重金屬鋅、鎘對蔬菜脅迫的研究進展

陳小軍 向成麗

摘? ? 要：隨著工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)化肥的過度使用，耕地土壤重金屬污染日益嚴重，給我國的發(fā)展造成了嚴重的經(jīng)濟損失。綜述了重金屬鋅、鎘單一脅迫及其交互作用對蔬菜種子萌發(fā)、幼苗生長及生理特性等方面的研究進展。同時，對其存在的問題進行討論，并對其未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞：土壤;重金屬;鋅;鎘;蔬菜

隨著金屬礦山開采、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)藥化肥的過度使用，重金屬污染已成為我國主要的土壤環(huán)境污染問題。被污染的耕地面積不斷擴大，每年因重金屬污染造成的直接經(jīng)濟損失達200余億元[1-2]。其中，鎘（Cd）的點位超標率高達7.0%，是主要的土壤重金屬污染來源之一，且因其水溶態(tài)和可交換態(tài)均能被植物吸收，Cd極易通過食物鏈進入人體造成危害[3]。而鋅（Zn）和Cd為同族元素，具有相似的化學性質，二者在生物體中存在復雜的交互影響關系[4]，因此，利用Zn來調控Cd對生物毒害的研究越來越多[12-14]。目前，人們在重金屬鋅鎘及其交互作用對蔬菜種子萌發(fā)、生長發(fā)育等方面的研究取得了一定的進展[5-14]。鑒于此，對重金屬鋅鎘污染下蔬菜生長發(fā)育所受影響的研究現(xiàn)狀進行綜述，并對后續(xù)相關的治理、緩解措施進行展望，以期為重金屬鋅鎘污染下蔬菜的安全生產(chǎn)提供可能的參考依據(jù)。

1? ?重金屬鋅對蔬菜的影響

Zn是人體所必需的一種微量元素，研究表明：動、植物體內的Zn可以比無機的Zn更容易、更安全地被人體吸收，在通過食療補Zn來改善人體營養(yǎng)方面具有重要的實際意義[5]。Zn對蔬菜的影響首先表現(xiàn)在種子萌發(fā)方面，劉玲麗等[6]以不同Zn2+濃度（0、0.05、0.5、5、10、50、100、200mg/L）的ZnSO4溶液處理青花菜種子，結果表明：青花菜種子的發(fā)芽指標隨著Zn2+濃度的增加均表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，不同指標對Zn2+濃度的敏感程度不同，當Zn2+濃度大于100mg/L時，對青花菜種子萌發(fā)和生長起到抑制作用。Zn對蔬菜的生長發(fā)育也有一定的影響，王慧先等[7]采用盆栽試驗研究了白菜對不同濃度Zn的響應，結果表明：白菜的生物量及體內鋅含量隨鋅水平的增加而增加;但白菜品種對鋅營養(yǎng)反應的敏感性不同。另外，研究鋅脅迫對甜瓜幼苗生理活性影響的結果顯示，隨著鋅濃度的增加，過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性先上升后下降;丙二醛（MDA）含量呈逐漸上升趨勢;葉綠素含量呈逐漸下降趨勢;在Zn2+濃度較低時（50mmol/L）對甜瓜的影響較少，與對照間無差異，而當Zn2+濃度大于100mmol/L時，Zn2+對甜瓜的毒害較大[8]。以上研究結果均表明低濃度的Zn2+能夠對蔬菜生長發(fā)育產(chǎn)生一定的積極促進效應。

2? ?重金屬鎘對蔬菜的影響

Cd是典型的土壤重金屬污染物之一，能使植物組織細胞產(chǎn)生活性氧，引起膜脂過氧化，進而影響植株生長。種子萌發(fā)是作物對外界適應的開始，隨著Cd濃度的升高，生菜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均表現(xiàn)為不同程度的降低，其中高于10mg/L脅迫使生菜種子發(fā)芽率明顯降低，而高于5mg/L脅迫使發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)明顯降低[9]。幼苗生長也是作物對外界環(huán)境最敏感的時期之一，劉思妹等[10]對蘿卜幼苗的試驗結果表明：Cd脅迫下，蘿卜幼苗根、莖、葉生長均受到抑制，其中根、莖受到的影響最為嚴重;MDA含量、可溶性蛋白質含量、CAT及POD活性均隨處理濃度的增加而增加;抗氧化活性隨Cd濃度的升高而降低。張靜等[11]在Cd脅迫影響水芹生理特性的研究中發(fā)現(xiàn)，在低濃度Cd2+處理下，試驗組與對照組株高和根數(shù)無區(qū)別（P>0.05），而在高濃度處理下，水芹株高和根數(shù)都顯著減少，鮮重生物量也明顯降低，葉綠素總量、葉綠素a和可溶性蛋白總體也均呈現(xiàn)下降趨勢。總體而言，重金屬Cd脅迫對蔬菜的影響表現(xiàn)為低促高抑的效應。

3? ?重金屬鋅鎘互作對蔬菜的影響

Zn、Cd在元素周期表中同屬于ⅡB族元素，在元素地球化學分類中被列為親硫元素。由于Zn、Cd化學性質相似，人們已經(jīng)注意到Cd與Zn在自然土壤或污泥中的伴生狀況和在植物體內的交互作用。由于Zn-Cd交互作用對蔬菜的影響十分復雜，各學者對其效應的研究結果也不盡相同[12-14]。馬蘭等[12]在研究Zn-Cd復合污染對芹菜養(yǎng)分吸收的影響中發(fā)現(xiàn)：莖葉中P的含量沒有顯著變化;K的含量隨著處理Cd濃度的增加而增加，表明Cd在一定程度上促進了莖葉對K的吸收，Zn抑制了莖葉對K的吸收;Cd和Zn均不同程度地促進了芹菜莖葉對Fe的吸收。這可能與營養(yǎng)元素、植物基因類型、部位以及植物的生長階段等諸因素都有關。史凱麗[13]通過非損傷微測試驗認為，Zn顯著降低了小白菜根系內Cd2+流速率，且抑制程度隨Zn濃度的增加而加大。田間試驗結果也表明，施Zn有降低2個小白菜品種地上部和根中Cd含量的趨勢。Zn對小白菜抗氧化酶活性的影響也主要體現(xiàn)在根中，加Zn能穩(wěn)定或提高小白菜根中抗氧化酶的活性。 同時，王林等[14]對油菜采用溶液培養(yǎng)和體外消化實驗得出結論：噴施Zn肥可顯著降低油菜地上部Cd、Zn的生物可給性，有效減少人體食用油菜攝入Cd的量，提高攝入Zn的量，其中噴施 ZnSO4處理的效果最佳。

4? ? ?問題與展望

重金屬Zn-Cd互作相對于其二者單一脅迫對蔬菜復合污染的研究來說較為滯后，目前，Zn、Cd單一脅迫對蔬菜的研究可大致分為種子萌發(fā)、幼苗生長及生理特性等方面[5-11]，而Zn-Cd交互作用的研究則主要集中在對其養(yǎng)分吸收、重金屬分布和積累以及生物可給性等方面[12-14]，且相關研究相對較少。同時，Zn-Cd交互作用對蔬菜的影響是協(xié)同還是拮抗作用，尚未有一致定論。此外，由于不同品種對重金屬的耐受程度以及敏感度不同、重金屬的濃度不同等因素影響，Zn和Cd對蔬菜生長發(fā)育及生理特性等方面所產(chǎn)生的效應也有較大差異。因此，筆者認為后續(xù)研究可以從以下3個方面展開：①加大Zn-Cd交互作用對不同品種蔬菜的研究力度。Zn、Cd對植物生長影響的研究主要集中于水稻、小麥等谷類作物，研究煙草的也不在少數(shù)，而對食用蔬菜的研究也主要以小白菜、青菜等為主，其他日常蔬菜尚未見過多報道。蔬菜富含各種人體所需維生素，其種植與安全生產(chǎn)也成為大眾所關心的熱點問題之一。對更多蔬菜品種進行研究將為蔬菜的安全生產(chǎn)提供一定的科學依據(jù)。②加強Zn-Cd影響蔬菜生長的分子細胞學研究。重金屬Zn、Cd作為外源刺激信號可以啟動植物體如增加細胞壁多糖組分、誘導細胞膜和液泡膜上金屬轉運子的過表達等一系列應答反應，其分子機理有待研究[15]。因此，弄清楚Zn-Cd影響蔬菜的分子機理，從分子細胞生物學的角度探究出可供良好解決Zn、Cd影響蔬菜安全生產(chǎn)的方法是亟待解決的重要問題。③拓展相關的重金屬緩解劑方面的研究。已有研究表明，生物炭[16]、硅[17]等的添加可以顯著降低土壤中重金屬的有效性，降低重金屬在植物體中的積累量;顯著提高了植物地上部和地下部的生物量?；诖耍_展更多的治理、緩解措施（如重金屬緩解劑）等相關方面的研究在蔬菜安全生產(chǎn)上具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]蔡美芳，李開明，謝丹平，等.我國耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀與防治對策研究[J].環(huán)境科學與技術，2014，37（S2）： 223-230.

[2]周建軍，周桔，馮仁國.我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀及治理戰(zhàn)略[J].中國科學院院刊，2014，29（03）：315-320+350+272.

[3]陳能場，鄭煜基，何曉峰，等.《全國土壤污染狀況調查公報》探析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2017，36（09）：1689-1692.

[4]李虹呈，王倩倩，賈潤語，等.外源鋅對水稻各部位鎘吸收與累積的拮抗效應[J].環(huán)境科學學報，2018，38（12）：4854-4863.

[5]門中華，王穎.鋅在植物營養(yǎng)中的作用[J].陰山學刊（自然科學版），2005，19（02）：8-12.

[6]劉玲麗，頡建明，張帆，等.鋅對青花菜種子萌發(fā)的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2014，49（02）：102-105+111.

[7]王慧先，郭俊云，徐衛(wèi)紅，等.不同白菜品種對鋅的響應及鋅利用效率研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報， 2011，17（01）：154-159.

[8]孫天國，沙偉，接晶.鋅脅迫對甜瓜幼苗生理活性的影響[J].北方園藝，2010（16）： 51-53.

[9]田丹，任艷芳，王艷玲，等.鎘脅迫對生菜種子萌發(fā)及幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J].北方園藝，2018（02）：15-21.

[10]劉思妹，朱毅，郝睿，等.鎘脅迫對蘿卜幼苗生長及相關生理指標的影響[J].北方園藝，2014（04）：13-17.

[11]張靜，趙秀俠，汪翔，等.重金屬鎘（Cd）脅迫對水芹生長及生理特性的影響[J].植物生理學報，2015，51（11）： 1969-1974.

[12]馬蘭，張寶莉，張華，等.鎘鋅復合污染對芹菜養(yǎng)分吸收的影響[J].燕山大學學報，2008，32（06）：530-534.

[13]史凱麗.鋅對小白菜鎘吸收積累的影響及其調控機制[D].華中農(nóng)業(yè)大學，2016.

[14]王林，谷朋磊，李然，等.噴施鋅肥對油菜鎘鋅生物可給性的影響[J].環(huán)境科學，2018，39（06）：2944-2952.

[15]王若男，乜蘭春，張雙雙，等.植物抗重金屬脅迫研究進展[J].園藝學報，2019，46（01）：157-170.

[16]武帥，許佳霖，張進，等.生物質炭協(xié)同伴礦景天-玉米間作修復鋅鎘復合污染土壤研究[J].科技通報，2019，35（02）：205-212+219.

[17]宋阿琳，李萍，李兆君，等.硅對鎘脅迫下白菜光合作用及相關生理特性的影響[J].園藝學報，2011，38（09）：1675-1684.