镉、砷单一污染对作物种子萌发的毒害效应

郭 振

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

1 引言

随着现代化社会、高新产业及现代工农业的迅猛发展，大量的城市垃圾，工业矿产的开采、冶炼垃圾以及农业活动中污灌、施用不同程度的污泥、污水，使用某些含量超标的各种农药和劣质化肥(特别是大量施用含Cd量很高地不同形态的磷肥)等因处理不妥而导致泥土内差异重金属的浓度含量急剧增长，镉、砷、汞、铅等有害重金属不断进入农业生态环境中，对农田、菜地、农作物、微生物等造成一定程度的不同类型的污染[1]。同时也还会导致土质壤土的退化和原生态环境损坏的恶化等现象[2]。镉元素在地球上整个生物圈中具有以下几个特点：移动范围较大、毒性特征强、极容易被植物所吸收并积累在自身体内。并且镉是生物毒性十分强的一种重金属元素，在土壤中的含量达到饱和界定值后不仅会影响农作物的生长发育，还会影响其产量及品质的变化。砷元素在天然环境中的分散是普遍存在的，砷元素的污染在全国乃至国外均是一个非常恶劣且突出的环境毒害问题。砷元素的环境污染来源主要有自然原因和人为因素，包括：农用除草剂和杀虫剂的混乱使用以及燃煤矿渣的不合理使用，采矿后的尾料也能造成环境砷的污染。截至目前，由砷元素污染所带来的流行性疾病在中国的8个省和37个县比较突出，其中山西省、新疆维吾尔族自治区、内蒙古自治区、宁夏回族自治区和青海省等地饮用水受到了砷元素污染，贵州省的矿产资源比较丰富，由于不合理的开发及煤的大量燃烧也产生了或轻或重的砷元素污染。目前，砷污染问题己经成为全国领域内的一个非常严重的环境污染问题[3]。

因此，通过对重金属镉、砷的植物毒害机制研究可以有针对性的采取措施以降低重金属的毒害程度，对耐性植物的筛选以及育种，对土壤污染的治理均有重要的理论和现实意义[4]。

2 重金属污染现状

通常把密度大于5.0的元素金属称作重金属元素，这些元素大概有45种，然而，在土壤中不同的重金属具有不同的毒性，并且其毒性的大小因重金属元素特性的不同而差距较大，影响植物对镉吸收的因素有很多，如土壤的pH值、土壤中的阴离子浓度、泥土有机质的含量等，并且因泥土壤质类型和植物种类的差异性区别，镉吸收也存在一定的差异。因此在环境科学中人们主要关注锌、铜、铬、汞、镍、锡、镉、铅、钒等重金属。硒、砷固然不是我们所熟悉的金属元素，但因为它的某些性子及毒性与重金属相似，于是将硒、砷列为重金属范围内，然而锰和铁在土壤中天然含量相对较高一般不列为重金属[5]。

重金属污染主要是因为人为因素(采矿、废气排放、使用重金属超标制品等)使自然界的重金属及其化合物对环境产生一定水平的污染。它不可以被土壤微生物降解彻底消弭，当其在土壤中积累到一定程度时，就会对环境产生毒害作用。因此，检测土壤重金属污染，土壤样品分析和检测重金属在农作物上的残留是常用的两种方法，有时还通过对人畜健康状况的研究才能得到保证。胡金朝[6]将重金属污染的特点归纳为以下几点：①环境中只要有微量的重金属就会产生毒害效应，一般金属产生毒害效应的规模，在天然水体为1～10 mg/L，毒性较强的重金属Cd产生毒性的范围为0.001～0.01 mg/L；②在微生物的作用下有些重金属可向对植物发展成长有利的方向转化，有些则会转化为毒性更强的金属化合物，如Hg的甲基化；③生物可通过食物链从环境中摄取重金属，生物又以具有差异性的的方式进入人体，重金属必然会在人体的某些器官中积累，导致慢性中毒，影响人们的正常生活。可是，并不是全部的重金属对生物都是有害的，如，Cu、Fe等在低啊浓度时是动物和植物正常运行代谢过程中必须的营养元素[7]。

3 重金属对植物的毒害效应

国际上一些组织如美国EPA(Environmental Protection Agency)、FDA(Food and Drug Administration)以及OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development)等建议使用白菜、玉米、黄瓜、青菜、小麦等作物实行生理毒性试验[8]。植物在受到镉元素毒害时的独特症状有：叶片绿色逐渐消失，叶缘颜色逐渐变成褐色，叶柄逐渐变成红褐色或者红色，叶片逐步卷曲，根系也逐渐变粗，变短，成为黑褐色等[9]。不管是植物生长需要的必要元素还是非必要元素，当其含量超出某一特定数值时， 均会对植物的生长发育产生一定程度的毒害作用，低浓度的迫害作用可以使植物体内的生长代谢过程发生混乱，生长发育过程变得迟缓，严重的毒害效应则会导致整个植物死亡。

3.1 重金属镉、砷对作物种子萌发的影响

镉、砷单一污染对作物种子萌发都有抑制作用。重金属元素的浓度不同，则种子的发芽势和发芽率对浓度均会有不同的响应程度，一般当Cd离子的浓度在5 mg/kg以下时，种子的发芽率及发芽势均明显高于空白对照，当重金属离子的浓度逐渐提高时，植物的发芽势及发芽率均呈现出逐渐下降的变化趋势；不同浓度的重金属对种子发芽指数、活力指数的影响，Cd2+单一处理毛浓度为≤5 mg/kg时，种子的内发芽指数是高于空白对照阻的；随跟着离子浓度的提高，某发萌芽指数的数值就会逐渐降低沉，Cd2+单一处理浓度为1 mg/kg时，种子活力指数会高于空白对照[10]。低浓度的Cd2+胁迫对作物(白菜，小麦，油菜等)种子的发芽率、活力指数及发芽势均有一定的刺激效应，而高浓度下的Cd2+对种子的发芽率，活力指数及发芽势等都有一定的阻碍作用[11]。因为重金属Cd的毒害影响，植物体受到不同程度的损伤，则会引起一系列生理生化紊乱，表现为抑制作用[12]。究其原因，重金属元素抑制了植物种子的萌发其实是抑制了其淀粉酶、蛋卵白酶活性，使种子内部含有的淀粉和蛋白质受到了不同程度的分化，从而阻断了种子萌发时所需要的物质基础和能量来源，从而使种子萌发受到了抑制作用[13]。

3.2 重金属镉、砷对种子萌发胚根长、胚芽长及根、芽鲜重的影响

重金属对植物种子萌发有两种效应：低刺激浓度和高浓度效应抑制。从各指标受镉胁迫抑制的程度来看，依次为：胚根长>活力指数>发芽指数>胚鲜重>发芽势>胚芽长>发芽率，那说明重金属对胚根长的影响最大，对发芽率的影响最小[14]。张义贤[15]发现大麦受镉重金属元素污染后，它的种子萌发率和根成长速度就会降慢，其迫害效应等随处理浓度的增大和时间的延长而加剧。大麦种子在镉元素处理后的浓度为10 mmol/L时，其种子的萌发率就会低于45%，根系此时则会停止生长。

3.3 Ec值的计算分析

通过水培毒性测试， 确立从种子萌发砷、镉毒害效应的表观响应端点和植物生长的抑制效应浓度2 个方面来综合判断植物对砷、镉毒害的敏感性[16]。

EC50(半数效应量)是表现出物质生理毒性的有用参数。根据回归方程计算EC50，比较数值的大小，可以得出镉、砷的毒害效应强弱。EC值小的毒害效应较大，反之成立[17]。

4 植物对重金属耐性机制

同种生物的差异个体群散布和成长在不同的环境中，因为长久的受不同的环境的影响，在植物的生态习性适合顺应的过程中，就会分解转化而形成不同的生态类型。圆叶天蓝遏蓝菜的地上组织分别累积了长达1800 mg/kg的镉和8200 mg/kg的铅时，仍然没有表现出任何受到毒害的症状，这一类植物就被称之为超富集植物，这一类植物主要在净化被重金属污染了的土壤的各方面有很大潜力和影响。除此之外，在中国云南省边境内发现的一种耐性植物-鸭跖草，其生物体内的铜元素含量已经达到了超富集水平，对铜元素表现出了它特有的高耐性[18]。

植物保护酶系统[19]是植物适应多种逆境胁迫的重要酶类(SOD、POD、CAT)。植物体低沉低落金属镉的有效用性和毒性主要是通过一系列的生心理生化作用，如调节体内抗氧化保卫酶的活性来实现的。植物的抗氧化系统即是解毒功能的场所，同时也是重金属毒迫害作用的位点[20]。SOD酶活性均高于对照，说明作物种子萌发时，为减少自身伤害，其防御系统对Cd毒害产生了应激性响应[21]。重金属对各种酶：淀粉酶有抑制作用。但这些方面的研究还较少，需要进一步进行更多的研究。

5 结语

重金属元素的低浓度促进了种子萌发和高浓度抑制了其萌发，究其原因可能是源于低浓度的Cd能够提高种子胚的生物活性，增强了其萌发过程；高浓度Cd对胚、芽等产生了危害作用，况且高浓度的Cd离子使种子的蛋白酶和淀粉酶活性受到了抑制，主要原因是克制了贮藏在种子内部的淀粉的解析和蛋白质的分解，从而使种子萌发所需要的物质基础和能量来源受到抑制，最终致使作物种子萌发受到了不同程度的抑制[22]。通过研究Cd元素和As元素对农作物种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、株高、芽干重、根干重的影响及酶系统的影响，可以为后期进一步了解Cd、As污染对作物的毒害作用和对植物的毒害机理提供理论依据，为Cd、As污染土壤的环境修复提供理论和实践现实依据。