在自然界中，污染可能是以某一元素或某一化学物为主，但在多数情况下，亦伴随有其他污染物的存在，即复合污染，复合污染中元素或化学物之间对生物效应的综合影响是一个十分棘手的问题^[1][2]。重金属污染往往也为二种或多种重金属元素的复合污染^[3]，它具有普遍性、复杂性等特点^[4]。据国家环保总局统计，目前中国重金属污染面积近2000万hm²，约占耕地总面积的1/5^[5]。重金属之间的相互作用影响生物对某种金属的累积过程或不同层次上的生物毒性，其主要可分为拮抗作用和协同作用（表1）：拮抗作用是指一种金属元素阻碍或抑制另一种金属元素的吸收、生理效应的现象；协同作用是指一种金属元素促进另一种或多种金属元素的吸收，两种或多种金属元素的联合效应超过各自效应之和的现象。当然有些重金属并不存在两者之间相互作用，通常所谓加合作用。因此，只有了解重金属的实际复合效应，才能从根本上找到解决环境问题的对策。有关重金属复合污染研究已有不少的报道^[6][7]，但往往局限于重金属浓度变化等表面效应研究，对其机理的探讨还不够。随着研究方法和分析技术的不断完善，重金属相互作用机理研究也获得突破。本文就重金属复合污染研究进展情况作一简述。

1重金属相互作用的类型

表1 重金属的相互作用

相互作用类型	重金属组合	对象或介质
拮抗作用	Zn/Cd	玉米[7]
	Zn/Cd	酸性沙土[8]
	Cu/As	蚯蚓[9]
协同作用	Zn/Cd	大豆[10]
	Fe/Zn	小麦[11]
	Zn/Cd	草甸褐土[12]

拮抗作用：从某种程度上可以将位点竞争视作重金属之间产生拮抗作用的直接原因，这些位点包括细胞及代谢系统的活性部位和存在介质（如土壤和沉积物）中的吸附点，如金属硫蛋白（Mts）^[13]、特定组织器官上的结合位点^[14]，植物螯合素（PCs）^[15]、细胞壁的结合点^[16]、植物根系的吸附位点^[17]、土壤吸附点^[18]等等。协同作用：两种或多种金属元素的联合效应超过各自效应之和，这使得协同作用对环境安全有更重大威胁，Piotrowska等报道，镉和锌一起施入土壤，这比单独施锌对水稻产生的毒害更为严重^[19]。研究重金属相互作用意义在于根据研究成果评价重金属潜在的毒性和改进重金属污染生物修复技术等方面具有重要意义。

2复合污染的影响因素

2.1生物因素

物种、组织部位、营养状况以及生物年龄等均影响重金属复合污染的综合生理生态效应。在锌浓度为50µmol/L的营养液中加入镉，抑制锌在矿山生态型东南景天(Sedum alfredii)根系积累，而提高了叶片的锌含量^[20]。不同生态型东南景天(Sedum alfredii)对铅锌复合处理的反应也不一样，锌处理能抑制矿山生态型东南景天(Sedum alfredii)对铅的吸收，却促进了铅在非矿山生态型中的积累^[21]。McKenna等的研究表明，在低锌条件下，莴笋(Lactuc)新叶Cd浓度随锌处理浓度增加而增加，老叶中的Cd浓度呈相反的变化趋势^[22]。当水稻生长情况良好时，施镉抑制水稻对锌吸收，在水稻缺锌的条件下，镉能促进水稻对Zn的吸收^[23]。

2.2金属因素

金属因素包括金属种类、处理方式、浓度、浓度比值等。在斑马鱼生活的水体中，当As³⁺与Cd²⁺，以及As³⁺与Zn²⁺共存时的联合毒性均为拮抗作用，而Cd²⁺与Zn²⁺的联合毒性主要表现为毒性剧增的协同作用。但As³⁺，Cd²⁺，Zn²⁺三种离子同时加入的联合毒性为拮抗作用^[24]。周启星等发现在土壤添加Cd对水稻锌积累量的影响随土壤中的锌浓度高低而变化，在低锌时表现为拮抗作用，而在高锌时表现为协同作用^[25]。

重金属的电子结构与性质影响其在环境与生物体内的迁移，从而影响生物毒性效应，Cd²⁺和Zn²⁺离子半径、原子核外层的电子结构相似，因而它们对核酸代谢有相似的影响方式，但后者是植物生长必需元素，故二者在剂量效应上有所不同；Pb²⁺、Hg²⁺同Cd²⁺、Zn²⁺相比离子特征、螯合性能有较大的差异，因而它们对核酸代谢的影响较Cd²⁺、Zn²⁺差异也大^[26]。

Virk等以鱼体中蛋白质含量高低为毒性指标，对同时加入Ni和Cd和先加Ni再加Cd两个处理进行比较，发现前者毒性更强^[27]；Stratton研究发现Hg，Cd和Ni对蓝绿藻的复合污染效应取决于金属元素加入顺序、金属离子浓度、检测指标的选择等三个因素^[28]。

2.3环境因素

环境因素主要包括温度、湿度、光照、pH、土壤条件（如pH、CEC、Eh、有机质含量等）。许多环境参数如pH、温度、营养物质浓度、螯合剂及生物的生理条件都会影响重金属对浮游生物的毒性^[29]。Jiang等发现海州香薷(Elsholtzia splendens)组织中Cu含量和土壤中可提取态Zn、Fe、Mn含量、土壤pH、有机质含量、可提取态Cu含量显著相关^[30]。Smilde等研究表明：在壤土中施镉，促进玉米、萝卜、小麦等植物对锌的吸收，而在沙土中，镉处理抑制这些植物对锌的吸收^[7]。

3复合污染的作用机理

3.1竞争结合位点

有些重金属元素的化学性质相近，它们作用于生物体的方式和途径相似，因而在生态介质（土壤、水体）、代谢系统及细胞表面结合位点上的相互竞争必然会影响金属对生物体的作用效果。吸附位点竞争的最终结果导致一种金属元素在结合位点取代另一种已吸附的金属元素，而这种竞争的程度在很大程度上取决于重金属元素的价态、浓度比和介质的特性等。

在土壤介质中，金属离子竞争性吸附的相互作用最终会导致金属离子在固、液两相中的重新分配，这种重新分配改变了金属离子的生物有效性，其中生物有效性与生物毒性密切相关。在草甸棕壤中，施Pb促进了水稻对Cd的吸收，因为Pb竞争替代了Cd在土壤中的吸附点，从而提高了土壤中Cd的有效性^[31]。

在结合位点上的竞争还会发生在生物体对污染物的吸收、转运、蓄积和消除过程中，也会发生在酶通道和受体蛋白上^[32][33]。Sharma等认为高浓度混合的重金属在生物体蓄积过程中发生很强的拮抗作用，生物体内的各种位点竞争常发生在各种表面，尤其是细胞膜和胞外结构（如粘液、细胞衣）上的结合位点^[34]。

3.2激活络合蛋白

通过诱导络合蛋白合成，影响重金属在生物体内的扩散、累积及生物毒性。Posthuma等将金属结合蛋白被特定金属激活后表现出的作用视作金属间的复合作用，缺少这些金属会增加其它某些金属的毒性^[35]。Zn可诱导具有解毒功能的金属硫蛋白（MTs）的合成，Cd竞争取代Zn在金属硫蛋白中的结合位点，因此，生长介质中添加Zn元素能够减轻Cd对植物产生的毒害^[36]。在高等植物中分离到最多的是一种重金属结合肽，是植物络合素，即PC， Zn、Cu等多种重金属离子可诱导其合成，从而降低其它重金属的生物毒性^[37]。

3.3干扰正常生理过程

复合污染通过干扰生物体的正常生理活动和改变有关生理生化过程而发生相互作用。秦天才等发现，在含Cd的培养液中加入Pb，这造成植物根系中游离氨基酸的积累增加，从而影响植物细胞的渗透压，同时根系中可溶性蛋白质含量比单独加入Pb时下降快得多（一方面对已有的蛋白质的分解加快，另一方面新蛋白的合成受阻），从而表现更大的破坏作用。污染物间的相互作用还会影响生物体对特定化合的转移、转化、代谢等生理过程^[38]。Kargin等认为Zn能够抑制Cd在鱼体中蓄积，其机理在于Zn可以减少Cd在鱼鳃中的积累，这主要通过加速将已摄入的Cd向其它器官转移来实现^[14]。

3.4改变细胞结构与功能

复合污染可影响那些保持生物体或有关内含物与外界环境隔离开的生物学屏障的结构和功能，从而改变其透性及主动转运、被动转运能力。许桂莲等研究发现Ca能保持细胞膜表面紧密和完整或者在细胞膜表面形成一种胶状膜，从而减少了植物对Cd²⁺等有毒离子的吸收^[11]。锌的生物毒性改变了非矿山生态型东南景天(Sedum alfredii)的根细胞原生质膜中可溶性部的渗透性，从而造成细胞的受损，膜体变脆，使铅离子更容易进入根细胞，即锌促进铅在非矿山生态型(Sedum alfredii)景天根系中的积累^[29]。

3.5螯合（或络合）作用及沉淀作用

螯合（或络合）作用可改变污染物的形态分布和其生物有效性，从而直接影响其毒性。Sharma等发现植物根部分泌螯合剂的生成使得Cu/Cd、Zn/Cd等复合污染表现为协同或拮抗作用^[34]。复合污染物间形成沉淀会降低污染物的溶解性和生物可利用性，任安之等研究发现，Cr₂O₇^2-与Pb²⁺易形成沉淀，因此Cr和Pb在影响青菜种子生长时表现出拮抗作用^[39]。

3.6干扰生物大分子的结构与功能

有毒重金属通过抑制生物大分子的合成与代谢，干扰基因的复制和表达，对DNA造成损伤或使之断裂并影响其修复与DNA生成化学加合物等途径对生物体产生毒性也是复合污染的重要机理^{[40] [41]}。

在过渡族元素与锌指蛋白交互作用方面的研究已经取得了许多的进展，Cd²⁺和Ni²⁺都能取代蛋白的功能域中的Zn²⁺，从而影响基因表达^{[42] [43]}。同样，非过渡族元素Pb²⁺能通过取代锌指蛋白（如：SP1）中的Zn²⁺而改变基因表达^[44][45]。Pence等在研究中发现，锌处理促进遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)的锌载体基因的表达，促进植物对锌的吸收，同时促进植物对其它重金属的吸收^[46]。

4研究展望

尽管近年来国内外学者在重金属复合污染研究领域内做了不少的工作，在研究范围与深度方面均有所拓展，但总的看来，研究仍处于初步阶段，许多方面工作有待发展与完善：

① 进一步拓宽研究对象与数量。目前复合污染主要停留在研究两种重金属的之间交互作用，对三种以上重金属的研究方法尚未成熟，也很少有关重金属与无机、有机复合污染研究报道，因此，增加复合污染研究对象的数量和种类对复合污染研究的发展具有重要的意义。

② 深化复合污染机理的研究。有很多复合污染研究的结果带有主观臆断性，总的来说结论并不一致，应利用分子生物学的各种技术手段、人工模拟方法和其它先进分析技术，进一步揭示复合污染物的致毒途径及其机理。

③加强复合污染研究成果的推广应用。复合污染比单一效应更接近实际情况，充分利用复合效应来改进重金属污染治理方法、临界指标与耕地土壤环境质量评价等。

④加大对复合污染表征与生物效应的相关性研究力度。目前对土壤复合污染的表征研究已有较大的突破，但如何与生物效应相关联尚缺乏研究，只有将复合污染的表征与生物效应密切联系起来，才可能将复合污染所产生的环境风险的定性或半定量评价推进到定量评价阶段。

总之，随着环境污染的复杂化，许多污染问题产生愈来愈依赖于复合污染的解释，复合污染研究必将有更大的发展。

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