而在孕穗期及灌浆结实期，则随土壤中锌铬浓度的增加呈升高的趋势，表明在重金属胁迫下，土壤酶活性并不是简单的受到抑制或促进，可能与水稻植株一起，通过调节自身的变化而向着适应逆境的方向发展。王新等［38］研究土壤-水稻系统中重金属复合污染物交互作用及生态效应，表明复合污染处理水稻株高要低于单元素处理的株高，更低于空白，两两元素复合协同作用可抑制水稻株高的生长。水稻产量大小依此为空白> 单元素> 复合元素。

以上这些研究为环境重金属污染水体及土壤的生态毒理诊断及环境质量的评价提供了科学的依据。

5 讨论

生态毒理学是研究有毒、有害物质以及各种不良生态因子对生命系统产生毒性效应，以及生命系统反馈解毒与适应进化及其机理与调控的一门综合性科学。它的主要目的和任务是揭示有毒有害因素包括潜在的有毒有害因素对生态系统损害作用的规律，并为保护生态系统的健康提供策略和措施。

生态毒理学主要研究已知或可疑有害物质特别是环境中的污染物质对生态系统产生的影响和机理，包括对植物、动物和微生物个体健康、种群或群落以及生态系统可持续发展构成的危害作用及其微观机理。

水稻重金属生态毒性诊断隶属于生态毒理学的范畴。本研究从植物生态毒理学的角度，结合国内外研究成果，阐述了单一重金属和复合重金属在水稻中的生态毒性诊断研究进展，提出今后可以考虑追踪重金属在水稻中的运动规律，探讨复合污染对水稻的生态毒性。

重金属污染常常是两种或两种以上元素同时作用形成的复合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同时进入土壤-植物系统。近十几年来，国内外学者特别关注复合污染方面的研究，认为元素间的联合作用对作物的产量及元素在作物体内的再分配有着至关重要的影响。同时,多元素的联合作用是一个相当复杂的过程。美国Wallace 等将重金属的联合作用分为协同、竞争、加和、屏蔽和独立作用。各界学者所进行的相关研究为环境重金属污染水体及土壤的生态毒理诊断及环境质量的评价提供了科学的依据。

就目前关于水稻重金属生态毒性诊断的研究来看，重金属在水稻的根、茎、叶、子粒中吸收、迁移、累积还只是停留在比较研究的阶段，从分子遗传学的角度对重金属的吸收、迁移、累积规律研究较少。对单一污染研究较多，对复合污染研究较少。就控制机理研究来看，单一控制方法研究较多，综合控制方法研究较少。故今后可以考虑追踪重金属在水稻中的运动规律，探讨复合污染对水稻的生态毒性，提出基于当前形势下的水稻食品安全防范措施。

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