王文文 王露露 郭海斌 張軍剛

【摘?要】砷是一種有毒的類金屬元素，對(duì)人類和動(dòng)植物都有嚴(yán)重的毒害作用。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，且直接影響水稻對(duì)砷的吸收。水稻是我國(guó)重要的糧食作物之一，但由于不恰當(dāng)?shù)拈_采礦業(yè)以及含砷類農(nóng)藥化肥的濫用等人為因素，致使砷污染的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。因此，開展有關(guān)磷砷之間相互作用的研究，對(duì)于降低水稻砷污染，具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】水稻;磷;砷

水稻是重要的糧食作物，我國(guó)水稻種植面積和產(chǎn)量分別占世界的23%和40%。然而，由于人類活動(dòng)，比如農(nóng)藥、除草劑的施用、開礦、污染水的排放和灌溉，造成土壤砷污染現(xiàn)象非常嚴(yán)峻。水稻與其它旱生植物相比其籽粒更容易累積砷，這與其生長(zhǎng)的厭氧環(huán)境和獨(dú)特的生理特征關(guān)系密切，致使稻米砷污染時(shí)有發(fā)生，從而對(duì)以稻米為主食的居民身體健康構(gòu)成潛在威脅。磷和砷在元素周期表中為同族元素，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，向砷污染稻田中施磷能緩解水稻砷中毒的現(xiàn)象。因此，研究磷元素對(duì)水稻砷吸收積累影響的本質(zhì)及其程度，對(duì)降低水稻砷污染，提高大米安全性具有重要意義。

1 砷的簡(jiǎn)介和來源

1.1 砷的簡(jiǎn)介

砷，在化學(xué)元素周期表中位于第4周期、第VA族，原子序數(shù)33，元素符號(hào)As。砷是一種類金屬的晶體物質(zhì)，它以幾種價(jià)態(tài)形式存在（-3，0，3、5價(jià)）。氧化環(huán)境下，砷存在的最穩(wěn)定的狀態(tài)是As（V），強(qiáng)還原狀態(tài)下，元素As和亞砷酸鹽（As（III））都可以存在。單質(zhì)以灰砷、黑砷和黃砷這三種同素異形體的形式存在，其中以灰砷最為常見。砷是一種類金屬，之所以將它歸入重金屬元素，是由于它很多理化性質(zhì)和環(huán)境行為都與重金屬元素類似。它不是植物生長(zhǎng)所需的必需元素，土壤中過量或超標(biāo)，將會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)造成不良影響。

1.2 砷的來源

砷污染的來源既有自然的，也有人為的。自然來源的砷通常以硫化礦物形式存在，常與銅和銀等金屬以及一些含砷量高的巖石礦物伴于礦石中。人為來源的砷主要是人們使用受污染的水進(jìn)行灌溉，勘探含有高濃度砷且不適當(dāng)?shù)牟傻V以及濫用含有砷等農(nóng)用化學(xué)品，導(dǎo)致全球農(nóng)業(yè)土壤中砷含量以驚人的速度增加。

2 砷的毒害作用

2.1 砷的植物毒性

砷的毒害作用會(huì)因?yàn)樽魑锓N類的不同而不同，例如黃瓜和豆類易被砷毒害，而谷物和牧草的耐受性則相對(duì)較強(qiáng)。砷的毒害主要表現(xiàn)為阻礙作物的生長(zhǎng)發(fā)育，影響作物的養(yǎng)分吸收。砷中毒的癥狀會(huì)首先表現(xiàn)在葉片上，葉片的葉綠素被破壞以至葉片失綠變黃，葉片邊緣卷曲甚至葉片脫落。其次表現(xiàn)為根的生長(zhǎng)發(fā)育受阻，根的條數(shù)變少，長(zhǎng)度縮短，重量減少，從而導(dǎo)致植株矮小、生長(zhǎng)勢(shì)弱，生長(zhǎng)發(fā)育延遲，產(chǎn)量降低，嚴(yán)重時(shí)不能開花結(jié)果，甚至死亡。

2.2 砷對(duì)水稻的毒害作用

水稻是當(dāng)今世界上主要的糧食作物之一，世界上大約有50%的人口都以稻米為食。人類通過飲水、食品、土壤、吸入灰塵和大氣微粒以及食用大米等途徑接觸砷。砷是人體致癌物質(zhì)之一，即使在低飲食濃度下也會(huì)對(duì)人體構(gòu)成相當(dāng)大的健康風(fēng)險(xiǎn)。大米是人體攝入砷的最重要來源之一。砷從稻田向水稻的轉(zhuǎn)移是人體接觸這種有毒元素的主要接觸途徑。與其它禾本科植物相比，水稻籽粒具有較高的砷吸收能力，且較易富集高濃度的砷。盡管從土壤到谷物的砷轉(zhuǎn)移率較低，但水稻籽粒中的砷含量仍比小麥和大麥高出許多，這是因?yàn)樗局猩閺耐寥赖角o稈的轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)0.8，而大麥和小麥的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別0.2和0.1。水稻對(duì)砷的毒性十分敏感，低度受害時(shí)就表現(xiàn)為植株矮化，葉色濃綠，抽穗期和成熟期延遲。在一定條件下，會(huì)出現(xiàn)明顯稻穗或穗?；魏突ㄋ氩挥痊F(xiàn)象;中度受害時(shí)，還出現(xiàn)莖葉扭曲，無效分蘗增多;嚴(yán)重受害時(shí)，植株不分棵，地上部分發(fā)黃，根系發(fā)黑，且根量稀少，干枯至死。因此，提高水稻對(duì)砷的耐受性，減少對(duì)砷的吸收、控制植株內(nèi)砷向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)等方面的研究具有重要意義。

3 磷對(duì)水稻砷吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

磷是植物生長(zhǎng)代謝必需的元素之一，磷和砷屬于同族元素，在土壤-植物體系中的轉(zhuǎn)移有相似之處。磷的存在不僅會(huì)影響植物對(duì)砷的吸收，而且還會(huì)進(jìn)一步影響磷在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化。由于As（Ⅴ）與磷有非常相似的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，As（Ⅴ）則通過磷的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞。在原核生物中，有2個(gè)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子家族：Pit 系統(tǒng)和 Pst 系統(tǒng)。這2個(gè)系統(tǒng)都能吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷，但 Pit 系統(tǒng)是吸收轉(zhuǎn)運(yùn)砷的主要系統(tǒng)。如在酵母細(xì)胞中，As（Ⅴ）主要通過磷的Pit 轉(zhuǎn)運(yùn)子吸收進(jìn)入細(xì)胞。同樣，在植物中，As（Ⅴ）主要通過磷的高親和力吸收系統(tǒng)進(jìn)入植物根系，再通過磷的轉(zhuǎn)運(yùn)子進(jìn)入細(xì)胞。由于磷和砷在吸收過程中存在競(jìng)爭(zhēng)，而磷吸收通道對(duì)磷的親和力大于砷，植物主要是通過抑制高親和力的磷吸收系統(tǒng)來降低砷的吸收，因此土壤中磷含量的多少可影響砷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明，隨著營(yíng)養(yǎng)液中磷濃度的增加，水稻根對(duì)五價(jià)砷的吸收能力降低，說明了磷能夠競(jìng)爭(zhēng)性抑制五價(jià)砷的吸收;在土培條件下，施加較高的磷肥抑制了水稻對(duì)砷的吸收。磷減少水稻對(duì)砷吸收的原因可能與五價(jià)砷酸鹽與磷共用水稻的轉(zhuǎn)運(yùn)通道，兩者競(jìng)爭(zhēng)吸收有關(guān)。

磷是水稻生長(zhǎng)過程中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演重要角色，尤其對(duì)植物根部生長(zhǎng)發(fā)育等代謝過程產(chǎn)生重要影響。由于As與P具有許多共同的物理化學(xué)性質(zhì)，因此細(xì)胞可以在無意中通過P的途徑吸收As。通常條件下，植物對(duì)砷酸鹽和亞砷酸鹽的吸收要高于對(duì)單甲基砷和二甲基砷的吸收。研究發(fā)現(xiàn)磷酸鹽和As（V）之間由于它們的化學(xué)相似性，從而引起相互競(jìng)爭(zhēng)。一方面磷可以抑制植物對(duì)As的吸收，另一方面它還可以促進(jìn)As在土壤中的有效性。研究表明，磷酸鹽可以取代土壤中結(jié)合位點(diǎn)的As（V），從而增加植物對(duì)砷的吸收和可利用性。因此，在植物有效磷濃度高的土壤中，根際As（V）和P對(duì)根系磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)隨著吸收的增加而減弱，從而降低其在植株中砷的濃度和含量。此外，內(nèi)部高濃度的磷含量可以誘導(dǎo)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的下調(diào)，從而進(jìn)一步抑制As的攝取。在水培實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，砷誘導(dǎo)的根系生長(zhǎng)減少和增加砷的濃度都可以通過磷處理逆轉(zhuǎn)。因此，磷可以用于降低As污染土壤中根系對(duì)砷的吸收。

4 小結(jié)

砷通常被認(rèn)為是對(duì)人類以及動(dòng)植物具有致癌性和毒性的首要因素之一。水稻吸收土壤中的砷，積累在植物的不同部位，其中籽粒中的砷含量比土壤內(nèi)的含量高出幾倍。人們食用砷污染后的水或食物，將會(huì)給人體的健康帶來顯著的負(fù)面影響。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)素，在土壤中添加磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以降低土壤的砷累積量，從而可以減少水稻中砷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

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作者簡(jiǎn)介：

王文文（1991-），女，河南正陽人，碩士，從事作物栽培與育種研究。

（作者單位：1.平輿縣農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)站;2.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院）