重金属锌、镉对蔬菜胁迫的研究进展
随着金属矿山开采、工业生产以及农药化肥的过度使用,重金属污染已成为我国主要的土壤环境污染问题。被污染的耕地面积不断扩大,每年因重金属污染造成的直接经济损失达200 余亿元[1-2]。其中,镉(Cd)的点位超标率高达7.0%,是主要的土壤重金属污染来源之一,且因其水溶态和可交换态均能被植物吸收,Cd 极易通过食物链进入人体造成危害[3]。而锌(Zn)和Cd 为同族元素,具有相似的化学性质,二者在生物体中存在复杂的交互影响关系[4],因此,利用Zn 来调控Cd 对生物毒害的研究越来越多[12-14]。目前,人们在重金属锌镉及其交互作用对蔬菜种子萌发、生长发育等方面的研究取得了一定的进展[5-14]。鉴于此,对重金属锌镉污染下蔬菜生长发育所受影响的研究现状进行综述,并对后续相关的治理、缓解措施进行展望,以期为重金属锌镉污染下蔬菜的安全生产提供可能的参考依据。
1 重金属锌对蔬菜的影响
Zn 是人体所必需的一种微量元素,研究表明:动、植物体内的Zn 可以比无机的Zn 更容易、更安全地被人体吸收,在通过食疗补Zn 来改善人体营养方面具有重要的实际意义[5]。Zn 对蔬菜的影响首先表现在种子萌发方面,刘玲丽等[6]以不同Zn2+浓度(0、0.05、0.5、5、10、50、100、200mg/L)的ZnSO4溶液处理青花菜种子,结果表明:青花菜种子的发芽指标随着Zn2+浓度的增加均表现出先升高后降低的变化趋势,不同指标对Zn2+浓度的敏感程度不同,当Zn2+浓度大于100mg/L时,对青花菜种子萌发和生长起到抑制作用。Zn 对蔬菜的生长发育也有一定的影响,王慧先等[7]采用盆栽试验研究了白菜对不同浓度Zn 的响应,结果表明:白菜的生物量及体内锌含量随锌水平的增加而增加;但白菜品种对锌营养反应的敏感性不同。另外,研究锌胁迫对甜瓜幼苗生理活性影响的结果显示,随着锌浓度的增加,过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性先上升后下降;丙二醛(MDA)含量呈逐渐上升趋势;叶绿素含量呈逐渐下降趋势;在Zn2+浓度较低时(50mmol/L)对甜瓜的影响较少,与对照间无差异,而当Zn2+浓度大于100mmol/L 时,Zn2+对甜瓜的毒害较大[8]。以上研究结果均表明低浓度的Zn2+能够对蔬菜生长发育产生一定的积极促进效应。
2 重金属镉对蔬菜的影响
Cd 是典型的土壤重金属污染物之一,能使植物组织细胞产生活性氧,引起膜脂过氧化,进而影响植株生长。种子萌发是作物对外界适应的开始,随着Cd 浓度的升高,生菜种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均表现为不同程度的降低,其中高于10mg/L 胁迫使生菜种子发芽率明显降低,而高于5mg/L 胁迫使发芽指数和活力指数明显降低[9]。幼苗生长也是作物对外界环境最敏感的时期之一,刘思妹等[10]对萝卜幼苗的试验结果表明:Cd 胁迫下,萝卜幼苗根、茎、叶生长均受到抑制,其中根、茎受到的影响最为严重;MDA 含量、可溶性蛋白质含量、CAT 及POD 活性均随处理浓度的增加而增加;抗氧化活性随Cd 浓度的升高而降低。张静等[11]在Cd 胁迫影响水芹生理特性的研究中发现,在低浓度Cd2+处理下,试验组与对照组株高和根数无区别(P>0.05),而在高浓度处理下,水芹株高和根数都显著减少,鲜重生物量也明显降低,叶绿素总量、叶绿素a 和可溶性蛋白总体也均呈现下降趋势。总体而言,重金属Cd 胁迫对蔬菜的影响表现为低促高抑的效应。
3 重金属锌镉互作对蔬菜的影响
Zn、Cd 在元素周期表中同属于ⅡB 族元素,在元素地球化学分类中被列为亲硫元素。由于Zn、Cd 化学性质相似,人们已经注意到Cd 与Zn 在自然土壤或污泥中的伴生状况和在植物体内的交互作用。由于Zn-Cd 交互作用对蔬菜的影响十分复杂,各学者对其效应的研究结果也不尽相同[12-14]。马兰等[12]在研究Zn-Cd 复合污染对芹菜养分吸收的影响中发现:茎叶中P 的含量没有显著变化;K 的含量随着处理Cd 浓度的增加而增加,表明Cd 在一定程度上促进了茎叶对K的吸收,Zn 抑制了茎叶对K 的吸收;Cd 和Zn 均不同程度地促进了芹菜茎叶对Fe 的吸收。这可能与营养元素、植物基因类型、部位以及植物的生长阶段等诸因素都有关。史凯丽[13]通过非损伤微测试验认为,Zn 显著降低了小白菜根系内Cd2+流速率,且抑制程度随Zn 浓度的增加而加大。田间试验结果也表明,施Zn 有降低2 个小白菜品种地上部和根中Cd 含量的趋势。Zn 对小白菜抗氧化酶活性的影响也主要体现在根中,加Zn能稳定或提高小白菜根中抗氧化酶的活性。同时,王林等[14]对油菜采用溶液培养和体外消化实验得出结论:喷施Zn 肥可显著降低油菜地上部Cd、Zn 的生物可给性,有效减少人体食用油菜摄入Cd 的量,提高摄入Zn 的量,其中喷施ZnSO4处理的效果最佳。
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