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华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 中文摘要 砷是自然界中的一种元素，广泛存在于无机环境和有机物中。砷因自然作用或 者人为活动而进入陆地以及水环境中。在我国的湖北、湖南、山西等地方一些土壤 中因为煤炭燃烧以及金属冶炼等原因砷的含量较高，给粮食安全生产、人们生活和 健康带来了威胁。冬小麦和油菜是我国广泛种植的大田作物，在砷污染地区有不同 程度的种植。本文在总结了国内外砷对植物生物有效性研究的基础上，通过土壤培 养和营养液培养试验相结合，以冬小麦和油菜两种作物为材料，应用生理生化研究 法并结合砷的在线形态分离技术，深入研究了冬小麦和油菜两种作物对砷的不同反 应。主要研究结果如下： 1 研究了冬小麦、油菜生长及产量对砷污染的反应。结果表明：当砷浓度为 3 0m g l 以上时，冬小麦根系和茎叶停止生长，趋于死亡而油菜仍能生长。3 0m g l 砷处理时，冬小麦茎叶和根系生物量较对照分别降低了6 6 7 和7 8 3 ；而相同浓 度处理下，油菜的茎叶和根系生物量较对照却分别降低了4 7 5 和2 7 8 ，这说明 油菜较小麦对砷有较高耐性。土培条件下，低浓度的砷促进小麦生长，高浓度的砷 抑制小麦生长和产量。油菜对砷有较高的耐性，不同砷浓度处理没有显著影响油菜 的生长和产量。两种作物的可食用部分砷含量都没有超过安全标准，可以食用。比 较油菜和小麦两种作物对砷污染的不同反应以及砷的累积情况，可知在土壤砷浓度 小于6 0m g & g 时，油菜、小麦都适合种植；当土壤砷浓度为8 0 1 0 0m g & g 时，适 合种植油菜。 2 研究了冬小麦、油菜光合作用特性对砷污染的反应。结果表明：较低的砷水 平显著提高冬小麦、油菜叶片中叶绿素a 、叶绿素b 和类胡萝卜素的含量。不同砷 处理显著降低了冬小麦叶片净光合速率( p n ) 、气孔导度( g s ) 、胞间二氧化碳浓度 ( c i ) 和蒸腾速率( t r ) ，影响小麦光合作用的主要因子是气孔限制。不同的砷水平 提高了油菜叶片的p n 、g s 、c i 和t r ，促进了油菜的光合作用。这可能是砷显著提 高了叶片中叶绿素的含量，同时油菜对砷的吸收较少，砷的毒害作用小使叶片的光 合作用能力升高。不同砷水平处理下，冬小麦、油菜光合作用的不同反应说明砷对 二者光合作用的影响机理不同，具体原因需进一步研究。在不同的生育期，随着土 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 壤中砷浓度的增加，冬小麦的光合作用在低砷浓度处理时增加，高砷处理时显著降 低；而油菜光合作用受砷影响不显著，证明油菜较小麦对砷有更高耐性。 3 研究了冬小麦、油菜养分吸收对砷污染的反应。结果表明：砷主要累积在冬 小麦和油菜的根系，转移到地上部分的量比较少只有根系砷浓度的1 一5 。溶液 培养中，砷促进了小麦茎叶中c a 、m g 的含量，降低了k 和p 的含量；而根系中 c a 、m g 、k 、p 的含量逐渐降低。油菜茎叶中养分元素受砷的影响比较小，但是 c a 、m g 含量有不同程度提高。砷不同程度影响小麦、油菜根系中f e 、m n 、c u 和 z n 等含量。油菜吸收和转移养分元素到茎叶中的能力要强于小麦，尤其油菜将p 、 f e 元素从根系转移到茎叶的能力很强，这可能是油菜较小麦对砷有较高耐性的原因 之一。两种作物根系中f e 和p 是营养元素中最容易受到砷影响的两种元素。 4 研究了砷污染下不同磷肥浓度对冬小麦、油菜生长的影响。结果表明：缺磷 时，高砷处理对油菜的毒害程度要比小麦严重；施入适当的磷肥后，油菜表现出对 砷污染有较高的耐性，生长和产量不容易受到影响，磷肥显著降低了砷对油菜毒害。 砷污染下，小麦受磷的影响不大，磷肥的施用对降低砷对小麦的毒害有一定作用， 但效果不十分明显。在2 0 0m g k g 砷污染的土壤中，适当施用磷肥，对小麦和油菜 的生长有利，但是过高的磷肥会加重砷对小麦的毒害。在砷高度污染的土壤中，更 适合种植油菜。 5 研究了冬小麦、油菜体内砷含量和形态的变化。结果表明：冬小麦能够积累 较高浓度的砷在体内。相较于冬小麦，油菜吸收累积砷的浓度要比冬小麦低。进入 植物体内的砷，主要存在于冬小麦和油菜的根系，转移到地上部分的砷含量很低， 为根系砷浓度的0 2 一1 5 。砷主要以无机三价态和五价态存在于冬小麦和油菜 的根系和叶片中，且三价态的砷含量高于五价态砷的含量。随着溶液中砷浓度的提 高，三价态的砷含量显著提高，而五价态砷含量变化不大。 6 研究了冬小麦、油菜酶系统和非酶系统对砷污染的反应。结果表明：砷胁迫 下，两种作物通过酶系统( s o d 、c a t 和p o d ) 和非酶系统( v c 、s h 、g s h 和 p c s ) 的反应抵抗或降低砷对作物体本身的伤害。小麦酶系统在其抵抗砷毒害过程 中发挥的作用不明显，它主要是通过非酶系统的作用来降低砷对自身的毒害；而油 菜在较低砷浓度处理( 0 - - 8m 班) 时，酶系统和非酶系统均非常活跃，二者共同 作用来抵抗砷的毒害：在8 1 6m g l 砷处理时，油菜通过非酶系统的作用来实现对 自身的保护。 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 关键词：砷；毒性；冬小麦；油菜；抗氧化酶；光合作用；养分元素；磷肥施用 1 1 i 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 r e s e a r c ho nd i f f e r e n c ei nr e s p o n s eo fw i n t e rw h e a t ( t r i t i c u m a e s t i v u ml ) a n dr a p e ( b r a s s i c an a p u s ) t oa r s e n i c c o n t am i n a t i o n a b s t r a c t a r s e n i ci sat o x i ce l e m e n tw i d e l ye n c o u n t e r e di nt h ee n v i r o n m e n ta n di no r g a n i s m s a r s e n i cc a ne n t e rt e r r e s t r i a la n da q u a t i ce n v i r o n m e n t st h r o u g hb o t hn a t u r a lf o r m a t i o n a n da n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e s i ns o m ea r e a so fh u b e i ，s h a n x i ，y u r m a n , a n dh u n a n p r o v i n c e so fc h i n a , s o i la r s e n i cc o n c e n t r a t i o n si sm u c hh i g h e rc o m p a r e dw i t ho t h e r p r o v i n c e sb e c a u s eo f c o a lf u e l sa n dm e t a ls m e l t e r s i nc h i n ab o t hw i n t e rw h e a ta n dr a p e l i v et h r o u g ht h ew i n t e ra n dt h e ya r e t h em a i nc r o p si nt h e s ea r e a s h i 曲a r s e n i c c o n c e n t r a t i o n si ns o i lo rw a t e rm a yl e a dt oe l e v a t e dc o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i ci nt h e g r a i n so ft h e s et w oc r o p so ri ns t r a wa n dg i v eh i g hr i s kt oh u m a n sh e a l t h b a s e do nt h e r e v i e w so fs o i la r s e n i cp h y s i c a la n dc h e m i c a la c t i v i t i e sa n da r s e n i cb i o a v a i l a b i l i t yt o p l a n t s ，s o l u t i o nc u l t u r ea n ds o i lc u l t u r ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h e d i f f e r e n tp h y s i o l o g i c a lr e s p o n s e sb e t w e e nw i n t e rw h e a ta n dr a p ew h i c ha r ep l a n t e di n a r s e n i cp o l l u t e ds o i l t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ee f f e c t so fa r s e n i co nt h eg r o w t ha n dy i e l d so fw i n t e rw h e a ta n dr a p ew e r e i n v e s t i g a t e du n d e ra r s e n i cs t r e s s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r o w t ho fw h e a ts h o o t s a n dr o o t ss t o p p e dw h e ns o l u t i o na r s e n i cw a sm o r et h a n3 0m g lb u tr a p ed i dn o t c o m p a r i n g 诹t ht h ec o n t r o l ，t h es h o o ta n dr o o tb i o m a s so fw h e a td e c r e a s e db y6 6 7 a n d7 8 3 ，w h i l et h o s eo fr a p ed e c r e a s e db y4 7 5 a n d2 7 8 ，r e s p e c t i v e l y i ti m p l i e d t h a tr a p eh a sh i g h e rt o l e r a n c et h a nw h e a tu n d e ra r s e n i cs t r e s s i ns o i lc u l t u r ee x p e r i m e n t s ，w h e a ty i e l d sw e r ee l e v a t e da tl o wr a t e so fa r s e n i c a d d i t i o n ( 岩成土 饱和硅铝 土 钙成土与石膏盐成土 富铝土 不饱和硅铝土( 魏夏盛等，1 9 9 1 ) 。但是全国土 壤砷背景值同时出现地域性分异规律，各大自然区土壤砷背景值呈现青藏高原区 西南区 华北区蒙新区 华南区 东北区( 陈静生等，1 9 9 4 ) ：在我国北部荒漠与草 原地带土壤砷自然含量从东到西呈明显递减趋势。 1 1 3 砷在土壤中的形态 进入土壤中的砷，通过径流机械作用、物理化学作用和生物作用，最终有3 种 2 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 去向：部分水溶性砷和黏土颗粒吸附砷随径流进入水体；绝大部分砷通过吸附沉降、 离子交换、络合、氧化还原等理化作用滞留在土壤中以及经过生物吸收而进入生物 体内( 张国祥等，1 9 9 6 ) 。进入土壤中的砷能够在4 8 小时内被土壤快速的吸附固定， 在接下来的几个星期吸附就非常缓慢了( w i l l i a n se ta 1 ，2 0 0 3 ) 。砷在土壤中主要以无 机态的形式存在，其存在形态主要与土壤中砧、f e 、c a 的含量有关，而与有机质和 硅的含量关系不大( 舢锄e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。b a l a s o i u 等的研究也表明，土壤中有机质含 量、高岭土含量和砂的含量对土壤砷的吸附没有影响。土壤中的砷主要是与一些金 属离子或者是金属的氧化物结合吸附产生共生沉淀。水溶态的砷浓度很低，一般小 于总砷的5 。随着土壤中砷的增加，各种形态砷都相应的增加，固定态砷占总砷的 百分比增加，而水溶态砷占总砷的百分比随砷浓度的增加明显降低( 李道林等， 2 0 0 0 ) 。c h a n g 将土壤中的砷分为以下5 种形态：( 1 ) 吸附态砷( a a s ) ；( 2 ) 铝型砷 ( a 1 触) ；( 3 ) 铁型砷( r e - a s ) ；( 4 ) 钙型砷( c a a s ) ；( 5 ) 被包蔽型砷( o a s ) 。不同土壤质 地砷的形态含量不同( 樊文华等，1 9 9 4 ) 。如表1 ： 表1 不同土壤中砷形态的百分含量 t a b l e la r s e n i cc o n c e n t r a t i o n si nd i 仃e r e n ts o i l 砷在土壤中主要以阴离子形式存在，主要有五价和三价两种价态。在酸性与氧 化条件下，砷主要以a s 0 4 3 的形式存在；而在还原与碱性条件下，土壤中的砷主要 以a s 0 3 3 形式存在( 宋书巧等，2 0 0 4 ) 。根据前人的研究结果，土壤中的砷一般以 触( v ) 为主，但是在有机质含量高的一些地方，a s ( v ) 的含量会降低，而a s ( i i i ) 的含 量增加。这可能是土壤中微生物多使土壤中的氧气供应不足，加上氧化还原电位的 降低综合作用的结果。p o n g r a t z 研究了土壤、土壤水和雨水中的砷化合物，发现在 严重砷污染的土壤( 土壤砷含量超过2 0 0 0 x1 0 咱) 中存在着砷的甲基化作用( p o n g r a t z e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。尽管甲基砷的含量特别底，但是说明了土壤中存在有机态的砷，并且 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 无机砷在微生物的作用下可以转变为有机砷。 1 1 4 影响土壤中砷的形态、吸附和毒性的因素 1 1 4 1p h 和e h 与砷的吸附和形态转化的关系 土壤的p h 值对土壤砷的浓度、形态和毒性都有非常明显的影响。改变土壤的 p h 值，将显著改变土壤水溶态砷的含量。在一些土壤中，在p h 4 8 的范围内，a s 升 在p h 6 9 7 时主要以h a s 0 4 2 存在。t o k u n a g a 等的试验表明，土壤对砷的吸附量随p h 值的变化呈抛物线变化( t o k u n a g aa n d h a k u t a , 2 0 0 2 ) 。在p h 值2 7 的范围内，土壤对砷的吸附力较强，在p h 4 左右，吸 附量最大，而当p h 1 0 或者 1 时，土壤颗粒对砷的吸附很少。土壤砷主要以水溶态 存在，水溶态砷容易被植物吸收而对作物产生毒害，或者进入食物链而对人体健康 产生潜在的危险。有研究表明，砷化物对水稻的毒性与砷化物的化学性质及其在土 壤中的溶解性有关，在酸性条件下，亚砷酸不像砷酸那样容易被土壤吸附固定，但 可以使砷酸钙溶解度大大提高；砷酸铁在酸性土壤和还原条件下，f e ”容易还原为 f e 2 + ，同时使a s 5 + 还原为a s 3 + ，从而提高砷的溶解性和对水稻的毒性( 李小平等， 1 9 9 6 ) 。 有人通过试验研究了三种土壤在不同p h 下对a s 3 + 和赴5 7 的吸附曲线，表明在 p h 4 8 范围内，3 种土壤对a s 5 + 的吸附量为：砖红壤为1 1 3 0 2 5 8 0m g k g ，红壤为 5 4 0 - 2 1 0 4m g k g ，黄棕壤为5 3 0 1 0 6 0m g k g ，且随着p h 的升高3 种土的吸附量都逐 渐下降；在p h 4 5 9 范围内，3 种土壤对a s 3 + 的吸附量为：砖红壤为1 4 4 0 - 2 7 0 0m g k g ， 红壤为1 2 2 0 2 2 8 0m g k g ，黄棕壤为4 4 0 - 1 3 4 0m g k g ，且随着p h 的升高3 种土的吸 附量都逐渐增多。可见不同p h 下土壤砷的形态和含量相差比较大。在土壤中，砷 主要使通过阴离子交换机制而被专性吸附。其化学反应过程可以用下面方程表示( 陈 同斌，1 9 9 6 ) 。 土壤颗粒( o h ) n + h 3 - n a s 0 4 + p 土壤颗粒一h 3 - n a s 0 4 + n o h 从方程可以知道，当体系的p h 升高时，有利于反应向砷的解吸方向进行，反 之，当p h 降低时，则利于砷的吸附。土壤溶液为强酸性时，溶液中的o h 。离子很少， 4 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 因此，几乎不与砷酸盐阴离子竞争吸附点位，砷酸根离子大量吸附在土壤颗粒的表 面，此时的吸附量很大；当升高体系的p h 值时，溶液中的o h 逐渐增多。它们会与 砷酸根阴离子竞争吸附点位，从而使吸附量减少( 陈静等，2 0 0 3 ) 。一般来说，酸性 环境( p h = 4 7 ) 有利于砷的吸附。在吸附反应中跟踪反应体系的p h 变化，发现体系 的p h 升高说明有o h 。离子被置换出来( 陈静等，2 0 0 3 ) 。 土壤的氧化还原电位嘞) 对土壤中砷的形态和吸附有重要的影响。在氧化状态、 通透性强的土壤中，土壤的氧化还原电位比较高。土壤中砷酸盐是主要的形态。但 是当土壤处于淹水、透气性差的条件下，土壤的氧化还原电位会降低，亚砷酸盐成 为主要的形态。相关研究表明，a s 3 + 的毒性要比a s 5 + 的毒性大的多。土壤介质中， 赴3 + 和a s 5 + 是同时存在的。这说明，土壤中的触3 + 和舡5 + 之间可以通过氧化还原 反应而发生价态的转变，二者之间存在者一种动态的平衡关系。根据有关学者的推 导结果( 潘佑民等，1 9 8 8 ) ，在温度为2 5 的酸性条件下，二者相互转化的临界e h 可以采用方程( 2 ) 进行计算： e h = 0 5 5 9 + 0 2 9 5l o g ( h 3 a s o 肌$ 0 2 ) - - 0 0 5 9 p h 水稻入的土壤溶液p h 值一般在5 5 7 之间。根据两种形态砷相互转化的临界值，计 算得出不同条件下临界e h 大约在1 0 6 2 2 0m v 的范围( 陈同斌，1 9 9 6 ) 。日本学者曾 经研究过土壤中a s ”和a s 5 + 相互转化与体系e h 的关系。其结果表明，在水田土壤 中，当e h 1 0 0m v 时，土壤就有产生舳 的可能。 1 1 4 2 土壤成份对砷的吸附和形态的影响 进入土壤中的砷主要被土壤中舢、f e 、m n 、c a 等金属氧化物吸附而产生共生 沉淀。陈静等研究表明，不同矿物成份的土壤对砷的吸附能力不同，针铁矿与无定 型化合物对红壤吸附砷影响很大。土壤粒径对砷的吸附也有很大影响，粒径越小， 比表面越大，吸附砷能力越强。由于不同类型土壤a e c 大小不同，土壤活性砷含量 也不同。a e c 越大，则活性砷含量高。因为活性砷在土壤中以阴离子形式存在，所 以a e c 越大，吸附砷酸根和亚砷酸根的能力越强，土壤活性砷含量越高( 李道林等， 2 0 0 0 ) 。一些研究认为土壤有机质与土壤中的砷并没有较好的相关性。在我国，土壤 对砷酸根的吸附量有如下规律：黄土 黑土 黄棕壤 谷壳 谷粒。p a v e lt l u s t o s 等人研究发现在 a s ( i i i ) 、a s ( v ) 、d m a 三个处理中，萝卜根的生物量要显著高于叶片的生物量，而 叶片和根部砷的浓度没有显著的差异，因而根部中积累的砷的量要高于叶中积累的 砷的总量( t l u s t o s ，2 0 0 2 ) 。但是在砷的超积累作物蜈蚣草中，植物吸收砷中大约有 9 5 集中在地上部分，而根中积累的砷很少( z h a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 植物体中a s 主要是以无机态存在。刘志红等人通过离子交换树脂静态吸附和溶 液萃取相结合的分离技术，分析了植物中砷的四种形态：无机三价砷和五价砷、一 甲基胂、二甲基胂，在蕨、大白菜、鬼针草中无机态砷是主要的形态( 刘志红等， 1 9 9 4 ) 。m a 等指出用l ：1 的甲醇：水提取蜈蚣草砷，绝大部分是以无机态存在，可检测 的有机态砷含量很少( m ae ta 1 ，2 0 0 1 ) ，这个结论在后来的研究中也得到了进一步的 验证。何孟常、杨居荣研究发现水稻籽实中存在的砷主要是与表观分子量为5 4 5 l ( d 和5 5 k d 的不太稳定的蛋白质形成结合体( 黄泽春等，2 0 0 3 ) 。在砷超积累植物大叶 井口边草和蜈蚣草以五价吸收的砷在植物体内还原为三价砷。m a 等发现蜈蚣草叶中 6 0 - 7 4 的砷以a s ( i i i ) 存在，而根中砷主要以a s ( v ) 存在，仅有8 3 的砷以a s ( n i ) 形式存在，表明a s ( v ) 在从根部转移至叶的过程中被还原为a s ( i i i ) 。五价砷还原为 三价砷似乎成为蜈蚣草解毒机制中必不可少的过程，有机配位体将与这些自由的三 价砷结合以避免对细胞的伤害。然而相反的报道指出，萝卜根部a s ( i i i ) 是主要形态， 而a s ( v ) 大部分被转移至叶片q b ( t l u s t o s ，2 0 0 2 ) 。这相反的结论可能与蜈蚣草是砷的 超积累作物而萝卜只是普通的作物有关。 8 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 1 2 3 砷对植物的毒性以及植物对砷的耐性 1 2 3 1 砷对植物的毒性 砷对生物都具有毒性。土壤中微量的砷可以刺激植物的生长发育，但是过量的 砷对植物具有毒性，其毒害主要表现在伤害根系、抑制根系的活性( 张国祥等，1 9 9 6 ) 。 国内外关于砷毒性的研究较多集中在水稻上。廖宝凉等发现当溶液中砷的浓度 o 1m g l 时，砷开始表现出对水稻的毒 性作用；当砷的浓度 5m g l 时，砷的毒性作用更加明显，水稻枯萎濒于死亡( 廖 宝凉等，1 9 9 6 ) 。砷毒害能使作物种子萌发时q 一淀粉酶活性降低，使水稻幼苗还原 糖、非还原糖、可溶性总糖含量增加，q 一淀粉酶、1 3 一淀粉酶、蔗糖磷酸化酶活 性下降，导致水稻幼苗碳代谢紊乱等( j h ae ta 1 ，2 0 0 4 ) 。a b e d i n 发现，随着灌溉水中 砷的浓度的提高，水稻生物量、谷粒产量显著降低，根系的生长发育受到明显抑制。 但是谷粒中砷的含量并没有超过最大允许量1m g l ( g 。陈同斌等研究表明，施a s ( i i i ) 和a s ( v ) 对水稻株高的增长都有十分明显的抑制作用，尤其是a s ( i i i ) 的抑制作用更 加严重。在所有施砷的处理中，水稻各时期的分蘖数和株高都比不施砷的处理要低 的多。同时还发现土壤p h 影响砷对植物的毒性，原因在于土壤p h 越高土壤溶液中 的a s ( i i i ) 和a s ( v ) 和总砷的浓度就越高，故植物受到的毒性就越强( 陈同斌，1 9 9 6 ) 。 韩照祥等人研究表明a s ( i i i ) 对小麦种子发芽率具有极强的抑制作用，发芽率与 a s ( i i i ) 浓度呈极显著的负相关( 韩照祥等，2 0 0 2 ) 。水培条件下当砷的浓度在5 0m g l 以上时，小麦幼根形态上表现出受害症状；随着砷浓度的提高，小麦胚根、次生根 条数减少，总根长度、胚芽长度缩短、根体积、干重也较对照减少( 朱云集等，2 0 0 0 ) 。 砷可以引起植物叶片叶面蒸腾能力下降，阻碍作物水分运输，抑制水分从根部 到地上部分运输。砷降低叶绿素含量，干扰植物光合作用，如水培条件下，二甲基 砷酸能明显降低水稻的光合速率、叶面积和干物质重( m a t i ne ta 1 ，1 9 9 3 ) 。 1 2 3 2 植物对砷的耐性 不同植物对砷的耐性不同。一些作物对砷的忍耐性顺序为：马铃薯 水花生 空 心菜 烟草 花生 辣椒 生姜 水稻，一般地水生植物比旱地作物对砷敏感。蜈蚣 草( p t e r i sv i t t a t a ) 、大叶井口边草( p t e r i sc r e t i c a ) 粉叶蕨( p i t y r o g r a m m ac a l o m e l a n o s l ) 等被确定为砷超积累植物( c a oe ta 1 ，2 0 0 4 ；韦朝阳，2 0 0 2 ) ，其中蜈蚣草可以在叶 片中积累2 3 的砷而不出现明显的中毒症状。由于对砷强大的富集能力和可观的生 9 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 物量，超积累植物日益受到重视，并逐步被用于砷污染土壤修复中( 韦朝阳，2 0 0 2 ； 刘小梅，2 0 0 3 ) 。选择超富集植物应遵循3 个标准，即：地上部元素含量 1 0 0 0m g k g ( 以干重计) ；生物富集系数高( 植物地上部与其生长介质中重金属含量之比) ； 重金属在植物冠根部之间的含量比值大于l 。 目前，国内外己发现了4 3 0 多种超富集植物，其中8 0 是镍( n i ) 超富集植物。我 国已报导了1 2 种金属和重金属的超富集植物，如表1 ( 涂书新和韦朝阳，2 0 0 4 ) 。植 物超富集机理对于生物修复技术研究十分重要，其中植物对a s 超富集机理研究是国 际生物修复领域研究的热点和前沿之一。我国是世界a s 污染与危害最严重的地区之 一，研究a s 污染的修复具有重要的实际意义。近几年，围绕a s 超富集植物娱蛤草 ( p t e r i sv i t t a t al ) 的研究较多，关于娱蛤草a s 超富集及解a s 毒机制的研究主要包 括具吸收、积累a s 及耐a s 毒机制等。 表1 我国发现的超富集植物 t a b l e1h y p e r a c c u m u l a t i n gp l a n t si d e n t i f i e di nc h i n a 1 2 4 砷对植物吸收养分的影响 1 2 4 1 砷对植物吸收k 和p 的影响 1 0 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 砷的不同形态对植物养分吸收的影响也不相同。如m m a a 和d m a a 都显著降 低了s p a r t i n aa l t e r n i f l o r a 茎叶和根系中k 的含量，随着根系砷酸盐的提高，b u s h 豆 根系中k 含量降低( w a l l a c ee ta 1 ，1 9 8 0 ) ；m a t i n ( 1 9 9 2 ) 发现随着溶液a s 含量升 高，稻米k 含量显著降低( m a r 王ne ta 1 ，1 9 9 2 ) 。k 含量降低可能是n a 与k 竞争的结 果，因为a s 都是以n a 盐的形式加入的；有机砷盐会引起更高n a 浓度而减少植物 对k 的吸收。 a s 和p 是同族元素，有很多相似性质。s p a r t i n aa l t e r n i f l o r a 根系p 浓度显著受 到a s 形态和浓度的影响，施用有机a s 使根系p 浓度显著降低，这可能是因为a s 破坏了根系细胞新陈代谢( c a r b o n e l le ta 1 ，1 9 9 8 ) ；低浓度无机砷可以提高植物p 含 量，这可能是因为进入植物体内的a s 不能代替植物体中p 在能量转化中的作用， 因此随着a s 浓度提高，植物吸收p 以抵抗砷对植物的毒害作用( c a r b o n e l le ta 1 ， 19 9 8 ) 。植物对砷的敏感性与p 营养密切相关，磷酸根和砷酸根共用一个吸收系统， 但磷一砷转运子对磷酸根具有更高的亲和力，p 将比心更易被吸收，所以增加p 水 平可减少砷吸收；细胞中的p 更有效地与a s 竞争a t p ，进一步减轻细胞a s 的毒性 ( w a l t e re ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 一般地，过高的砷浓度会抑制植物对p 的吸收，但是在a s 超积累植物蜈蚣草 的茎叶中含有比根系更高的p ，并且新叶片p 含量高于成熟老叶片。在无a s 加入时， 磷转运系数( f r o n d s r o o t ) 是1 5 2 2 ；而缸存在时，转运系数降低到1 0 1 6 ，随着 触浓度提高，大量p 被蜈蚣草保留在根部( t u e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。当外界砷浓度含量较低 时，a s 有利于蜈蚣草茎叶p 和k 积累，这有益于低浓度a s 刺激植物生长。茎叶p a s 为1 o 可以作为蜈蚣草能够正常生长的一个衡量指标。 1 2 4 2 砷对植物中、微量元素吸收、积累的影响 有机触能显著提高叶片c a 浓度以抵御金属产生的毒害。m a t i n ( 1 9 8 9 ) 报道 有机和无机砷均提高了水稻茎叶c a 含量。有报道指出，a s 能够解脱氧化磷酸化， 干扰根系和叶片中m g 的累积。舢能够改变蜈蚣草中营养元素的组成，在2 0 5 0 r a g & g a s 土壤中，新叶c a 、m g 含量显著升高；其他浓度下，c a 、m g 含量都显著 下降( s c h i c k l e ra n dc a s p i ，19 9 9 ) 。 砷对植物微量元素吸收的影响不同。z n 、f e 、m n 含量在蜈蚣草茎叶和根系中 都显著升高，且根系比茎叶累积更高的z n 、f e 、m n ，而新叶片中较老叶片累积更 多的z n 、f e 、m n ( t ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。但砷显著降低了马铃薯植株b 、c u 、m n 和z n 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 含量( s a n d a l i oe ta 1 ，2 0 01 ；g u s s a r s o ne ta 1 ，19 9 6 ) 。 1 2 5 植物对砷的生理反应及其耐砷机理 1 2 5 1 砷对植物体抗氧化系统的影响 重金属( a s 、p b 、c d ) 污染物能诱导产生自由基，破坏植物细胞中的大分子， 如蛋白质、质膜和d n a ( f ua n dh u a n g ，2 0 0 1 ) 。随土壤砷浓度增加，小麦根系s o d 活性降低，膜脂过氧化产物m d a 含量呈升高趋势，根系质膜透性也增加，且膜透 性与土壤中砷浓度呈显著正相关( 朱云集等，2 0 0 0 ) 。植物体内五价砷向三价转化的 过程中会诱导s o d 和c a t 等酶活性提高。朱云集等发现，无论是a s ”还是a s 5 + 都 能够提高z e am a y ss o d 和c a t 活性。蜈蚣草中s o d 、c a t 、g p x 和a p x 的活性 随着a s 浓度提高而提高，到了高舡浓度下降低( t ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。这些酶相互作用 减少了活性氧对植物的伤害，减轻了砷对植物的毒害作用。 1 2 5 2 植物解砷毒的机理 国内外均关注植物解砷毒的机理。h a r t l e y 等发现无机砷胁迫导致作物产生活性 氧，活性氧可能产生于五价砷向三价砷转化过程，导致抗氧化酶( 如超氧化物歧化 酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽转运酶) 和一些非酶类抗氧化剂( 如谷胱甘肽、抗坏血 酸) 的合成。谷胱甘肽即是一种抗氧化剂，也是植物螯合蛋白( p c s ) 的合成前体， 谷胱甘肽( g s h ) 以及源于g s h 的植物螯合肽( v c s ) 对解除重金属毒害具有重要作 用( 蔡宝松等，2 0 0 3 ；李文学等，2 0 0 3 ) 。p c s 首先与重金属离子结合形成低分子量 复合物，以此形态经由细胞质进入液泡后，再与一个分子的植物螯合肽结合，形成 对植物组织毒性较小的高分子量复合物，从而达到缓解重金属毒害的作用( 蔡宝松 等，2 0 0 3 ) 。不论是耐砷作物还是对砷敏感的作物，a s 能够诱导p c s 合成，a s p c s 合成被认为是很多植物抵抗舡毒性的主要机理( s c h m o g e r e ta 1 2 0 0 0 ) 。 含有硫醇基的化合物如谷胱甘肽、植物螯合肽被认为是三价砷的配合体( z h a n g e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。在砷耐性植物印度芥菜中，舡主要以g s h 结合态存在，在砷超积累作 物大叶井口边草中也存在g s h 结合态砷。只是在大叶井口边草这类超积累植物中， g s h 对砷的络合并不是解除砷毒的主要机制。植物将五价砷还原为三价砷，然后三 价砷与配位体螯合，形成的复合物被储存在液泡中，从而避免细胞受到砷毒害。t u 等发现随着土壤舡浓度提高，蜈蚣草茎叶中g s h 水平逐渐上升，尤其是成熟的老 1 2 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 叶片；而在根系中，各个处理之间差异不大( t ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 舡3 + 和舡5 + 毒害下海藻都产生植物络合素p c 2 3 ，但在a s 5 + 毒害下较a s 3 + 有更 多的植物络合素出现，表明五价砷比三价砷更容易被吸收利用。在偏碱性条件下， 一s h 基能够从g s h 和p c 里面分离出来；在酸性条件下，砷络合物主要以酸性不 稳定和稳定两种形态存在。在酸稳定的a s s h 复合物中，s h ( p c 2 ) 与s h ( g s h ) 的比为2 ：1 ，即1 分子p c 2 ( 包含两个一s h ) 和1 分子g s h 与1 个a s 原子在细胞 内结合形成复合物。然而细胞a s 的总浓度要大于非蛋白巯基含量，即并不是海藻体 内所有的砷都被巯基结合，起到抵抗砷毒害的作用( p a w l i k s k o w r o7 n s k ae ta 1 m ， 2 0 0 4 ) 。因此，谷胱甘肽一方面作为抗氧化剂可以清除砷胁迫产生的活性氧；另一方 面还可以与a s 络合保护植物细胞免受a s 氧化胁迫。但是p c s 合成导致了谷胱甘肽 的消耗，减少了可用于消除活性氧的抗氧化剂的数量。有关调节谷胱甘肽两种作用 的机制还需要深入研究。 1 2 6 存在的问题 综上所述，国内外对土壤砷污染研究比较活跃和深入，近年来土壤砷污染的植物 修复成为研究热点。但在砷对作物的生理毒害及其机制，以及减害的栽培措施方面 研究尚不能满足需要，这就制约了土壤砷污染及其治理研究成果在实践中的有效应 用。 砷对作物的毒害研究多从种子萌发、脂质过氧化、生长发育和产量方面开展， 最近关于砷在植物体尤其是超积累植物和砷耐性植物体内的存在形态研究有了新的 进展。但是关于砷对植物其它元素吸收以及代谢的影响研究尚不多，如砷对作物氮 和磷代谢的影响及其机理，砷对作物激素的影响及其机理等。砷对作物生理过程的 影响及其机理研究多集中在苗期阶段，缺乏对砷毒害作物生长发育全过程的系统性、 机理性和应用性的探讨，如砷毒害条件下，作物的生长发育规律、生理反应的全生 育期监控和减害栽培技术探讨等。 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 第2 章研究的背景、目标、内容和技术路线 2 1 研究的背景 目前，在世界范围内，重金属的污染已经成了一个研究热点。在我国，随着生 产生活节奏的加快，工业废水和废弃物的排放，农业化肥、农药的不合理的大范围 施用以及矿产的不合理开发和使用，使我国的环境问题越来越突出。农田重金属污 染现象显著增加，大面积的农田被污染抛荒。现在全世界每年释放的金属污染物质 对于环境的毒害已经远远超过所有放射性和有机污染物质的总和，而其中以砷等重 金属的污染最为严重；欧洲、北美洲和亚洲的一些地区土壤中砷等重金属已经超过 了自然环境的净化能力。砷可以引起皮肤癌、膀胱、肝脏、肾、肺和前列腺以及冠 状动脉等疾病和所谓黑足病等慢性砷中毒。发现的这些事实促使人们对砷污染有了 高度的重视。人们从砷的种类对水稻等作物的毒性、不同土壤环境中砷的形态方面 进行了大量的研究。例如，廖宝凉等发现当溶液中砷的浓度 o 1m g l 时，砷开始表现出对水稻的毒性作用；当砷的浓 度 5m g l 时，砷的毒性作用更加明显，水稻枯萎濒于死亡( 廖宝凉等，1 9 9 6 ) i a b e d i n 发现，随着灌溉水中砷的浓度的提高，水稻生物量、谷粒产量显著降低，根 系的生长发育受到明显抑制；陈同斌等研究表明，施a s 3 + 和a s 5 + 对水稻株高的增长 都有十分明显的抑制作用，尤其是a s 3 + 的抑制作用更加严重。由于砷在水田条件下 发生五价和三价之间的转换，毒性也随之变化，因此一般情况下水田作物要比陆地 植物对砷敏感。冬小麦、油菜等是普遍种植的旱田作物，对重金属有一定耐性。朱 ( 2 0 0 0 ) 等研究表明，随土壤砷浓度增加，小麦根系s o d 活性降低，膜脂过氧化产 物m d a 含量呈升高趋势：根系质膜透性增加，且膜透性与土壤中砷浓度呈显著正 相关( 朱云集等，2 0 0 0 ) ；e b b ( 1 9 9 7 ) 等研究表明，油菜等芸薹属植物对重金属有 较高的耐性和吸收能力。然而，关于油菜、小麦对砷污染的反应、砷在小麦、油菜 体内存在的形态和转化，砷对二者养分吸收、光合作用等方面的研究还比较少。 我国的内蒙古、山西、湖北、湖南、贵州和云南等省份地区，不同程度存在砷 的污染。陈同斌( 2 0 0 2 ) 等研究发现，在我国湖南矿区附近砷污染的农田面积非常的 广阔且在不同程度上污染了地下水，给人们的生产生活和生命安全带来了严重的威 胁。在砷污染地区，冬小麦、油菜都有较大范围的种植。但是关于冬小麦、油菜在 1 4 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 砷污染下的生长、产量、体内累积砷含量、植物体生理生化的反应等方面研究还比 较少。同时，大田作物对砷污染土地的修复效率以及哪种作物更适合种植等方面的 研究还是一个崭新的研究领域。因此本研究以冬小麦、油菜两种秋播作物为研究对 象，首先从冬小麦、油菜生长对砷污染的不同反应入手，研究砷对冬小麦、油菜的 光合作用特性的影响、砷对两种作物养分吸收的影响、砷在两种作物体内的存在形 态和含量、作物的抗砷毒害的机理以及不同磷肥浓度下砷的吸收、分布的变化。系 统阐述秋播作物冬小麦、油菜在砷污染下的反应及其原因。为深入了解砷对作物的 毒害作用，砷在植物中的存在形态，砷对植物的毒害机理，为砷污染土壤的环境修 复提供理论和实践，因此具有重要的理论和现实意义。 2 2 研究的目标 从生长发育、养分吸收、光合特性、抗氧化系统活性及砷吸收与形态分布等方 t 面比较冬小麦、油菜对砷污染反应的差异及其机制，为选择合适作物种类、种植模 式修复砷污染土壤、控制农产品砷污染，建立农艺措施修复砷污染农田提供理论和 技术支持。 2 3 研究的内容 ( 1 ) 研究不同砷浓度处理对冬小麦、油菜产量的影响及其生物有效性 研究土培条件下：0 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0m g 瓜g 砷处理下冬小麦和油菜的生 物量、产量等生物学性状；不同生育期植物体内砷含量的变化、磷含量的变化规律。 研究砷胁迫下冬小麦和油菜的根系生长和形态变化的规律。 ( 2 ) 研究不同砷处理对冬小麦、油菜光合作用特性的影响 研究水培条件下冬小麦和油菜苗期的叶绿素变化、净光合速率( p n ) 、气孔导度 ( g s ) 、胞间二氧化碳浓度( c i ) 蒸腾速率( t r ) 和气孔限制值( l s ) ；研究土培条 件下两种作物不同生育期光合作用特性指标的变化。 ( 3 ) 研究不同砷浓度处理对冬小麦、油菜养分吸收的影响 水培条件下研究不同砷浓度处理下冬小麦和油菜的叶片、根系中营养元素的含 量和吸收量以及营养元素的转移系数。 ( 4 ) 研究不同磷肥浓度下砷的吸收、分布和对作物生长、产量的影响 冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究 土培条件下研究不同磷水平时砷对冬小麦和油菜生长及生物学特性的影响，研 究砷、磷的分别累积规律。 ( 5 ) 研究砷在冬小麦、油菜体内的存在形态及含量 水培条件下研究砷在植物体叶片、根系中的存在价态和含量 ( 6 3 研究砷胁迫下，冬小麦、油菜的生理反应及其解毒机理 水培条件下研究冬小麦和油菜抗氧化酶系统的变化( s o d 、c a t 、p o d ) 和 非酶系统的变化( - s h 、g s h 、g s s g 、p c s 、v c 、m d a ) 1 6 华中农业大学博士学位论文2 0 0 8 刘全吉 2 4 技术路线 冬小麦、油菜两种作物 水培油菜、小麦( 苗期)土培油菜、小麦( 全生育期) 砷对生长和养分吸收 小麦 油菜砷处 不同磷 i 砷对光合作用的影响 的影响 拔薹理下 砷条件 对小 节、 期、油 麦、油 光合 灌浆花蕾菜、 菜生长 作用 茎叶 期光期光小麦 的影响 指标叶绿和根 根系 生物 合指 合指生物 ( 生物 p n 素含 系的 生长 量及 标及标以学特 学特 征、磷 g s量变养分砷含 磷、 及磷性、 砷含 t r化吸收 变化 量 砷含砷含 种子 量、累 c i 变化 量的量的内砷 积转移 系数 变化变化含量等) 砷对小麦、油菜生长的影响及其生物有效性 m d a g s h 根系中茎叶中 s o d g s s g p c s 的含砷的含砷的含 c a t s h a s a 量 量和形量和形 p o d 态图谱态图谱 蛋白质 “，上l r l b w 抗氧