徐佳慧，王萌，張潤，吳玲玲,2,*

1. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092 2. 上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092

鎘通過施肥、污水灌溉、大氣降水和工礦廢物排放等途徑進(jìn)入土壤，對現(xiàn)代環(huán)境影響日益增大。世界各國對土壤鎘污染的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，印度土壤中鎘的限值為3～6 mg·kg-1[1]，我國農(nóng)用地鎘標(biāo)準(zhǔn)為0.3 mg·kg-1(pH≤5)[2]。據(jù)報(bào)道，鎘是印度土壤的主要污染物，土壤中鎘平均含量達(dá)14.16 mg·kg-1[1]。我國土壤污染主要為無機(jī)物污染，鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7%，遠(yuǎn)超過其他無機(jī)污染物[3]。與其他重金屬相比，鎘在土壤中的遷移性較強(qiáng)，容易被動(dòng)物、植物和微生物吸收、轉(zhuǎn)移并大量積累，影響土壤生物的正常生命活動(dòng)，并可通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體，嚴(yán)重?fù)p害人類健康。同時(shí)，環(huán)境條件和生物因素影響土壤中鎘的生物毒性。因此，為準(zhǔn)確識(shí)別土壤中鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，亟需全面了解鎘對土壤生物的毒性作用。本文在總結(jié)近年來國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，綜述了鎘污染對土壤中微生物、植物和動(dòng)物的毒性作用，對影響土壤中鎘毒性的生物及非生物因素進(jìn)行總結(jié)，介紹了研究土壤中鎘生物毒性的方法，并對今后研究方向進(jìn)行探討，以期為土壤鎘生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供重要信息，并為完善土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 土壤中鎘的生物毒性(Biotoxicity of cadmium in soil)

土壤鎘污染可以對土壤生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，影響土壤微生物種群和群落結(jié)構(gòu)、氧化還原等生化反應(yīng)及土壤酶活性；干擾植物對營養(yǎng)元素的吸收，抑制光合作用，引起氧化應(yīng)激與基因損傷，影響植物的生長代謝；影響土壤動(dòng)物的氧化還原平衡、基因表達(dá)、繁殖能力以及行為等方面，最終導(dǎo)致種群數(shù)量與物種多樣性下降。

1.1 微生物

過量的鎘通過干擾基因的調(diào)控而影響微生物酶蛋白的活性，損害土壤微生物代謝途徑，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，影響土壤微生物的種群和群落結(jié)構(gòu)，硝化、氨化等過程以及土壤酶活性也會(huì)受到抑制。

氨氧化細(xì)菌對鎘非常敏感，鎘主要通過消除氨氧化細(xì)菌，防止質(zhì)子產(chǎn)生，從而抑制硝化作用和酸化作用，但鎘對氨氧化古菌的生長有刺激作用[4]。古菌具有優(yōu)越的生理和遺傳適應(yīng)能力，可以在金屬脅迫下生存，其滲透性差的膜和有效的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可以充當(dāng)壁和泵，從而避免毒物進(jìn)入細(xì)胞[4-5]。不過，鎘污染土壤中古菌的硝化作用始終很小，這些高度耐受的氨氧化古菌可能會(huì)優(yōu)先通過其他代謝過程而不是氨氧化來獲取能量[6]。

鎘通過與土壤酶-底物復(fù)合物相互作用，使酶蛋白變性或與蛋白活性基團(tuán)相互作用來降低酶的活性，還可以影響微生物細(xì)胞合成酶。Tian等[7]發(fā)現(xiàn)不同陰離子鎘化合物對土壤脫氫酶和堿性磷酸酶活性的影響不同，乙酸或硝酸鹽形式的鎘對脫氫酶的敏感性高于硫酸鹽和氯化物，而后者對堿性磷酸酶的毒性高于前者，這可能是由于與鎘相關(guān)的陰離子種類對不同土壤酶的影響機(jī)制不同，包括其在土壤中獨(dú)特的吸附能力、與土壤組分的相互作用以及改變土壤酶對其底物的親和力。脫氫酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)也受到鎘影響，在棕壤和紅壤中，鎘對土壤脫氫酶的抑制動(dòng)力學(xué)機(jī)制為反競爭抑制，抑制常數(shù)(Ki)分別為4.7 mmol·L-1和12 mmol·L-1[8]。

鎘影響土壤微生物數(shù)量和群落組成。過量的鎘抑制微生物生物量碳和磷脂脂肪酸，阻礙微生物種群的繁殖。Wu等[9]的研究表明，在細(xì)菌中，放線菌豐度明顯降低，而變形桿菌和厚壁菌門則相應(yīng)增加，在真菌中，最具優(yōu)勢的亞目(子囊)明顯減少，而接合菌科則顯著增加。Han等[10]發(fā)現(xiàn)在含有0.001～5 mg·kg-1鎘的土壤中，革蘭氏陽性菌在6～24 h內(nèi)占優(yōu)勢，相對豐度為45%～60%，而在72 h時(shí)，革蘭氏陰性菌發(fā)展為優(yōu)勢菌，幾乎占主導(dǎo)地位，相對豐度為55%，群落組成變化可能與鎘對土壤堿性磷酸酶的興奮效應(yīng)有關(guān)，在興奮效應(yīng)前(6 h)，革蘭氏陽性菌的相對豐度大于革蘭氏陰性菌，而在興奮效應(yīng)后(72 h)，相對豐度正好相反。

1.2 植物

植物體內(nèi)的氧化還原平衡受鎘影響。在一定程度的鎘脅迫下，植物可以提高抗氧化酶的活性，從而清除活性氧而存活，但在更高的鎘脅迫下，抗氧化酶的活性降低，導(dǎo)致抗氧化防御酶系統(tǒng)性能下降，產(chǎn)生過量的活性氧，造成氧化損傷。研究表明，50 mg·kg-1鎘導(dǎo)致菠菜葉片與根系抗壞血酸過氧化物酶活性明顯升高[11]，6 mmol·L-1鎘可引起生菜葉片抗壞血酸鹽過氧化物酶與超氧化物歧化酶活性顯著增強(qiáng)，9 mmol·L-1鎘則導(dǎo)致其活性下降，而過氧化氫酶活性變化均不大[12]，小麥對鎘的響應(yīng)與生菜不同，鎘導(dǎo)致小麥葉片與根系超氧化物歧化酶活性明顯降低，葉片過氧化氫酶活性明顯增強(qiáng)，而根系過氧化氫酶活性降低[13]?？梢娭参锟寡趸杆阶兓c鎘濃度、植物品種及部位有關(guān)。此外，鎘還會(huì)增加植物體內(nèi)的丙二醛和離子滲漏水平，引起氧化應(yīng)激效應(yīng)。例如，50 mg·kg-1鎘引起菠菜葉片與根系丙二醛含量明顯升高[11]；在栽培60 d后，10、37和55 mg·kg-1鎘導(dǎo)致桑樹葉片電解質(zhì)滲出率分別增加9.2%、28.1%和43.7%[14]。

活性氧的過量產(chǎn)生損害DNA修復(fù)系統(tǒng)，如錯(cuò)配修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)與堿基切除修復(fù)等，造成基因毒性效應(yīng)[15]。在鎘脅迫下，小麥[15]和水稻[16]幼苗基因組模板穩(wěn)定性明顯下降。鎘也可抑制植物細(xì)胞有絲分裂和損傷染色體。研究發(fā)現(xiàn)，5 mg·kg-1鎘引起蠶豆初生根尖細(xì)胞有絲分裂指數(shù)明顯降低，10 mg·kg-1鎘導(dǎo)致蠶豆次生根尖細(xì)胞的微核率與染色體畸變率明顯升高[17]。

過量活性氧也可導(dǎo)致葉綠素和類胡蘿卜素含量下降，損害光合系統(tǒng)。過量的活性氧阻斷光合系統(tǒng)Ⅱ的蛋白合成和恢復(fù)，直接或間接地降低D1蛋白水平，最終導(dǎo)致反應(yīng)中心功能受損，同時(shí)，鎘可通過抑制光合系統(tǒng)Ⅱ的新生蛋白合成和光活化來增強(qiáng)光合系統(tǒng)Ⅱ的失活[18]。在鎘脅迫下，光合系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞速率下降，從而引起氣孔關(guān)閉[19]。此外，鎘通過降低光合作用相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄、使參與二氧化碳固定的酶失活、增強(qiáng)蛋白質(zhì)水解、干擾氮和硫的代謝而阻礙光合作用[20]。

在鎘脅迫下，植物對各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和積累可能發(fā)生較大的變化，簡單總結(jié)了鎘對農(nóng)作物吸收營養(yǎng)元素的影響(表1)。銅可作為二價(jià)或一價(jià)陽離子被吸收，鐵還原酶將Cu2+轉(zhuǎn)化為Cu+，鎘的存在可以優(yōu)化這種酶的作用，從而可以提高銅的吸收率[21]。磷、錳與鎘的解毒有關(guān)，植物可以通過吸收更多的磷和錳來降低鎘的毒性作用[21-22]。

表1 土壤中鎘對農(nóng)作物吸收礦物元素的影響Table 1 Effect of cadmium in soil on the absorption of mineral elements by crops

鎘影響植物對養(yǎng)分的吸收和積累，抑制光合作用，引起氧化應(yīng)激與基因損傷，進(jìn)而導(dǎo)致植物生長遲緩。在鎘脅迫下，植物不同部位(如葉片、莖和根)生長受抑制。例如，6 mg·kg-1鎘導(dǎo)致水稻幼苗的根與莖長度、面積和數(shù)量均顯著下降[24]。200 mg·kg-1鎘引起蘿卜的莖和塊根長度、鮮生物量和干生物量明顯下降[25]。

鎘除了抑制植物的營養(yǎng)生長，其生殖生長也受到鎘的影響。鎘顯著降低花粉萌發(fā)率，影響花粉管發(fā)育。近年來的研究表明，青扦花粉對鎘高度敏感，鎘通過破壞內(nèi)膜細(xì)胞器，抑制胞吞/胞吐作用和形成酸性液泡來強(qiáng)烈抑制花粉萌發(fā)和管子生長，導(dǎo)致花粉管頭腫脹和管直徑不規(guī)則加寬[26]。Pan等[27]發(fā)現(xiàn)，鎘對茶花花粉萌發(fā)和花粉管生長的抑制作用與鎘濃度呈正相關(guān)關(guān)系，其花粉管頂端透明區(qū)也會(huì)受到鎘的破壞，這可能與線粒體丙酮酸脫氫酶復(fù)合物E1α(CsPDC-E1α)基因過量表達(dá)有關(guān)。此外，鎘抑制種子萌發(fā)，活性氧濃度過高也會(huì)導(dǎo)致種子不可逆損傷。

1.3 動(dòng)物

土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。鎘污染可以導(dǎo)致土壤動(dòng)物產(chǎn)生氧化應(yīng)激、基因表達(dá)異常、生長遲緩、繁殖能力下降和行為改變等，最終導(dǎo)致動(dòng)物數(shù)量和多樣性降低。

鎘脅迫會(huì)誘發(fā)土壤動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧和醛類物質(zhì)，破壞氧化還原平衡狀態(tài)，引起氧化應(yīng)激，對動(dòng)物造成氧化損傷。研究表明，鎘對蚯蚓氧化應(yīng)激效應(yīng)與鎘暴露時(shí)間、劑量及蚯蚓種類有關(guān)。Maity等[28]對比了赤子愛勝蚓(Eiseniafetida)和沃真云蚓(Eutyphoeuswaltoni)經(jīng)鎘暴露14 d后的氧化應(yīng)激反應(yīng)，結(jié)果表明，隨著鎘暴露劑量和暴露時(shí)間的增加，赤子愛勝蚓體內(nèi)谷胱甘肽水平逐漸降低，而沃真云蚓體內(nèi)谷胱甘肽水平均隨著鎘暴露劑量和暴露時(shí)間增加顯著升高。Sinkakarimi等[29]的研究表明，250 μg·g-1的鎘暴露可引起梯形流蚓(Aporrectodeatrapezoides)、玫瑰色蚯蚓(Aporrectodearosea)和赤子愛勝蚓體內(nèi)丙二醛含量明顯升高，前2種蚯蚓體內(nèi)丙二醛含量明顯高于赤子愛勝蚓。

在鎘脅迫下，土壤動(dòng)物的基因表達(dá)水平發(fā)生變化。0.6 mg·kg-1的鎘可誘導(dǎo)赤子愛勝蚓體內(nèi)金屬硫蛋白基因(MT)表達(dá)，其表達(dá)量與鎘劑量呈顯著正相關(guān)，這是由于作為一種應(yīng)對機(jī)制，在鎘脅迫下，可以誘導(dǎo)MT表達(dá)，從而緩解鎘中毒，而低劑量鎘誘導(dǎo)鈣網(wǎng)蛋白基因表達(dá)，加速蚯蚓內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)合成、折疊和加工過程，在高劑量鎘脅迫下，可能會(huì)損害包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在內(nèi)的細(xì)胞功能，從而降低鈣網(wǎng)蛋白基因表達(dá)[30]。在10、30和60 mg·kg-1鎘脅迫下，赤子愛勝蚓體內(nèi)凋亡抑制因子1(TRIAP1)基因表達(dá)量顯著增加[31]。而TRIAP1基因作為一種細(xì)胞存活因子，在低水平基因毒性刺激下可減少細(xì)胞死亡。這說明，在低水平鎘脅迫下，蚯蚓會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，引起TRIAP1基因過表達(dá)，從而減少細(xì)胞凋亡。0.3 mg·kg-1鎘會(huì)誘導(dǎo)白符跳(Folsomiacandida)體內(nèi)類金屬硫蛋白(MTC)基因表達(dá)[32]，表明MTC基因的差異表達(dá)可作為檢測土壤中低水平鎘污染的生物標(biāo)志物。

土壤動(dòng)物的生長速率與鎘呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究表明，赤子愛勝蚓暴露于鎘含量為2.51 mg·kg-1的土壤中30 d后，其體重下降11%[33]。5.7 mg·L-1的鎘暴露可引起秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)的體長縮短一半[34]；Nica等[35]發(fā)現(xiàn)蝸牛肝胰腺中鎘濃度最高時(shí)，殼生長受到顯著抑制，受損殼出現(xiàn)頻率最高。此外，研究發(fā)現(xiàn)，鎘會(huì)抑制土壤動(dòng)物的繁殖，在鎘脅迫下，白符跳體內(nèi)排卵激素基因表達(dá)量隨鎘濃度增加而降低，從而抑制其繁殖能力[30]。蚯蚓幼蟲的陰蒂形成延遲，產(chǎn)繭受到抑制，并對成蟲的生殖有抑制作用[36]。

土壤動(dòng)物的正常行為受到鎘的干擾，如產(chǎn)生回避行為、運(yùn)動(dòng)能力下降。牛曉倩[37]發(fā)現(xiàn)，通卷甲蟲、多霜臘鼠婦和中華蒙潮蟲等在爬行中明顯回避鎘污染的土壤區(qū)域。鎘影響線蟲在瓊脂板上和液體培養(yǎng)基中的運(yùn)動(dòng)能力，其爬行速度和擺動(dòng)頻率明顯下降[38]。蚯蚓的挖穴能力也受到鎘的干擾，掘穴時(shí)間、蚓洞長度與土壤受鎘污染程度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[39]。

鎘污染可以降低土壤動(dòng)物的存活率。研究表明，隨著土壤鎘濃度的增加，蚯蚓密度和辛普森多樣性指數(shù)呈反比下降，在鎘污染程度較高的土壤中，蚯蚓幼蟲死亡率較高[40]。目前，鎘對線蟲的毒性研究大多采用水溶液培養(yǎng)秀麗隱桿線蟲的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)毒理試驗(yàn)，在水試系統(tǒng)中秀麗隱桿線蟲對鎘很敏感。暴露于21 mg·L-1鎘中48 h，秀麗隱桿線蟲的死亡率達(dá)50%[38]。然而，Johansen等[41]發(fā)現(xiàn)，暴露于鎘含量高達(dá)2 000 mg·kg-1的土壤中14 d，線蟲的存活率才有較大降低。這是由于在土壤系統(tǒng)中，鎘會(huì)與土壤顆粒結(jié)合，降低鎘的生物利用度。

2 影響土壤中鎘生物毒性的因素(Factors affecting the biotoxicity of cadmium in soil)

土壤中鎘的生物毒性主要受非生物和生物因素影響，非生物因素包括土壤理化性質(zhì)、老化作用、元素間的相互作用和化學(xué)添加劑等，生物因素包括生物類型、母體轉(zhuǎn)移、生物活動(dòng)和土壤中促進(jìn)植物生長的微生物等。

2.1 非生物因素對鎘生物毒性的影響

2.1.1 土壤理化性質(zhì)

土壤的陽離子交換能力(CEC)、氧化還原電位(Eh)和水分等，在一定程度上影響鎘的生物毒性。研究表明，鎘對脫氫酶與堿性磷酸酶的抑制作用與土壤CEC負(fù)相關(guān)[45]；稻米中鎘含量與土壤Eh正相關(guān)[46]；隨著土壤水分逐漸升高，稻苗和稻草中鎘含量逐漸降低[47]。

鎘的釋放行為與土壤的鹽度也密切相關(guān)，在相同條件下，土壤鎘釋放量隨著土壤鹽度的增加而增加，交換性或還原性鎘的含量升高，從而鎘的生物毒性也隨之增加，此外，鎘的氯絡(luò)合作用也可提高其生物利用度。在高鎘水平下添加氯化鈉可顯著提高堿蓬和黃花補(bǔ)血草的鎘生物利用度[48]。土壤鹽漬化可降低鎘污染土壤中的古菌豐度和多樣性，改變其主要的古菌類群(豐富奇古菌門和廣古菌門的類群)[49]。

2.1.2 老化作用

在老化進(jìn)程中，鎘可通過各種機(jī)制包括微孔擴(kuò)散、空穴截留、固相表面沉淀或共沉淀等轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的部分(鐵錳氧化物部分和礦物晶格部分)，從而逐漸降低其遷移率和生物利用度。隨著老化時(shí)間的增加，鎘對赤子愛勝蚓半數(shù)致死濃度(LC50)顯著增加，土壤中交換性鎘含量和赤子愛勝蚓組織中交換性鎘含量顯著降低[50]。劉彬等[51]發(fā)現(xiàn)，在老化進(jìn)程中，鎘對水稻生長毒性的半抑制濃度(EC50)值明顯增加。因此，在含鎘土壤老化進(jìn)程中，鎘的生物毒性逐漸降低。

2.1.3 元素間相互作用

土壤中存在多種污染物，其他污染物也會(huì)影響鎘的生物毒性。不同污染物對鎘生物毒性的影響機(jī)理復(fù)雜，涉及二元、三元及以上混合物的毒性。部分有機(jī)污染物可減輕鎘對生物的毒性作用。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素恩諾沙星能降低鎘對土壤酶活性和微生物功能多樣性的抑制作用[52]。菲可顯著降低鎘引起的蚯蚓死亡率和體重?fù)p失[33]。部分有機(jī)污染物也可增強(qiáng)鎘的毒性效應(yīng)。例如，四溴雙酚A增強(qiáng)鎘對蚯蚓的急性毒性、生長抑制、體壁組織病理學(xué)改變和氧化應(yīng)激等毒性作用[53]。農(nóng)藥阿特拉津增強(qiáng)鎘對赤子愛勝蚓的毒性作用，而阿特拉津與毒死蜱的存在明顯降低鎘對蚯蚓的毒性效應(yīng)[54]。因此，多種混合污染物共同暴露可能會(huì)改變其中一種污染物對鎘的毒性作用的影響機(jī)理。在不同污染物濃度下，土壤中其他污染物對鎘的毒性作用影響可能不同。低水平的鎘與除草劑環(huán)草隆聯(lián)合暴露對赤子愛勝蚓表現(xiàn)出強(qiáng)烈的協(xié)同作用，而在高水平下產(chǎn)生拮抗作用[55]。在低水平鎘脅迫下，鉛增強(qiáng)鎘對赤子愛勝蚓的DNA損傷，而在高水平鎘脅迫下，鉛減輕鎘對蚯蚓的DNA損傷[56]。

2.1.4 化學(xué)添加劑

鈣可以作為外源物質(zhì)，通過減輕植物的生長抑制、調(diào)節(jié)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)、改善光合作用和減輕氧化損傷來保護(hù)植物免受鎘毒害[57]。在50 μmol·L-1鎘脅迫下，添加氯化鈣可使蠶豆根尖有絲分裂指數(shù)明顯升高，其微核率與染色體畸變率顯著降低[58]。施用硫化物和甜菜堿也可減輕鎘對植物的毒害。硫化氫通過保護(hù)光合作用機(jī)制、調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)、抑制鎘向地上部分轉(zhuǎn)移、促進(jìn)氣孔開放和減少落葉等，促進(jìn)鎘脅迫下種子萌發(fā)和植株生長[59]。在鎘脅迫下，向菠菜葉面施用甜菜堿也能降低鎘的吸收量和改善抗氧化防御系統(tǒng)，減輕菠菜中鎘的毒性[11]。

2.2 生物因素對鎘生物毒性的影響

2.2.1 生物類型

不同種類生物對鎘的敏感性不同，鎘脅迫對土壤動(dòng)物、植物和微生物會(huì)產(chǎn)生不同的毒性效應(yīng)。部分植物可超富集鎘。作為我國居民常見蔬菜之一的白菜對土壤鎘有很強(qiáng)的耐受性，根部可積累大量的鎘[60]。金銀花也可以吸收大量鎘，而鎘對金銀花的光合速率、總生物量和葉綠素含量無明顯影響[61]，可以用此類耐鎘植物來修復(fù)土壤鎘污染。

2.2.2 母體轉(zhuǎn)移

母體轉(zhuǎn)移增強(qiáng)鎘對其后代的毒性。Fajana等[62]發(fā)現(xiàn)，成年奧甲螨(Oppianitens)將其體內(nèi)39%～52%的鎘轉(zhuǎn)移給幼螨，而母源性獲得的鎘占幼螨體內(nèi)鎘的41%。鎘世代遺傳的可能性意味著，F(xiàn)1后代除了從土壤中吸收鎘外，還承受其父母體內(nèi)的鎘。

2.2.3 生物活動(dòng)

蚯蚓通過挖穴、攝食和排泄等活動(dòng)影響鎘的遷移和利用率。Coeurdassier等[63]將蝸牛分別暴露在有蚯蚓和無蚯蚓的含鎘土壤中2周，結(jié)果表明，有蚯蚓的含鎘土壤處理組中蝸牛體內(nèi)的鎘含量高于無蚯蚓的含鎘土壤處理組。成杰民等[64]發(fā)現(xiàn)，蚯蚓活動(dòng)使黑麥草根部吸收更多的鎘，且黑麥草相對于土壤從蚓糞中可吸收更多的有效態(tài)鎘。研究表明，在含蚯蚓的土壤中，玉米根際土壤的微生物種類隨鎘濃度的增加而增加[65]。

2.2.4 土壤中促進(jìn)植物生長的微生物

一些有益的細(xì)菌和真菌作為促進(jìn)植物生長的微生物，可以通過誘導(dǎo)對抗植物病原體的防御機(jī)制、產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的物質(zhì)和分泌特定酶來減輕鎘對植物的毒性和間接刺激植物生長，還可以通過各種機(jī)制(如酸化、沉淀、螯合、絡(luò)合和氧化還原反應(yīng))改變土壤中鎘的生物利用度，降低鎘對植物的毒性作用[66]。

3 土壤鎘生物毒性的研究方法(Methods of research on biotoxicity of cadmium in soil)

3.1 土壤微生物

相比于植物和動(dòng)物，微生物對鎘更敏感。研究指標(biāo)主要包括微生物數(shù)量和多樣性、土壤呼吸、土壤酶、磷脂脂肪酸、凈硝化速率、硝化勢以及銨耗率等。通過顏色平均變化率、香農(nóng)指數(shù)、麥金托什指數(shù)、辛普森指數(shù)和底物利用率等指標(biāo)以及聚合酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳、amoA基因定量PCR、高通量測序、熒光原位雜交和熒光定量PCR等技術(shù)研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，其中，常用amoA基因定量PCR技術(shù)研究氨氧化微生物的多樣性。土壤酶對鎘污染敏感，常被用作生物指標(biāo)，用于檢測和定量鎘的毒性，通常采用生態(tài)劑量(EDx)指數(shù)作為鎘對酶毒性的指標(biāo)，然而，基于酶活性測量的EDx值可能會(huì)隨著用于測量酶活性的底物類型和濃度以及用于描述響應(yīng)行為的生態(tài)劑量-響應(yīng)模型而變化。酶動(dòng)力學(xué)可以表征酶在鎘脅迫下的催化能力(Vmax)和底物親和力(Km)，進(jìn)而可以用來計(jì)算反映鎘與土壤酶相互作用內(nèi)在性質(zhì)的抑制常數(shù)(Ki)。這些基于酶動(dòng)力學(xué)的參數(shù)不隨底物濃度變化，因此，為鎘對土壤酶的抑制強(qiáng)度提供了更直接、更現(xiàn)實(shí)的測量方法[8]。此外，采用土壤酶作為生物指標(biāo)評估鎘污染也應(yīng)當(dāng)考慮不同陰離子鎘化合物對土壤酶的影響[7]。

3.2 植物

從氧化應(yīng)激、基因表達(dá)、養(yǎng)分吸收、光合作用、營養(yǎng)生長和生殖生長等方面研究鎘對植物的毒性作用。通過光合色素含量、凈光合速率、有效量子產(chǎn)率、光合光子通量密度、電子傳遞速率、光化學(xué)猝滅、氣孔導(dǎo)度和葉片蒸騰速率等指標(biāo)研究鎘對光合作用的影響。在遺傳水平上，隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA分析(RAPD)可有效檢測鎘誘導(dǎo)的遺傳多態(tài)性，目前主要以基因組模板穩(wěn)定性、微核率、有絲分裂指數(shù)和染色體畸變率等表征鎘對植物的基因毒性。在氧化應(yīng)激方面，主要以抗氧化酶活性、非酶抗氧化劑(抗壞血酸、谷胱甘肽、類胡蘿卜素、生物堿、生育酚、脯氨酸、酚類化合物、黃酮類化合物和丙二醛)含量[12]和電解質(zhì)滲出率等作為生物標(biāo)志物。也有研究利用鎘污染土壤浸提液或者淋洗液進(jìn)行毒性試驗(yàn)，例如，利用種子在土壤浸提液中進(jìn)行發(fā)芽和根伸長毒性試驗(yàn)。為了進(jìn)行細(xì)胞毒性和基因毒性評估，將青蔥的根暴露于土壤浸提液中，以根的生長、有絲分裂的頻率、根分生組織細(xì)胞的有絲分裂和染色體異常、脂質(zhì)過氧化水平和DNA損傷為毒性終點(diǎn)[67]。

3.3 土壤動(dòng)物

目前重點(diǎn)研究了鎘對土壤動(dòng)物的酶反應(yīng)、能量儲(chǔ)備反應(yīng)、神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)率的反應(yīng)、溶酶體膜穩(wěn)定性、基因表達(dá)、繁殖能力、行為方式的影響以及組織病理學(xué)損傷和氧化損傷。研究主要以活性氧、抗氧化酶和丙二醛作為氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物。在遺傳水平上，通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)(RNA-Seq)、RAPD分析和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)等檢測基因表達(dá)水平。也可采用彗星試驗(yàn)、熒光原位雜交法和8-羥基脫氧鳥苷(8-OHDG)含量等測定DNA損傷。

3.4 水生生物

土壤中鎘在雨水、生活廢水等沖刷下流向水體，因此，也可采用水體生物來測試土壤中鎘的生物毒性，常用的如大型蚤、發(fā)光細(xì)菌。通常先對含鎘土壤進(jìn)行浸提或者淋洗獲得土壤溶液，基于土壤溶液進(jìn)行水體生物毒性試驗(yàn)。大型蚤在鎘污染土壤測試中，主要研究指標(biāo)為運(yùn)動(dòng)抑制率，其運(yùn)動(dòng)能力對鎘污染土壤的浸提液較敏感[68]。鎘抑制發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度，以發(fā)光強(qiáng)度的變化表征鎘的毒性，常用的發(fā)光細(xì)菌包括費(fèi)氏弧菌、明亮發(fā)光桿菌和青海弧菌。

4 結(jié)論與展望(Summary and outlook)

鎘可導(dǎo)致土壤生物數(shù)量和多樣性減少、生長代謝減緩、氧化損傷與基因表達(dá)異常等。影響鎘生物毒性的因素較多，主要通過影響鎘生物有效性引起毒性變化，其中，pH和有機(jī)質(zhì)為主要影響因素，部分生物也影響鎘的遷移性和溶解度，可利用超富集植物來修復(fù)土壤鎘污染，施用有機(jī)質(zhì)、鈣、硫化物和甜菜堿等也能減輕鎘的毒性作用?？傮w而言，土壤鎘生物毒性研究取得了較大進(jìn)展，但尚有一些方面值得進(jìn)一步研究：

(1)關(guān)于土壤無脊椎動(dòng)物中鎘的母體轉(zhuǎn)移研究甚少，需要更多深入研究。母性的鎘在土壤無脊椎動(dòng)物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移對土壤無脊椎動(dòng)物種群具有生態(tài)學(xué)和毒理學(xué)意義，在制定鎘和其他非必需重金屬的環(huán)境土壤質(zhì)量準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)將母源性轉(zhuǎn)移納入標(biāo)準(zhǔn)。

(2)目前，鎘對蚯蚓的毒性研究主要基于人工土壤，以赤子愛勝蚓作為實(shí)驗(yàn)對象。然而，天然土壤的性質(zhì)影響鎘的毒性，且本土蚯蚓與赤子愛勝蚓對鎘的敏感性存在差異，因此，應(yīng)該利用天然土壤和本土蚯蚓進(jìn)行田間試驗(yàn)，提高研究結(jié)果的可靠性與有效性；同樣地，鎘對土壤線蟲的毒性研究主要在水系統(tǒng)中以秀麗隱桿線蟲為實(shí)驗(yàn)對象，其毒性效應(yīng)與實(shí)際在土壤中產(chǎn)生的毒性作用相差較大，應(yīng)加強(qiáng)線蟲的原位測試，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)評估的真實(shí)性與可靠性。

(3)對不同鎘脅迫條件下植物根部中央組織和細(xì)胞的變化研究較少；與鎘對營養(yǎng)生長的影響相比，關(guān)于鎘對植物的生殖發(fā)育階段影響的知識(shí)仍然相對匱乏，今后應(yīng)引起更多的關(guān)注。

(4)土壤藻類可能是一種有效的生態(tài)毒性測定生物，關(guān)于鎘對陸生藻類的毒性研究相對匱乏，需要更多深入研究；不同土壤類型的土壤酶在自然鎘污染梯度上的動(dòng)力學(xué)特性也需要進(jìn)一步研究；鎘對土壤硝化細(xì)菌的生態(tài)毒性僅限于功能基因的定量拷貝，其轉(zhuǎn)錄水平可能有待進(jìn)一步研究。

(5)今后可采用更多的水體生物深入研究土壤中鎘的生物毒性，如斑馬魚等模式生物。