植物的砷污染研究进展

刘雪琴+仝瑞建+宋睿

摘要：砷污染会造成植物减产，并能通过食物链进入人体损害人体健康，因此引起广泛关注，成为研究热点。总结了植物的砷污染研究进展，包括植物中砷的存在形态与分布，砷对植物的作用，植物对砷的吸收、运输和积累，以及植物对砷的忍耐机制，并对砷的进一步研究提出了建议。

关键词：砷污染；植物；食物链；人体健康

中图分类号：X71；X835 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）15-3477-05

Arsenic Contamination of Plant

LIU Xue-qin1，TONG Rui-jian1，SONG Rui2

（1. Life Science College， Luoyang Normal University， Luoyang 471002， Henan， China；

2. College of Agronomy， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： Arsenic contamination can reduce plant yield and damage human health through entering into human body along the food chain. People pay great attention to it and it becomes a research hotspot. The advances on arsenic contamination of plant including the presence and distribution of arsenic in plant， the role of arsenic on plant， the absorption， transportation and accumulation of arsenic in plant and the tolerance mechanisms of plants to arsenic were summarized. Some advices on further studying arsenic were proposed.

Key words： arsenic pollution； plant； food chain； body health

收稿日期：2014-02-26

基金项目：河南省科技攻关计划项目（132102310373；112102310642）

作者简介：刘雪琴（1981-），女，山东郓城人，在读博士研究生，研究方向为植物营养与生理生态，（电话）15896573588（电子信箱）

liuxueqin810310@163.com；通讯作者，宋 睿，主要从事作物栽培学与耕作学研究，（电话）15838180616（电子信箱）tangolaads@126.com。

砷已经被列为重（类）金属污染中的“五毒”之一[1]。近年来，由于砷污染造成的作物低产甚至绝产以及砷中毒事件频发[2，3]。我国广西、湖南、云南等地均已出现不同程度的砷污染[4，5]。环境中过量的砷不但严重影响植物的生长发育，降低产量和品质，而且会通过食物链进入人体，危害人体健康[6，7]。植物对砷具有富集作用，因此农作物体内（尤其是水稻）的砷含量高于土壤中的砷水平，砷进入人体的两种途径为饮用水和食物链，如果不饮用砷污染水，食物就是砷毒害的主要来源[8，9]。砷在人体内的富集会导致皮肤癌及肾、肝、膀胱等内脏器官的癌变[10]。我国郴州[11]、广州[12]等地的蔬菜已出现砷污染现象，研究发现这些砷污染区的蔬菜中有32.2%的样品砷含量超标[13]。因此有关植物砷污染的研究引起广泛关注，本文就植物的砷污染研究现状进行了综述，希望能为植物砷污染研究提供科学的理论依据。

1 植物中砷的存在形态及分布

一般来讲，砷从价态上可分为单质砷（As）、三价砷[As（Ⅲ）]和五价砷[As（V）]，从化合物的构成上可分为有机砷和无机砷。陆生植物和水生植物体内的砷形态不同，前者主要是有机砷和无机砷两种形态而后者主要是无机砷，与其他作物相比水稻子粒中的无机砷含量要高得多[9]。砷在稻米中的形态分布与水稻基因型密切相关，有的以二甲基砷（DMA）为主而有的以无机砷为主[14]。很多研究认为水稻子粒中的砷以无机As（Ⅲ）、As（V）和二甲基砷（DMA）为主[15，16]，其中无机砷含量占总砷10%～90%[17]。Bogdan等[18]研究发现水稻根部积累的砷以As（V）和As（III）两种形态为主。Abedin等[19]研究发现水稻茎秆中As（V）占总砷的90%，As（III）占0%～8%，二甲基砷（DMA）占0%～4%。

砷在不同植物体内的形态与分布部位不同，Ma等[20]发现欧洲蕨能够吸收土壤中不同形态的砷，并且转化为相对有毒的无机砷[As（Ⅲ）的比例高于As（V）]，然后将其富集在复叶中（比例高达93%）。Wang等[21]发现50%～78%的砷分布在蜈蚣草羽叶中，并且以As（Ⅲ）和As（V）两种形态存在（前者的比例远大于后者）。安堃达等[22]也发现在豇豆和番茄中砷有As（Ⅲ）和As（V）两种形态且以As（Ⅲ）为主，根中的As（Ⅲ）和豇豆叶片中的As（V）比例较高。涂杰峰等[23]发现砷在不同的蔬菜体内的分布规律为根>茎>叶与根>叶>茎，但张爱玲等[24]认为叶菜类和果菜类蔬菜对砷积累的主要部位都是茎叶，并且二者总砷含量分别为茎叶>根和茎叶>根>果实。

2 砷对植物的作用

不同形态的砷毒性不同。通常认为砷甜菜碱（AsB）和砷胆碱（AsC）基本无毒性，单质砷由于其难溶性而毒性极低，无机砷由于移动性强而毒性也较强，其中As（III）的毒性最强，分别是As（V）和二甲基砷的60和70倍[25]。杨桂娣等[26]发现As（III）和As（V）都显著抑制了水稻种子的萌发率、 根长、 鲜/干重和含水率等，抑制作用随砷浓度的升高而加剧并且毒性为As（III）>As（V）。

2.1 低浓度的砷对植物的作用

砷虽然不是植物必须的营养元素，但有些研究发现少量的砷能促进植物的生长。马茹茹等[27]、 Li等[28]、 胡留杰等[29]的研究均表明微量的砷不仅不妨碍植物生长， 对植物生长还有刺激作用。安堃达等[22]发现砷在50 mg/kg时能促进番茄的生长，使其生物量、产量分别是对照的1.56倍和1.51倍。郭再华等[30]也证明了少量的砷可以刺激水稻生长和促进对磷的吸收。赵天宏等[31]研究认为在低浓度砷胁迫下水稻自身会出现自我保护现象。

2.2 高浓度的砷对植物的作用

水稻是对砷的毒性最敏感的作物，无机砷主要影响水稻的营养生长，而有机砷主要影响水稻的生殖生长。砷对水稻的毒害程度随浓度增加逐渐加大，严重时导致植株死亡。郭再华等[30]用试验证实了砷过量会抑制水稻的生长及对磷的吸收。赵天宏等[31]的研究也认为高浓度的砷对超级稻表现出伤害效应。过量的砷显著影响植物的生长发育， 在水培条件下，茶树在砷浓度≥1 mg/L时即出现明显受害症状，砷胁迫显著影响了茶树新梢的萌发和生长[32]； 在土培条件下，砷达到50 mg/kg时显著抑制豇豆的生长，导致其生物量和产量分别下降47%和54%[22]。砷过量还可造成植物的产量品质等下降，常思敏等[33]发现砷在抑制烤烟生长发育的同时，使烤烟经济性状变差从而降低烤烟的商品价值和化学品质。砷引起毒害作用可能是因为阻碍了植株中的水分运输和养分吸收，使叶绿素被破坏，从而抑制其生长发育，造成植物产量下降和品质降低。刘全吉等[34]在不同的试验条件下研究砷污染对小麦的影响时发现：土培条件下，200 mg/kg砷污染显著抑制冬小麦的生长，收获时冬小麦株高、地上部分、根系的生物量和产量较对照分别降低了17.0%、52.2%、60.6%和46.8%；水培条件下，砷由于抑制小麦根系生长及对磷的吸收、降低根系活力和生物量而对小麦产生毒害作用[35]。

3 植物对砷的吸收、转运和积累

砷在植物体内的吸收、转运与代谢研究已成为热点，并取得了大量研究进展[36，37]。

3.1 不同植物对砷的吸收与积累差异

不同植物或同种植物的不同品种对砷的吸收和积累存在很大差异。刘全吉等[34]发现相同砷污染条件下，小麦根系砷浓度和小麦子粒中砷的含量都显著高于油菜。Hong等[38]发现水培条件下黄瓜比玉米、小麦和高粱的耐砷能力强。朱忻钰等[32]证实茶树对砷的吸附率也由于品种不同而不同。Su等[39]发现水生作物水稻比旱生作物小麦和大麦对砷的吸收能力强。刘志彦等[40]发现在砷污染地区杂交稻比常规稻和糯稻适应性更好，而Rahman等[41]也证实了杂交稻从根部转移As的能力比常规稻强。

3.2 同种植物的不同部位对砷的吸收与累积差异

砷在植物体内累积，但不同的部位累积量不同。砷在冬小麦和油菜各部位的积累量为根系>茎叶>颖壳（角果皮）>种子[34]，砷在茶树体内的分布规律为细根>粗根>主茎>嫩茎>叶片>新梢[32]。Dahal等[42]研究认为植物不同部位砷含量为根>茎>叶>可食部位，这与Baroni 等[43]的研究结果相吻合，发现在同一作物中砷浓度自下而上呈递减规律，即土壤>根>茎叶>子粒/果实。杨兰芳等[44]通过土壤加砷盆栽试验发现在大豆体内砷含量呈现根>茎>子粒的规律，这与黄益宗等[45]的研究结果相同。谢建春等[46]发现砷在成熟期油菜各器官中的累积量为根>茎叶>子粒，张焱等[47]发现砷在柑桔植株中累积从高到低的次序为叶片、枝条、果肉。由于水稻对砷的敏感性，所以对水稻的砷污染研究较多。Sun等[48]证明水稻子粒中总砷的富集规律为米糠>糙米>大米；陈丹艳等[49]证实13个水稻品种不同部位As含量均为根>茎叶>谷壳>精米；在孟加拉国砷污染土壤中栽培的水稻体内的砷富集规律为茎>米糠>糙米>大米[37]；温室土壤培养试验表明作物秸秆中砷含量大约为子粒的15倍[50]；琼脂培养基质条件下水稻根系吸收的砷多数被固定在根部，少量被转运至茎叶[51]。

3.3 不同条件和同种植物的不同品种对砷的吸收与积累差异

Xu等[50]发现淹水条件下子粒富集的总砷、无机砷分别是富氧条件下的10～15倍和2.6～2.9倍，并且稻米中的砷在淹水条件下以二甲基砷为主，非淹水条件下以无机砷为主[52]。水稻不同品种或基因型对砷的吸收及累积表现不一。蒋彬等[53]通过研究239个水稻品种对砷的吸收发现稻米砷含量在品种间差异极为显著。刘志彦等[54]、Mei等[55]也发现不同水稻品种对砷的耐性、吸收及稻米砷含量具有显著差异。作物不同基因型对重金属的吸收与分布差异可能与重金属的根际效应、根系的吸收转运分配以及植株生理生化响应有关[56]。

4 植物对砷的忍耐机制

2001年Ma等[20]首次报道欧洲蕨能从砷污染土壤中萃取砷，并且生物富集系数高达539.5，能够祛除土壤中不同浓度的砷。到目前为止，对砷超富集植物的研究主要集中在蕨类植物蜈蚣草（Pteris vittata L.）和大叶井口边草（Pteris cretica var. nervosa）[57-59]。植物体内存在着缓解或忍耐砷毒害的机制，肖细元等[60]认为砷富集植物的耐毒可能是通过自主调节磷与钙的弧细胞水平分布从而阻止过多的砷进入细胞器，避免其细胞受到伤害；植物缓解砷毒害的另一个机制就是诱导植物螯合肽（PCs）的生成，植物螯合肽（PCs）与As（Ⅲ）具有高亲和力能够形成As（Ⅲ）-PCs络合物，As（Ⅲ）-PCs络合物被转运至液泡中被区隔化从而缓解砷毒害，这种机制主要存在于非砷富集植物，在砷富集植物体内较少，Zhao等[61]和Zhang等[62]研究发现砷富集植物蜈蚣草体内合成的植物螯合肽量比一般植物低，体内总砷仅有1%～3%与其合成络合物。此外，一些植物还能够通过植物转化将体内的无机砷甲基化为挥发性的TMA，通过挥发缓解砷毒害。

5 研究展望

由于植物砷污染的危害性较大，因此应进一步加强对砷污染的研究，可从以下几个方面入手。

1）应加强砷在植物中吸收、转运及积累的途径和机理研究。在环境中，砷的转化、迁移和毒性很大程度上受砷存在的化学形态的影响。同时土壤质地、矿物成分的性质、pH、氧化还原电位（Eh）、阳离子交换量（CEC）、阴离子交换量（AEC）和竞争离子的性质都会影响到砷吸附过程及砷的形态分布。加强这些相关影响因素的研究，有助于进一步研究砷的吸附和吸收，转运和累积途径及机理。

2）应加强土壤中砷污染的生物修复方法研究。已有研究报道，在砷污染土壤中施用外加物质可以减轻砷污染。常思敏等[63]发现在砷污染土壤中施用黄腐酸可减轻砷毒害。高宁大等[64]发现P2O5和有机质配合施用能在一定程度上降低板蓝根体内的砷累积量。同时也应加强有机肥料对植物砷污染修复的研究。

3）应加强对砷超积累植物的筛选调控。国内外目前已发现10余种砷超积累（超富集）植物，它们全是蕨类，最典型的砷超富集植物代表是蜈蚣草。蜈蚣草为多年生植物，生物量较大，在砷污染土壤或者砷含量较低的土壤，其均能正常生长并吸收累积大量的砷。对砷超富集植物研究的重点应集中在两个方面，一方面要加强对砷超富集植物筛选的研究，另一方面要加强对已知的砷超富集植物的调控研究，即研究怎样进一步提高植物对砷的吸收与富集。

4）加强对砷与其他元素交互作用的研究。一方面加强砷与其他营养元素如氮/磷/钾的交互作用的研究，另一方面加强砷与其他重金属元素之间交互作用的研究。

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