环境中铝来源、铝毒机制及影响因子研究进展

铝是地壳中含量最多的金属元素,随着铝在人类生产生活中大量生产和使用,包括铝盐絮凝剂在水处理/湖泊治理中的广泛应用以及环境酸化,越来越多的铝进入生态系统,给许多生物带来毒害效应。文章综述了生态系统中铝的来源,铝毒对藻类、鱼类、植物和人体的毒害机制及影响铝盐迁移转化和毒性的主要因子,并提出建议和展望。在陆地生态系统中,铝主要以金属铝、氧化铝、铝盐化合物、含铝矿石等形态存在;水生生态系统中,铝主要以无机单体铝、无定型絮状物Al(OH)3和聚合铝等形态存在。铝抑制酸性磷酸酶活性或影响营养的利用对藻类群落结构组成和藻细胞产生影响。通过引起离子调节和呼吸紊乱,铝对鱼类组织器官、生长发育和生理代谢具有剂量毒性作用。铝在人体蓄积后,对神经、骨骼、肝脏、免疫系统等产生不同程度的损害。植物铝毒机制主要包括:(1)对根系细胞分裂及伸长的抑制;(2)对植物营养物质吸收的抑制;(3)对植物体内关键酶代谢的抑制;(4)对遗传物质及细胞结构的损伤等。影响铝毒的因子主要包括p H、Al~(3+)形态及浓度、环境温度、水体硬度、溶解性有机物种类及含量、结合配体浓度等。因此,人类生产生活中应合理科学使用铝制品,严格把控饮用水及食品中铝浓度标准。工业水处理中应加快研发应用高效环保的大分子聚合/微生物絮凝剂,控制水处理厂出水残余铝浓度。由于铝是两性元素,且水环境中铝越来越多,建议进一步研究铝盐在碱性环境中的毒性作用以及铝盐对水生植物、底栖动物的毒性作用。     

铝毒与有机酸和磷的关系

总结了铝对植物形态及生理方面的毒害，简要概述了铝对植物毒害的机制、植物的抗铝对策、耐铝植物与铝敏感植物对铝胁迫的不同反应，特别综述了有机酸及磷与植物抗铝毒的关系，以及受铝胁迫的各种土壤改良途径及植物抗铝措施．最后提出了铝胁迫导致植物矮化的问题，建议更多研究者来注意并进一步探索相关问题．表3参65     

不同铝水平下茶对铝及矿质养分的吸收与累积

土壤铝污染不仅影响作物的生长发育和产量,也对食品安全产生了潜在威胁。利用水培方法,设置0、5、10、15、20mg·L-15种铝处理水平,研究不同铝质量浓度水平下茶苗对铝及矿质养分的吸收与累积。结果表明:茶苗根、茎中铝含量均随着铝处理的质量浓度的增加而明显增加,而叶中含量影响不大。不同铝水平下各部位铝含量大小依次为根>叶>茎。从整株植物来看,随着铝处理质量浓度的增加,铝在根部的积累量增加,在茎和叶的积累量趋于下降。铝对茶苗营养元素钙、钾、镁的吸收影响不大,对磷的吸收有所促进,在一定程度上体现出茶树植物对铝的耐性。     

铝离子与聚硅酸的相互作用

本文应用核磁共振技术及化学分析方法研究了铝离子与聚硅酸之间的相互作用情况;借助于微电泳技术测定了含铝离子的聚硅酸絮凝剂在不同pH值条件下水解沉淀物的表面ζ电位变化情况;借助于透射电镜手段及静置观察方法考察了铝离子含量对聚硅酸胶凝作用的影响。实验结果表明,聚硅酸对铝离子具有一定的螯合(络合)和吸附作用,但二者之间不存在定量的作用关系,而是聚硅酸对铝离子的作用量随着铝离子含量的增加而增加。铝离子影响聚硅酸的胶凝时间,适量的铝离子的存在可延长聚硅酸的胶凝时间。聚硅酸的存在影响铝离子在不同pH值下的水解沉淀物的ζ电位值,使得达到零电位状态时的pH值向低pH值方向移动。     

小麦铝抗性和敏感品系对铝胁迫的生理生化反应

研究了冬小麦Triticum aestivvum L.铝抗性品系T202和铝敏感品系T105幼苗经0，50μmol L^-1，75μmol L^-1，100μmol L^-1和150μmol L^-1铝处理后根部的生理生化变化．结果表明：小麦根生长被严重抑制；酸性磷酸酶活性增强，磷代谢激活；硝酸还原酶受到一定程度的抑制；葡萄糖-6-磷酸脱氢酶对铝浓度极其敏感；葡萄糖含量下降；而膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量上升，超氧化物歧化酶(SOD)的活性升高和还原型谷胱甘肽(GSH)的含量下降．证实：铝胁迫造成了氧化伤害，激活了植物体内的抗氧化系统．分析还表明，T202耐铝的各项指标优于T105，前者的代谢酶活性对铝胁迫的反应更为迅捷，并有良好的能量储备和调动机制来抵御铝胁迫及由此产生的胁迫．图8参14     

氮素形态对大豆铝毒和根表铝形态分布的影响

铝毒是酸性土壤上作物生长的主要限制因素,虽然对铝毒已开展广泛研究,但铝毒与植物根表铝形态分布的关系还不清楚。以大豆(Glycine max)为研究对象,通过氮铝交替和氮铝共存2种处理方式的水培试验,研究了氮素形态对大豆铝毒的影响以及氮铝相互作用对根表铝形态分布的影响。结果表明,氮铝共存时,硝态氮体系中大豆根表吸附的各种形态铝含量均高于铵态氮体系。氮铝交替处理导致铝对大豆产生毒害,铝显著抑制大豆根伸长,降低大豆生物量,但在铵态氮和硝态氮体系中铝对大豆的毒害程度相近。无论是无铝对照还是有铝处理,硝态氮体系中大豆的生长情况均优于铵态氮体系。硝态氮处理还促进了大豆根系对K、Mg和Mn等元素的吸收。氮铝共存时,铵态氮可通过离子竞争作用缓解铝对大豆根系的毒害。     

低pH值,铝及钙铝比对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)谷胱甘肽含量影响研究

本文研究了低pH值条件下,铝及钙铝比对斜生栅藻生长及细胞中谷胱甘肽(GSH)水平的影响.结果表明,低pH值和铝对藻的生长具有抑制作用,而对细胞中GSH水平则有显著激发作用;当培养基中加入适量钙离子,一定程度降低藻细胞中GSH水平.这说明钙对低pH值及铝的毒害具有一定缓解作用,其缓解程度主要取决于钙与铝的相对量;并讨论了钙缓解作用的可能机理.     

聚合铝基复合混凝剂残余铝及混凝性能的初步研究

以不同碱化度(B)的聚合氯化铝(PAC)和二甲基二烯丙基氯化铵均聚物(PDMDAAC)制备聚合氯化铝-二甲基二烯丙基氯化铵均聚物复合混凝剂(PAC-PDMDAAC)，试验了其处理模拟水的除浊效果及水体的残余铝量。结果表明：PAG-PDMDAAC较PAC具有更低的投加量，更好的除浊效果，处理后水体具有更低的残余铝量。B和PDMDAAC质量百分含量(P％)对PAC-PDMDAAC除浊效果及水体的残余铝量有不同程度的影响。     

铝胁迫下不同耐铝小麦品种活性氧代谢差异及与小麦耐铝性的关系

逆境条件下植物体内产生并累积活性氧从而破坏植物组织结构与功能,同时植物也可以通过改变活性氧代谢相关酶活性清除活性氧而减轻活性氧伤害以适应环境胁迫。为研究铝胁迫下不同耐铝小麦品种(Triticum aestivum L.)在活性氧代谢上的差异及与小麦耐铝性的关系,本试验选用小麦品种ET8(耐铝型)、ES8(铝敏感型)为试验材料研究了不同耐铝小麦品种活性氧代谢变化上的差异。结果表明,50μmol·L-1铝处理24h,ET8和ES8活性氧含量显著升高,O2·ˉ产生速率增幅分别为10.5%和20.4%,H2O2含量增幅分别为3.3%和7.6%。ET8和ES8超氧化物歧化酶(SOD)活性增幅分别为11.9%和41.6%,过氧化物酶(POD)活性增幅为51.8%和77.8%,抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性增幅为54.4%和29.1%,过氧化氢酶(CAT)活性增幅为32.9%和38.4%,谷胱甘肽还原酶(GR)活性增幅为83.1%和85.5%。虽然抗氧化酶活性增加后会清除一部分活性氧,但活性氧的累积仍然造成了膜脂的过氧化,ET8和ES8丙二醛(MDA)含量分别增加18.2%和50.0%,质膜透性也随着MDA含量的升高而增加,增幅分别为1.25倍和1.36倍。综上所述,不同耐铝品种间活性氧代谢的差异是小麦品种耐铝性差异显著的原因之一。     

聚合铝的形态稳定性及其动电特性的研究

本文采用改进的Ａｌ－Ｆｅｒｒｏｎ快速测定法研究了混凝过程中铝盐与聚合铝水解形态的转化规律及稳定性，并对混凝反应过程中铝与聚合铝溶解－沉淀形态分布与理论溶解度进行了对比，同时采用流动电流技术直接测定了铝盐与聚合铝絮凝剂的荷电状况，最后对发生在混凝过程中铝与聚合铝最佳凝聚形态进行了讨论。     

铝盐最佳混凝形态及最佳pH范围研究

本文从理论上分析了铝盐的水解聚合过程,预测了铝盐混凝过程进行时的最佳混凝形态及最佳ｐＨ范围,并且通过实验手段分析说明了铝盐的最佳混凝形态,混凝特征及最佳ｐＨ范围,得到了较为一致的结果。     

铝胁迫下不同耐铝小麦品种活性氧代谢差异及与小麦耐铝性的关系

逆境条件下植物体内产生并累积活性氧从而破坏植物组织结构与功能,同时植物也可以通过改变活性氧代谢相关酶活性清除活性氧而减轻活性氧伤害以适应环境胁迫。为研究铝胁迫下不同耐铝小麦品种（TriticumaestivumL．）在活性氧代谢上的差异及与小麦耐铝性的关系,本试验选用小麦品种ET8（耐铝型）、ES8（铝敏感型）为试验材料研究了不同耐铝小麦品种活性氧代谢变化上的差异。结果表明,50μmol·L-1铝处理24h,ET8和ES8活性氧含量显著升高,O2产生速率增幅分别为10．5％和20．4％,H202含量增幅分别为3．3％和7．6％。ET8和ES8超氧化物歧化酶（SOD）活性增幅分别为11．9％和41．6％,过氧化物酶（POD）活性增幅为51．8％和77．8％,抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性增幅为54．4％和29．1％,过氧化氢酶（CAT）活性增幅为32．9％和38．4％,谷胱甘肽还原酶（GR）活性增幅为83．1％和85．5％。虽然抗氧化酶活性增加后会清除一部分活性氧,但活性氧的累积仍然造成了膜脂的过氧化,ET8和ES8丙二醛（MDA）含量分别增加18．2％和50．0％,质膜透性也随着MDA含量的升高而增加,增幅分别为1．25倍和1．36倍。综上所述,不同耐铝品种间活性氧代谢的差异是小麦品种耐铝性差异显著的原因之一。     

不同地区针叶林土壤中活性铝的形态比较

本文研究我国南北某些地区针叶林土壤中活性铝的形态分布,探讨了以羊毛铬菁R为显色剂测定活性铝的流动注射分析方法,并用四种化学浸提液作土壤中活性铝的溶出及形态分离。结果表明:土壤本身的酸度对铝的溶出和形态分布有明显影响。     

磷对铝胁迫下荞麦根际土壤铝形态和酶活性的影响

采用土培法,以耐铝性明显差异的两个荞麦Fagopyrum esculentum基因型“江西养麦”(耐性)和“内蒙荞麦”(敏感)为材料,研究铝胁迫下磷对荞麦生长和根际土壤铝形态、土壤酶活性的影响.结果表明,0.4 g·kg~(-1)铝配施0.2 g·kg~(-1)磷的内蒙和江西荞麦根系生物量分别比不施磷组增加了67.9%和21.2%,磷能显著缓解铝对荞麦根系生长的抑制,提高根系生物量和根冠比.磷铝互作下根际土壤的交换态铝含量显著降低,毒性较小的吸附态羟基铝和络合态铝含量显著增加.根际土壤酶活性变化复杂,过氧化氢酶活性与磷质量分数呈正相关,w_p=0.2 g·kg~(-1)对铝胁迫下荞麦根际土壤转化酶活性最有利.说明施磷降低铝胁迫根际土壤的交换态铝含量,提高土壤过氧化氢酶活性,减缓铝毒对植株生长的抑制作用.     

土壤中的铝及其植物效应的研究进展

概述了铝的性质，土壤中铝的存在形式、铝的流失、铝毒与酸雨的关系，植物对铝的吸收，铝在植物体内的分布以及植物对铝毒胁迫的反应，为进一步开展铝及其植物效应的研究提供了信息。     

模拟酸雨对酸性土壤铝溶出及其形态转化的影响

研究了我国南方酸沉降区主要土壤类型在模拟酸雨影响下，土壤中铝离子释放及铝形态转化的特点。结果表明，酸雨淋洗造成土壤中铝离子释放，酸雨pH值越低，铝离子释放量越大；酸雨淋洗还造成土壤中铝形态发生变化，酸雨pH越低，土壤中羟基态铝和腐殖质铝含量愈低，交换态铝含量越高，土壤中铝对植物和生态系统的危害性也越大。     

菊芋对酸铝复合胁迫的生理响应

以耐铝性的南京菊芋(Helianthus tuberosus L.)和铝敏感的资阳菊芋为试验材料,在土培条件下,研究了酸铝复合胁迫对菊芋幼苗根系生长、叶片光合特性、抗氧化酶活性、可溶性糖和MDA含量的影响。结果表明:溶液的p H值和铝浓度的变化对菊芋生理有明显的影响,最低浓度的铝处理在不同p H条件下已经影响了菊芋的正常生长。和对照组相比,菊芋的根长明显受到抑制,但变化幅度不大;叶绿素含量、最大光能转换效率(F_v/F_m)、最大荧光产量(F_m)及电子转移速率(ETR)显著降低,而根系活力、SOD、POD和CAT则呈现相反的变化趋势。南京菊芋受抑制程度明显小于资阳菊芋,显示出两个菊芋品种的耐铝性差异,初始荧光(F_0)、可溶性糖以及MDA含量均上升,qP和qN出现相反的变化趋势。随着铝浓度处理的升高,菊芋的各项生理指标较对照组差异性加大;同一铝浓度下,与pH 5相比,pH 4处理菊芋根系活力升高,叶绿素a含量降低,F_0增大,可溶性糖含量下降,SOD及MDA含量上升;不同铝胁迫下,菊芋体内各个生理指标变化有显著差异性,随着铝浓度增加,根系活力和抗氧化酶活性也上升,可能是菊芋体内抗氧化酶系统及根尖吸收机制对缓解酸铝胁迫起着重要作用。通过灰色关联度分析,与菊芋耐酸铝性关系最密切的指标是叶绿素qN,其次是ETR、MDA和F_v/F_m。     

铝毒在不同作物上的差异及温度的影响

采用水培法研究了作物耐铝性差异及温度对作物铝毒的效应，结果表明，铝首先伤害根生长，抑制作物对养分的吸收和利用，其中对大麦和蕃茄的危害尤为明显，并导致出现缺素症。耐铝能力为水稻＞大豆＞大麦＞蕃茄，而它们的耐铝机理不完全相同。铝对作物的毒害因温度而异，作物在其最适生长温度范围内受铝伤害最明显。作物体内的铝含量有随铝处理浓度增高而增加的趋势，并明显受温度的影响。     

闽北地区杉木、千年桐纯林与杉桐混交林的土壤活性铝形态特征

选取福建省北部8年林龄的杉木(Cunninghamia lanceolata)纯林、千年桐(Aleurites montana)纯林及杉木-千年桐混交林(杉桐混交林),通过测定土壤pH值、根际及非根际土壤交换性铝、单聚体羟基铝、酸溶无机铝、腐殖酸铝含量,探讨不同林分根际与非根际土壤活性铝形态分布特征.研究结果表明:(1)3种林分土壤pH值在3.76-4.33之间,杉桐混交林土壤pH值显著高于两种纯林.(2)3种林分中,杉桐混交林的交换性铝含量显著高于杉木纯林,酸溶无机铝含量显著低于杉木和千年桐纯林,根际土单聚体羟基铝含量与两种纯林无显著差异.(3)同种林分间,千年桐纯林、杉桐混交林的根际土交换性铝及单聚体羟基铝含量均显著低于非根际土,杉木纯林根际土4种活性铝含量与非根际土均无显著差异.(4)不同土壤的交换性铝和单聚体羟基铝总量占活性铝总量的6.09%-16.17%,交换性铝含量与土壤pH值均呈现显著负相关(P 0.05).综上,相较两种纯林,杉桐混交林能显著降低土壤酸度及酸溶无机铝含量,对交换性铝含量有一定的提升作用,但并未显著影响土壤中单聚体羟基铝及腐殖酸铝含量;结果可为闽北酸性红壤区人工林经营管理、土壤铝毒害防治及生态环境恢复提供理论依据.(图3表2参38)     

模拟酸雨对红壤铝形态的影响

用动态淋洗试验，研究了不同pH的模拟酸雨对红壤中铝形态和性质的影响．结果表明，酸雨淋洗引起红壤中盐基离子的淋失和土壤铝的溶出．随着酸雨溶液pH的降低，盐基淋矢量和铝溶出量增加．酸雨淋洗影响土壤铝形态的转化，使红壤中交换态铝上升，吸附态羟基铝有所下降．这说明在酸雨长期作用下，羟基铝溶解，并转化为交换态铝和引起铝的溶出，使铝进入环境，危害生态系统．