锑（Sb）被世界卫生组织定义为致癌物质，每日人体摄入量不得超过6 μg·kg^-1。我国土壤Sb的背景浓度范围0.38~2.98 mg·kg^-1，通常少于1.0 mg·kg^{-1 [1]}。Sb污染广泛存在于选矿、冶金、电镀、制药、铅字印刷、皮革等行业排放的废水中，由此还可导致水源、土壤等的污染^[2]。我国是Sb产量最高的国家，总保有储量278万t，占全球总储量的66.2%；Sb产量超过15万t·a^-1，占世界年总产量的70%以上，储量和产量均为各国之首^[3]。然而随着采矿业的发展也产生了一系列的问题，湖南、广西、贵州、云南等省份的一些矿区均出现了不同程度的Sb 污染。据报道，湖南某些采矿及冶炼区的Sb污染程度已经达到了十分严重的程度，矿区土壤的Sb浓度在100.6~5045 mg·kg^-1[4]和79.6~54 221.7 mg·kg^-1[5]。何孟常等在研究Sb 的毒性时发现，绿藻和水蚤在3.5 mg·L^-1和9.0 mg·L^-1 Sb 浓度时2～4 d内就出现了死亡情况^[3]。Sb与As相似，但又有着区别，有研究表明Sb（Ⅲ）毒性十倍于Sb（Ⅴ）的毒性^[6,7]。与其他元素一样，Sb及其化合物的理化性质、毒性大小取决于Sb的氧化态及其结合体^[8]。人类摄取的Sb主要来源于饮用水和食物。由于植物对Sb的富集作用，使其Sb含量高于水或土壤中的Sb污染水平，特别是在以水稻为主食的南亚和中国，水稻籽粒中积累的Sb显著高于水稻土和灌溉水的Sb含量，这将给人类健康带来很大风险。

Si是地壳中含量第二的元素，早在1926年Sommer 就提出Si是水稻良好生长的必需元素，其地上部积累的Si甚至超过N、P、K等大量元素^[9]。增施Si肥不仅能增加产量，而且能显著地提高作物在各种胁迫条件下的抗逆能力。目前关于Si缓解重金属胁迫的报道，多是关于Si能减轻锰、亚铁、铝等金属离子的毒害作用^{[10,11,12,13,14,15,16,17]}。有报道发现，Si缓解水稻Cd毒害的机理是在植物叶片细胞壁中Si可以固定Cd使其失去毒性作用^[18]。目前关于Sb对水稻的毒性，及Si对Sb毒性影响的报道较少，因此研究外源施用Si对水稻吸收积累Sb的影响及其作用机制，对污染地区的Sb防治、提高农产品安全和降低Sb对人体健康的危害具有十分重要的意义。 1 材料与方法 1.1 水稻品种

水稻（Oryza sativa L.）品种为嘉花一号，由嘉兴农业科学院提供，是一种常见的南方晚稻品种。 1.2 试验方法 1.2.1 植株培养

挑选个大、饱满的水稻种子，用15%的双氧水浸泡10 min，再用蒸馏水完全洗净，均匀放入湿润的珍珠岩中发芽，定期浇水，保持珍珠岩湿润。在珍珠岩中生长20 d后，将幼苗从中转移出来用去离子水洗掉粘附在根上的珍珠岩颗粒，然后挑选生长一致的水稻苗移栽到500 mL PVC罐中（直径7.5 cm、高14 cm，每罐两株），包含1/3强度的营养液，此营养液配方是在Hewitt（1966）的基础上修改而来：NH₄NO₃ 5 mmol·L^-1；K₂SO₄ 2 mmol·L^-1；MgSO₄ 1.5 mmol·L^-1；CaCl₂ 4 mmol·L^-1；KH2PO₄ 1.3 mmol·L^-1；Fe(Ⅱ)－EDTA 50 mol·L^-1；CuSO₄ 1.0 mol·L^-1；ZnSO₄ 1.0 mol·L^-1；MnSO₄ 5.0 mol·L^-1；H3BO₃ 10 mol·L^-1；Na₂MoO₄ 0.5 mol·L^-1；CoSO₄ 0.2 mol·L^-1。每3 d换一次营养液，用0.1 mol·L^-1 KOH 或HCl将pH 值调到5.5。 1.2.2 水稻生长条件

试验在可控光温度和湿度的生长室中进行，28 ℃/14 h光照和20 ℃/10 h黑暗，光照强度为260~350 mol·m^-2·s^-1，相对湿度为60%~70%。 1.2.3 试验处理

水稻幼苗在营养液中生长15 d后，将Sb（Ⅲ）、Sb（Ⅴ）和Si分别以分析纯的酒石酸锑钾、锑酸钾和硅酸钠的形式同时加入。营养液中Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）的浓度都为0、10、30 μmol·L^-1，Si 的浓度分别为0、1.0、2.0 mmol·L^-1。共15个处理，每个处理4次重复，每3 d换一次营养液。水稻幼苗加Sb和Si处理15 d后收获。在生长期内每天随机调整水培罐的位置。 1.3 样品的分析

收获后，将水稻植株分为根和茎叶两部分，70 ℃干燥48 h，称量根、茎叶的干物质重量。取0.2 g左右磨碎的根或茎叶样品放入消煮管中，加入5 mL优级纯的浓HNO₃后放置过夜，空白和标准样品（GBW10016国际标准物质研究中心）同时做，以确保消煮后计算回收率。样品放入微波加速反应系统（MARS5，CEM Microwave Technology Ltd. USA）中进行消解。消解程序：15 min升到180 ℃，此温度保持15 min，然后20 min的降温过程（根据CEM公司推荐的方法修改）。消煮完成后用超纯水定容至50 mL，过滤。用ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA）测定消煮液中的Sb浓度。

植株中Si的测定参考Ma和Takahashi 的方法^[19]。 1.4 数据分析

富集系数（Bio-accumulating factor，BAF）：水稻植株中Sb（或Si）浓度与水溶液中Sb（或Si）浓度的比值，表示水稻富集Sb（或Si）的能力。

所有的实验数据均采用统计软件SPSS17.0和SigmaPlot11.0进行统计和方差分析。 2 结果与分析 2.1 Si和Sb交互作用对水稻生长的影响

经过不同价态的Sb处理后，水稻生长受到明显的抑制，表现为茎叶卷曲、叶片发黄、根系少而短，生长缓慢。相对来讲，Sb（Ⅲ）处理较Sb（Ⅴ）处理对水稻生长毒害更明显，与以往的文献报道相一致^[5,6]。由表 1可知，Sb（Ⅲ）处理对水稻茎叶干重的影响达到极显著水平（P=0.001），但对根干重的影响没有达到显著水平。施Si可缓解Sb 对水稻的毒害，但是Si处理对水稻茎叶干重和根干重影响不大。Si和Sb（Ⅲ）对水稻茎叶、根干重均没有显著的交互作用影响。由表 2可知，Sb（Ⅴ）处理对水稻根干重有显著影响，但对水稻茎叶干重没有显著影响，同时Si和Sb（Ⅴ）对水稻茎叶干重有显著的交互作用影响（P<0.05）。

表 1 Si对Sb（Ⅲ）胁迫下水稻生物量的影响 Table 1 Biomass of rice seedlings grown in nutrient solution with Si and Sb（Ⅲ）

表选项

表 2 Si对Sb（Ⅴ）胁迫下水稻生物量的影响 Table 2 Biomass of rice seedlings grown in nutrient solution with Si and Sb（Ⅴ）

表选项

图 1为Si和Sb交互作用对水稻茎叶和根中Si含量的影响。可以看出，当溶液中的Si浓度为1.0 mmol·L^-1时，添加Sb（Ⅲ） 10、30 μmol·L^-1均可以显著地降低水稻茎叶和根系中的Si含量（P<0.05），其中水稻茎叶Si含量分别比对照处理降低17.7%和52.2%；水稻根系Si含量分别降低62.9%和46.0%。当溶液中的Si浓度为2.0 mmol·L^-1时，添加Sb（Ⅲ） 10、30 μmol·L^-1使水稻茎叶Si含量分别比对照处理降低19.4%和56.0%，但使水稻根系Si含量分别比对照处理提高26.8%和59.0%。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant differences between treatments. The same below 图 1 Si和Sb处理对水稻茎叶和根中Si含量的影响 Figure 1 Concentrations of Si in shoots and roots of rice plants grown in nutrient solution with Si and Sb

图选项

在较低Si处理下（1.0 mmol·L^-1），添加Sb（Ⅴ）浓度为10、30 μmol·L^-1，可分别显著地降低水稻根系Si含量41.2%和36.0%（与对照处理相比），但是10 μmol·L^-1的Sb（Ⅴ）浓度对水稻茎叶Si含量影响不大，而30 μmol·L^-1的Sb（Ⅴ）浓度降低水稻茎叶Si含量比率达23.5%。在较高Si处理下（2.0 mmol·L^-1），Sb（Ⅴ）浓度为10、30 μmol·L^-1时，可分别使水稻茎叶Si含量比对照处理降低43.6%和44.1%，但是10 μmol·L^-1的Sb（Ⅴ）浓度却显著地提高了水稻根系的Si含量（图 1）。

统计水稻根系和茎叶中Si的积累量，发现两种价态的Sb对Si积累量的影响与其对水稻根系和茎叶Si浓度的影响趋势类似（表 3）。即Si1.0处理10、30 μmol·L^-1 浓度的Sb（Ⅲ）显著地降低水稻根系对Si的积累，根系中Si积累量分别比CK降低53.4%和49.6%，但Si2.0处理30 μmol·L^-1浓度的Sb（Ⅲ）却显著地促进了水稻根系对Si的积累，Si积累量比CK提高45.9%。在Si1.0处理下，10、30 μmol·L^-1的Sb（Ⅴ）浓度可显著地降低水稻根系对Si的积累，但是在Si2.0处理下，10 μmol·L^-1的Sb（Ⅴ）却显著地提高了水稻根系对Si的积累。无论Si1.0处理还是Si2.0处理（除了10 μmol·L^-1 Sb（Ⅴ）+1.0 mmol·L^-1 Si处理以外），10、30 μmol·L^-1的Sb（Ⅲ）、Sb（Ⅴ）浓度均可以显著地降低水稻茎叶对Si的积累（P<0.05）。

表 3 Sb对水稻根系和茎叶中Si总量的影响（μg·pot^-1） Table 3 Effects of different Sb forms on total amount of Si in rice roots and shoots（μg·pot^-1）

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Si和Sb交互作用对水稻茎叶和根系中Sb含量的影响见图 2。可以看出，添加Si均可显著地降低水稻茎叶和根系对两种价态Sb的吸收积累（P<0.05）。当营养液中Sb（Ⅲ）浓度为10 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系Sb浓度分别比对照处理降低52.0%和88.4%，水稻茎叶Sb浓度分别降低24.6%和45.4%；当营养液中Sb（Ⅲ）浓度为30 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系Sb浓度分别比对照处理降低29.3%和67.2%，水稻茎叶Sb浓度分别降低19.4%和24.0%。

图 2 Si和Sb 处理对水稻茎叶和根中Sb 含量的影响 Figure 2 Concentrations of Sb in shoots and roots of rice grown in nutrient solution with Si and Sb

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当营养液中Sb（Ⅴ）浓度为10 μmol·L^-1时，对照处理水稻茎叶和根系中Sb浓度分别为22.12、44.70 mg·kg^-1，Si1.0处理使水稻茎叶和根系Sb浓度分别比对照降低34.8%和53.8 %，Si2.0处理使水稻茎叶和根系Sb浓度分别降低49.6%和75.5%。当营养液中Sb（Ⅴ）浓度为30 μmol·L^-1时，对照处理中的水稻茎叶和根系Sb浓度分别为34.22、71.65 mg·kg^-1，Si1.0和Si2.0处理分别使水稻茎叶Sb浓度比对照降低25.3%和58.8%，水稻根系Sb浓度分别降低75.1%和85.1%（图 2）。

Si和Sb交互作用对水稻茎叶和根系Sb积累总量的影响结果表明（表 4），无论10、30 μmol·L^-1 的Sb（Ⅲ）、Sb（Ⅴ）处理，还是添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si均可以显著地降低水稻根系和茎叶对Sb的积累（P<0.05），且Si的浓度越高水稻根系和茎叶Sb积累总量降低越明显。当Sb（Ⅲ）浓度为10 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系和茎叶Sb积累总量分别比对照处理降低28.7%~43.9%和91.3%~72.7%；当Sb（Ⅲ）浓度为30 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系和茎叶Sb积累总量分别比对照处理降低26.9%~35.8%和68.9%~32.1%。同样，当Sb（Ⅴ）浓度为10 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系和茎叶Sb积累总量分别比对照处理降低67.3%~58.2%和81.6%~74.5%；当Sb（Ⅴ）浓度为30 μmol·L^-1时，添加1.0、2.0 mmol·L^-1的Si可使水稻根系和茎叶Sb积累总量分别比对照处理降低73.6%~59.5%和86.2%~84.0%。

表 4 Si对水稻根系和茎叶中Sb总量的影响（μg·pot^-1） Table 4 Effect of Si on total amount of Sb in rice roots and shoots under different Sb forms（μg·pot^-1）

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不同Si添加对水稻根系和茎叶Sb富集系数的影响见表 5，水稻根系Sb的富集系数大于水稻茎叶。水稻根系中，Sb（Ⅲ）处理的富集系数显著大于Sb（Ⅴ）处理，而水稻茎叶则相反，Sb（Ⅴ）处理的富集系数稍微大于Sb（Ⅲ）处理。Si的添加显著地降低两种Sb价态处理后水稻根系和茎叶中Sb的富集系数，且Si的浓度越高水稻根系和茎叶中Sb的富集系数降低越明显。

表 5 Sb在水稻根系和茎叶中的富集系数 Table 5 Bio-accumulation factor（BAF）of Sb and Si in roots and shoots

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表 6为不同Si浓度处理下水稻根系和茎叶中Sb的分配比率。可以看出，Sb（Ⅲ）处理下有77.4%~94.2%的Sb分配到根系，5.8%~22.6%的Sb分配到茎叶；Sb（Ⅴ）处理下有41.0%~66.9%的Sb分配到根系，32.7%~59.0%的Sb分配到茎叶。不同Si浓度处理对水稻根系和茎叶中Sb的分配比率影响有差异，添加较高浓度的Si可显著地降低水稻根系中Sb的分配比率，而显著地提高水稻茎叶中Sb的分配比率（P<0.05）。

表 6 Sb在水稻根系和茎叶中的分配比率（%） Table 6 Distribution ratio of Sb in roots and shoots（%）

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Sb在元素周期表中是与As同族的元素，它的一些性质类似于As，对植物生长有毒害作用。不同价态的Sb毒害作用有差异，一般来说Sb（Ⅲ）的毒性高于Sb（Ⅴ）^[20]。本研究也发现，处理Sb后水稻生长受到明显的抑制，表现出茎叶卷曲、叶片发黄、根系少而短、生长缓慢等症状，Sb（Ⅲ）比Sb（Ⅴ）对水稻毒害更明显。添加Sb可影响水稻对Si的吸收积累，并且受不同价态Sb添加的影响。添加30 μmol·L^-1 Sb（Ⅴ）可以显著地降低水稻根系和茎叶对Si的吸收积累，但是30 μmol·L^-1 Sb（Ⅲ）+2.0 mmol·L^-1 Si处理却显著地促进了水稻根系对Si的吸收积累。这可能与Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）在水稻体内的吸收转运机制不同有关。

Si在植物体中主要存在的形态是不溶性的水化无定形二氧化硅，其次是硅酸和胶状硅酸^[21]，在土壤溶液和水体中主要以正硅酸的形式存在（pH<9）^[22]，植物从土壤溶液中吸收Si的数量和比例主要取决于植物种类特性和溶液中硅酸的浓度。植物体内Si的长距离运输仅限于木质部，它在地上部茎叶中的分布取决于各器官的蒸腾率。Si主要存在于质外体中，当水分蒸发后硅酸沉淀于蒸腾流的末端，例如在叶片上、下表皮细胞的外壁上。在长距离运输中，Si也沉积于木质部导管的细胞壁中，从而增加导管的强度，抵抗高蒸腾对导管的挤压作用。Ma等证实水稻植株中66%的Si 是在生殖生长期吸收的，因此他们认为Si在水稻这个阶段的促进作用至关重要^[23]。Si缓解重金属对植物的毒害作用及其机理为人们所重视，关于Si缓解Cr对植物毒害的机理已有研究，认为Si和Cr作用能形成难溶性的化合物，从而降低Cr的移动性^[24]；在植物叶片细胞壁中Si可以固定Cd，使其失去效用从而缓解水稻的Cd毒害^[18]。Sb添加影响作物对Si的吸收积累，可能是由于Sb除了影响作物的生长以外，还影响Si的吸收和转运途径。本研究发现水稻茎叶Si含量远大于地下部Si含量，与其他研究者报道的水稻植株Si的分布规律相一致^[25]。

在田间和温室条件下，施Si对于水稻生长的有益作用为人们所熟知^[26]，本文的研究结果也发现，添加Si可缓解Sb对水稻的毒害，降低水稻根系和茎叶对Sb的吸收积累，并影响Sb在水稻根系和茎叶中的富集系数和分配比率（表 4和表 5）。此前也有关于Si缓解其他重金属毒害的报道，添加Si可降低重金属的富集系数^[27]。生物吸收Sb与Sb的价态及其赋存形态有很大相关性，但是Sb在植物体内的运输途径尚不明确。Tschan等发现，PO₄^3-的加入并未影响玉米和向日葵对锑[KSb（OH）₆]的吸收，表明Sb（Ⅴ）的吸收不像As一样是通过磷酸吸收途径进行的^[27]，他们认为在Sb含量较低的环境下，Sb（OH）₆^- 进入根系共质体需要一些低选择性的阴离子转运子，这样Sb（OH）₆^- 才能够替代必需营养元素的阴离子（Cl^-或者NO₃^-）进入植物根系细胞。Tschan等^[28]通过对许多文献数据的分析，总结出植物可能通过蒸腾的水流进行被动吸收和转运Sb（Ⅴ），并认为Sb（Ⅴ）通过蒸腾作用被动吸收必须要克服一些在植物根系中存在的具有选择性的障碍，这些障碍控制着水分和土壤溶质从根部向茎叶中转运，他们进而对这一推论进行解释：植物根系皮层中的质外体能够允许土壤溶液中的溶质直接进入根系内部，而在根系中柱，质外体被凯氏带从皮层分隔开（凯氏带迫使水分和溶质通过共质体运输通道进入内皮层细胞，以便达到根系中柱内部）。此外，他们认为Sb（Ⅲ）可能通过水通道蛋白被动扩散，从非原生质体穿过细胞膜进入细胞内，但水通道蛋白不让Sb（Ⅴ）阴离子进入，Sb（Ⅴ）阴离子进入细胞内需要转运子调控。外源Si缓解水稻Sb胁迫的机理目前还不太清楚，可能的机制是：一方面Sb（Ⅴ）和Si共同利用蒸腾作用被动吸收转运，相互竞争，从而减少水稻对Sb（Ⅴ）的吸收；另一方面，外源Si加入营养液之后会有部分转化成H4SiO₄分子，而植物对Si的吸收利用是以H4SiO₄ 分子的形式进行的^[29]。这可能和Sb（Ⅲ）共同利用蛋白通道形成竞争吸收，因此降低了植株对Sb（Ⅲ）的吸收。为阐明外源Si 缓解水稻Sb毒害的机理，进一步的深入研究必不可少。 4 结论

（1）添加10 μmol·L^-1和30 μmol·L^-1的Sb（Ⅲ）或Sb（Ⅴ）均对水稻生长有抑制作用，影响水稻的生物量，Sb（Ⅲ）较Sb（Ⅴ）处理对水稻生长毒害更明显，添加1.0 mmol·L^-1和2.0 mmol·L^-1的Si对水稻生物量影响没有达到显著水平。

（2）Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）的添加可显著地影响水稻根系和茎叶对Si的吸收积累。当Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）浓度均为30 μmol·L^-1时，可导致水稻茎叶Si含量分别比对照处理降低52.2%和23.5%，水稻根系Si含量分别降低46.0%和36.0%（Si1.0处理下）。

（3）添加Si 也可以显著地降低水稻根系和茎叶对Sb的吸收积累。添加1.0 mmol·L^-1和2.0 mmol·L^-1的Si可导致水稻根系和茎叶Sb浓度分别比对照降低52.0%~88.4%和24.6%~45.4%[10 μmol·L^-1 Sb（Ⅲ）处理]；29.3%~67.2%和19.4%~24.0%[30 μmol·L^-1 Sb（Ⅲ）处理）；53.8%~75.5%和34.8%~49.6%（10 μmol·L^-1 Sb（Ⅴ）处理）；75.1%~85.1%和25.3%~58.8%（30 μmol·L^-1 Sb（Ⅴ）处理）。