鎘、酸雨和農(nóng)藥復(fù)合污染對(duì)小白菜產(chǎn)量和品質(zhì)的毒性效應(yīng)

王星輝，楊海君，顏丙花，唐美珍，羅 琳

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物安全科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；3.曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜 273165）

由于工業(yè)和交通的迅速發(fā)展，空氣中硫氧化物和氮氧化物含量增加，酸雨的影響范圍和程度進(jìn)一步加深[1]。酸雨已成為一個(gè)全球性的環(huán)境問題，它對(duì)農(nóng)作物的危害一直受到人們廣泛的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示pH值為3.5時(shí)，小白菜的產(chǎn)量下降10%左右，營養(yǎng)品質(zhì)也相應(yīng)降低[2]。Cd是毒性最強(qiáng)的重金屬污染元素之一，在GB15618-1995中[3]，pH<6.5的土壤Cd的二級(jí)限量標(biāo)準(zhǔn)為:全Cd含量≤0.3 mg/kg。Cd是一種植物非必需的重金屬元素，如果大量的Cd在作物體內(nèi)累積就會(huì)影響其對(duì)必需營養(yǎng)元素的吸收和運(yùn)輸，破壞植物體的正常代謝。另外，它對(duì)作物的生長和繁殖也有一定影響[4]。由于工業(yè)采礦和污水、生活垃圾的排放，土壤中Cd污染日趨嚴(yán)重[5-9]。研究表明，植物在Cd脅迫下產(chǎn)生超氧陰離子自由基、羥自由基等活性氧[10-11]，能引起細(xì)胞脂質(zhì)過氧化，破壞光合系統(tǒng)并加速植物衰老[12]。另外，重金屬在蔬菜可食部分積累，然后通過食物鏈進(jìn)入人體，進(jìn)而對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。敵殺死（Decis）是擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溴氰菊酯（Deltamethrin，DM）的主要農(nóng)用劑型，在我國已廣泛應(yīng)用于果樹、蔬菜等作物的蟲害防治。

目前，有關(guān)酸雨、重金屬和農(nóng)藥單因素或酸雨和重金屬二因素復(fù)合污染對(duì)蔬菜毒性效應(yīng)的研究較多，趙曉莉等[13]的研究表明隨著酸雨pH的降低，小白菜株高、葉片數(shù)及葉綠素含量等下降，且復(fù)合因子比單因子作用明顯。溴氰菊酯在蔬菜、水果等農(nóng)作物上的殘留很普遍[14]。S Yan等[15]報(bào)道了受重金屬鎘污染的地區(qū)90%的小白菜樣品中鎘超標(biāo)。然而，全球工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重后果是現(xiàn)實(shí)土壤中多種污染物的共存，由于很多環(huán)境效應(yīng)無法用單一污染物的作用來解釋，故復(fù)合污染已逐漸被人們所重視，并成為環(huán)境科學(xué)研究發(fā)展的重要方向之一[16]。本試驗(yàn)以小白菜為研究對(duì)象，探討了重金屬鎘、酸雨和農(nóng)藥敵殺死聯(lián)合作用對(duì)小白菜的毒性效應(yīng)，以期為該區(qū)域土壤－植物系統(tǒng)研究、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自曲阜市郊未受Cd2+和敵殺死污染的農(nóng)田土壤（0～20 cm），風(fēng)干后過3 mm篩，并檢測(cè)其理化性質(zhì)[17]，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)

小白菜（Brassica chinesis）由蘇州寒山種業(yè)有限公司提供。

供試農(nóng)藥為25 g/L的敵殺死制劑，拜耳作物科學(xué)公司提供。

模擬酸雨的配制如下，模擬酸雨是根據(jù)山東省大氣監(jiān)測(cè)結(jié)果（酸雨中含有 H+，Ca2+，Mg2+，NH4+，等），并參照有關(guān)資料配制[18]，在1升去離子水中加入CaCl214.34 mg，MgSO49.88 mg，NH4Cl 8.12 mg，然后用 H2SO4調(diào)成不同pH值模擬酸雨溶液，pH值分別為4.0，5.0，6.0。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)采用3因素3水平的L9（34）型正交表，試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 正交試驗(yàn)水平表

小白菜種子經(jīng)75%的酒精消毒后，在土壤中發(fā)芽生長，長出3片真葉后，選擇均勻一致的幼苗待移栽。用塑料盆（高20 cm×直徑25 cm）裝過3 mm篩孔土壤2.5 kg，按表2中的重金屬Cd的水平和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，充分混勻穩(wěn)定一周后移栽小白菜。試驗(yàn)設(shè)置9個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)平行。同時(shí)設(shè)置不加任何污染物的作對(duì)照。酸雨施用量根據(jù)山東省濟(jì)寧地區(qū)的年降水量（781 mm）進(jìn)行模擬噴施，共噴兩次，每隔10 d噴淋一次。敵殺死于收獲前10 d施于作物上。收獲時(shí)測(cè)定小白菜干重及葉綠素含量。

1.3 測(cè)定方法[19-20]

葉綠素含量的測(cè)定,用對(duì)角線取樣法在每個(gè)試驗(yàn)盆中取樣，選取均勻一致的葉片，洗凈，用吸水紙吸干，稱取10 g鮮葉，用熱丙酮提取，分光光度法測(cè)定。結(jié)果以單位鮮樣品中葉綠素的百分含量表示。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

小白菜葉綠素含量的變化以葉綠素含量平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（mean±SD）給出（n=3），t-test檢驗(yàn)試驗(yàn)組與對(duì)照組之間的差異顯著性，p＜0.05被認(rèn)為是在α=0.05水平上顯著差異。

2 結(jié)果與分析

重金屬Cd、酸雨、農(nóng)藥敵殺死復(fù)合污染對(duì)小白菜的效應(yīng)見表3，正交試驗(yàn)方差分析見表4。各污染因子水平配對(duì)比較見表5。

表3 酸雨、Cd和敵殺死復(fù)合污染對(duì)小白菜的效應(yīng)

2.1 復(fù)合污染對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，受污染鎘濃度為5 mg/kg，酸雨pH值為5，敵殺死濃度為2 250 ml/ha的處理比對(duì)照干重減少32.0%，這與以往研究[21]有些不同。原因可能是在復(fù)合污染條件下，小白菜對(duì)極小濃度的鎘敏感[22]。當(dāng)鎘濃度達(dá)15 mg/kg，酸雨pH值為6，敵殺死濃度為1 500 ml/ha時(shí)，小白菜干重由對(duì)照2.197 6 g/20株上升到2.678 3 g/20株，比處理5增加73.2%，明顯促進(jìn)小白菜的生長。由此表明，供試土壤在復(fù)合污染條件下，低量的鎘對(duì)小白菜生長有抑制作用，濃度大于5 mg/kg土?xí)r，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

表4 正交試驗(yàn)方差分析表

表5 配對(duì)比較表

復(fù)合污染時(shí)，小白菜的干重與單獨(dú)污染明顯不同。當(dāng)金屬鎘維持在較低濃度時(shí)，隨著酸雨pH值的變化和敵殺死濃度的升高，小白菜干重減少并不明顯。保持酸雨pH值為5，在鎘和敵殺死濃度變化過程中，敵殺死起主導(dǎo)作用，當(dāng)其濃度達(dá)到2 250 mL/ha時(shí)，小白菜的產(chǎn)量最低，僅為1.494 3 g/20株。較高濃度的敵殺死條件下，小白菜產(chǎn)量均低于對(duì)照組，并隨著鎘濃度的增大表現(xiàn)為先抑制后促進(jìn)的效應(yīng)。

2.2 復(fù)合污染對(duì)小白菜葉綠素含量的影響

重金屬可以導(dǎo)致植物的黃化癥已經(jīng)被許多研究所證實(shí)，這種黃化癥的主要原因是葉綠素合成受阻，因?yàn)橹参锕夂献饔弥饕科渲行牡娜~綠素分子[23]。由表3、表4可知，重金屬鎘對(duì)小白菜葉綠素含量的影響是極顯著的，表現(xiàn)為低濃度時(shí)，隨鎘濃度的增加葉綠素含量降低。當(dāng)鎘的濃度達(dá)到5 mg/kg時(shí)，葉綠素的含量達(dá)到最小值0.15%，之后隨鎘濃度的增加葉綠素含量呈增加趨勢(shì)。然而，當(dāng)重金屬鎘濃度升高時(shí)，酸雨pH值的上升使鎘在土壤溶液中的溶解度降低，毒性降低[24]。從表5可以看出，鎘處理水平2與水平1和水平3差異顯著，說明5 mg/kg的鎘濃度是小白菜鎘中毒的臨界值。

小白菜葉綠素含量隨酸雨pH值的上升有增加的趨勢(shì)，其原因可能是：酸雨污染對(duì)小白菜生長過程中葉片葉綠素的合成具有抑制作用，因而影響植物的光合作用，阻礙植物生長[25]。相關(guān)研究表明[26]，單因素酸雨對(duì)小白菜葉綠素含量的影響表現(xiàn)為隨著污染因子濃度的增加，小白菜葉綠素含量呈明顯下降的趨勢(shì)。本試驗(yàn)中酸雨對(duì)小白菜葉綠素含量有一定影響，但未達(dá)到顯著性水平。

從小白菜的生長狀況可以發(fā)現(xiàn)，施農(nóng)藥后，小白菜生長受到了不同程度的抑制，且抑制程度與農(nóng)藥濃度正相關(guān)，顯示明顯的濃度劑量關(guān)系。農(nóng)藥敵殺死對(duì)小白菜葉綠素有破環(huán)作用，其含量下降14.06%，原因可能是：在植物細(xì)胞正常代謝過程中，活性氧可由多種途徑產(chǎn)生，如葉綠體、線粒體和質(zhì)膜上的電子傳遞產(chǎn)生了一個(gè)不可避免的后果，即電子傳遞至分子氧上，隨著產(chǎn)生活躍的、具有毒性的活性氧，生物和非生物脅迫的介入都可使活性氧的水平升高[27]。過多的的活性氧對(duì)細(xì)胞極為有害，可直接作用于生物大分子，導(dǎo)致超微結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。農(nóng)藥對(duì)小白菜葉綠素含量的影響作用是顯著的，顯著性水平達(dá)0.001，且從表5可以看出，農(nóng)藥敵殺死3個(gè)水平之間的差異也是顯著的。

3 小結(jié)與結(jié)論

鎘、酸雨和敵殺死復(fù)合污染對(duì)小白菜葉綠素含量均會(huì)造成不同程度的影響，對(duì)小白菜葉綠素含量影響最大的污染因子的水平組合為鎘（2）酸雨（2）敵殺死（3）。

近年來，蔬菜的污染水平和質(zhì)量安全備受關(guān)注。為了消費(fèi)者的健康和生命安全，研究復(fù)合污染條件及其對(duì)蔬菜的毒性效應(yīng)，在揭示蔬菜污染的時(shí)空變化規(guī)律上具有重大意義。

[1]T.Larssen;G.R.Carmichael.Acid rain and acidification in China:the importance of base cation deposition[J].Environmental Pollution,2000,110（1）：89-102.

[2]謝建治，張書廷，劉樹慶，等.潮褐土重金Cd污染對(duì)小白菜營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（4）：678-682.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]Shuiping Cheng.Effects of Heavy Metals on Plants and Resistance Mechanisms[J].Environ Sci&Pollut Res,2009,10:256-264.

[5]Emst W H O,Nielssen H J M.Life–cycle phases of zinc and cadmium resistant ecotype of Silene vulgaris in risk assessment of polymetallic mine soils[J].Environmental Pollution,2000,107:329-338.

[6]Lombi E,Zhao F J.Cadmium accumulation in populations of Thlaspi goesingenes[J].New Phytologist,2000,145:11-20.

[7]Angela P V,Peter J L.Antioxidant enzymes responses to cadmium in radish tissues[J].Phytochemistry,2001,57:701-710.

[8]李自剛，彭愛娟，屈凌波.微生物修復(fù)菌劑對(duì)復(fù)墾金尾礦土壤微生物群落的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（5）：46-49.

[9]王麗慧，王翠紅，葉麗麗，等.城郊蔬菜地土壤鉛和鎘污染研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（5）：50-52，57.

[10]Yeon-ok K,Masakazu H,Toru K.Response of an Active-Oxygen scavenging system to cadmium in cadmium-tolerant cell of carrot[J].Plant Biotechnology,2001,18:39-43.

[11]Kavita S,titambhara G K,et al.Effect of cadmium on lipid peroxidation,superoxide anion generation activities or antioxidant enzymes in growing rice seeding[J].Plant Science,2001,161:1135-1141.

[12]Pereira G H G,Molina S M G.Activity of antioxidant enzymes in response to cadmium in Crotalaria[J].Plant and Soil,2002,239:123-132.

[13]趙曉莉，胡正華，王正梅，等.UV-B輻射與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)小白菜和生菜幼苗生長和生理特性的影響 [J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，2：73-77.

[14]王朝瑾，李彥磊，王文豪，等.溴氰菊酯殘留農(nóng)藥的快速檢測(cè)[J].分析化學(xué)，2009，37：B186（增刊）.

[15]S.Yan,Q.Ling,Z.Bao,et al.Cadmium accumulation in pak choi（Brassica chinensis L.）and estimated dietary intake in the suburb of Hangzhou city,China[J].Food Additives and Contaminants:Part B,2009,2（1）:74-78

[16]徐冬梅，劉廣深，李克斌，等.酸雨脅迫下有機(jī)-無機(jī)復(fù)合污染對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22（1）：31-33.

[17]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[18]高連存，何桂華，馮素萍，等.模擬酸雨條件下降塵中Cu，Pb，Zn，Cr各形態(tài)的溶出和轉(zhuǎn)化研究 [J].環(huán)境化學(xué)，1994，13（5）：448-452.

[19]蹇 黎，朱利泉，張以忠，等.貴州蘭花SPAD值和葉綠素含量測(cè)定與分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（35）：17462-17464.

[20]吳志旭，張雅燕.葉綠素a測(cè)定方法的改進(jìn)及最優(yōu)提取時(shí)間探討[J].甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測(cè)，2003，16（2）：152.

[21]胡紅青，高彥征，汪文芳.土壤鎘、鉛污染對(duì)小白菜的生物效應(yīng)研究.第七屆全國青年土壤暨第二屆全國青年植物營養(yǎng)科學(xué)工作者學(xué)術(shù)討論會(huì)，2000.

[22][奧地利]Walter larcher植物生理生態(tài)學(xué)[M].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社.1997.

[23]王 忠.植物生理學(xué) [M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社.2002.128-130.

[24]唐世榮.污染環(huán)境植物修復(fù)的原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社.2006.45.

[25]余蘋中，廖柏寒，宋穩(wěn)成，等.模擬酸雨和Cd，對(duì)小白菜四季豆生理生化特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（1）：13-46.

[26]唐紅楓，生秀梅，熊 麗，等.有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)小白菜可溶性蛋白質(zhì)及SOD、Mg2+-ATPase、Ca2+-ATPase和CAT的影響 [J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（1）：82-85.

[27]杜秀敏，殷文旋，趙彥修，等.植物中活性氧的產(chǎn)生及清除機(jī)制[J].生物工程學(xué)報(bào)，2001，17（2）：121-125.