微量元素铜对植物毒害研究进展.doc

微量元素铜对植物毒害研究进展.doc 微量元素Cu对植物毒害研究进展 摘要:随着含Cu杀菌剂的大量使用及工业“三废”排放量的增多,植物遭受Cu毒害的现象也越来越普遍。本文综述了当前国内外微量元素Cu在植物中的研究:(1)Cu对植物生长的影响:(2)Cu在植物中的分配及忍耐值;(3)植物对Cu毒害的生理生化反应;(4)植物对Cu毒害的抗性及Cu毒害的治理污染对高等植物生理毒害的研究近况,探讨了Cu过量对植物光合作用、细胞结构、细胞分裂、酶学系统和其他营养元素的吸收等的影响,并探讨了该方面研究存在的不足及其展望。 关键词;铜: 铜毒害: 酶: 植物: 〔〕1Cu既是植物生长发育必需的微量营养元素,又是环境污染的重金属元素。适量的Cu对植物正常的生理代谢及产量的提高、品质的改善都有重要意义。它还是多酚氧化酶、细胞色素氧化酶及抗坏血酸氧化酶等多种酶类的组成成分之一。另外，Cu还与光合作用有关。因而,它对植物正常的生理代谢及生长发育、作物产量的提高、品质的改善都有重要意义。但由于植物正常生长需要少,且土壤中含有一定量的Cu,污水灌溉、施用污泥和农药、开矿等也增加了土壤中的Cu含量,给植物生长带来危害。含Cu杀菌剂(蓝矾、波尔多液)是国内外果园使用历史较久的常用农药,使用量大、频度高。已有报道明,喷落于土壤中的Cu只有极少一部分可被水淋溶,因此土壤中的Cu逐年积累,高于背景值几到几十倍。Hirst [2]et al早在1961年就提出Wisbech附近苹果园土壤Cu严重积累的问题。巴西可可种植园使用波尔多液0、5、16天后表层土壤的Cu含量分别为18.6、464.7和 -1[3]993.3 mg?kg。法国部分葡萄园长期使用波尔多液,土壤Cu含量高达1280 -1-1mg?kg;英国部分苹果园土壤Cu含量高达1500 mg?kg;新西兰Cu污染严重的 -1[4]土壤中Cu含量竟高达8000 mg?kg。Cu严重影响了果树生长,破坏了生态环境,危害了人类的身体健康。但随着近年来,电镀、铝铜材、地砖、印染、化工等重金属污染型工矿企业遍布城乡,工业“三废”、城市垃圾等排放及其农用化学品应用的日趋广泛,高Cu杀菌剂、杀虫剂、化肥等不合理的使用,采用高Cu饲料也 使得高Cu畜粪等大量涌入农田,土壤环境Cu污染日益严重,植物的Cu毒害问题 [1,21]逐渐显现,引起植物Cu中毒及环境污染的报道也愈来愈多,并逐渐引起了国内外有关人士的注意。 1、Cu对植物生长的影响 1.1营养生长 微量的Cu对植物生长具有促进作用.一般植物叶片的正常Cu含量为5-30 -1-1[5]mg?kg,高于30 mg?kg时则可能引起中毒。Cu对植物毒害效应的表现之一 [6,7][8]。刘春生等研究表明,褐土施加过量Cu会抑制苹果新梢的伸长,是抑制生长 其抑制程度随Cu施入量的增加而加剧。土壤施加高剂量Cu的苹果叶片网纹状失绿,呈黄色或黄白色,叶片边缘褐色干枯,严重时部分叶片枯死。酸性土壤施Cu过量或波尔多液残留累积会引起柑橘树皮开裂和流胶;反复喷施波尔多液会使树 [9]体生长减缓,出现部分落叶,枝梢枯萎,甚至全树死亡。过量Cu还可引起柑橘须 [10]根腐烂,干粗和树冠容积减小。Alva et al亦指出,随外源Cu浓度的增大,柑橘幼苗枝叶和根的干重显著下降,植株体内的Cu含量增加,其中根Cu的增加幅度比茎叶更为显著。用高剂量Cu处理茶树幼苗,叶片先从叶脉开始产生褐变,然后再扩 -1展至叶肉部分;用3.2μmol?LCu溶液处理植株40天,40%植株死亡,再过2天,植株 [11]叶片全部脱落,茎逐渐干枯死亡。在种子萌发和幼苗生长期,紫云英在高Cu浓度下,胚轴畸形,根尖上翘、变色腐烂,最后因生长点吸水困难而死亡。植株Cu毒 [6]害主要表现在生育迟缓、矮小,主根生长不良,原生根呈褐色且粗短,根毛变少。 [12]过量Cu还会降低紫云英根瘤的数量。黄瓜幼苗遭受Cu害时,植株矮小,嫩叶严 [13]-1重失绿,主根不伸展,侧根呈瘤状突起,整个根系呈褐色。用12μmol?LCuSO4处 [14]理萝卜,对植株根系生长有明显的抑制作用,植株根系短、根数少、干重小。用 -150μmol?LCu溶液处理紫花香薷,其各部分(尤其是根系)干物质量有减少趋势;当 -1[15]Cu浓度增加到200μmol?L时,其地上部分干物质减少了48%。水稻根部累积高浓度Cu后,稻根生长受抑制,根系变粗,根毛少,呈深褐色,影响根系对养分的吸 [16]收,从而导致水稻生长发育不良,生育期推迟,谷粒不饱满,造成减产。小麦遭受 -1Cu毒害时,生长前期株高和分蘖受抑.土壤施入>300 mg?kgCu溶液时,小麦逐渐开始出现中毒症状,先是叶片尖端发黄失绿,后变为紫红色,严重时部分叶片枯死[17]-1。在莴苣定植2周后,酸性土施入?100 mg?kgCu溶液,莴苣表现出植株矮小、 [18]叶片数少、新生叶片小、老叶枯萎、嫩叶失绿发黄、心叶呈蓝绿色等受害症状。在Cu、Zn共同胁迫下,萌芽14 d的大豆上胚轴伸长及鲜重均低于对照,而且产生 [19]了以丁二胺为主的多胺物质。环境中Cu水平的升高对紫浮萍的生长有明显的抑制作用,不论是干重还是鲜重都有随Cu浓度升高而降低的趋势,干重受Cu的影 [20]响更为明显。不同植物忍受Cu毒害的程度不同.当外源Cu质量分数>104 -1-1[21]mg?kg时,番茄植株干重减小,叶片Cu含量达34 mg?kg.水稻幼苗遭受Cu毒 -1[22]-1害,Cu质量分数的临界值为35.1 mg?kg。当土壤Cu含量为75 mg?kg时,莱芜难咽、八棱海棠和平邑甜茶3个品种苹果砧木产生毒害,植株变矮、主干变细、 [23]生长量变小;而对海棠果则有促进生长作用。 1.2 生殖生长 [24-27]有人认为Cu可以抑制植物的器官分化,但也有人认为Cu在控制剂量下 [28]可以提高花芽分化率。在黄瓜的组织培养中,子叶在不供给Cu或全程供应高浓 -1度Cu(0.4μmol?L)条件下均不能分化花芽,表明Cu是花芽分化所必需的元素之一, [29]长期供应高浓度的Cu会使植物受到毒害,从而抑制花芽分化。过量的Cu降低 [18]-1了莴苣中VC和水溶性糖含量。酸性紫色土加入50 mg?kgCu溶液,莴苣中VC [9]的含量仅是对照的68%。反复喷施波尔多液可使柑橘果实变小,产量降低.过量 [30]的Cu可使柑橘的结果数减少。轻微的Cu中毒,就会导致柑橘品质下降.Cu可 [31]抑制种子发芽,Lyanguzova研究了Cu对欧洲越橘种子发芽和实生苗生长的影 -1响,结果表明,160μmol?LCu会延缓种子发芽和抑制实生苗生长。 1.3植物Cu中毒的症状 关于植物Cu中毒的症状,不少文献均有报道,而主要表现在生长受阻、作物减产上。在高Cu浓度下,紫云英种子萌发和幼苗生长期,可观察到胚轴畸形,根尖上翘,变色腐烂,最后因幼芽吸水困难而死亡。在其生长发育上,Cu毒害主要表现在生育迟缓,植株矮小,主根生长不良,原生根呈褐色且粗短,根毛变少。过量Cu还会降低紫云英根瘤的数量。高浓度的Cu在水稻根部累积后,会使稻根生长受抑制,根系变粗,根毛少,呈深褐色,影响根系对养分的吸收,从而导致水稻生长发育不良,推迟生育期,谷粒不饱满,造成减产。国外的文献报道也有类似情况。有人发现水 〔〕23稻Cu中毒不生次生根且使生物量降低。小麦遭受Cu毒害时,表现为生长前期的株高和分蘖受抑。Cu处理高于300mg/kg土时,小麦逐渐开始出现中毒症状,先 是叶片尖端发黄失绿,然后变紫红色,严重时部分叶片枯死。在Cu锌共同胁迫下,出芽14d的大豆上胚轴伸长及鲜重均比对照降低,而且产生了以丁二胺为主的多 〔〕35胺物质。黄瓜幼苗遭受Cu害时,植株矮小,嫩叶严重失绿,主根不伸展,侧根只停留在瘤状突起状态,整个根系呈褐色。植物Cu中毒时往往伴随失绿症和生长受阻。失绿症可能是由于缺铁引起,叶面喷施铁肥或螯合态铁可减轻失绿症。 〔〕22Sandmann报道在Cu毒害下,藻类植物的光合及其生产量下降。光合下降的原因是Cu毒害抑制了光合电子的转移,而且破坏了光系统?的作用中心所致。Patsikka发现,过量Cu影响光抑制和光修复之间的平衡,导致受光照叶片的光系统 〔〕27?活跃中心稳定的电子浓度下降。黄瓜水培液中Cu浓度大于10mg/L时,叶绿 2+素a、b总量可下降60%。在Cu浓度为2.0mg/L时,发芽22d的卷心菜叶绿素a、 〔〕31b分别下降82%和86%。生长受阻则是多种因子作用的结果。 2、Cu在植物中的分配及忍耐值 [32]植物受Cu毒害的最初部位是根。过量的Cu积累于根部导致根的伤害,从而影响整个植株的生长。水稻各器官Cu累积量随土壤施Cu量的增加而增加,其分配规律为:根>茎叶>糙米。从水稻各器官对Cu的吸收率(该部位Cu含量与土壤Cu全量的比值)来看,同一水平下吸收率按根?茎叶?糙米的顺序递减;同一水稻器官吸收率自下而上呈下降趋势,反映出金属离子不易向地上部位转移的特点[33,34][18][6]。莴苣和紫云英根系Cu含量高于地上部分,其分布规律是根>叶>茎.甘 -1蓝在高浓度Cu培养液(20μmol?L)中,茎的相对生长量大于根.在2个卷心菜品种6 d的Cu胁迫培养中,茎叶Cu含量比对照高6倍,而根Cu含量比对照高50倍[35][36].黎耿碧等发现,2个柑橘品种CM和SC小苗对Cu的吸收都表现为随着营养 [37]液中Cu浓度的提高而呈线性增加,而且根系Cu的积累大于枝叶.王威等在研究Cu对大蒜的影响中也观察到了同样的结果.这与植物对其他重金属元素毒害的一 [38,39]般响应模式一致.Cu进入植物体后与体内有机组分结合生成稳定的配位化合物,大部分富集于根部,所以难以向地上部运输.植株内的Cu具有一定的移动性,能够被重复利用.不同品种植物其吸收Cu的特性及在体内的运输均有所不同.2个柑橘品种SC和CM小苗,在相同条件下,SC茎叶中的Cu浓度大于CM,这说明SC [10][22]根转移Cu到地上部的能力大于CM。Fernando et al指出,植物吸Cu过程可 -1分为慢速和快速2个阶段.当外界Cu浓度很低(0.01μmol?L)时,作物吸收Cu的 速度很慢,其体内的Cu浓度很低;当外源Cu浓度增大时,吸收速度加快,组织中的Cu含量迅速上升。 在植物不同生育期,Cu积累的部位发生变化.如甜菜在生育期Cu含量由高至 [40]低的顺序为叶片、叶柄、块根,而在糖分积累期则块根Cu含量最高。随着营养 [36]液中Cu浓度的提高,柑橘体内的Cu含量虽然增加,但其转移率却下降。卷心菜在高Cu培养液(2.0mg/L)中,茎的相对生长量大于根的相对生长量。在两个品种6d的Cu害胁迫培养中,茎叶Cu含量高于对照6倍而根Cu含量高于对照达50〔〕〔〕2613倍。过量的Cu积累于根部导致对根的伤害,从而影响了整个植株的生长。 〔〕10遭受Cu毒害的根被称为“狮尾根”。植物体内各器官的含Cu量以根部为最 〔〕2,5,7高,其大部分积累于根部,向地上部输送较少。究其原因,这是由于根部吸收的 〔〕30Cu不易向地上部输送,而且在高Cu处理下,植物根冠细胞分裂及生长停止,同 〔〕17,21时积累大量Cu,阻碍根系生长及活性,影响了植物对营养和水分的吸收。植株内的Cu具有一定的移动性,能够被重复利用。而Merry指出Cu污染土壤中的 〔〕30植株体内含Cu量不会随着植物的成熟或衰老而降低。不同品种的植物其吸Cu特性及在体内的运输均有所不同。Fernando指出,植物吸Cu过程可分为慢速和快速两个阶段。当外界Cu离子浓度很低(0.01mg/L)时,作物吸Cu很慢,其体内的Cu浓度也很低;当外源Cu浓度增大时,吸Cu速度随之加快,组织中的Cu量迅 〔〕24速上升水稻籽粒含Cu量随土壤Cu处理浓度的上升而增加,呈极显著正相关。但对不同处理籽粒含Cu量仅达19mg/kg,籽粒产量下降15%时其籽粒含Cu量却为12mg/kg。这说明外源Cu大于某一浓度时,水稻籽粒Cu含量会稳定在一定水 〔〕3,30平上。高Cu浓度时,两个品种(Globe King和Wisconsin All Seasons)的卷心菜茎叶Cu含量会稳定在26.6mg/kg,而且在1.5mg/L和2.0mg/L两个浓度下水培6d, 〔〕26根中Cu含量变化很大,而茎叶含Cu量会稳定在相当水平上。Alva亦指出,随外源Cu浓度的增大,柑桔小苗枝叶和根的干重显著下降,而且植株体内的含Cu量随之增加,但根Cu的增加幅度比茎叶更为显著,而且根Cu浓度比茎叶大得多。在植物不同生育期,其含Cu量也发生变化。如甜菜在生育期含Cu量为叶片>叶柄> 〔〕9块根,而到了糖分积累期则块根含Cu量最高。随营养液中Cu离子浓度的增加, 〔〕7柑桔体内的Cu虽增加,但其转移率却下降。 不同植物忍受最高Cu浓度的限度不同。一般植物叶片正常含Cu量为 5-30mg/kg,高于30mg/kg则可能中毒,对于番茄与外源Cu大于104mg/kg时,此时 〔〕61干物重减少,植株中含Cu量为34mg/kg。水稻幼苗遭受Cu中毒的临界值为 〔〕2435.1mg/L。Wodhouse和Walker指出,植物品种能够忍受高浓度的Cu积累于根 〔〕58部而不将其转移到地上部。Rousos和Harrison研究卷心菜时指出,不耐Cu毒害的Globe King品种茎叶中Cu浓度显著高于耐Cu毒的Wisconson All Seasons 〔〕26品种,他们也得出茎叶中的Cu浓度过高是导致阻碍植物生长的主要因素。另外,植物体内根中的Cu向地上部的转移也是Cu中毒机制的一个重要方面。水稻幼苗水培30d,不同的处理浓度Cu由根向地上部的转移率不同。在低浓度(0.002mg/L、0.01mg/L)时,Cu转移率较高(52.3%、51.0%),高浓度(6.25mg/L)时,转移率更高,达73.8%。因此, Fernando推断高浓度的Cu植物受害可能是由于正常 〔〕43的Cu转移机制破坏所致。 3、Cu对植物生理生化过程的伤害 3.1光合作用和呼吸作用 植物的生长离不开光合作用,叶绿素含量的多少直接影响光合能力的强弱.适量的Cu有利于叶绿素的形成与稳定,这是因为Cu与叶绿体色素形成配位化合物, -1高浓度Cu会伤害叶绿素,降低其含量。土壤中施入0-200 mg?kgCu溶液时,并 [54]未对苹果叶绿素含量造成显著影响;超过这个剂量时,叶绿素含量则显著下降。 [41]小麦叶片叶绿素的下降与土壤中Cu浓度的提高呈显著正相关。黄瓜水培液中 -1[13]>10 mg?L时,叶绿素a、b总量下降60%。当Cu质量浓度为20 Cu质量浓度 -1[42]mg?L时,发芽22 d的甘蓝叶绿素a、b分别下降82%和86%。在1000 mL 1/20 Hoagland溶液中加入>1μmol/LCu时,浮萍叶绿素a、b含量比对照降低了30%, [20]特别是叶绿素a下降得更为显著。Cu在细胞中的含量超过一定水平后会使叶 [43]绿素荧光明显降低。高浓度Cu对浮萍叶绿素a荧光产生的影响在于短时间内Cu浓度升高使叶绿素a荧光的Fo、Fm值增大,虽然Fv/Fo值的变化并不明显.但随处理时间的延长和Cu浓度的升高,叶绿素a荧光的Fo和Fm值都快速下降,尤 [20]其Fm下降更快。叶绿素含量的减少,可能是由于Cu进入植物体内使叶绿体酶活性比例失调,致使叶绿素分解加快.同时,由于Cu局部积累过多,与叶绿体中蛋白 2+2+2+质-SH结合或取代其中的Fe、Zn、Mg,致使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而失活。光合能力下降的原因是Cu毒害抑制了光合电子的转移,而且破坏了光 [44]系统?的作用中心。Patsikka et al[45]发现,过量的Cu影响光抑制和光修复之间的平衡,导致受光照叶片的光系统?活跃中心稳定的电子浓度下降.用Cu处理黄 [60]豆种子的结果表明,随着Cu浓度的提高,种子呼吸强度降低。 3.2 酶活性 Cu毒害对作物的影响主要与根系统有关。因植物从土壤中摄取的Cu大部分积累在根部,向地上部输送较少。Cu可以影响有丝分裂,但更专一的影响与各种酶 〔〕4系统对Cu污染的敏感性有关。刘永厚等人指出,土壤外源Cu量?60mg/kg时,紫云英固氮菌活性开始受抑制,固氮活性与投加Cu浓度呈显著负相关。其原因可能是Cu一方面使根部受损,影响根瘤存活,还可能使紫云英生理过程受影响,如光合降低,形成固氮活性所需的ATP和还原剂减少。 Cu作为细胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、多胺氧化酶、超氧化物歧化酶(SOD)等的辅基而参与呼吸代谢,这些氧化酶将呼吸代谢底物的电子传递到分子氧,形成水或者过氧化氢,在此过程中产生能量。微量Cu会促进酶与 -1底物结合,而过量Cu显著降低酶的活性。当土壤Cu质量分数?100 mg?kg时,苹果叶片中过氧化氢酶(CAT)活性随Cu施用量的增加有升高趋势,但不显著;Cu -1[59][47]质量分数>100 mg?kg时,CAT活性极显著地下降。董文轩等研究表明,添加到苹果幼苗酶提取液中的波尔多液明显抑制碳酸酐酶(CA)活性,在幼苗叶面喷施也具有一定的抑制作用。波尔多液抑制苹果体内CA活性是由于Cu和高pH值双重作用的结果。 -1SOD与Cu关系密切,用100 mg?LCu处理小麦幼苗,叶片SOD活性先升后降,而根系SOD活性则一直下降。处理24 h后,Cu处理的根系SOD活性为对照 [48]的38.3%,因此,史吉平等建议用SOD活性作为植物抗重金属毒害的生理指标. 波尔多液抑制苹果体内碳酸酐酶的活性是由于Cu离子和高pH值双重作用的结果。Cu过量使黄瓜幼苗过氧化氢酶活性增加,可能是因为Cu过量使有毒物质— 〔〕57过氧化氢增加的缘故,可以将过氧化氢酶的活性作为Cu过剩的生理指标。POD活性的提高是由于Cu进入植物体后,通过一系列生理生化反应,产生了一些过氧化物,造成POD底物浓度提高.有研究表明,叶面喷施5和25次Cu溶液的子薯植株,其多酚氧化酶(PPO)活性分别比对照下降21.9%和34.4%;喷10和25次,植株的苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性分别增强1.8倍和3.0倍.在丰收白薯中,PPO活性变化 不大,POD活性下降15%-40%,喷25次Cu后PAL活性增强22%.用0-10.00mg/LCuSO?5HO溶液浸泡克新四号薯块后,酶抽提液的Cu含量增加1-20倍.随Cu42 -1-1浓度的提高,酶液中Cu质量浓度由3.4 mg?L增加到91.7 mg?L,PPO活性没有明显改变,POD活性缓慢下降,而PAL活性下降十分显著;CuSO?5HO处理质42 -1量浓度达250 mg/L,此时酶液中Cu质量浓度为40.5 mg?L,PAL活性完全受抑制[48].。 同时,过量的Cu对植物所生长的土壤酶活性亦有很大影响.土壤CAT活性亦随Cu含量增加不断提高.含Cu量低对土壤酶活性具有促进作用,含Cu量高土壤 -1酶活性则受到明显抑制.Cu质量分数为100 mg?kg时,土壤脲酶、蔗糖酶和脱氢酶的抑制率分别为74.79%、37.21%、35.71%.因此可以将脲酶作为土壤—植物系 [49]统Cu污染的早期诊断指标.酶是蛋白质,Cu含量较低时,会促进酶与底物结合,使酶活性增强,但高Cu处理时,会使酶分子发生沉淀、络合等反应,使蛋白质变性,最终使酶失活。 3.3 膜透性 细胞膜是选择透过性膜,它能调节和控制细胞内外物质的运输和交换,其透性是评定植物对污染物反应的指标之一。小麦叶片外渗液电导率随土壤中Cu浓度 [53]-1的提高而提高。当土壤中Cu质量分数为75 mg?kg时,苹果品种莱芜难咽、八棱海棠、平邑甜茶和海棠果的电解质相对渗出率比对照分别降低了17.9%、 -139.47%、30.49%、7.67%;当Cu质量分数提高到150 mg?kg时,它们的电解相对 -1[23]渗出率较75 mg?kg处理分别提高了48.18%、30.9%、69.03%、0.68%.高浓度Cu对萝卜幼苗质膜产生毒害作用,导致根内含物外渗,故根系变短、变粗,根数 [51]变少。其原因可能是当植物体受到Cu毒害时,Cu与细胞膜蛋白的-SH或磷脂分子层的磷脂类物质发生反应,造成膜蛋白的磷脂结构发生改变,致使细胞膜结构发生改变,膜系统遭受损坏,透性增大,使细胞内一些可溶性物质外渗,从而增大电导率。 4、植物对Cu毒害的抗性及Cu毒害的治理 4.1 植物对Cu的抗性 植物通过限制Cu的吸收,降低体内Cu含量。在Cu胁迫下,植物可分泌一些化合物与Cu螯合,降低周围环境中有效Cu含量,避免植物受害。植物还可能通过 [50]物理御性(physicalavoidance)来降低体内Cu的含量.Magalhaes et al报道,土壤总Cu量和可提取Cu量随土壤深度而下降,表层中Cu含量最高;葡萄根最活跃的部分分布在含Cu量中等的土层。植物能在根部积累较多的Cu,限制向地上部分运 [10]输,从而使地上部分免遭伤害,在一定程度上提高植物的耐性。Alva et al报道,耐Cu能力较强的印度酸橘和较弱的Swingle枳柚根和梢中Cu含量随培养液中Cu含量升高呈线性增加,根部Cu含量的增加量大于梢部;根部Cu含量增加的速率比梢部大两倍,而梢部Cu含量高于根部。植物还可自身解毒,即Cu在植物体内以不具生物活性的解毒形式存在,如结合到细胞壁上,离子主动运输进入液泡,与 [52]有机酸或某些蛋白质形成络合物等。 4.2 植物Cu毒害的治理 [54]Alva et al提出,在土壤中施入Ca可减轻Cu对柑橘幼苗的毒害,显著降低根部的含Cu量。含Cu量高的土壤,pH值及Ca、Mg、Fe、Zn等元素的含量显著降低,在某些石灰质土壤发生Cu中毒的现象较少见,而且pH及Ca、Mg、Fe、Zn [55][8]等元素含量也较高。刘春生等亦指出,土壤中Ca和Fe能减缓Cu对叶绿素的破坏作用。在高Cu水平下,配施Ca和Fe均能增加苹果叶片(包括老叶和新叶)叶绿素含量。在富钙缺铁的褐土上,Fe的解毒效果优于Ca。土壤的pH值在6.5以 [21][14]下时,施用石灰可以减轻Cu对番茄的毒害。王永锐等发现,Si有抑制或缓解 -1CuSO4对秧苗的毒害作用。用31μmol?LCuSO处理2周,秧苗根部受害严重,4 加入Si后,秧苗根多、粗、短,亦看出明显受害,但地上部仍较正常;用94-57μ -1mol?LCuSO处理,植株几乎都是黄根,加Si处理,植株还有数片青叶和白根。有4 机物料历来被认为是改良土壤的天然材料。对污染重金属的土壤而言,有机物料常被认为是一类很好的改良材料,因为有机物料可以抑制土壤重金属的植物有效[55-59]性。不论在分蘖期或在成熟期,稻草和紫云英均显著地抑制了水稻根系对Cu的吸收,在一定程度上促进了根部Cu向茎叶及谷粒的转移。在Cu污染淹水土壤上添加稻草,可促进水稻的生长,显著抑制了水稻对Cu的吸收,降低了糙米中Cu含量。套种紫云英,促进水稻的生长,提高了潮土上稻谷的产量,显著降低了根系、 [60]茎叶以及潮土上糙米的Cu含量,但对红壤上糙米Cu含量没有显著影响。Cu污染土壤的植物修复作为一种绿色生物技术,已被当今世界迅速接受。其原理是利用专性植物(又称超积累植物)从土壤中吸取并积累超常水平的Cu,连续种植并 [61]多次刈割,移走地上部分Cu以除去土壤中的Cu。适量的EDTA和NTA能显著 [62]提高修复植物对Cu的吸收。还有试验表明,蚯蚓在Cu污染土壤的植物修复中 [43]明显提高了红壤Cu的有效性,促进黑麦草对Cu的吸收。 高等植物的Cu毒害。 Cu污染对高等植物毒害作用的研究目前主要集中在对植物光合作用、细胞结构、细胞分裂、酶学系统和其他营养元素的吸收上。Cu污染对植物光合作用的影响首先是对光系统?(PS?)的影响,过量的Cu会破坏类囊体的结构功能,这种破坏作用既可发生在光氧化侧,又可发生在还原侧,抑制初级电子供体和受体产 [22,23][24]量,同时PS?的反应中心上也有抑制位点。Patsikka等指出过量Cu影响光抑制和光修复之间的平衡,导致受光照叶片的PS?活跃中心的电子浓度下降。植 2+[45]物的光合作用对Cu十分敏感,高于1μmol/L即可成为电子传递的抑制因子。Cu污染下植株外部失绿是由内部色素含量的变化引起的。主要是Cu污染会抑制 [2]叶绿素合成或破坏叶绿素,小麦叶片中叶绿素含量与Cu含量显著相关,这可能是由于植物体内过量的Cu使得叶绿体酶活性比例失调,叶绿素分解加快,同时Cu 2+2+2+局部积累过多,与叶绿体中蛋白质上的巯基结合,或取代其中的Fe、Zn、Mg,使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而导致失活。此外,高Cu抑制根系生长,根 [3]尖硬化,养分吸收能力下降,导致Fe缺乏,叶绿素含量降低而失绿。刘登义等近来又发现,Cu胁迫会干扰小麦的某些代谢途径,致使叶绿素a和叶绿素b含量降低, [26]叶片失绿,出现明显的白化现象,尽管叶绿素a/b并无影响,这也与Penelope等的结论相一致。而类胡萝卜素含量也有类似变化趋势,但从对Cu污染的敏感程度而言,通常是叶绿素b>叶绿素a>类胡萝卜素。 Cu污染会导致细胞结构的变化。膜结构是植物细胞遭受Cu污染的优先和关键部位,Cu可与细胞膜蛋白的巯基或磷脂分子层的磷脂类物质反应,造成膜蛋白磷脂结构改变,透性增大,进而影响物质在生物体中的运输,叶片外渗液电导率增大,电导率与Cu浓度极显著正相关,因此膜透性可作为植物受害的重要评价指标。过量Cu引起的光合生物膜中类脂过氧化和PS?紊乱,会使非周期性的光合磷酸 [27]化作用遭到破坏,进而抑制希尔反应的活性。小麦叶片膜透性随Cu尾矿比例增加而增大,选择透性机能受损,使细胞内一些可溶性物质外渗,破坏了细胞内酶及代谢作用原有的区域性,这是小麦受害的原因之一。Strange等认为Cu过量使细 胞膜的强度下降,Cu渗入细胞内,影响细胞器的结构功能,同时使胞内物质外渗而 [28,29]亏缺。从另一角度而言,Cu胁迫常引起活性氧产生消除平衡系统失调,活性氧积累,加重细胞膜质过氧化,这与植物螯合肽的产生和还原型谷胱甘肽减少有一定关系。Cu胁迫时,植株叶片膜质过氧化作用增强的同时,还原型谷胱甘肽含量显著 [30,31]2+下降,氧化型谷胱甘肽所占百分比增加,含巯基螯合物含量升高,可能是Cu作用下叶片合成螯合物使得还原型谷胱甘肽减少,因为Cu等重金属元素在谷氨酰半胱氨酸合成酶催化下,能以还原型谷胱甘肽为底物合成富含巯基的螯合物,而 [32]且Cu2+本身也能催化还原型谷胱甘肽氧化为氧化型谷胱甘肽。还原型谷胱甘肽的降低使植物细胞自由基产生和消除的平衡遭到破坏,细胞膜质过氧化加剧。 2+何水林等发现Cu会诱导辣椒叶片倍半萜环化酶基因表达,在用外源自由基清除剂试验后,推测这可能与辣椒叶片膜脂过氧化作用和还原型谷胱甘肽氧化有关[46]。 [5,6]Cu污染还会造成其他超微结构的破坏,尤其是根部细胞。姚益云等研究表明,随土壤Cu浓度增高,紫云英的根细胞结构遭破坏逐渐加重,具体特征为表皮层断裂,变为黑褐色,细胞壁变形乃至断裂,质膜遭破坏,发生质壁分离,细胞质逐渐收缩,以至解体而使壁内空腔,皮层、中柱细胞逐渐死亡,致使根吸收水分和养分能力降低,成活率极低,甚至绝苗。土壤Cu浓度为200mg/kg时,紫云英表皮细胞、薄壁 [33]细胞、维管细胞、筛管细胞等均大量解体死亡。Ouzounidou等也发现,过量Cu会破坏玉米根尖细胞的原生质体。 [7]Cu污染对细胞分裂的影响。陈桂珠发现,Cu、Cd过量时,黄瓜根尖分生组织细胞质变稀薄,质壁分离,整个细胞呈松弛状态,这是由于Cu、Cd干扰胞质的生理代谢活动,影响有丝分裂能量供应,进而根尖细胞分裂数明显减少,分裂速度减 [34][35]慢,造成根尖生长异常。Leep研究发现,高浓度Cu会导致根冠细胞分裂受抑, [36]根生长停止,Kahle认为是Cu使得分生区细胞核变小,尤其是核仁变小,阻滞了 ,小其分裂。细胞有丝分裂指数有助于了解环境胁迫对植物生长的影响,高Cu时 [2]2+麦细胞相对分裂指数迅速降低,表现出对细胞分裂明显的抑制作用。Cu等处理大麦也会阻碍细胞向分裂状态转化,参与分裂的细胞数目减少,有丝分裂指数降低,且有丝分裂会出现异常,染色体畸变率显著提高,并随处理时间的延长而上升,呈 [8]现明显的正相关,有丝分裂和染色体桥较为普遍发生。微核试验正是根据环境污 染物能引起DNA损伤,诱发染色体畸变而形成微核来检测诱变物质对染色体损伤的。很多研究都证明,蚕豆根尖细胞微核技术是检测环境Cu污染的有效方法,随Cu浓度的增加,蚕豆根尖细胞微核千分率升高,所受毒害作用增强,当达 [49]400mg/L时,根尖细胞有丝分裂严重受阻,分裂细胞数较对照下降30%以上。 Cu胁迫下植物体内的酶也会有明显的变化。张义贤等认为,过量Cu2+等对植物体产生毒性的生物学途径可能有两方面,除了前面提到的干扰离子间平衡系统,导致离子吸收、运输、渗透和调节等发生障碍而使代谢紊乱外,Cu取代某些酶 [8]蛋白中维持功能所必需的特定元素或与酶蛋白中非活性基团结合导致变性,不容忽视,这也是Cu毒害研究的重要任务。质膜上有很多酶,是生化反应的重要场所,Cu毒害破坏质膜,必然会影响上面的酶,进而体内的氧化磷酸化、光合作用的某些过程、养分的吸收等一系列生理生化反应就会受到严重影响。 [37]Cu污染更多地影响植物体内碳水化合物和氮代谢酶类的活性,Fernando指 2+出Cu会抑制超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、蔗糖酶及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-细胞色素C还原酶等的活性。目前这类研究大多集中在Cu污染对植物过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、固氮酶等酶活性的影响上。刘文彰等(1985年)指出,Cu过剩时黄瓜幼苗内过氧化物酶活性会急剧增强,其活性可作为Cu过剩的作物生理指标,推测是过氧化氢急剧增加所致,同时还发现吲哚乙酸氧化酶活性也有显著提高,可能是由于过氧化物酶调节游离吲哚乙酸向氧化态转化,豆芽根伸长随培养液中Cu浓度的增大抑制加重,就是Cu使酶活性尤其是过氧 [10,11]化物酶逐渐增强,吲哚乙酸氧化所致,其结论与Leep关于过量Cu使体内过氧化物酶、过氧化氢酶、吲哚乙酸氧化酶活性升高的观点相一致。而王友保认为,小麦幼苗的过氧化物酶活性随Cu浓度升高急剧上升,主要是Cu通过一系列生理 [2]生化过程,产生很多过氧化物,过氧化物酶底物增加,使得过氧化物酶活增。Cu对 [12]过氧化物酶活性的刺激作用已基本得到认可,需要指出的是,过氧化物酶-过氧化氢分解系统参与叶绿素的降解,Cu会通过过氧化物酶活性直接或间接地加快叶 [13]绿素的降解。朱云集报道,随外源Cu浓度的升高,小麦超氧化物歧化酶活性有明显降低趋势,作为膜脂过氧化的主要产物,小麦根部丙二醛含量显著上升,质膜相对透性增加,表明Cu胁迫使根系保护酶系统遭到破坏。史吉平等也发现,100mg/L Cu处理,小麦幼苗根系中超氧化物歧化酶将持续下降,但叶片中超氧 [14]化物歧化酶活性先升后降,一定时间后几乎降为零,其活性变化也反映了幼苗Cu毒害的程度。超过60mg/kg的Cu处理,紫云英单株固氮酶活性会受到抑制,其活性与投加的Cu浓度成显著负相关,这可能是由于过量Cu损伤根部,根瘤菌寄主减少,根瘤大小、数量、形态、颜色和着生部位等都受影响,干扰了其生理过程, [15][16]固N所需ATP和还原力减少,抑制了固氮酶的活性。雷虎兰等认为,植物体内酶的变化可作为指示Cu毒性的重要指标,小麦等茎中的蔗糖酶明显受Cu的抑 +4制。高Cu还会显著抑制大豆幼苗中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性,间接阻碍NH +4[38]向谷氨酸转化,造成NH在体内积累而损伤根部。此外,重金属对酶的抑制过程中会出现一次或数次酶活性高峰,即所谓“抗性酶活性”现象。吴家燕等发现,Cu对作物根系脱氢酶有抑制作用,但随Cu浓度升高,会出现两个活性高峰。国内外的研究大都认为,重金属胁迫促使土壤产生不同的抗性微生物,达到一定浓度时,会有一小部分发生突变而存活下来,致使不同浓度下产生相应的抗性微生物,出现 [12]若干抗性峰。 Cu污染也会导致脯氨酸含量的变化。植物的内源脯氨酸具有清除活性氧的功能,可减少膜脂过氧化程度,缓和膜透性变化,对植物起一定防护作用。刘登义等指出,小麦叶片游离脯氨酸含量随Cu增加而增多,两者成显著正相关,这同Bassi [3,34]结论相一致。应该说脯氨酸的增加是对Cu污染的一种适应性反应,其含量可作为鉴定植物Cu抗性的指标。 此外,Cu污染还会抑制其他营养元素的吸收,主要是由于Cu对根系的伤害和吸收拮抗作用。刘永厚指出,过量Cu会抑制紫云英N、P、K、Zn等养分的吸收,茎叶中含量明显降低,与Cu的投加浓度显著负相关,而N含量更是达极显著负水平,一方面是由于过量Cu对根系N吸收的抑制,另一方面是根瘤形成和固N受抑 [15]的缘故。Alva、黎耿碧等指出,过量的Cu明显抑制柑橘对N、P、K、Ca、Mg、Fe等常量和微量元素的吸收,之间均达极显著负相关水平,在0.1-5.0μmol/L范围内,根系和叶对P、K、Ca、Mg等的吸收量都下降60%以上。外源Cu削弱柑橘 [39][40]对Fe的吸收和运输,必然会导致叶片失绿,光合速率降低。Lidon和Hen-riques在这方面也做了大量研究,指出过量Cu也会抑制Mn、Fe、Ca等的吸收。Rhoads[41]等发现,番茄植株中Ca的吸收量随Cu浓度增加而降低。此后,徐红宁等也指 +出,Cu污染存在下,植物根部生育受阻,细胞结构损坏,细胞膜渗透性提高,使K、 [47]PO等离子外渗,植物根部P、K、Ca、Mg、Fe、Na、S等含量趋于降低。 3-4 5、Cu毒害研究存在问题及研究展望 目前,我国Cu毒害的机理研究仍处于探讨阶段,很多研究都仍只是推测,具体证明仍需从更多方面进行实验研究。近年来,由于环境的恶化、污染的加重,Cu毒害的问题受到了国内外学者的重视。已有不少有关植物Cu毒害的文献,特别是关于Cu毒害症状等方面的研究较多且看法比较一致,对于Cu过量与其他元素吸收的关系、Cu毒害与植物生理代谢之间的关系有一定的研究,但对于Cu毒害机理以及Cu毒害的治理还处在探讨阶段,需要进一步研究。 随着现代工农业的发展,流入环境中的Cu越来越多,如污泥施肥、Cu矿开采、工业废水的超标排放等。而农业生产上含Cu杀菌剂频繁大量的使用,更加恶化了环境质量。以喷波尔多液为例,一般果园每年要喷4-6次,而每次所用的净CuSO4的量约为2.5kg/亩,一年按喷6次计算,流入环境中的Cu可以达到15kg/亩。国外对此也有报道。Lima报道,巴西可可种植园施用含Cu杀菌剂0、5、16年后,表层 〔〕37土含Cu量分别为18.6、464.7和993.3mg/kg,从而使Cu在生态体系中严重积累,造成作物生理毒害。也不难看出,当今Cu污染研究更多地被放在了大田粮食作物上,相反,蔬菜作物的Cu污染和Cu毒害却报道很少,没能得到足够的重视,应该说Cu毒害在蔬菜作物上的研究会比粮食作物意义更大。从土壤Cu污染的分布来说,菜田污染明显比大田严重。城市“三废”和垃圾排放量是Cu污染的主要来源,而城郊作为城市最主要的蔬菜供应源,菜田在城郊农田中占有相当大的比例,城郊菜田也首当其冲成为Cu污染的高发区,事实上我国很多重金属的调查都选 [18]择了城郊菜田。另一方面,蔬菜需肥量大,病虫害严重,各种化肥、农药被频繁使用于蔬菜上,这也都使得蔬菜Cu污染进一步加剧。目前随着科学养殖业的发展,各种微量元素添加剂在饲料中得到了广泛应用,Cu的杀菌和促生长作用,让很多养猪场都使用高Cu饲料,高Cu猪粪作为有机肥在菜田中使用,已成为一个不容忽 [19][20]视的Cu污染促进因子。蔬菜对Cu污染比粮食作物敏感。我国粮食Cu污染的卫生为20mg/kg,而蔬菜却仅为5.0mg/kg。况且蔬菜需肥量大,吸收能力较强,产品采收期较长。而某些菜田采用污水灌溉,施用矿渣、垃圾肥以及高Cu猪粪等,这有利于蔬菜中Cu的超量富集。研究蔬菜Cu毒害机理可为防止蔬菜Cu污染和生产无公害蔬菜提供指导。 总之,植物Cu素毒害的问题越来越受到国内外科学家的重视,不久的将来会有更深入的见解和认识来解决好这一问题,以保护我们赖以生存的空间环境。 参考意见: 1. 格式(标点，排版，字体等)在投稿前需要大改 2. 篇幅太长，举例时太过繁琐，只需要引用你要说明的部分就行，不然你的文章中出现多次的同一篇文献就显得重复。 3. 摘要存在语病，需要整理 前言部分不够概括，抗性及治理部分是前面的重复，抗性部分可以从生理生化和分子机理角度简要评述，治理部分应该从土壤治理，生物修复，管理，综合治理等角度来说，在展望部分应该强调存在的问题及应对的措施，例如超级累植物种质资源收集，耐受机理研究，环评及综合技术等方面来说 4. 文章应该适当简化，不需要用同样的举例方法，可以采用简化综述的方法，也可以用表，显得多样化