大气O_3浓度升高对麦田土壤重金属铜生物有效性和生理毒性的影响

摘要：在开放式空气O3 浓度增加（FACE）平台下，采用盆栽试验，初步研究了O3 浓度升高后麦田重金属Cu 的生物有效性变化以及对各生长阶段小麦叶片生理毒性的影响。结果表明，在FACE 条件下，小麦地上部对Cu 的吸收相比于正常大气对应组有增加的现象；与正常大气对应组相比，FACE 条件下土壤中有效态Cu 的含量也有所增加；随着小麦的生长发育，FACE 圈小麦叶片内的MDA 含量总体呈上升趋势，O3 升高铜污染组的小麦叶片内MDA 的含量最高；与正常大气对照组相比，O3 升高铜污染组的小麦叶片SOD 酶和POD 酶比较敏感，在分蘖期其活性受到诱导，但随着暴露时间的增加，抗氧化系统的各个酶的活性逐渐受到抑制。O3加剧了Cu 对小麦的生理胁迫，增加了Cu 的生物有效性。

    对流层中臭氧（O3）是由光化学反应产生的二次污染物，是温室气体和光化学烟雾的主要成分。近年来由于大量使用化石燃料、含N 化肥，大气中NOx、VOCs 剧增，导致对流层中O3 浓度日益提高，每年以0.5％～2.5％速率增长，O3 污染事件频发、持续时间增长、影响范围和破坏程度不断增大[1]。在高层大气中，O3 保护层可以减少紫外辐射，保护地球上的生物，但在近地面O3 却给人类带来了很大的危害。已有许多报道表明，O3 作为一种空气污染物，可以对许多生物分子造成氧化损伤，严重影响近地面农作物和蔬菜的正常生理功能[2]。O3 会导致植物的光合作用受到抑制，引起萎黄、叶绿体降解、植物蛋白缺失等症状[3]。一般认为，O3 是通过叶片气孔进入植物体内，在植物体内产生过量的活性氧物质（ROS），导致叶片损伤以及植物生理生化的改变，最终抑制作物生长，致使作物减产[4]。
    近年来，由于矿产资源的不合理开采，农药、化肥的大量使用，超量或剩余的重金属铜（Cu）便成为污染物大量流人土壤、大气及水体环境中，给人类及生物带来极大的危害。由于重金属造成的污染一般难以消除，其越来越引起人们的广泛关注。植物是食物链中初级生产者，尽管Cu 是植物生长必需的微量元素，但过量的Cu 不仅会给植物的生长带来毒害，而且，还可通过在植物根、茎、叶及果实中的过量积累进入食物链，而危及人类。有许多文献表明，铜可以不同程度的影响到植物的生长、改变植物膜结构、新陈代谢过程以及正常的离子吸收[5-6]。
    无论是O3 还是土壤中的重金属铜都能在植物组织内通过大量诱导活性氧物质（ROS）而导致氧化胁迫，这些活性氧物质主要包括O-2、H2O2 以及1O2[3，7]。在植物叶绿体内这些活性氧物质的过量产生被证明是叶片遭受氧化损伤的主要原因[8]。作为正常生理功能之一，植物拥有抗氧化防御机制来避免活性氧物质所造成的损伤。生物体存在的抗氧化防御系统包括酶和非酶系统两大类，在参与活性氧清除及机体的保护性防御反应中发挥巨大作用[9]。超氧化物歧化酶（SOD）是最先与活性氧自由基作用的酶，它可将超氧阴离子O-2 分解为H2O2 和O2[10]；过氧化氢酶（CAT）又可继续分解H2O2，将之转化为无毒的H2O[10]；过氧化物酶（POD） 活性的诱导是高等植物对有害胁迫的综合反应，可能与膜质的氧化反应有关，通过催化植物体内酚类物质降解H2O2[11]；抗坏血酸系统是整个防御系统中非常重要的部分，在抗坏血酸系统中，抗坏血酸过氧化物酶（APX）催化抗坏血酸直接参与清除活性氧物质的反应[12]。
    目前大气O3 污染和农田重金属污染的问题日益严重。大气O3 浓度升高导致植物生理机能发生改变后，其对土壤重金属污染物的富集以及适应能力是否会发生明显变化？O3 浓度升高后土壤重金属对环境及其氧化损伤的改变，为大气O3 浓度升高条件下农田重金属的环境行为研究提供初步科学依据。的胁迫作用是否会进一步增强？未来的粮食食品安全问题是否会加剧？目前关于这方面的研究还比较少。本研究采用田间开放式大气O3 浓度升高（FACE）平台，以小麦为试验作物，初步探讨在O3 浓度升高下，农田重金属铜生物可利用性、小麦抗氧化防御系统以及其氧化损伤的改变，为大气O3 浓度升高条件下农田重金属的环境行为研究提供初步科学依据。