全 文 ：中性环境中铝盐絮凝剂对典型作物的生态毒性效应 3
张凯松1 ,2 　周启星1 ,3 3 3
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,中国科学院陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016 ;2 中国科学院研究生院 ,
北京 100039 ;3 南开大学环境科学与工程学院 ,天津 370001)
【摘要】　采用种子发芽和根伸长抑制的陆生生态毒理方法 ,在中性条件 (p H = 710) 下对铝盐絮凝剂 (Al2
Cl3)的生态毒性效应进行了研究. 结果表明 ,AlCl3 溶液在 p H = 710 时 ,与其酸性条件 (p H = 410) 相比对萝
卜、白菜和小麦等受试作物种子发芽和根伸长均表现出抑制作用 ,且发芽抑制率和根伸长抑制率与铝浓度
均呈极显著相关 ( P < 0101) 1 尽管在酸性条件下 AlCl3 对白菜和小麦根伸长抑制效应比相同浓度中性条
件更为强烈 ,但对萝卜根伸长的抑制程度在相同铝浓度条件下则是 p H = 710 时明显大于 p H = 410 时 ,在
低浓度时萝卜发芽抑制率也是中性条件明显高于酸性条件. 同时 ,铝盐在中性条件下对萝卜、白菜的发芽
和根伸长产生明显抑制效应的起始浓度低于酸性条件 ( < 210 mg·L - 1) .
关键词 　铝盐絮凝剂 　生态毒理 　种子发芽 　根伸长 　抑制率
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 11 - 2173 - 05 　中图分类号 　X131. 5 　文献标识码 　A
Ecological toxicity of aluminum2based coagulant on representative corps in neutral environment. ZHAN G
Kaisong1 ,2 ,ZHOU Qixing1 ,3 (1 Key L aboratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecology ,
Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ;2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences ,
Beijing 100039 , China ; 3 College of Envi ronmental Science and Engineering , N ankai U niversity , Tianjin
370001 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (11) :2173～2177.
By the terrestrial ecotoxicological methods of seed germination and root elongation ,and with aluminum2based co2
agulant AlCl3 which was widely used in wastewater2 and water treatment as an example ,this work studied the
toxicological effects of aluminum2based coagulants on representative crops ,including radish Raphanus sativus ,
cabbage B rassica chinensis and wheat Triticum aestivum ,over a range of exposure concentrations under the neu2
tral condition (p H = 7. 0) ,with contrast to an acid condition (p H = 4. 00) . The results indicated that there was a
significantly positive correlation between the concentration of AlCl3 and the inhibitory rate of root elongation and
seed germination either under p H 7. 0 or 4. 0 ( P < 0. 01) . Cabbage and wheat was more susceptive to AlCl3 toxi2
city under acid than under neutral condition ,while radish was in adverse. The minimum inhibitory concentration
of AlCl3 ( < 210 mg·L - 1) was lower under neutral than under acid condition.
Key words 　Aluminum2based coagulation , Ecotoxicology , Seed germination , Root elongation , Inhibitory rate.3 国家杰出青年科学基金项目 (20225722)和国家重点基础研究发展
规划资助项目 (2004CB418503) .3 3 通讯联系人.
2005 - 02 - 28 收稿 ,2005 - 08 - 21 接受.
1 　引 　　言
随着人民生活水平的提高和污水处理事业的发
展 ,用铝盐絮凝剂对饮用水和污水进行水质净化处
理日益普遍. 然而 ,在采用铝盐絮凝剂去除水体中的
颗粒物和其他污染物后 ,也残留了不同程度的铝 ,尤
其是化学强化絮凝工艺因大量使用无机铝盐絮凝
剂 ,而造成絮凝污泥和出水中不同程度的铝残
留[3 ,4 ,10 ,12 ] . 这些残留铝能在环境中长期累积 ,并可
能会对生态系统造成危害[8 ,22 ] . 人为原因特别是铝
盐絮凝剂的大量应用 ,加快了铝进入环境的速度 ,也
加剧了铝对生态系统中各生命组分的毒害作用 ,毒
害范围大到整个生物圈 (如全球性森林衰退) ,小到
对生物分子水平的伤害[1 ,5 ,9 ,11～16 ,19～21 ] .
高等植物是生态系统中的基础组成部分. 一个
健康、平衡、稳定的生态系统 ,可产生健康、优良的高
等植物 ;反之 ,一个不稳定或受到外来污染的生态系
统 ,可对高等植物的生长带来不利影响[29 ,30 ] . 过去
大量研究认为[5 ,9 ,11 ] ,铝产生毒性效应主要发生在
酸性环境 ,中性条件下不会导致毒害作用. 因此 ,针
对铝在酸性环境中的生态毒理学效应已有较多研究
报道[1 ,27 ] . 近年来 ,一些试验结果却表明 ,在中性条
件 (p H = 710) 下 ,铝暴露对水生生物的活动性有影
响 ,铝能通过生物富集进入水生生物圈[6 ] . 事实上 ,
由于土壤2植物系统比水生生态系统更为复杂多变 ,
铝盐在中性条件 (p H = 710) 下是否也对植物生长和
行为造成不可逆的影响 ? 为了验证这一推测 ,我们
采用现有的作物根伸长和种子发芽试验方法 ,来观
应 用 生 态 学 报 　2005 年 11 月 　第 16 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Nov. 2005 ,16 (11)∶2173～2177
测北方地区的 3 种典型经济农作物 (萝卜、白菜和小
麦)在中性条件下对铝盐絮凝剂 (AlCl3) 的反应 ,并
与其酸性条件下的生态毒性效应数据相比较.
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 供试种子 　小麦 ( Triticum aestivum) 选择辽春 14 号 ;
白菜 ( B rassica chinensis) 选择山东小白菜 ;萝卜 ( Raphanus
sativus)选择翘头青萝卜. 种子由沈阳农业大学种子批发部
提供. 试验前种子用 2 %双氧水消毒 ,蒸馏水冲洗干净.
21112 供试试剂 　无机絮凝剂为三氯化铝 (AlCl3) ,市售工业
产品.
21113 主要仪器设备 　恒温培养箱 ,90 mm 直径玻璃培养
皿 ,无灰定性滤纸 ,S225 型 p H 计.
212 　试验方法
21211 预备植物发芽与根生长试验 　目前已建立的高等植
物毒性试验方法有 3 种 :根伸长试验、种子发芽试验和早期
植物幼苗生长试验[17 ,28 ] . 依据参考文献[2 ,17 ] ,量取 5 ml 溶
液 ,采用水培法 ,试验 p H 设为 410 ±0105、710 ±0105 ,在水
溶液中上述 p H 条件下确定铝溶液对受试作物的根生长抑
制率区间为 10 %～50 %的浓度. 其中 ,三氯化铝按几何级数
配制成溶液 (0、5、10、50、100 和 200 mg·L - 1) ,温度为 25 ±1
℃,黑暗条件下于生化培养箱中培养.
21212 正式试验与根生长试验 　根据预试验结果 ,在根生长
抑制率为 10 %～50 %的浓度范围内 ,设置至少 6 个不同处
理浓度梯度. 小麦、白菜、萝卜选取 20 粒种子. 试验设置 3 个
重复. 在与预备试验相同的条件下进行种子发芽和根伸长培
养试验. 当对照组发芽率 > 65 %(本试验小麦、白菜和萝卜对
照组发芽率均在 92 %以上) 、根长达到 20 mm 时 ,终止试验.
对种子发芽进行计数 ,种子发芽标准为芽长 > 3 mm. 根长测
量时选取最长根长的主根. 去掉小麦、白菜、萝卜的种皮 ,对
作物新生长的部分进行称重 ,即作物的生物量.
21213 数据分析 　统计根伸长、发芽抑制率和生物量 (包括
鲜重和干重) 的平均值、标准偏差 ,并以浓度2抑制率绘制曲
线 ,进行回归分析 ,计算 EC10和 EC50浓度. 对不同 p H 和铝盐
投加量共同作用下作物根伸长抑制的差异显著性进行多重
比较检验 (LSR) ,统计学上的显著性设定为 P < 0105.
3 　结果与讨论
311 　中性条件下铝盐絮凝剂对作物发芽率的作用
图 1 表明 ,AlCl3 在中性和酸性条件下基本一
致 ,均对作物种子发芽率表现出一定程度的抑制作
用 ,而且不论在中性条件下还是在酸性条件下 ,萝
卜、白菜和小麦的发芽抑制率均与其中的铝浓度呈
极显著相关 ( P < 0101) (表 1) . 尤其值得注意的是 ,
在受试低浓度 (Al < 32 mg·L - 1) 范围内 ,中性条件
下 AlCl3 对萝卜的抑制效应 ,还要略强于酸性条件.
在较低浓度时 (Al < 16 mg·L - 1) ,无论 p H = 410 还
是 p H = 710 ,AlCl3 对白菜发芽抑制效应均不明显 ,
抑制率在 5 %左右 ;较高浓度 (Al > 32 mg·L - 1) 、中
性条件下 ,白菜发芽抑制程度高于相同浓度下铝在
酸性条件下所表现出的抑制作用. 当 p H = 410 时 ,
抑制率和铝浓度呈线性相关 ;当 p H = 710 时 ,在低
浓度铝胁迫下 (Al < 20 mg·L - 1) ,小麦发芽抑制率
随铝浓度的增加而急剧增长 ,之后抑制率随着浓度
的增加变化幅度不大 ,抑制率在 20 %左右.
图 1 　AlCl3 对受试作物发芽的抑制效果
Fig. 1 Inhibitory effect of AlCl3 on germination of tested crops.
a ) AlCl32 Raphanus sativ us ; b ) AlCl32B rassica chinensis ; c ) AlCl32
Triticum aestiv um . 下同 The same below.
表 1 　不同 pH条件下受试作物种子发芽抑制率( GI) 与铝盐絮凝剂
剂量 ( X , mg·L - 1)之间关系
Table 1 Relationships bet ween the germination inhibitory rate ( GI )
and the concentration ( X) of added aluminum as coagulation under
different pH conditions
受试种子
Tested seed
pH 回归方程
Regression equation
R2 P EC10 EC50
(mg·L - 1)
萝卜
Raphanus sativus
410
710 GI410 = 0139 X + 4180GI710 = 0121 X + 1110 0193701853 < 0101< 0101 1313< 210 116186
白菜
B rassica chinensis
410
710 GI410 = 0101 X2 - 0150 X + 7108GI710 = 0123 X + 1107 0196201971 < 0101< 0101 55133818 9511213
小麦
Triticum aestivum
410
710 GI410 = 0126 X + 510GI710 = 511 lnX - 0143 0198101854 < 0101< 0101 19127173 17316924
GI410为 pH = 410 时抑制率 GI410 is the inhibitory rate ( %) of germination at pH = 410 ; GI710
为 pH = 710 时抑制率 GI710 is the inhibitory rate ( %) of germination at pH = 710. 下同 The
same below.
　　根据回归方程可计算出三氯化铝絮凝剂在 p H
= 710 以及在 p H = 410 条件下对萝卜、白菜和小麦
种子发芽 10 %抑制剂量和 50 %抑制剂量 (表 1) . 结
4712 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
果表明 ,3 种作物的 EC10 ,均是 p H = 410 大于 p H =
710.这就是说 ,以 EC10作为毒性判断指标 ,中性条
件下铝的生态毒性明显大于酸性条件 ,尤其是在相
同条件下 ,当铝对萝卜发芽的抑制率为 10 %时 ,铝
相应的效应浓度不到 210 mg·L - 1 ,说明铝盐絮凝剂
AlCl3 在中性环境下对萝卜所表现出的毒性要强于
酸性环境. 以 3 种作物的 EC50作为毒性判断指标 ,
均是 p H = 410 的值小于 p H = 710 ,表明酸性环境下
铝对 3 种作物所表现出的毒性要强于中性环境. 从
表 2 还可以看出 ,就种子发芽这一生态毒理指标而
言 ,不同作物对 AlCl3 毒性的敏感程度是不一样的 ,
其敏感程度由高到低依次为白菜、萝卜和小麦.
312 　中性条件下铝盐絮凝剂对作物根伸长的作用
由图 2 可见 ,AlCl3 在中性和酸性条件下 ,对作物
根伸长的抑制作用均较强. 不论是在中性条件下 ,还
是在酸性条件下 ,萝卜、白菜和小麦的根伸长抑制率
均与铝投加量呈极显著正相关 ( P < 0101) (表 2) . 低
浓度时 ,萝卜和小麦对铝盐絮凝剂的暴露显示一定的
促进根伸长.在酸性条件 (pH = 410)下 ,尽管 AlCl3 对
白菜根伸长的抑制效果比相同浓度、中性条件下的抑
制作用明显 ,而且 AlCl3 对小麦抑制情况与白菜类似 ,
但相反的情况出现在铝盐絮凝剂对萝卜抑制过程中 ,
当 pH = 710 时 ,铝盐絮凝剂对萝卜根伸长抑制率反而
明显高于相同浓度、酸性条件下的抑制率.
图 2 　AlCl3 对受试作物根伸长的抑制效果
Fig. 2 Inhibitory effect of AlCl3 on elongation of tested crop roots.
　　根据回归方程可计算出三氯化铝絮凝剂在 p H
= 710 以及在 p H = 410 条件下对萝卜、白菜和小麦
根伸长 10 %抑制剂量和 50 %抑制剂量 (表 2) . 结果
表明 ,萝卜的 EC10和 EC50 ,均是 p H = 410 大于 p H =
710 ,尤其是 EC50 ,两者相差 116 倍 ,表明若以根伸
长抑制率为指标 ,萝卜对铝的毒害反应在中性条件
下要比酸性条件为强烈. 白菜和小麦的 EC10和 EC50
均是 p H = 410 小于 p H = 710 ,表明白菜和小麦对铝
的毒害反应在中性条件下要比酸性条件为弱. 就铝
对受试 3 种作物根伸长抑制作用而言 ,以 50 %抑制
率为指标 ,酸性条件下 ,白菜对 AlCl3 絮凝剂最敏
感 ,小麦次之 ,萝卜最不敏感 ;中性条件下 ,萝卜最敏
感 ,白菜次之 ,小麦最不敏感. 可见 ,以作物根伸长抑
制率为铝毒害作用的指示指标 ,则与作物的种类有
关.
表 2 　不同 pH条件下受试作物根伸长抑制率与铝盐絮凝剂剂量之
间关系
Table 2 Relationships bet ween the inhibitory rate of root elongation
( RI) and the concentration ( X) of added aluminum as coagulation un2
der different pH conditions
受试种子
Tested seed
pH 回归方程
Regression equation
R2 P EC10 EC50
(mg·L - 1)
萝卜
Raphanus sativus
410
710 RI410 = 1110ln X - 1314RI710 = 1214ln X - 1516 0192801889 < 0101< 0101 81397188 319198
白菜
B rassica chinensis
410
710 RI410 = 1012ln X + 1111RI710 = 1010ln X - 2125 0196401890 < 0101< 0101 01892117 4513119
小麦
Triticum aestivum
410
710 RI410 = 0172 X - 916RI710 = 0159 X - 815 0193201732 < 0101< 0105 27123114 82189912
313 　不同 p H 条件下铝盐絮凝剂对作物根生长抑
制作用的差异性检验
铝盐絮凝剂对不同 p H 条件下 (p H = 410 和
710)对受试 3 种作物种子根伸长抑制作用的多重比
较结果表明 ,当铝盐投加量为 0 时 ,在酸性和中性环
境中受试 3 种作物根伸长没有显著差异 ( P >
0105) . 随着铝盐的投入 ,相同 p H 条件下 ,同一作物
根伸长抑制差异显著 ( P < 0105) ;当铝盐的投加量
相等、p H 不同时 ,根伸长抑制作用也有显著差异 ( P
< 0105) (表 3) . 这说明单一的酸性和中性环境并不
能对作物根伸长产生明显的抑制作用 ,铝盐对作物
根伸长毒害起主要作用 ,这种毒害作用又与环境 p H
紧密相关.
314 　中性条件下铝盐絮凝剂对作物生物量的影响
从生物量的影响来看 ,铝盐絮凝剂在种子发芽
后生物量干重没有明显的抑制作用 ,干重下降率或
增长率一般不超过 10 %. 虽然铝盐浓度2干物质生
物量影响率相关关系不明显 ,但是絮凝剂溶液对萝
卜、白菜和小麦鲜重影响较为明显. 中性条件下的抑
制效果较酸性条件弱 ,酸性条件下絮凝剂对白菜抑
571211 期 　　　　　　　　　张凯松等 :中性环境中铝盐絮凝剂对典型作物的生态毒性效应 　　　　　　　　　　　
表 3 　不同 pH条件下 AlCl3 对白菜、萝卜和小麦根伸长抑制的多重比较结果
Table 3 Differences in average root elongation [ mean( mm) ±standard deviation] of Brassica chinensis and Raphanus sativus exposed to AlCl3 under
various pH conditions
p H
投加量 Added Al (mg·L - 1)
0 2 4 8 16 32 64
萝卜
Raphanus sativ us
410 2011 ±0166a
a
1917 ±0163a
a
2013 ±0149a
a
1716 ±0149b
a
1318 ±0146c
a
1319 ±0136c
a
1217 ±0148c
a
710 1910 ±0183a
a
1717 ±0140b
b
2012 ±0143a
a
1418 ±0160c
b
1219 ±1159de
a
1312 ±1133d
a
1116 ±0189e
a
白菜
B rassica chinensis
410 2715 ±2130a 3 a 2213 ±1121b
a
2110 ±1177b
a
1913 ±0198b
a
1513 ±0180c
a
1416 ±0187c
a
1313 ±0161c
a
710 2711 ±2102a
a
2716 ±219a
b
2313 ±2137b
a
2117 ±3144b
a
2019 ±1152b
b
2015 ±3111b
b
1515 ±0164c
a
p H
投加量 Added Al (mg·L - 1)
0 2 5 10 20 50 80 100
小麦 410 2117 ±1170a
a
2518 ±0153b
a
2316 ±2142a
a
2310 ±1110c
a
2212 ±0176de
a
1914 ±1152d
a
1414 ±0172d
a
6111 ±0139e
aTriticum aestiv um
710 2314 ±1144a
a
2310 ±1146a
b
2512 ±1128a
a
2316 ±1131a
a
2311 ±1183a
a
1916 ±1123b
a
2010 ±0156b
b
6138 ±0154c
a
表 4 　不同 pH条件下受试作物生物量降低率与铝盐絮凝剂剂量的
关系
Table 4 Relationships bet ween the inhibitory rate of biomass and the
concentration of added aluminum as coagulation under different pH
conditions
p H 投加量
Added Al
(mg·L - 1)
萝卜
Raphanus
sativ us
FW DW
白菜
B rassica
chinensis
FW DW
小麦生物量
T riticum aestiv um
biomass
FW DW
410 0 0 0 2811 - 611 0 0
2 1119 3 3411 112 1119 3
4 511 019 3412 - 212 511 019
8 1015 317 36 116 1015 317
16 2714 516 4316 511 2714 516
32 1818 818 2718 - 917 1818 818
64 1619 715 2812 116 1619 715
710 0 0 0 0 0 2811 - 611
2 - 113 015 1518 116 3411 112
4 - 912 211 813 6 3412 - 212
8 114 414 - 119 - 011 36 116
16 913 411 - 1213 - 216 4316 511
32 117 1017 - 815 - 911 2718 - 917
64 510 616 - 2014 - 319 2812 116
FW :鲜重 Fresh weight of biomass ;DW :干重 Dry weight of biomass1
制效果更为明显 (表 4) . 就本试验中作物的生物量
而言 ,将作物生物量 (干重) 作为生态毒理学指标是
不明显的 ,作物鲜重可以作为一个参考指标.
315 　中性条件下铝对作物的毒害作用机理
大多数陆生植物对铝的毒害作用极其敏感 ,铝
成为酸性土壤中抑制植物生长的一个重要因素. 当
土壤 p H < 415～510 ,对植物有毒的 Al3 + 可以从土
壤中溶解出来 ,并通过根吸收在植物体内积累 ,进而
阻碍植物生长和降低作物产量[8 ] . 铝对陆生植物毒
害作用最明显的特征是铝抑制了植物根尖细胞生长
和细胞分裂 ,使植物根变短、变粗 ,影响根对水分和
养分的吸收[1 ,13 ] . 本试验结果也表明 ,AlCl3 在 p H =
410 时 ,对受试作物种子根伸长抑制作用确实很明
显 ;经 AlCl3 胁迫后 ,植物根生长受阻 ,影响到根对
水分的吸收 ,植物鲜重降低非常明显 ;在种子发芽试
验期间 ,由于没有光合作用 ,发芽后生物生长量不明
显 ,干重变化不明显.
许多文献指出 ,环境中铝毒因环境条件的不同
而异 , 环境 p H 值被认为是影响铝毒的重要因
素[13 ,21 ] .在中性 p H 条件下 ,铝被认为主要以不可
溶性 Al ( OH) 3 稳定形态存在 [5 ,10 ] . 有关研究表
明[15 ] ,絮凝过程中产生的 Al13聚合物是一种毒性很
大的聚合物. 在中性 p H 值水体下 ,有少量铝以聚合
态 Al13形式存在[10 ] . Gérard 等[7 ]研究表明 ,在自然
土壤和地表水中 Al13的毒性可以被忽略. 但由于目
前大量铝盐絮凝剂在水处理过程中广泛使用 ,特别
是强化絮凝工艺的开发和应用 ,铝盐絮凝剂也越来
越多地进入环境[24～26 ] . 铝通过絮凝污泥和出水中
残留进入环境中的情况较多 ,这种方式的特点是接
触机会多、剂量低和长期性[18 ,23 ] . 铝可能在环境中
特别是在土壤表层长期累积 ,并造成环境中铝含量
增加. 由于土壤和水体中的 p H 一般呈中性 ,在中性
条件下铝盐絮凝剂所带来的铝毒可能会对作物造成
影响. 结果表明 ,传统铝盐絮凝剂不仅能在酸性条件
下 ,还能在中性条件下对经济农作物产生危害. 因
此 ,在越来越关注生态和环境安全的今天 ,减少水处
理过程中铝盐絮凝剂的投放量和出水中铝的残留
量 ,寻找新的安全型水处理替代产品 ,势在必行.
4 　结 　　语
通过作物种子发芽和根伸长试验证实 ,絮凝剂
AlCl3 在 p H = 710 以及在 p H = 410 时均对受试作物
种子发芽和根伸长表现出抑制作用 ,发芽抑制率和
根伸长抑制率与其铝浓度呈极显著相关 ( P <
0101) . 尽管酸性条件 (p H = 410) 下 AlCl3 对白菜和
小麦根伸长抑制效果比相同浓度、中性条件下的抑
6712 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
制作用明显 ,但铝对萝卜根伸长抑制效应在 p H =
710 时却高于 p H = 410 时相同浓度下的抑制效应 ,
而且在低浓度时萝卜的发芽抑制率更明显地高于
p H = 410 ;铝盐在中性条件下对萝卜和白菜的发芽
和根伸长产生明显抑制效应的起始浓度低于 210
mg·L - 1 ,也低于酸性条件下的浓度. 因此 ,在中性环
境中 ,铝盐絮凝剂对典型农作物如小麦、萝卜和白菜
毒害作用也应该引起足够的重视.
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作者简介 　张凯松 ,男 ,1979 年生 ,博士生. 主要从事污水处
理技术与污染生态研究 ,发表论文 10 余篇 ,申报专利 5 项.
E2mail :zhangkaisa @hotmail. com
771211 期 　　　　　　　　　张凯松等 :中性环境中铝盐絮凝剂对典型作物的生态毒性效应