镉对药用植物的毒害作用
摘要：近年来由于工业矿产的开采以及含重金属农药化肥的使用灌溉等使得大量药用植物遭到重金属超标的威胁。镉元素属于自然界中的一种天然重金属元素，具有毒性特征强、移动范围大并且容易被植物所吸收积累的特点。植物一旦吸收超标的镉之后，便会引起植株生理和生化方面的多项指标异常，包括抑制其发芽率，削弱叶片光合速率等。作为中华民族文化瑰宝的中药材如今也面临着同样的重金属污染问题,由于其应用前景广泛，保证其质量是最基础的准则之一，因此从源头严防生长环境的污染是亟待探究并解决的问题。本文综述了重金属镉对药用植物的毒害作用，为进一步探究药用植物受镉污染机制奠定一定的基础。
关键词：镉；药用植物；毒害作用
随着科技的进步，我国尽管在经济和科学技术上节节高升和城市化进程快速，但也因此带来了一定的危害。大量的城市垃圾，工业矿产的开采、农业活动中的污灌、以及使用某些含量超标的农药和劣质化肥等行为都会让大量重金属渗入土壤中，给植物的生长带来威胁。其中，由含镉矿的开采与冶炼以及含镉工业“三废”的排放造成农田土壤镉污染问题日益严重。[1]镉元素是自然界中的天然重金属元素之一，在地球上整个生物圈中具有移动范围较大、毒性特征强、极容易被植物所吸收并积累的特点。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤镉点位超标率达7%，居八大超标金属元素之首。[2]同时镉是生物毒性十分强的一种重金属元素，当在土壤中的量达到饱和界定值后不仅会影响农作物的生长发育，还会影响其产量及品质的变化。[3]因此镉已成为影响植物生长的重要限制因子。20世纪40年代发生在日本富山县神通川流域的痛痛病事件, 就是食用了被污染的镉米所致。[4]药用植物是中华民族上下五千年历史所积攒下来的文明。作为世界上最早将药用野生植物应用在医疗保健卫生事业的国家，在我国古代，药用野生植物是治疗民众疾病的唯一途径。如今尽管在西药横扫医药界的强大趋势之下，但随着社会经济的深化发展，人们的保健意识不断增强，进一步认识到药用植物的应用好处，并也因此加大力度开发和利用药用植物。在这样的局面下，尽管人们对药用植物的重视程度日益增长，但由于过度的开发也为药用植物的产量与质量带来新的威胁。因此，药用植物的生长环境需要严格把控，只有从源头把握问题的关键，从起点敲响防治的警钟，防止镉金属离子在植物体内蓄积从而引发重金属超标问题，我国的药用植物才能发挥出其最大利益。
1镉对药用植物生长和品质的影响
如今，农药化肥等的过量使用、工业“三废”污染和某些药用植物自身对重金属的超强富集吸收能力等是重金属污染药用植物生长的主要途径。[5]其中重金属的污染是最不容忽视的，因为对药用植物的大量研究表明, 绝大多数的药用植物都含有一定量的重金属。[6,7]所以为了保障药用植物的生长环境而获得质量良好的中药材，解决重金属土壤污染的问题迫在眉睫。[8-10]镉元素作为自然界中一种毒性较高且广泛存在的化学元素,对我国土壤的污染日益严重,对植物的生理生化和生长发育也随之产生影响。[11]植物在镉含量高的土壤中,随着自身的生长通过土壤系统将重金属吸收到体内,因此影响到植物的正常生长发育,从而降低其产量和品质，[12]其中包括导致植物营养缺乏、叶绿素合成受阻、光合能力下降等，严重时会导致植物死亡。[13-14]Cd对植物根系的毒害主要通过加速根系细胞的老化,影响细胞分裂,从而改变RNA合成,抑制硝酸还原酶活性,减少根部对硝酸盐和其他养分的吸收。[15]同时，镉的胁迫可降低植物种子的发芽率,从而延缓植株的正常生长发育，[16]如通过抑制梧桐根的延长及根尖的发生从而抑制其生长，从而影响植株的整体变化；[17]同时镉胁迫可使植株叶绿素含量减少，[18-20]改变叶绿体的超微结构，在外观方面表现出叶片颜色发黄等现象。Cd对植物的毒害首先是作用于细胞内的氧化还原系统,进而引起一系列氧化还原反应,使抗氧化系统发生改变,且Cd易与细胞膜上蛋白体结合进而破坏酶系统。[21]随之植物细胞内脂质过氧化物含量增多，[22]例如随着Cd胁迫的加剧,龙葵叶和根中的一系列抗氧化酶活性逐渐升高,且程度不同。[23-24]还会随着植物生长进入植物体内对植物的光合作用造成一定的损伤。[25]研究表明，随镉处理浓度的增加，龙葵幼苗叶片净光合速率 (Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均呈下降趋势，可以显著的削弱龙葵的光合作用。[26-27]此外，由于食物链的传递会使得重金属Cd离子通过生物富集的作用影响食用者的身体健康。[28]
与其它金属相比，Cd具有较低的吸附系数，较高的土壤植物迁移率和较高的植物积累指数，很容易被植物富集并积聚在能够食用的部分。[29]植物种子最先与土壤中的镉元素接触，种子萌发的阶段也是植物最早受到镉胁迫的阶段。不同浓度的镉对植物种子的萌发和生长影响不同，[30]主要表现为“低促高抑”。不同种类的植物在镉胁迫下的表现也有一定差异,但总体上表现为：低浓度的镉基本不会影响植物的生长发育,甚至还会起到促进种子萌发和幼苗生长的作用，这与王业社等人的观点一致。[31]高芳等人以不同品种的花生为实验对象,研究了土壤中不同浓度的镉胁迫对其生理生化指标和产量品质的影响,实验表明,在低浓度镉胁迫下,两个品种花生的营养生长都受到了促进；[32]而在高浓度的镉胁迫下,种子的发芽率会显著降低,幼苗的生长受到一定抑制,甚至完全停止生长。例如，镉处理致使香椿幼苗MDA含量增加而导致香椿细胞过氧化。[33]张卫娜等人研究了不同浓度的氯化镉溶液对拟南芥幼根生长情况的影响。结果表明,随着氯化镉溶液浓度的增加,拟南芥幼根的生长明显受到抑制,根长明显变短,其长度约为对照组的1/5,且叶片明显变小。[34]王明新等通过试验发现,随着营养液Cd浓度的增加,叶片光合色素含量呈先上升后下降趋势,丙二醛含量则呈线性递增趋势,高浓度Cd处理对孔雀草生长产生了显著的胁迫响应。[35]此外，小麦会在严重镉污染的情况下出现叶片发黄甚至只不开花结实的现象。[36]所以对药用植物来说，重金属镉离子的危害程度不容小觑。
2中药材镉污染现状
中药是中华民族的瑰宝, 是我国宝贵的财富。其疗效独特、不良反应小, 在治病防病、维持人类健康方面有着十分重要的作用。[37]中药制品出口前景广阔，与普遍采用化工原料的西药相比, 中药更主要是从天然原料 (如矿石、植物和动物等) 中直接获取药材。而天然药材的成分不仅相当复杂, 且会随生长环境的不同而有所波动,因此, 提高中药材的品质对中药产业来说至关重要。[38]中药材由于受到水、空气、土壤等因素的影响，在生长过程中可能会被重金属污染，土壤中重金属含量对植物的影响最为严重，并且重金属的累积与环境条件、土壤性质、土壤中重金属存在形态、活性及植株对重金属的吸收、运输特性等有关；[39]同时，中药材在采集、加工、运输和仓储过程中也可能引入重金属，导致用药安全问题出现。我国中药材长期被有害重金属元素污染导致质量下降,中药材重金属包括铜、铅、镉、汞、砷等，尤其是镉元素的污染, 药材中的镉含量超标最为严重。郑琪等对9种市售药材中的重金属含量进行调查, [40] 其中有7批药材的镉元素均超标, 金银花、青蒿超标率75%, 栀子超标率28%。李沛忆等检测分析了部分主要出口中药材重金属含量, 发现测试样品中铅、镉含量超标现象严重。[41]周骁腾等对川芎4个传统产区进行重金属调查研究, 发现在4个产区全部川芎样本中镉含量均超出国家标准,[42] 这与陈林等人报道的结果一致。[43]此外，吴晓波、薛健的实验研究表明随着土壤中镉的含量提高, 长药景天中的镉含量也随之呈现出递增的趋势。同时通过测量不同土壤环境下的丹皮, 实验结果显示土壤中的重金属含量与药草的重金属含量呈正比关系。[44]
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