土壤重金属污染的植物效应

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摘要：指出了土壤重金属污染对环境、农业生产及人的健康会造成危害，已引起环保部门的重视。我国对这方面的研究开展较迟,系统性较差，从土壤重金属来源、危害,特别是植物吸收、运转、伤害机理上进行了系统地分析。

关键词：重金属;来源危害;机理;植物效应

收稿日期：2011-07-19

作者简介：袁根勤（1978―），男，江苏泰州人，在职硕士研究生，主要从事环境监测方面的研究工作。

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2011）09-0124-03

1 土壤重金属污染来源及危害

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中,致使土壤重金属含量明显高于背景含量,并造成生态环境质量恶化的现象。

1.1 土壤重金属污染的主要来源

（1）污水灌溉。包括城市污水、工业污水、采矿污水等。

（2）固体废弃物。工业废渣、污泥、城市垃圾等。特别是部分地区将污泥和城市垃圾未经处理或稍加处理就作为肥料在农田施用。

（3）农药及化肥的施用。如长期大量施用含重金属的杀虫剂、杀菌剂、除草剂、杀鼠剂等。据统计,农田表土中80%的Cd来自于磷肥的施用。我国和一些国家磷肥的Cd含量见表1。

表1 部分国家磷肥Cd含量

（4）大气沉降物。含重金属的飘尘,特别在冶炼厂周围及高速公路两旁。

1.2 土壤重金属污染对人的危害分析

大量研究证明,土壤重金属污染会严重影响作物产量和品质,并通过食物链而危害人类的生命和健康。土壤重金属污染具有隐蔽性和潜伏性。水体、大气污染比较直观,而土壤污染则往往要通过农作物,包括粮食、蔬菜、水果或通过牧草到动物再到人,引起人的健康明显变化时才能反映出来。从遭受污染到严重后果有一个相当长的逐步积累过程,因而具有隐蔽性和潜伏性，同时还具有不可逆性和长期性，土壤一经污染就难以恢复。其后果具有严重性，这一点与前面两点密切相关，一旦发现就很严重,一旦形成就不好治理。

2 土壤重金属污染的植物效应分析

2.1 重金属对植物的毒害效应

重金属对植物产生毒害的典型症状很少,比较普遍的症状为：失绿、叶片上棕色斑块、叶缘变色,根颜色变深、发育不良及形成珊瑚壮根。

对植物产生毒害的重金属浓度及毒害效应非常难以评价,因为它取决于很多因素,一些非常重要的因素包括相关离子的比例,与重金属结合形成的化合物,与氧结合形成的阴离子等。这些结合物可能比简单的重金属离子更高毒或低毒。

2.2 植物对重金属的耐性

2.2.1 外部因素

根际重金属的可溶性和移动性。金属离子间的拮抗。菌根及氧化胶膜的形成。试验表明：菌根通过富集重金属而减少其向上部运转。将菌根培养在含高浓度Cu、Cd、Zn的培养基中,重金属和菌根中的蛋白质等物质结合形成二硫化物外壳或金属硫醇外壳,从而将重金属固定在菌根中。此前有学者提出：菌根增加了寄主植物根部表皮细胞的吸收面积,因此限制了重金属向上部运转。

2.2.2 内部因素

对离子的选择性吸收。根内离子转移性低。将重金属离子固定于某些器官或细胞,形成非活动形态,因而不干扰正常代谢活动。如多肽与金属的结合可以降低毒性金属离子的浓度。代谢形式的改变，如增加被抑制的酶系统,增加拮抗代谢物质,使代谢路径绕过被抑制部位。对酶中的金属被重金属取代产生适应性。通过过滤、分泌、老叶脱落等将重金属从植物体去除。

耐力指数（%）×100。

2.3 镉在植物中的吸收、转运及毒害机理

镉是一种柔软银白色稀有金属。自然界中很少有纯镉出现,总是伴生于其它金属矿中,镉是一种危险的环境污染物质,它能引起人和动物的一系列疾病。动物实验表明：镉能抑制生长,引起高血压,以及对酶系统、生育力和某些必需元素的不良影响。

2.3.1 植物对镉的吸收和运转

镉为植物非必需元素,但植物对镉的吸收和运转作用都很强,植物体内的镉含量与土壤中的镉含量成直线关系。另外,镉在植物体内有很强的累积作用。镉在植物体中长距离运输的机制可能与锌相似,通过某种载体、形成化合物或金属螯合物。植物对镉的吸收和运转因土壤状况、植物种类、生育期、器官不同而有很大关系。

2.3.2 对植物的毒害及机理

镉的最重要的生化特性就是与巯基团（硫氢基团）有很强的亲合力,镉也与蛋白质侧链及磷酸盐有亲合力。Dabin等研究指出：镉易积累于植物的蛋白质部分,这一点对于食用作物的生产非常重要。没有一种酶的活动需要镉,但镉特别容易诱导大豆中半胱氨酸和蛋氨酸的合成,而且与植物的耐性水平有关系。镉被认为是一种毒性元素,其基本毒理是干扰酶的活动。Cunningham等研究报告指出：镉胁迫下,植物花青素和叶绿素的合成受抑制。一般情况下,镉胁迫的明显症状是生长缓慢及根受害,叶片黄化,叶缘及叶脉变成褐色。在生理毒性方面,干扰一些微量元素的代谢,抑制光合作用,干扰蒸腾作用及CO2的固定,改变细胞膜的透性。镉还会干扰植物与微生物的共生关系,降低植物对病害的抵抗能力。Schulze等研究,在水溶液中添加镉100mg/kg时,燕麦根部细胞中的ATP酶活性下降,防碍K向根内输导,因而认为,镉的第一个作用点即是降低K的吸收。本间也认为,镉的作用性质和氧化磷酸化公轭剂一样,严重防碍K、P的吸收。

镉胁迫下,耐性较弱的作物叶片内叶绿体的提取量小于耐性较强的作物。据推断,叶绿体中可与蛋白质上-SH基或其它侧链结合或取代其中的Fe2+、Zn2+,直接破坏叶绿体结构,或使酶活性降低,影响叶绿体量及光合作用。

对叶片中可溶性糖含量测定结果显示：镉胁迫下,耐性较强的作物可溶性糖总含量变化小,耐性较弱的作物确明显降低。据推断,耐性较弱的作物体内可溶性糖中的镉,移动性及生物活性较强的形态所占的比例较大,因此,镉在作物体内的存在状态,也是决定其耐性的机制之一。

2.3.3 与其它元素的交互作用

在自然情况下,土壤中常常同时存在多种重金属污染,因此对植物的影响与镉单独污染时肯定不同,有多种元素与镉之间有交互作用,不论在吸收运输方面还是在生物化学方面。

2.4 铅在植物中的吸收、转运及毒害机理

铅对人有毒,铅毒的临床表现包括贫血、便秘、腹痛、呕吐及食欲减退等。幼儿大脑对铅的污染比较敏感,易出现智力障碍和行为异常。人体吸收铅的主要途径有：呼吸含铅尘埃、食物链、饮用水等。

土壤中铅的形态很多,有氧化物、硫化物、卤化物等多种多样。铅在土壤中的移动性很低,根据土壤类型、水分管理及生物状态不同而不同。需要强调的是,土壤污染正以不可逆转的方向增加,铅在表土中的累积是一个严重的生态问题。因为铅影响土壤的生物活动，土壤中铅含量的增加会抑制土壤中微生物产生的酶的活性,其结果是土壤中没有完全分解的有机物积累增加,特别是那些分解慢的有机物,如纤维素类。富含铅的土壤中硝酸盐会累积。铅作为污染元素正日益受到关注。

2.4.1 铅在植物体内的吸收和运转

植物的根对铅的吸收是被动吸收,吸收量与土壤中铅的浓度及温度有关。当营养液中的铅以水溶状态给予时,根也能吸收相当数量的铅,但铅从根到地上部运转很有限。铅在植物体内主要以焦磷酸盐及结晶体形态储存于细胞壁,无论在根、茎及叶中。

植株积累铅最高的报道是叶类蔬菜,主要是莴苣,在非铁冶炼厂附近可达0.15%（干重比）。在城市及工业区的蔬菜中,日益升高的铅含量对人类健康是一种威胁。

据研究报道,水稻各部位含铅量随土壤投加量的增加而增加,其分配规律为：根>茎叶>糙米,分配比为210∶2.4∶1。随着添加铅的增加,吸收率除根递增外,其余部位呈下降趋势,可间接反映重金属在土壤-植物系统中的迁移特性。

2.4.2 铅对植物的毒害作用及机理

尽管没有任何研究证明铅为任何植物的必需元素,但有相当多的研究报道,低浓度铅盐（主要为Pb（NO3）2）对植物的生长有促进作用,然而也有一些报道低浓度铅对植物的代谢有抑制作用。由于铅与其他元素及很多环境因素存在交互作用,所以很难确定对植物的重要生命活动有毒害的铅浓度,大多数研究给出的范围为100～500×10-6。铅对植物的亚细胞效应与干扰电子传递,因而抑制呼吸和光合作用有关。一些植物的种或生态型能产生耐铅机制,这种耐性与膜的特性相关。

细胞壁对铅的吸持作用很强,其中最活跃的是果胶酸,因此铅对细胞壁的弹性和可塑性有影响,其结果是使细胞壁变硬。对铅敏感的植物与耐性植物相比,会吸持较多的铅在其细胞壁。大量的铅累积于细胞膜明显会干扰其功能。另一方面,耐铅生态型在其根部累积的铅为非活性状态,如铅的焦磷酸盐和正磷酸盐。尽管低浓度铅可能会抑制植物的一些重要的生命过程,但铅毒很少能在大田自然情况下观察到。

2.4.3 与其它元素的相互作用

铅能干扰膜对离子的透性,刺激根系对镉的吸收。铅与锌有拮抗作用,相互降低由根向地上部运转的量。铅和钙的相互作用对代谢有影响,因为铅能模仿钙的生理功能,从而对一些酶有抑制作用,施用石灰可降低植物对土壤中铅的吸收,但效果因土壤类型不同而不同。磷能降低铅的毒性,其原因是在植物组织及土壤中,铅与磷会形成不溶性磷酸盐。硫能抑制铅向地上部运转,土壤缺硫会大大增加铅由根向地上部转移。

3 结语

纵观前人的工作,关于镉、铅污染对水稻的效应在下列方面研究较多：生长介质的镉、铅浓度与水稻各器官中镉、铅的积累;生长介质的镉、铅浓度对水稻生长发育的影响;土壤类型及土壤pH值与镉、铅对水稻的效应。在下列方面研究较少：水稻不同基因型品种对镉、铅的反应;根系的生理功能与镉、铅的效应;镉、铅污染对水稻中营养物质运转的影响;水稻不同生育期对镉、铅污染的反应;不同生育时期、不同程度的水分控制与镉、铅的效应;镉、铅在水稻体内吸收与运转的生理机制及遗传基础。

参考文献：

［1］ 陈怀满.土壤－植物系统中的重金属污染［M］.北京：科学出版社,1996.

［2］ 何振立.污染及有益元素的土壤化学平衡［M］.北京：中国环境科学出版社,1998.

［3］ 杨居荣.农作物Cd耐性的种内和种间差异I.种间差［J］.应用生态学报,1994,5（2）:192～196.

［4］ 杨居荣.农作物对Cd的耐性机理探讨［J］.应用生态学报,1995,6（1）:87～91.

［5］ 王凯荣.Cd对不同基因型水稻生长毒害影响的比较研究［J］.农村生态环境,1996,12（3）:18～23.

Effects of Heavy Metal Pollution of Plants

Yuan Genqin Zhang Jing Zhu Fangfang Ma Yangguang3

（1.TaiZhou Environmental Protection Agency,Taizhou JiangSu 225300,China;2.Jiangyan

Environmental Protection Agency,Jiangyan Jiangsu 225500,China;3.China Medical City,

TaiZhou,JiangSu Province 225300,China）

Abstract:Soil heavy metal pollution on the environment,agricultural production and human health risks has been widely recognized and has attracted the attention of environmental protection departments.In China,the related research carried out too later,and the systemic of the research was poor.The sources of heavy metals from the soil,hazards,particularly absorbed by plants,operation,mechanism of injury described on the system are discussed in this paper.

Key words:heavy metal;source of harm;mechanism;plant effect