土壤重金屬污染的植物效應

袁根勤，張 景，朱芳芳，馬揚光

（1.江蘇省泰州市環境保護局，江蘇 泰州 225300；2.江蘇省姜堰市環境保護局，江蘇 姜堰 225500；3.中國醫藥城，江蘇 泰州 225300）

1 土壤重金屬污染來源及危害

土壤重金屬污染是指由于人類活動將重金屬加入到土壤中，致使土壤重金屬含量明顯高于背景含量，并造成生態環境質量惡化的現象。

1.1 土壤重金屬污染的主要來源

（1）污水灌溉。包括城市污水、工業污水、采礦污水等。

（2）固體廢棄物。工業廢渣、污泥、城市垃圾等。特別是部分地區將污泥和城市垃圾未經處理或稍加處理就作為肥料在農田施用。

（3）農藥及化肥的施用。如長期大量施用含重金屬的殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、殺鼠劑等。據統計，農田表土中80%的Cd來自于磷肥的施用。我國和一些國家磷肥的Cd含量見表1。

表1 部分國家磷肥Cd含量

（4）大氣沉降物。含重金屬的飄塵，特別在冶煉廠周圍及高速公路兩旁。

1.2 土壤重金屬污染對人的危害分析

大量研究證明，土壤重金屬污染會嚴重影響作物產量和品質，并通過食物鏈而危害人類的生命和健康。土壤重金屬污染具有隱蔽性和潛伏性。水體、大氣污染比較直觀，而土壤污染則往往要通過農作物，包括糧食、蔬菜、水果或通過牧草到動物再到人，引起人的健康明顯變化時才能反映出來。從遭受污染到嚴重后果有一個相當長的逐步積累過程，因而具有隱蔽性和潛伏性，同時還具有不可逆性和長期性，土壤一經污染就難以恢復。其后果具有嚴重性，這一點與前面兩點密切相關，一旦發現就很嚴重，一旦形成就不好治理。

2 土壤重金屬污染的植物效應分析

2.1 重金屬對植物的毒害效應

重金屬對植物產生毒害的典型癥狀很少，比較普遍的癥狀為：失綠、葉片上棕色斑塊、葉緣變色，根顏色變深、發育不良及形成珊瑚壯根。

對植物產生毒害的重金屬濃度及毒害效應非常難以評價，因為它取決于很多因素，一些非常重要的因素包括相關離子的比例，與重金屬結合形成的化合物，與氧結合形成的陰離子等。這些結合物可能比簡單的重金屬離子更高毒或低毒。

2.2 植物對重金屬的耐性

2.2.1 外部因素

根際重金屬的可溶性和移動性。金屬離子間的拮抗。菌根及氧化膠膜的形成。試驗表明：菌根通過富集重金屬而減少其向上部運轉。將菌根培養在含高濃度Cu、Cd、Zn的培養基中，重金屬和菌根中的蛋白質等物質結合形成二硫化物外殼或金屬硫醇外殼，從而將重金屬固定在菌根中。此前有學者提出：菌根增加了寄主植物根部表皮細胞的吸收面積，因此限制了重金屬向上部運轉。

2.2.2 內部因素

對離子的選擇性吸收。根內離子轉移性低。將重金屬離子固定于某些器官或細胞，形成非活動形態，因而不干擾正常代謝活動。如多肽與金屬的結合可以降低毒性金屬離子的濃度。代謝形式的改變，如增加被抑制的酶系統，增加拮抗代謝物質，使代謝路徑繞過被抑制部位。對酶中的金屬被重金屬取代產生適應性。通過過濾、分泌、老葉脫落等將重金屬從植物體去除。

2.3 鎘在植物中的吸收、轉運及毒害機理

鎘是一種柔軟銀白色稀有金屬。自然界中很少有純鎘出現，總是伴生于其它金屬礦中，鎘是一種危險的環境污染物質，它能引起人和動物的一系列疾病。動物實驗表明：鎘能抑制生長，引起高血壓，以及對酶系統、生育力和某些必需元素的不良影響。

2.3.1 植物對鎘的吸收和運轉

鎘為植物非必需元素，但植物對鎘的吸收和運轉作用都很強，植物體內的鎘含量與土壤中的鎘含量成直線關系。另外，鎘在植物體內有很強的累積作用。鎘在植物體中長距離運輸的機制可能與鋅相似，通過某種載體、形成化合物或金屬螯合物。植物對鎘的吸收和運轉因土壤狀況、植物種類、生育期、器官不同而有很大關系。

2.3.2 對植物的毒害及機理

鎘的最重要的生化特性就是與巰基團（硫氫基團）有很強的親合力，鎘也與蛋白質側鏈及磷酸鹽有親合力。Dabin等研究指出：鎘易積累于植物的蛋白質部分，這一點對于食用作物的生產非常重要。沒有一種酶的活動需要鎘，但鎘特別容易誘導大豆中半胱氨酸和蛋氨酸的合成，而且與植物的耐性水平有關系。鎘被認為是一種毒性元素，其基本毒理是干擾酶的活動。Cunningham等研究報告指出：鎘脅迫下，植物花青素和葉綠素的合成受抑制。一般情況下，鎘脅迫的明顯癥狀是生長緩慢及根受害，葉片黃化，葉緣及葉脈變成褐色。在生理毒性方面，干擾一些微量元素的代謝，抑制光合作用，干擾蒸騰作用及CO2的固定，改變細胞膜的透性。鎘還會干擾植物與微生物的共生關系，降低植物對病害的抵抗能力。Schulze等研究，在水溶液中添加鎘100mg／kg時，燕麥根部細胞中的ATP酶活性下降，防礙K向根內輸導，因而認為，鎘的第一個作用點即是降低K的吸收。本間也認為，鎘的作用性質和氧化磷酸化公軛劑一樣，嚴重防礙K、P的吸收。

鎘脅迫下，耐性較弱的作物葉片內葉綠體的提取量小于耐性較強的作物。據推斷，葉綠體中可與蛋白質上－SH基或其它側鏈結合或取代其中的Fe2＋、Zn2＋，直接破壞葉綠體結構，或使酶活性降低，影響葉綠體量及光合作用。

對葉片中可溶性糖含量測定結果顯示：鎘脅迫下，耐性較強的作物可溶性糖總含量變化小，耐性較弱的作物確明顯降低。據推斷，耐性較弱的作物體內可溶性糖中的鎘，移動性及生物活性較強的形態所占的比例較大，因此，鎘在作物體內的存在狀態，也是決定其耐性的機制之一。

2.3.3 與其它元素的交互作用

在自然情況下，土壤中常常同時存在多種重金屬污染，因此對植物的影響與鎘單獨污染時肯定不同，有多種元素與鎘之間有交互作用，不論在吸收運輸方面還是在生物化學方面。

2.4 鉛在植物中的吸收、轉運及毒害機理

鉛對人有毒，鉛毒的臨床表現包括貧血、便秘、腹痛、嘔吐及食欲減退等。幼兒大腦對鉛的污染比較敏感，易出現智力障礙和行為異常。人體吸收鉛的主要途徑有：呼吸含鉛塵埃、食物鏈、飲用水等。

土壤中鉛的形態很多，有氧化物、硫化物、鹵化物等多種多樣。鉛在土壤中的移動性很低，根據土壤類型、水分管理及生物狀態不同而不同。需要強調的是，土壤污染正以不可逆轉的方向增加，鉛在表土中的累積是一個嚴重的生態問題。因為鉛影響土壤的生物活動，土壤中鉛含量的增加會抑制土壤中微生物產生的酶的活性，其結果是土壤中沒有完全分解的有機物積累增加，特別是那些分解慢的有機物，如纖維素類。富含鉛的土壤中硝酸鹽會累積。鉛作為污染元素正日益受到關注。

2.4.1 鉛在植物體內的吸收和運轉

植物的根對鉛的吸收是被動吸收，吸收量與土壤中鉛的濃度及溫度有關。當營養液中的鉛以水溶狀態給予時，根也能吸收相當數量的鉛，但鉛從根到地上部運轉很有限。鉛在植物體內主要以焦磷酸鹽及結晶體形態儲存于細胞壁，無論在根、莖及葉中。

植株積累鉛最高的報道是葉類蔬菜，主要是萵苣，在非鐵冶煉廠附近可達0.15%（干重比）。在城市及工業區的蔬菜中，日益升高的鉛含量對人類健康是一種威脅。

據研究報道，水稻各部位含鉛量隨土壤投加量的增加而增加，其分配規律為：根＞莖葉＞糙米，分配比為210∶2.4∶1。隨著添加鉛的增加，吸收率除根遞增外，其余部位呈下降趨勢，可間接反映重金屬在土壤－植物系統中的遷移特性。

2.4.2 鉛對植物的毒害作用及機理

盡管沒有任何研究證明鉛為任何植物的必需元素，但有相當多的研究報道，低濃度鉛鹽（主要為Pb（NO3）2）對植物的生長有促進作用，然而也有一些報道低濃度鉛對植物的代謝有抑制作用。由于鉛與其他元素及很多環境因素存在交互作用，所以很難確定對植物的重要生命活動有毒害的鉛濃度，大多數研究給出的范圍為100～500×10－6。鉛對植物的亞細胞效應與干擾電子傳遞，因而抑制呼吸和光合作用有關。一些植物的種或生態型能產生耐鉛機制，這種耐性與膜的特性相關。

細胞壁對鉛的吸持作用很強，其中最活躍的是果膠酸，因此鉛對細胞壁的彈性和可塑性有影響，其結果是使細胞壁變硬。對鉛敏感的植物與耐性植物相比，會吸持較多的鉛在其細胞壁。大量的鉛累積于細胞膜明顯會干擾其功能。另一方面，耐鉛生態型在其根部累積的鉛為非活性狀態，如鉛的焦磷酸鹽和正磷酸鹽。盡管低濃度鉛可能會抑制植物的一些重要的生命過程，但鉛毒很少能在大田自然情況下觀察到。

2.4.3 與其它元素的相互作用

鉛能干擾膜對離子的透性，刺激根系對鎘的吸收。鉛與鋅有拮抗作用，相互降低由根向地上部運轉的量。鉛和鈣的相互作用對代謝有影響，因為鉛能模仿鈣的生理功能，從而對一些酶有抑制作用，施用石灰可降低植物對土壤中鉛的吸收，但效果因土壤類型不同而不同。磷能降低鉛的毒性，其原因是在植物組織及土壤中，鉛與磷會形成不溶性磷酸鹽。硫能抑制鉛向地上部運轉，土壤缺硫會大大增加鉛由根向地上部轉移。

3 結語

縱觀前人的工作，關于鎘、鉛污染對水稻的效應在下列方面研究較多：生長介質的鎘、鉛濃度與水稻各器官中鎘、鉛的積累；生長介質的鎘、鉛濃度對水稻生長發育的影響；土壤類型及土壤p H值與鎘、鉛對水稻的效應。在下列方面研究較少：水稻不同基因型品種對鎘、鉛的反應；根系的生理功能與鎘、鉛的效應；鎘、鉛污染對水稻中營養物質運轉的影響；水稻不同生育期對鎘、鉛污染的反應；不同生育時期、不同程度的水分控制與鎘、鉛的效應；鎘、鉛在水稻體內吸收與運轉的生理機制及遺傳基礎。

［1］陳懷滿.土壤－植物系統中的重金屬污染［M］.北京：科學出版社，1996.

［2］何振立.污染及有益元素的土壤化學平衡［M］.北京：中國環境科學出版社，1998.

［3］楊居榮.農作物Cd耐性的種內和種間差異I.種間差［J］.應用生態學報，1994，5（2）：192～196.

［4］楊居榮.農作物對Cd的耐性機理探討［J］.應用生態學報，1995，6（1）：87～91.

［5］王凱榮.Cd對不同基因型水稻生長毒害影響的比較研究［J］.農村生態環境，1996，12（3）：18～23.