镍在植物生长发育中的作用

环境中的镍污染源自然界中，最主要的镍矿是红镍矿（砷化镍）与辉砷镍矿（硫砷化镍），还有镍黄铁矿（硫铁化镍）和针硫镍矿（硫化镍）等。环境中镍的污染主要是镍矿的开采和冶炼、合金钢的生产和加工过程；含镍合金钢用于加工磨碎食品过程中造成的镍污染；石油中镍的含量为1.4～64×10-6，大部分煤也含有微量镍，因此，煤、石油燃烧时排放的烟尘中含有微量镍；天然水中的镍常以卤化物、硝酸盐、硫酸盐以及某些有机和无机络合物的形式溶解于水，水中的可溶性镍离子能与水结合形成水合离子[Ni（H2O）6]2+，当遇到Fe3+、Mn4+的氢氧化物、黏土或絮状的有机物时被吸附。天然淡水中镍的浓度约为0.5μg·L-1，海水中的浓度为0.66 mg·L-1。WHO饮水质量指南（1993）推荐饮水中镍的容许浓度为0.02 mg·L-1，空气中镍的最大容许浓度为0.1 mg·m-3。此外，镍可以在土壤中富集，电镀过程中也会产生镍污染。

现已证明，镍（Ni）广泛分布于植物界。镍是植物生长所必需的微量营养元素，是植物体的组成成分，自从Forchhmer（1885）首次发现镍存在于植物体，已有1 130多年历史，镍广泛分布于植物界，Krause总结前人的研究，提出了与植物必需的锰、铜、锌等微量营养元素相比，镍在植物体中的含量较低，一般为0.05～10 mg/kg，平均为1 mg/kg。但生长在由蛇纹岩或超基性岩投育的土壤上一些镍积累或超积累植物，其体内镍含量高得多。不同植物种类含镍量也不同，以苔藓、蕨类、地衣含镍量较高。研究表明，这些植物耐镍性较强，能吸收大气微尘中的镍，因而可作环境监测之用。据报道，生长在未污染地区的森林树木含镍量为1～15 mg/kg，而且叶片的含镍量有季节性变化。据Guha和Mitchell报道，幼叶的含镍量比夏末或秋季叶片高。

植物体含镍量与其生长环境有关，如Chang分析了10个土壤类型上20个土样和75个植物样，发现植物体含镍量与土壤含镍量相关，且与土壤有效镍含量相关性更好。

镍在植物体不同器官的分布也不均衡，据Gabbrielli等研究，镍积累在植物地上部分其含镍量高于根系，而非积累植物的根系含镍量比地上部分高。豆科植物的根瘤中镍含量比茎部高1.3～1.9倍。一般来说，营养生长期镍主要分布于叶和芽中，生殖生长期绝大部分镍从叶和芽转移到生殖器官。因此，成熟种子中镍含量常较高。

植物对镍很敏感，镍盐可以作为杀菌剂，人们最初把镍盐作为杀菌剂用在植物上时，发现对植物生长有促进作用，特别是少量的镍对松树幼苗、小麦、棉花、豌豆、向日葵的生长有刺激作用；此外，还发现镍可促进大豆、小麦、菜豆、豌豆种子的萌发，植物缺镍时生长发育受到抑制，甚至不能完成生命周期。

植物主要从土壤中吸收镍，不同土壤类型的镍含量及其有效性不同，而且受成土母质、质地以及工业活动等影响。

土壤中镍的含量，正常土壤含镍量为5～500 mg/kg，大部分土壤含镍量低于50 mg/kg。土壤的含镍量主要取决于成土母质。发育于砂岩、石灰岩或酸性火成岩的土壤含镍量在50 mg/kg以下；发育于泥质沉积岩和基性火成岩的土壤，含镍量可达50～100 mg/kg或以上；发育于超基性火成岩（如蛇纹岩）的土壤含镍量高达几千毫克每千克。

土壤质地也影响镍含量，其中重黏土（20.0 mg Ni/kg土）＞砂黏土（8.5 mg Ni/kg土）＞砂土（3.1 mg Ni/kg土），局部地质异常，如施用污泥、城市垃圾和冶炼、采矿等工业活动造成含镍微尘的沉积和沉降，都可以提高土壤含镍量，此外，施用磷肥也能将矿质肥料中大部分镍带入土壤。磷肥中镍的含量因原料不同而有差异，如磷灰土（2～100 mg/k）、磷灰石（3～5 mg/kg）、硝磷钾肥（6.0 mg/kg）、普钙（6.0 mg/kg）、重钙（15.0 mg/kg）、磷矿粉（20.8 mg/kg）、硝铵磷肥（0.8 mg/kg）。

土壤中的镍有四种形态。包括水溶态、交换态、吸附态和矿物态，其中对植物有效的包括水溶态、交换态和部分吸附态镍。其中水溶态和交换态的镍含量很低，一般土壤中水溶态镍为3～25 mg/L主要以二价阳离子存在，也有少量的、Ni（OH）+和Ni（OH）3-等。其含量受土壤中镍的含量。土壤pH、土壤胶体种类和数量、土壤有机质的影响，镍的交换能力较强。其交换能力可与Ca相比较，但由于土壤胶体表面镍的数量很少，因而交换性镍含量也很低。

一般认为镍是亲铁元素，土壤中镍大部分与铁锰氧化物结合在一起形成复合物或吸附在铁锰氧化物的表面。有人估计土壤中与铁、锰氧化物在一起的镍约占土壤中镍总量的15%～30%。此外，镍还可与一些有机化合物形成高级的络合物。这种整合态的镍在土壤中容易移动并容易被植物吸收。土壤溶液中镍的形态一般有Ni2+、Ni3+。一般随土壤pH的升高，镍的有效性降低。镍的植物有效性受土壤pH、质地和土壤有机质等影响。土壤中天然的有机或人工合成的螯合剂的存在会大大降低镍的吸收。在土壤pH低于5.5时，镍的有效性会大大提高。

镍是脲酶的组成成分。它作为脲酶的金属辅基参与氮代谢，镍对植物体内代谢过程的参与是通过影响脲酶的活性来完成的，因此，植物对镍的必需性取决于脲酶是否参与植物体内的重要代谢过程。

1975年，人们首次从刀豆中提纯了脲酶并鉴定了其组成成分，为在高等植物中具有生理作用提供了第一个明确的证据。结果表明，脲酶蛋白（Mr590，ooo）由六个亚基组成，每个亚基含有2个镍原子和1个活性位点。镍原子间的距离小于0.6 nm。每个镍原子分别同3个氮原子和3个氧原子结合在一起。镍在脲酶中的作用是专一的。Klucase发现在缺镍条件下，脲酶几乎没有活性。并且加入V、Sn、Cr或Pb等其他金属离子均不能替代镍而使其活性恢复。

大多数高等植物都含有脲酶，其作用是催化尿素分解成NH3和H2O。尿素一般来自酰脲保酸、尿囊素、尿囊酸和胍（精氮酸刀豆球蛋白和胍基丁胺）的代谢过程。在植物体内，酰脲和胍是氮的转运和贮存形式。豆科作物固定的氮大部分以酰脲的形式转移到地上部分。在大豆和豇豆体内，从衰老部分向种子等正在生长部位转移的氮大部分是酰脲的形式。尿素的另一个来源是精氨酸代谢过程。精氨酸是植物体内氮转运和贮存的主要化合物之一，是植物氨基酸的主要运输形式及某些植物地下器官的氮贮存形式。对379种植物的调查分析发现，精氨酸占种子中氨基酸的77%。精氨酸态氮占总氨基酸态氮的21.1%。居各种氨基酸之首。在精氨酸代谢过程中，束缚在弧基中的氮通过精氨酸酶和刀豆氨酸酶降解为脲酶的作用底物——尿素。(https://www.xing528.com)

植物种子形成和萌发的过程是氮素代谢最旺盛的时期，这时各种含氮化合物的形成、转运、降解及累积都在剧烈进行。研究发现，无论是在氮化合物转移、累积的种子形成过程中，还是在氮化合物降解、运出萌发过程中。精氨酸都居于代谢的中心地位。而精氨酸的降解产物是鸟氨酸和尿素。

从上述结果可以看出，在植物的氮代谢过程中，脲酶起着重要作用。其作用的底物——尿素来源于精氮酸和酰脲。前者是种子贮藏蛋白氨基酸中最丰富的含氮化合物，而后者不仅是核酸代谢过程中重要的氮源，也是大豆等豆科作物固定氮的主要转运形式。缺乏脲酶活性的植物会在种子中累积大量的尿素，或者在种子萌发时产生大量的尿素，这会严重阻碍种子的萌发。

镍除了是脲酶的金属辅基，与脲酶的活性密切相关外，在某些细菌中，还是一氧化碳脱氢酶、甲醛还原酶和氢酶的金属辅基。其中对氢酶的研究较多。氢酶是一类生物体内催化氢的氧化或质子还原的氧化还原酶，它与氢的利用和能量代谢有关，在理论上和实践上都有重要意义。镍不仅参与氢酶的组成，而且调节氢酶的表达。有人报道，蓝藻的吸氢和放氢与镍关系密切。镍浓度低于10 mmol/L时，放氢受到抑制，吸氢得到促进。Harker等和Friedrich等的研究表明，大豆根瘤菌、真养产碱菌等菌体细胞所吸收的镍几乎都集中于氢酶蛋白。氯霉素抑制氢酶的活性用氯霉素处理大豆根瘤菌时，即使有镍存在，也不能表现氢酶的活性。这暗示镍可能与氢酶蛋白的合成有关。许良树报道镍参与氢酶蛋白的起始合成，它可能是氢酶中结合分子态氢的第二氧化还原中心。此外，高等植物中精氨酸酶的活性可能与镍的存在有关，为镍所活化。镍还有激活大麦中阿尔法一淀粉酶的作用，过量的镍促进过氧化氢酶的合成。还有人认为，镍对DNA和RNA发挥正常生理功能是必需的。已经发现，镍大量存在于DNA和RNA中。其作用可能是通过与DNA中的磷酸酯结合，使DNA结构处于稳定状态。总之，镍的这类生化功能远不及它与脲酶和氢酶的关系明确，而且不同报道的结果也不一致，尚待深入研究。

蔬菜是广大人民群众日常生活中不可缺少的食物，其种植分布主要邻近各大城市和工矿区。当工业三废进入土壤造成污染时，蔬菜必然是农业生产中首当其冲的受害者。故以蔬菜作为供试作物研究重金属在土壤植物间的迁移规律及其作用具有重要意义。为研究探讨镍对蔬菜生长的影响，探明土壤中镍含量与作物产量之间的关系，研究制定镍的土壤环境标准，合理施用含镍废水、废渣提供理论依据。特选取巴县酸性紫色土、重庆北暗中性紫色土，宜宾石灰性紫色土进行试验。装盆前过3 m二孔径筛，每盆装土5 kg。平衡一周后，每盆植入莴苣幼苗3株，以NiSO4·6H2O作镍源，施镍并观察植物长势。

实验结果表明，三种土壤中有效镍含量都随施镍水平的增加而增加。土壤中低浓度的镍对蔬菜生长一般无危害，且有一定的促进作用；而高浓度的镍对蔬菜生长有抑制作用。酸性土上蔬菜对镍毒忍耐力最低，而中性土上蔬菜的抗镍毒能力最强。

Checkai等也见到缺镍培养的番茄心叶出现黄萎病，摄终分生组织坏死。刘高琼等报道，无土栽培时，溶液中添加适量镍有利于提高水培叶菜类对尿素态氮的利用率。一些植物需要有镍才能在最适宜的条件下生长、发育和利用氮。小麦、棉花、辣椒、番茄、中国大麻和马铃薯等植物经补充镍对其生长均有改善。小麦和蓖麻等种子在低浓度镍中发芽率可大大提高。

对豆科植物的研究表明，镍是这类植物正常生长发育所必需的。Eskew等用8-羟基喹啉柱层析方法，纯化所有用于溶液培养的试剂和去离子水，以去掉可能存在而无法定量的镍，然后再加入定量的镍，研究镍对大豆生长发育的影响。结果表明，在培养56天之后，完全去镍培养的植株中约27.5%的小叶尖端坏死，而在含有1或10μg/L Ni2+的培养液中生长的植株则不出现此症状。他们测得大豆种子中脲酶活性随着供镍数量的增加而增加，无论是以NH4+或，或是通过大豆共生固氮作用提供氮源，镍对植物氮代谢以及生长发育的正常进行都是必需的。在Eskew等的试验中没有观察到加镍与否的大豆产量及种子萌发率有差异，但他们根据完全去镍时出现的专一症状——小叶尖端坏死的结果认为，镍是豆科植物，可能也是所有高等植物所必需的微量元素。Walker等根据镍参与一种豇豆生殖生长期间氮代谢的结果，认为与植物体内氮元素的再分配有关。

豆科植物，尤其是共生固氮的豆科植物，由于其特殊的氮代谢过程，体内的脲类化合物代谢活跃。缺镍时，幼叶尖端很容易积累大量的脲，脲毒害很快引起叶尖坏死或叶片出现死斑，出现肉眼可见的专一性缺镍症，这对进行镍影响豆科植物生长发育的试验非常方便。这种现象在非豆科植物中是没有的。

在对禾本科植物与镍的研究中，最出色的工作是Brown等研究了如小麦、大麦、燕麦等对镍的需求状况。发现缺镍会导致燕麦早衰及大麦生长受阻：供镍可使大麦籽实产量提高，缺镍不严重时可以使大麦种子的活力及萌发率降低；严重缺镍可使种子完全丧失活力。他们以大麦为材料，在严格控制的实验条件下，研究三个世代的大麦植株，以克服上代籽粒中残存的镍对下代植株的影响。结果表明，培养液中镍的供应（0、0.6、1.0μmol/L）不同时，大麦单株的产量、总粒数显著不同，以供给1.0μmol/L镍的最高；其籽粒的镍含量也不同，而籽粒中不同镍含量又与籽粒的萌发率密切相关。Brown等发现，大麦的镍临界浓度为90±10 ng/g干重。在40～80 ng的镍范围内，种子萌发率随镍含量增加而增加少于30 ng时，萌发率接近0。组织学观察和TTC染色结果表明镍在大麦胚胎发育过程中有重要作用。缺镍时，胚根、胚芽的分化和发育均受阻，缺镍籽粒的生活力很低，仅有7%的种子有微弱的脱氢酶活力。此外，缺镍籽粒胚乳是透明的，而正常籽粒的胚乳则呈暗白色。

Brown等还发现，缺镍培养的燕麦比不缺镍的提早成熟15 d，缺镍培养的大麦根及地上部分重量明显比不缺镍培养的低，添加镍可以克服专一性病症的产生。Brown等的研究揭示了两点：①完全缺镍时，大麦不能完成其生活周期（不能产生有萌发力的种子）；②增加镍可以完全消除镍缺乏症。说明镍是必需的微量元素。

镍对植物有多种生理效应。Boyd等报道，积累高浓度镍的一年生芸苔科植物可以抵抗白粉菌等病原微生物的侵染。聂先舟等报道，镍能有效地延缓水稻叶片衰老，使叶片保持较高水平的叶绿素、蛋白质、磷脂含量和较高的膜脂不饱和指数。Smith等也认为菊花叶及花的衰老与镍有关。镍延缓植物衰老可能是通过抑制植物体内源乙烯的生成实现的。

另外，镍在植物中的作用与其和其他营养元素的协调平衡也有关系。Singh等报道，施加镍可降低小麦体内氮浓度，而氮亦可降低植物体内镍含量，施氮可以提高小麦叶尖对镍毒害的耐受力。镍在植物体内与铁、锌、铜、钙和镁等必需营养元素之间也有相互制约的作用。镍可抑制植物对铜的吸收，铁可减轻过量铜和镍对植物的毒害等。