第4章庄源益化学生态物质与环境保护和污染修复.doc

第4章 化学生态物质与环境保护和污染修复 庄源益（南开大学） 钟 远（天津城市建设学院） 4.1 前言 化学生态学（chemical ecology）属于化学和生态学的交叉学科，是研究生物之间的化学联系及其机理，并在实际中应用的一门学科。自然界中生物之间的联系和相互作用是一种自然规律。长期以来，人们对生物之间的化学联系有丰富的感性认识。到了二十世纪六十年代，生态失调和环境污染，以及社会需要和技术进步催生了这门学科。 上个世纪四十年代，农药DDT的研制成功引发了防止病虫害的第一次革命。加上其他有机农药的开发和应用，较大范围的控制了病虫害。然而，这些有机农药的负面影响却导致了《寂静的春天》的出现。为了保护环境、解决人类和自然生态系统协调发展的问题，研究生态系统中生物之间自然存在的联系、相生相克等规律和作用机制，并用于控制病虫害，将会减少环境污染。例如，从沙蚕、除虫菊中分离和提取有杀虫活性的化学物质，并仿其真而研制出杀虫剂，是农药研究史上的典型范例。利用昆虫信息素防止病虫害可大量减轻农药对环境的压力。又例如，长期以来广泛施用的无机氮肥和磷肥，对提高农作物的单位面积产量有积极的贡献，但未利用的氮和磷的面源污染以及污水未处理彻底而造成的点源污染使湖泊和水库等水体中的藻类生长。为了控制藻类生长，人们正在不懈地努力研究，其中，高等水生植物与藻类之间的相互作用，即水生植物根系分泌物的化感作用，即克制藻类生长的作用规律和起作用的化感物质，人们正在研究。再例如，受持久性有机物污染的土壤环境，其修复问题已受到广泛关注。修复土壤污染的原理和技术有许多种，其中的植物修复是目前研究的热点。植物修复中的主要原理和过程包括植物根系吸收、根系分泌酶的降解作用、根系分泌次生代谢物诱导微生物降解作用等。通过对这些次生代谢物质的认识，人们可以筛选诱导能力强的植物，调控土壤中持久性有机污染物的降解速度，使污染土壤的修复实用化，并降低成本。在生物之间的联系中，化学物质用于抵御敌害、种内和种间通讯等方面非常精确、有效。例如，昆虫性信息素的准确成分和精确配比，保证了种内交流的畅通和种间隔离的不败。植物用于抵御病虫害的化学生态物质，往往多种成份共同起作用，一种成分又有多种用途，害虫等很难突破这种防御屏障而产生抗性。与化学农药相比，自然界的化学物质有显著的特色。利用和精确仿制这些自然化学物质应该是化学生态学和其他相关学科的责任。 有关化学生态学的定义有多种。从内容和方法学角度可以给出化学生态学的定义为：化学生态学是研究在生物种内和种间关系中发挥作用的天然化学物质的结构、功能、来源和重要性的科学[1]。其中所指的天然化学物质涉及了植物次生代谢物质。 本专题主要讨论植物次生代谢物质（secondary plant metabolites）在环境保护和污染修复方面的应用和研究进展：1）植物（含藻类）之间的化感作用（allelopathy），即植物通过化学生态化感物质互相影响的现象。2）化学信息及其感受机制，代表性的化学生态物质是信息素，以昆虫之间的联系为主； 3）植物根系分泌物、次生代谢物与诱导型污染修复。 4.2 植物化感作用 4.2.1概述 化感作用亦称他感作用、异株克生作用、相生相克作用、化学交感。按照国家自然科学名词审定委员会的标准译名，本文中统一称为化感作用。化感作用的研究是一个古老的领域，早在公元前5世纪古希腊的德谟克利特就注意到植物间存在化学物质的相互反应。我国最早的农业书籍《齐民要术》中也多处提到了因为化感作用引起的轮作障碍现象。可是，在过去相当长的时期内这方面的研究进展缓慢，工作主要集中在对现象的观察和描述上。20世纪后，人们才开始用实验科学的方法进行研究。在经过大量实验后，德国科学家H.Molisch于1937年提出allelopathy这个词[2]。是由拉丁文“alle”（相互的），和“lopathy”（苦难，损害）合成的。当时Molisch将化感作用定义为“所有类型植物（包括微生物）间生物化学物质的有益和有害的相互作用”。由于有害作用更多见，初期研究也较多，70年代Rice把化感作用定义为“一种植物，包括微生物，通过产生化学物质释放至环境中而对另一种植物或微生物产生直接和间接的有害效应”。 随着研究的深入，许多实验结果指出，一种植物释放的化学物质，根据作用对象的不同或浓度的不同，可能产生抑制效应，也可能产生刺激效应。此外，许多植物还有自身毒害作用。例如水稻、甘蔗残体的降解产物对新种植的幼苗有毒害作用。这种同种植物不同个体间的化感作用，称为自毒作用（autotoxicity）。另一方面，化感作用也有促进植物生长的一面，如麦仙翁产生的麦仙翁素可促进小麦的生长，这也是化感作用的表现。因此， 1984年Rice恢复采用Molish