水稻重金屬生態(tài)毒性診斷研究進(jìn)展

李 歡 陳 亮 潘 瓊 謝 武

（1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 生態(tài)毒理學(xué)概況

生態(tài)毒理學(xué)是研究有毒、有害物質(zhì)以及各種不良生態(tài)因子對(duì)生命系統(tǒng)產(chǎn)生毒性效應(yīng)，以及生命系統(tǒng)反饋解毒與適應(yīng)進(jìn)化及其機(jī)理與調(diào)控的一門綜合性科學(xué)。它的主要目的和任務(wù)是揭示有毒有害因素包括潛在的有毒有害因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)損害作用的規(guī)律，并為保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康提供策略和措施?？梢?，生態(tài)毒理學(xué)主要研究已知或可疑有害物質(zhì)特別是環(huán)境中的污染物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響和機(jī)理，包括對(duì)植物、動(dòng)物和微生物個(gè)體健康、種群或群落以及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成的危害作用及其微觀機(jī)理。

Newman把生態(tài)毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容分成3大部分：（1）生物富集：研究生物體對(duì)污染物的吸收、污染物在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)、解毒和消除機(jī)制，以及毒物在生物體內(nèi)積累乃至沿食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中的富集效應(yīng)；（2）毒理效應(yīng)：研究污染物對(duì)分子、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀和地球生物圈等各個(gè)層次的毒性效應(yīng)和作用機(jī)理；（3）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：研究污染物對(duì)生命系統(tǒng)各層次毒性效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)。包括環(huán)境中污染物的生物標(biāo)記（分子、生理與生化）、生物指示、生物多樣性評(píng)價(jià)、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀的指示、監(jiān)測(cè)和評(píng)研究污染物及其在環(huán)境中的降解和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在機(jī)體內(nèi)的吸收、分布、排泄等生物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝轉(zhuǎn)化過程，以了解污染物對(duì)機(jī)體造成的損害和作用機(jī)理。

生態(tài)毒理學(xué)的技術(shù)方法按1998年出版的專著Ecotoxicology明顯分為兩大類技術(shù)即：（1）宏觀分析技術(shù)：生物個(gè)體水平及以上的生物組成對(duì)污染的響應(yīng)，主要包括常規(guī)毒性試驗(yàn)（急性毒性試驗(yàn)、亞慢性和慢性毒性試驗(yàn)和蓄積毒性試驗(yàn)）、微宇宙毒性試驗(yàn)（水生微宇宙毒性試驗(yàn)、土壤微宇宙毒性試驗(yàn)）；（2）微觀分析技術(shù)：細(xì)胞水平以下對(duì)污染的響應(yīng)，主要包括分子及細(xì)胞毒性生態(tài)毒性試驗(yàn)（PCR-SCCP技術(shù)、熒光原位雜交技術(shù)、DNA損傷試驗(yàn)、基因芯片技術(shù)、一般代謝酶活性的測(cè)定、解毒系統(tǒng)酶類誘導(dǎo)作用的檢測(cè)、抗氧化防御系統(tǒng)檢測(cè)和RAPD技術(shù)）以及生物致突變效應(yīng)檢測(cè)（體外基因突變?cè)囼?yàn)、細(xì)胞遺傳學(xué)試驗(yàn)、體內(nèi)基因突變?cè)囼?yàn)）等。宏觀技術(shù)以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以生物個(gè)體為基本單位，研究污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中各層次（個(gè)體、種群、群落）的影響。微觀技術(shù)以細(xì)胞生物學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究污染對(duì)單細(xì)胞、染色體及蛋白質(zhì)、核酸等遺傳物質(zhì)的效應(yīng)。

綜上所述，水稻重金屬生態(tài)毒性診斷隸屬于生態(tài)毒理學(xué)的范疇。

2 植物的生態(tài)毒性診斷概述

高等植物是生態(tài)系統(tǒng)中的基本組成部分。一個(gè)平衡、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)可生長(zhǎng)健康、優(yōu)良的高等植物；反之，一個(gè)不穩(wěn)定或受到外來污染的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)高等植物的生長(zhǎng)可帶來不利和可見的負(fù)面影響。利用高等植物毒理試驗(yàn)評(píng)價(jià)化學(xué)物質(zhì)的毒性有二大優(yōu)點(diǎn)：一是方法簡(jiǎn)單，持續(xù)時(shí)間短；二是這種方法對(duì)毒物毒性比較敏感。目前植物生態(tài)毒性診斷的方法主要有：1）根伸長(zhǎng)試驗(yàn)；2）種子發(fā)芽試驗(yàn)；3）早期植物幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)。

3 單一金屬對(duì)水稻的生態(tài)毒性診斷研究進(jìn)展

重金屬是構(gòu)成地殼的物質(zhì)之一，它以不同的形態(tài)分布于自然界中，重金屬對(duì)水稻的作用主要與重金屬的種類和濃度有關(guān)，大多數(shù)研究表明，部分重金屬低濃度對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育沒有影響，甚至還會(huì)刺激生長(zhǎng)，而當(dāng)濃度過高則將嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)發(fā)育，使有毒重金屬在水稻體內(nèi)大量累積，并會(huì)通過食物鏈傳遞，嚴(yán)重威脅人和動(dòng)物的健康和生命。

重金屬對(duì)植物的毒性作用，根據(jù)其影響或危害的程度大小，可以分為毒性很大、毒性中等和毒性較小三種。Ag+、Be2+、Hg2+、Sn2+，可能還有 Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和 CrO42+，是毒性很大的重金屬，在溶液中濃度達(dá)1mg·L-1時(shí)就對(duì)植物產(chǎn)生 毒 害。As、Se、Ba、Cd、Cr、Fe、Mn、Zn 等，在濃度為1~100mg·L-1范圍內(nèi)對(duì)植物產(chǎn)生抑制影響，是中等毒性的重金屬。Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Rb+、Sr2+、Li+、NO3-、SO42-等，在溶液中元素濃度達(dá)1800mg·L-1以上時(shí)才產(chǎn)生影響，是毒性較小的金屬元素。以下介紹幾種單一金屬對(duì)水稻的生態(tài)毒性診斷：

3.1 錳（Mn）

錳（Mn）是植物生長(zhǎng)的必需元素，它不僅是組成酶或輔酶的成分，而且是酶的活化劑。Mn在植物體內(nèi)最重要的生理功能是作為植物葉綠體結(jié)構(gòu)所必需的元素，參與光合作用，同時(shí)，還作為植物體內(nèi)的一個(gè)重要的氧化還原劑，參與植物體內(nèi)許多氧化還原體系的活動(dòng)。所以Mn在植物的光合放氧、維持細(xì)胞器的正常結(jié)構(gòu)、活化酶活力等方面具有不可替代的作用。但過量的Mn對(duì)植物也有明顯的毒害效應(yīng)，包括大量活性氧的產(chǎn)生對(duì)植株造成氧化傷害和誘發(fā)植物缺乏鐵、鉬。人體攝入過量的Mn，則會(huì)引起Mn中毒，主要表現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)方面，導(dǎo)致帕金森綜合癥，也對(duì)生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

截止到日前，尚未見到錳對(duì)水稻生態(tài)毒性診斷的相關(guān)報(bào)道，但已陸續(xù)出現(xiàn)一些關(guān)于Mn生態(tài)毒理研究的報(bào)道。朱端衛(wèi)等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不斷輪作的土壤上種植的油菜（Brassica campestris L.），其幼苗生長(zhǎng)往往比較緩慢，植株新葉黃化，成熟葉片失綠明顯，嚴(yán)重者邊緣皺縮向下卷曲成勺狀，并有褐色斑點(diǎn)。經(jīng)分析，土壤中交換性錳明顯增加，從而造成油菜對(duì)錳吸收過量。錳毒由于植物種類、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及土壤環(huán)境的不同其表現(xiàn)有差異。Kitao在日本白樺（Betula platypHylla Var.japonica）試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，錳毒害程度還與葉的年齡以及錳的分布和濃度有關(guān)。錳毒典型癥狀類似缺鐵，一般在老葉上出現(xiàn)褐斑。這種壞死的褐斑已被作為錳毒指示性標(biāo)志來檢測(cè)植物受錳毒害的程度。在危害部位上，曾琦等人發(fā)現(xiàn)，油菜錳毒害癥狀首先出現(xiàn)于葉片，然后逐漸向其它部位發(fā)展即錳毒首先抑制植物地上部生長(zhǎng)，隨著錳毒害程度加劇，根系生長(zhǎng)也相應(yīng)受到明顯傷害，而植物在其它重金屬毒害時(shí)，根系才是最直接、最嚴(yán)重的受害器官之一，也就是說，在危害部位上，錳有別于其他重金屬。錳對(duì)植物各個(gè)水平上的毒害機(jī)制既有差異，又有聯(lián)系。不同植物及同一植物的不同品種在錳脅迫響應(yīng)機(jī)制上表現(xiàn)出很大的差異，研究者們也提出了眾多機(jī)理，但由于錳毒及植物耐受機(jī)制的復(fù)雜性，至今還沒有哪一個(gè)機(jī)理能夠得到普遍的認(rèn)可。

3.2 鉻（Cr）

有試驗(yàn)研究表明，在投加鉻酸鹽的土壤中，低劑量時(shí)，鉻有一定刺激生長(zhǎng)作用。鉻對(duì)水稻的危害及遷移能力都以六價(jià)鉻強(qiáng)于三價(jià)鉻，六價(jià)鉻對(duì)水稻種子的萌發(fā)及其生長(zhǎng)發(fā)育都有一定影響。鉻在灌溉水中的濃度為5mg/L時(shí)，對(duì)作物有害；濃度為10mg/L時(shí)，作物出現(xiàn)嚴(yán)重的萎黃?。汇t與鎳協(xié)同作用時(shí)，鉻濃度僅2mg/L即對(duì)作物產(chǎn)生損害。石貴玉的試驗(yàn)結(jié)果說明，重金屬鉻毒害使水稻植株矮小，葉片失綠，植株鮮重、干重下降，同時(shí)抗氧化酶活性下降。吸收的鉻主要積累在根中，其次是莖葉，少量積累在子粒里。

3.3 鎘（Cd）

鎘對(duì)水稻的危害，在較低濃度時(shí)雖在外部形態(tài)特征上無明顯癥狀，但通過食物鏈可危及人類健康。研究表明在鎘的毒害下，可誘導(dǎo)自由基產(chǎn)生，使水稻的保護(hù)酶活性降低，水稻幼苗葉片膜脂過氧化產(chǎn)物含量增加，從而抑制水稻幼苗生長(zhǎng)發(fā)育。王逸群等以不同濃度的Cd2+處理水稻， 發(fā)現(xiàn)葉肉細(xì)胞中細(xì)胞核核膜破裂，核仁消失；葉綠體被膜受損，類囊體遭到破壞；線粒體被膜結(jié)構(gòu)也受損， 內(nèi)嵴逐漸解體。且隨著Cd2+濃度的提高，葉肉細(xì)胞中細(xì)胞核、葉綠體、線粒體受毒害程度加重。而且由于Cd2+能降低葉綠素與蛋白質(zhì)結(jié)合的牢固度，能抑制原葉綠素酸酯還原酶活性，進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素降解，其含量顯著降低，從而使同化CO2能力下降，作為光合產(chǎn)物的糖類（尤其可溶性糖）減少。

細(xì)胞膜透性變化是評(píng)定植物逆境受傷害的重要指標(biāo)。黃秋嬋等［24］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cd2+能使水稻細(xì)胞質(zhì)膜透性顯著增加，使K+外流量增多，從而干擾了細(xì)胞的正常代謝：如淀粉酶活性降低，可溶性糖含量減少，呼吸作用變?nèi)?，因而?dǎo)致傷害作用。同時(shí)該研究還表明Cd2+不但抑制根的伸長(zhǎng)，而且影響側(cè)根的生長(zhǎng)，破壞根的生長(zhǎng)點(diǎn)，使側(cè)根原基失去發(fā)根能力，這可能與Cd2+改變或破壞膜結(jié)構(gòu)有關(guān)：Cd2+可能與膜蛋白的巰基（-SH）結(jié)合（形成-S-Cd-S-），也可能與膜脂中的磷酯酰乙醇胺和磷酯酰絲氨酸反應(yīng)。

3.4 硒（Se）

大多數(shù)情況下土壤中硒含量很低，平均為0.2mg/kg。低濃度的硒對(duì)植物的生長(zhǎng)有利，過多的硒則有毒害作用。硒毒害表現(xiàn)為植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻、黃化，硒引起植物毒害的原因可能是硒酸鹽干擾了S的代謝。而譚周磁等的試驗(yàn)說明水稻施硒能降低稻米中Pb、Cd、Cr的含量。在同等條件下，水稻施用低濃度的亞硒酸鈉后稻米中的Pb、Cd、Cr的含量有所降低?？梢娫诖_保稻米安全含硒量的前提下，水稻補(bǔ)施低濃度的硒能降低稻米中重金屬的含量，說明水稻施硒對(duì)重金屬有拮抗作用。

3.5 鉛（Pb）

低濃度的鉛處理能夠促進(jìn)植株正常的生理代謝活動(dòng)，如莖葉內(nèi)硝酸還原酶活性、可溶性糖含量、葉綠素含量均有不同程度的增加，但隨著濃度的升高而表現(xiàn)出對(duì)水稻秧苗素質(zhì)、生長(zhǎng)發(fā)育狀況、生育期和產(chǎn)量的不良影響?？锷倨降冗M(jìn)行的水稻鹽襲試驗(yàn)表明，當(dāng)土壤中加入低濃度不同比例的鉛時(shí)，基本沒有觀察到鉛對(duì)水稻的毒害病癥，鉛對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育沒有明顯的宏觀影響。但微區(qū)調(diào)查揭示，水稻對(duì)土壤中的鉛具有強(qiáng)烈的吸收性，并可殘留在水稻的各個(gè)部位，且吸收量隨土壤中鉛濃度的提高而增加，其分布規(guī)律為：根>莖葉>糙米。MESMAR等人研究了鉛對(duì)小麥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、葉綠素和蛋白含量的影響，20mmol/L的Pb（NO3）2對(duì)種子萌發(fā)的抑制率約達(dá)60%。生長(zhǎng)對(duì)鉛的吸收為被動(dòng)吸收，鉛對(duì)根生長(zhǎng)的抑制大于芽生長(zhǎng)，葉綠素隨處理濃度的增加而減少，而蛋白含量則增加。

4 復(fù)合重金屬對(duì)水稻的生態(tài)毒性診斷研究進(jìn)展

重金屬污染常常是兩種或兩種以上元素同時(shí)作用形成的復(fù)合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同時(shí)進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者特別關(guān)注復(fù)合污染方面的研究，認(rèn)為元素間的聯(lián)合作用對(duì)作物的產(chǎn)量及元素在作物體內(nèi)的再分配有著至關(guān)重要的影響。同時(shí)，多元素的聯(lián)合作用是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。美國(guó)Wallace等將重金屬的聯(lián)合作用分為協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)、加和、屏蔽和獨(dú)立作用。

用重金屬復(fù)合（Cu，Zn，Pb，Cd，As等）對(duì)植物種子和生長(zhǎng)的生態(tài)效應(yīng)的研究顯示重金屬的復(fù)合協(xié)同毒性大于單一金屬。周啟星等人以乙草胺-Cu和Cd－Zn兩組污染物為代表，分別對(duì)小麥（Triticumae stivum） 、水稻 （Oryza sativa）等以水、土壤為環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行復(fù)合污染生態(tài)毒理效應(yīng)的定量關(guān)系研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污染物本身的化學(xué)性質(zhì)對(duì)復(fù)合污染生態(tài)效應(yīng)所起的作用，要比其濃度組合關(guān)系的影響小得多；污染物暴露的濃度組合關(guān)系更為直接，在一定條件下甚至起決定作用；復(fù)合污染生態(tài)效應(yīng)還與生物種類，特別是生態(tài)系統(tǒng)類型有關(guān)，也與這些污染物作用的生物部位有關(guān)。林立金等研究得出：鋅鉻復(fù)合污染不僅降低水稻生物量，增大根系比重，而且影響不同生育期土壤酶活性。鋅鉻復(fù)合污染對(duì)水稻不同生育期土壤過氧化氫酶活性均有抑制作用，且隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈降低的趨勢(shì)；土壤脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性在水稻分蘗期受到抑制，且隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈降低的趨勢(shì)，而在孕穗期及灌漿結(jié)實(shí)期，則隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈升高的趨勢(shì)，表明在重金屬脅迫下，土壤酶活性并不是簡(jiǎn)單的受到抑制或促進(jìn)，可能與水稻植株一起，通過調(diào)節(jié)自身的變化而向著適應(yīng)逆境的方向發(fā)展。王新等［38］研究土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬復(fù)合污染物交互作用及生態(tài)效應(yīng)，表明復(fù)合污染處理水稻株高要低于單元素處理的株高，更低于空白，兩兩元素復(fù)合協(xié)同作用可抑制水稻株高的生長(zhǎng)。水稻產(chǎn)量大小依此為空白> 單元素> 復(fù)合元素。

以上這些研究為環(huán)境重金屬污染水體及土壤的生態(tài)毒理診斷及環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的依據(jù)。

5 討論

生態(tài)毒理學(xué)是研究有毒、有害物質(zhì)以及各種不良生態(tài)因子對(duì)生命系統(tǒng)產(chǎn)生毒性效應(yīng)，以及生命系統(tǒng)反饋解毒與適應(yīng)進(jìn)化及其機(jī)理與調(diào)控的一門綜合性科學(xué)。它的主要目的和任務(wù)是揭示有毒有害因素包括潛在的有毒有害因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)損害作用的規(guī)律，并為保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康提供策略和措施。

生態(tài)毒理學(xué)主要研究已知或可疑有害物質(zhì)特別是環(huán)境中的污染物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響和機(jī)理，包括對(duì)植物、動(dòng)物和微生物個(gè)體健康、種群或群落以及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成的危害作用及其微觀機(jī)理。

水稻重金屬生態(tài)毒性診斷隸屬于生態(tài)毒理學(xué)的范疇。本研究從植物生態(tài)毒理學(xué)的角度，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，闡述了單一重金屬和復(fù)合重金屬在水稻中的生態(tài)毒性診斷研究進(jìn)展，提出今后可以考慮追蹤重金屬在水稻中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討復(fù)合污染對(duì)水稻的生態(tài)毒性。

重金屬污染常常是兩種或兩種以上元素同時(shí)作用形成的復(fù)合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同時(shí)進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者特別關(guān)注復(fù)合污染方面的研究，認(rèn)為元素間的聯(lián)合作用對(duì)作物的產(chǎn)量及元素在作物體內(nèi)的再分配有著至關(guān)重要的影響。同時(shí),多元素的聯(lián)合作用是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。美國(guó)Wallace 等將重金屬的聯(lián)合作用分為協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)、加和、屏蔽和獨(dú)立作用。各界學(xué)者所進(jìn)行的相關(guān)研究為環(huán)境重金屬污染水體及土壤的生態(tài)毒理診斷及環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的依據(jù)。

就目前關(guān)于水稻重金屬生態(tài)毒性診斷的研究來看，重金屬在水稻的根、莖、葉、子粒中吸收、遷移、累積還只是停留在比較研究的階段，從分子遺傳學(xué)的角度對(duì)重金屬的吸收、遷移、累積規(guī)律研究較少。對(duì)單一污染研究較多，對(duì)復(fù)合污染研究較少。就控制機(jī)理研究來看，單一控制方法研究較多，綜合控制方法研究較少。故今后可以考慮追蹤重金屬在水稻中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討復(fù)合污染對(duì)水稻的生態(tài)毒性，提出基于當(dāng)前形勢(shì)下的水稻食品安全防范措施。

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