砷、汞對(duì)植物毒性影響及其遷移富集效應(yīng)探討

楊 倩，王方園，申艷冰

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華321000)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，人為活動(dòng)干預(yù)的加強(qiáng)導(dǎo)致湖泊、河流、土壤和地下水中有毒有害污染物日益增多，在諸多污染元素中砷、汞的危害尤為嚴(yán)重，不僅劇毒還難降解，易移動(dòng)，毒性持久，而且比其他重金屬更容易在植物中積累[1]，當(dāng)在植物中積累到一定程度，就可以通過干擾細(xì)胞正常的代謝途徑及物質(zhì)在細(xì)胞中的運(yùn)輸過程，致使植物生理功能紊亂，營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，抑制其生長(zhǎng)發(fā)育，并通過食物鏈威脅人類健康。目前，已有很多有關(guān)植物受砷、汞危害和對(duì)砷、汞富集的研究，主要包括對(duì)植物的光合作用、抗氧化酶活性、細(xì)胞膜透性以及篩選砷汞超富集植物等方面研究。本文綜述了砷、汞對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育毒性影響及植物在生態(tài)修復(fù)中的運(yùn)用研究進(jìn)展，不僅為科學(xué)評(píng)估砷汞脅迫下植物生長(zhǎng)狀況提供理論依據(jù)，而且對(duì)整治修復(fù)砷、汞污染的土壤及水體有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 砷、汞污染的來源及現(xiàn)狀

1.1 砷和汞的污染來源

環(huán)境中的砷汞污染主要是由人類活動(dòng)引起的。工業(yè)生產(chǎn)及汽車排放的大量含砷、汞有害氣體、粉塵等通過自然沉降和雨水沉降的途徑進(jìn)入土壤或水體；含砷汞的農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑、除草劑等被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；污灌也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田中砷、汞等有害物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，且有逐年加重的趨勢(shì)；以采礦、選礦、冶煉為主的工礦企業(yè)所產(chǎn)生的大量酸性廢水(AMD)及尾礦被水沖刷淋濾、風(fēng)化而流失的大量砷、汞會(huì)造成礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境污染尤為突出[2]；未經(jīng)處理的生活垃圾被運(yùn)到郊區(qū)農(nóng)業(yè)用地堆放或填埋，垃圾滲漏液中砷、汞對(duì)環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)比達(dá)到37%[3]。

1.2 砷和汞的污染現(xiàn)狀

有報(bào)道顯示，全球每年因人類活動(dòng)排入水環(huán)境中的砷量約為 1.2×109kg，向土壤中輸入的砷總量達(dá)0.94×108kg[4-5]。地方性砷中毒現(xiàn)象已成為了全球亟待解決的棘手問題，在孟加拉三角洲地區(qū)，大量的飲用水及土壤受到了砷污染，成人和兒童每天從稻谷和蔬菜中攝取的無機(jī)砷(IAS)均超標(biāo)[6]。中國(guó)也是受砷中毒最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，包括內(nèi)蒙、新疆、陜西、湖南、云南、貴州等省份受到砷污染的影響均比較嚴(yán)重。我國(guó)湖泊水質(zhì)為Ⅳ類及劣于Ⅳ類的比例為5.5%，水庫(kù)比例為1.6%，污染已較為嚴(yán)峻。雖然經(jīng)過多年治理，一些湖泊砷污染得到了有效控制，但砷不易被微生物降解或分解，進(jìn)入水體后基本都沉積在底泥中[7]。朱曉龍等[8]發(fā)現(xiàn)根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，稻田土壤砷超標(biāo)率為80%，菜園土壤超標(biāo)率為94%。

汞污染現(xiàn)象在我國(guó)的貴州、吉林、陜西、湖北，遼寧和重慶等地尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的汞排放約占世界汞排放量的25%。臺(tái)灣的大部分河流、灌溉渠、水庫(kù)和濕地地表水和表層沉積物中汞和甲基汞含量均超標(biāo)[9]。萬山汞礦區(qū)重污染區(qū)地表水總汞含量可達(dá)4 462 ng/L，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)厮w汞含量背景值為15.3～33.0 ng/L，此外礦區(qū)周邊土壤總汞含量高達(dá)222 mg/kg，遠(yuǎn)超國(guó)家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5 mg/kg[10-11]。畢華等[12]研究發(fā)現(xiàn)廣州市農(nóng)村菜地均存在不同程度的重金屬污染，其中汞達(dá)到重度污染程度。

2 砷、汞對(duì)植物的毒性影響

一般而言，砷、汞是植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素，植物對(duì)砷汞毒害的反應(yīng)因品種、生長(zhǎng)條件和砷汞暴露時(shí)間的不同而不同。砷、汞脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)作用通常表現(xiàn)為“低促高抑”，當(dāng)砷和汞濃度累積到一定值時(shí)，會(huì)直接影響植物的細(xì)胞膜透性，抑制植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收運(yùn)輸，降低蒸騰作用和光合呼吸作用，干擾植物體內(nèi)的酶促反應(yīng)，使植物體內(nèi)的代謝過程發(fā)生紊亂，導(dǎo)致植物的植株矮小、葉片壞死和枯萎、葉面積明顯減少、生物量降低甚至死亡。

2.1 砷和汞對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育影響

由于根是與土壤或水體直接接觸，且對(duì)砷、汞毒害最為敏感的部位，所以砷、汞對(duì)植物根部生長(zhǎng)的抑制作用強(qiáng)于對(duì)芽、莖生長(zhǎng)的抑制作用，根部高濃度的砷汞會(huì)影響主根的長(zhǎng)度及直徑、側(cè)根的發(fā)生時(shí)間及數(shù)目等，根系特征的改變影響根系吸收水和養(yǎng)分的效率，致使地上部同樣出現(xiàn)葉黃和植株矮小等重金屬中毒癥狀[13]。西瓜和哈密瓜[14]、桔梗[15]等種子萌發(fā)生長(zhǎng)的研究均表明低濃度砷、汞脅迫下的種子萌發(fā)效率較好，但隨著砷、汞濃度的加大，種子萌發(fā)效率不同程度地受到抑制，直至完全阻止萌芽。任偉等[16]認(rèn)為砷、汞脅迫不僅會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)有毒害作用，還可以加快植物個(gè)體的生育進(jìn)程，減短了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)期，從而加快了植物的成熟。Aurélie等[17]研究發(fā)現(xiàn)亞砷酸鈉作為殺真菌劑用于治療葡萄干病時(shí)，會(huì)使植物整體生長(zhǎng)下降，如綠芽的數(shù)量變少，長(zhǎng)度和直徑降低，特別是在漿果成熟時(shí)，顯著影響植物的生長(zhǎng)。

2.2 砷、汞對(duì)植物光合作用的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要細(xì)胞器，砷汞會(huì)損傷其超微結(jié)構(gòu)，郝玉波等[18]研究發(fā)現(xiàn)高濃度砷會(huì)破壞葉肉細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)脂類小滴增多增大，葉綠體膜系統(tǒng)被破壞。許響等[19]研究發(fā)現(xiàn)汞使葉肉細(xì)胞中細(xì)胞核核仁分散，核膜破損，葉綠體膨脹至解體，線粒體變形，嵴突膨脹、減少。目前，砷汞對(duì)植物光合色素的影響大多涉及到對(duì)葉綠素的影響，而對(duì)類胡蘿卜素的影響報(bào)道較少。砷、汞能取代葉綠素分子中的鎂離子并干擾有關(guān)葉綠素合成酶的活性，使葉綠素合成受阻，同時(shí)增加了葉綠素分解酶的活性，使葉綠素分解[20]。有研究表明[21-22]，隨著砷汞濃度的增加，植物的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)呈持續(xù)下降，蒸騰速率下降可能是砷和汞脅迫阻礙了根部系統(tǒng)對(duì)水分的吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致植物缺水出現(xiàn)發(fā)蔫癥狀。

2.3 砷、汞對(duì)植物的抗氧化損傷

2.4 緩解砷、汞污染對(duì)植物毒害的措施

為了改善砷、汞對(duì)植物生長(zhǎng)和生化指標(biāo)的毒害影響，我們可以使用新一代植物激素(如蕓苔素內(nèi)酯)來作為防治砷汞中毒的農(nóng)藝措施[25]。適當(dāng)施用絡(luò)合型含鐵材料、氮、鋅、硒等物質(zhì)，均可降低植物對(duì)砷汞的吸收和毒性，而且還可以增加植物中鐵，鋅和硒等營(yíng)養(yǎng)元素的含量[26-27]。此外，還可以在土壤中添加幾種無機(jī)(石灰和硅)和有機(jī)(堆肥和生物炭)改良劑[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，接種棘孢木霉菌可以有效緩解砷對(duì)小油菜生長(zhǎng)的脅迫[29]。添加適宜濃度的褪黑素可提高植物抗氧化系統(tǒng)酶活性，降低膜脂過氧化，提高植物抵抗砷脅迫的能力[30]。超富集植物與農(nóng)作物套作模式改變植物根系形態(tài)，促進(jìn)植物根系有機(jī)酸的分泌，并顯著降低了植物根際土壤中砷汞的生物有效性，緩解了砷汞脅迫帶來的活性氧損傷[31]。富氫水(HRW)能緩解汞對(duì)植物的氧化脅迫、根部生長(zhǎng)的抑制以及汞的積累[32]。不過要想得出最佳的解決方法，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)地試驗(yàn)，包括各種管理策略的風(fēng)險(xiǎn)和效益分析。

3 砷汞污染植物修復(fù)進(jìn)展

3.1 植物對(duì)砷、汞的富集遷移與分布規(guī)律

由于受到植物基因型、生長(zhǎng)特性、生長(zhǎng)環(huán)境的影響，不同植物或同種植物的不同品種對(duì)砷、汞的富集能力存在很大差異。各種蔬菜的重金屬富集能力為：葉菜類>根莖類>球莖類>果菜類[33]。李富榮等[34]研究發(fā)現(xiàn)番茄對(duì)砷的富集能力明顯強(qiáng)于辣椒和茄子。不同品種雙孢蘑菇對(duì)重金屬砷、汞的富集特性及抵抗性有顯著差異[35]。張騫等[36]研究發(fā)現(xiàn)各品種生菜砷吸收能力的大小排列順序?yàn)槟统檗飞拴兙G蘿﹥美國(guó)大速生﹥羅沙綠﹥紫羅馬。大量研究表明，大部分植物中吸收的汞砷含量與其所生長(zhǎng)土壤中的含量呈線性正相關(guān)[37]。沉水植物的富集能力要優(yōu)于浮水植物和挺水植物，根系發(fā)達(dá)植物的富集能力優(yōu)于根系不發(fā)達(dá)的植物。何海成等[38]研究發(fā)現(xiàn)不同水生植物對(duì)生活污水中砷的富集能力：菖蒲>千屈菜>水生黃鳶尾>美人蕉。

由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異，吸收重金屬元素的生理生化機(jī)制不同，植物的不同部位對(duì)砷汞的累積量差異顯著。玉米植株對(duì)汞的富集大于砷，砷、汞在玉米植株中分布規(guī)律為根>秸稈>玉米棒>玉米粒[39]。茭白和菱角對(duì)水體中砷和汞的富集系數(shù)遠(yuǎn)大于對(duì)土壤的富集系數(shù)，且對(duì)汞的富集能力都大于砷；茭白莖的富集能力大于葉；菱角根的富集能力大于葉(桿)[40]。黑麥草不同部位砷分配規(guī)律為根系>老葉>莖>功能葉>幼葉，且多年生黑麥草對(duì)砷的吸收能力優(yōu)于一年生黑麥草[41]。汞在完熟期的水稻植株中分布狀況為：根>籽粒>莖>葉>穗殼；甲基汞的分布為：籽粒>根>莖>葉>穗殼，且甲基汞比汞更容易在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)移[42]。大量研究已表明，植物不同部位砷汞含量大小大體為：根>莖>葉>子粒、果實(shí)，即呈現(xiàn)自下而上的遞減規(guī)律。

3.2 植物在砷汞污染修復(fù)中的運(yùn)用

植物對(duì)砷、汞有很強(qiáng)的富集作用，能有效地修復(fù)砷、汞污染的環(huán)境。田間大規(guī)模水培蕨類植物蜈蚣草可以修復(fù)砷污染地下水。施沁璇等[43]認(rèn)為黑藻可作為養(yǎng)殖期間池塘砷汞復(fù)合污染底泥生態(tài)修復(fù)的先鋒植物，而菹草適宜于秋冬空閑期間砷汞污染底泥的修復(fù)。還有類似研究發(fā)現(xiàn)，剛毛藻可以在極端的砷條件下生存，對(duì)含砷廢水具有良好的修復(fù)作用[44]。挺水植物香蒲、菖蒲、黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為砷、汞復(fù)合污染水體潛力凈水植物[45]。蜈蚣草、苣荬菜和野艾蒿可視為汞污染土壤植物修復(fù)的先鋒植物[46]。黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖條件下生態(tài)浮床的潛力凈水植物[47]。在砷污染土壤復(fù)合施加亞氨基二琥珀酸和草酸(IDS-MA)或三聚磷酸鈉和檸檬酸(ST-CA)等綠色螯合劑，可以提高植物萃取砷的效率[48-49]，使其植物修復(fù)效果達(dá)到更佳。添加了EDTA、DTPA、Na2S2O3和(NH4)2S2O3四種外加化學(xué)促進(jìn)劑有利于植物對(duì)汞的吸收，其中Na2S2O3是最有利于植物修復(fù)的[50]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

水體和土壤中砷和汞等污染物超標(biāo)，會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或生態(tài)環(huán)境存在很大風(fēng)險(xiǎn)，這引起了國(guó)家和地方的高度重視，已制定發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)以加強(qiáng)水體和土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)及農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)。植物修復(fù)技術(shù)作為重金屬污染治理方面的新興綠色技術(shù)，成本較傳統(tǒng)工程修復(fù)技術(shù)低，并且可以在原位將重金屬降解和消除，具有巨大的應(yīng)用空間和市場(chǎng)潛力，值得大力推廣和應(yīng)用。

近年來，在了解植物對(duì)砷、汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制方面取得了重要的科學(xué)進(jìn)展，但對(duì)砷、汞超積累植物的分子基礎(chǔ)知之甚少。因此，未來的研究應(yīng)該集中在以下幾點(diǎn)：(1)通過鑒定植物超富集特性所必需的基因，對(duì)植物耐污染和累積的分子機(jī)制進(jìn)行更多的研究，盡可能增強(qiáng)植物對(duì)砷、汞的抗性和吸收。(2)植物修復(fù)技術(shù)的研究大多在實(shí)驗(yàn)室和溫室進(jìn)行，而現(xiàn)實(shí)條件往往比實(shí)驗(yàn)室更復(fù)雜，因此，如何將植物修復(fù)技術(shù)推廣到實(shí)際工程中還需要進(jìn)一步的研究。(3)在一定程度上，富集植物的安全有效處置限制了植物修復(fù)技術(shù)在工程上與商業(yè)上的應(yīng)用，目前關(guān)于其處理技術(shù)研究較少，后續(xù)應(yīng)更加系統(tǒng)、深入地開發(fā)富集植物的處理處置技術(shù)，做到資源化、安全化、合理化使用。