紫色土壤中镉铅砷浓度依赖性动态相互作用的植物测试研究：从非线性互作机制到生态风险评估

《Journal of Hazardous Materials》：Phytotest-Based Study on the Concentration-Dependent Dynamic Interactions of Cd, Pb, and As under Multiple Exposure Conditions in Purple Soils

　　本研究通过短期植物测试（Brassica napus/Sorghum bicolor）系统量化紫色土壤中Cd、Pb、As在单/复合暴露下的浓度依赖性相互作用，提出"功能主导结构"概念及基于限制-干扰-重构的非线性毒性调控模型（TU-RGR残差校正），突破传统静态剂量叠加模型（TU-CA）局限，为多金属污染土壤的机制性风险评估提供浓度驱动新框架。

　　

亮点

单一与复合暴露下植物生长的剂量响应特征与阈值

图2展示了甘蓝型油菜（Brassica napus）和高粱（Sorghum bicolor）幼苗在单一Cd（20 mg·kg^-1）、Pb（2000 mg·kg^-1）或As（500 mg·kg^-1）最高浓度设置下的生长状况。图示表明，在不同污染物胁迫下，B. napus对Cd表现出显著的刺激响应，其芽和根长度较对照组显著增加，表明即使在最高设定浓度下，Cd仍可能诱导生长促进效应。

单一Cd、Pb、As胁迫下的机制

复合污染的毒理学机制需以单一污染物条件下的响应为依据，因此理解单一金属效应是分析多重暴露结果的前提。在单一Cd胁迫下，甘蓝型油菜表现出典型的"剂量依赖性刺激-缓解"响应。据报道，Cd²⁺通过竞争必需元素（如Zn²⁺、Fe²⁺）的转运通道（ZIP）进入细胞。低剂量时，Cd已被证明可模拟必需元素信号，激活应激预处理途径，导致生长暂时增强。然而，随着剂量增加，Cd会破坏钙（Ca²⁺）稳态，诱导线粒体功能障碍，并通过产生活性氧（ROS）加剧氧化损伤，最终导致生长抑制。对于Pb和As，两者均表现出连续的剂量依赖性抑制，这与它们对酶活性的直接毒性作用（Pb取代Mg²⁺/Ca²⁺，As破坏ATP合成）以及诱导氧化应激的能力一致。值得注意的是，As的毒性显著高于Pb（B. napus芽/根的IC₅₀分别为115/82 mg·kg^-1；S. bicolor为218/134 mg·kg^-1），这归因于其更高的生物利用度和对巯基的强亲和力，从而导致更严重的细胞损伤。

结论

基于紫色土壤中Cd、Pb、As的单一和复合暴露，本研究系统阐明了多金属污染下的剂量依赖性植物毒性、相互作用模式以及物种/器官敏感性差异。主要结论如下：

1. 1.
   在单一污染物条件下，Cd（1–20 mg·kg^-1）对甘蓝型油菜（Brassica napus）的芽/根生长具有典型的剂量依赖性刺激-缓解效应（EC₁₅/EC₅₀：芽部分别为6.75/15.00 mg·kg^-1，根部分别为1.62/10.02 mg·kg^-1）。