水稻中重金屬污染及防治研究進展

1、水稻中重金屬污染及防治研究進展唐守寅福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院摘要：從重金屬在水稻中的累積及遷移、重金屬污染對水稻的影響、土壤改良劑抑制水稻對重金屬的吸收三個方面介紹了水稻中重金屬污染及防治研究進展，并對今后水稻重金屬污染的研究方向提出了一些建議。關鍵詞：水稻；重金屬；遷移轉化；吸收0 前言在化學領域中，重金屬是指比重大于4或5的金屬。大多數(shù)金屬都是重金屬。環(huán)境污染領域所說的重金屬主要是指Hg、Cd、Pb、Cr和類金屬A8等生物毒性明顯的重金屬元素，此外，還包括Cu、Co、Ni、Sn等具有一定毒性的重金屬元素1。研究發(fā)現(xiàn)，我國部分城鎮(zhèn)的農(nóng)田菜地已出現(xiàn)土壤重金屬污染超標的現(xiàn)象，超標元素主要為Cd

2、、Hg、As、Pb、Cu、Ni，香港、廣州、成都等不少城市已出現(xiàn)了不同程度的重金屬污染2。我國每年因土壤重金屬污染造成的經(jīng)濟損失達到近200億元3。土壤重金屬微量元素由于隱蔽性強、毒性大、難降解且能沿食物鏈富集，成為人們優(yōu)先考慮去除的污染物。水稻是最主要的糧食作物之一。土壤-水稻系統(tǒng)是重金屬向人類食物鏈遷移積累、直接和間接危害人體健康的關鍵環(huán)節(jié)。近20年來，由于人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動使得農(nóng)田環(huán)境日益惡化，稻米中重金屬積累增加直接威脅著人體健康4。因此開展針對水稻的重金屬污染及防治研究，對重金屬在水稻中的富集、遷移轉化、其對水稻的影響及如火如何防治的機理進行分析具有重要意義。1 重金屬在水稻

3、中的累積及遷移1.1不同水稻品種對重金屬的富集規(guī)律在相同條件下，不同的水稻品種由于其內(nèi)部構造不同，對重金屬富集存在顯著差異。Al-Saleh 和Shinwari (2001) 檢測了27個水稻品種籽粒中的重金屬含量, 結果表明, 不同品種Cd、Pb和Hg 含量差異很大。蔣彬等通過研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽實吸收重金屬存在基因型差異，他們將來自于全國不同地區(qū)的239份樣品種植在同一地區(qū)，發(fā)現(xiàn)各品種Pb、As含量存在極顯著基因型差異，并篩選出了一系列低鉛、低鎘、低砷的品種。王凱榮等的研究表明雜交晚稻比常規(guī)稻對Pb，Cd的富集能力強5。吳啟堂等也得到類似的結果，認為高產(chǎn)品種重金屬含量高，低產(chǎn)品種重金屬含量低，

4、因此給高產(chǎn)品種的育種提出了很大的挑戰(zhàn)6。譚周镃通過對8個早稻品種和10個晚稻品種累積重金屬的實驗，發(fā)現(xiàn)不同品種對重金屬吸收有顯著差異，篩選出了對重金屬較為鈍感的湘早秈19號和晚稻V46，以及對重金屬較為敏感的潭早秈1號和師大19117。1.2 水稻不同部位重金屬富集規(guī)律除了不同品種的水稻在重金屬富集上存在差異，重金屬在水稻植株內(nèi)部也存在顯著差異。一般來說，重金屬在水稻植株內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官累積量較大，而在營養(yǎng)器官中累積量小。關共湊等以佛山市南海區(qū)小塘鎮(zhèn)和高明區(qū)楊梅鎮(zhèn)的標準農(nóng)田為研究對象分析重金屬在土壤和水稻植株不同部位的分布及其隨時間變化遷移規(guī)律結果表明重金屬被水稻吸收以后多數(shù)

5、仍滯留在土壤里，只有少量向地上部分遷移。重金屬在水稻植株不同部位的質量分數(shù)分布由大到小的次序為根莖籽葉8根部積累的量大于其他的量可能是由于水稻等禾本科濕地植物通過根系表層鐵膜的吸附作用將一部分金屬固定于鐵膜中，植物根表紅棕色的鐵膜可能是植物吸收重金屬的屏障，即根系吸收金屬后，主要被固定于根表鐵膜中。水稻地上部分中4種重金屬元素分布由大到小的次序是ZnCuPbCd。而在水稻籽實各形態(tài)結構中重金屬的濃度分布也極不均勻，胚中濃度顯著高于胚乳，皮層和穎殼中重金屬濃度也較高，但是從單位籽實中的重金屬總量分布看，胚乳中重金屬含量占絕對優(yōu)勢。不同重金屬在水稻籽實各形態(tài)結構的濃度順序也不一樣，Cd是皮層胚胚乳

6、穎殼；Cu和Pb是胚皮層胚乳穎殼9。2 重金屬污染對水稻的影響重金屬對水稻的作用主要與重金屬的種類和濃度有關，大多數(shù)研究表明，部分重金屬低濃度對水稻的生長發(fā)育沒有影響，甚至還會刺激生長，而當濃度過高則將嚴重影響其生長發(fā)育。2.1 水稻重金屬的生態(tài)毒理性重金屬對植物的毒性作用，根據(jù)其影響或危害的程度大小，可以分為毒性很大、毒性中等和毒性較小三種。Ag+、Be2+、Hg2+、Sn2+，可能還有Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和CrO42+，是毒性很大的重金屬，在溶液中濃度達1mg·L-1時就對植物產(chǎn)生毒害。 鉻（Cr）有試驗研究表明，在投加鉻酸鹽的土壤中，低劑量時，鉻有一定刺激生長

7、作用。鉻對水稻的危害及遷移能力都以六價鉻強于三價鉻，六價鉻對水稻種子的萌發(fā)及其生長發(fā)育都有一定影響。鉻在灌溉水中的濃度為5mg/L時，對作物有害；濃度為10mg/L時，作物出現(xiàn)嚴重的萎黃??；鉻與鎳協(xié)同作用時，鉻濃度僅2mg/L即對作物產(chǎn)生損害。石貴玉的試驗結果說明，重金屬鉻毒害使水稻植株矮小，葉片失綠，植株鮮重、干重下降，同時抗氧化酶活性下降10。 鎘（Cd）鎘對水稻的危害，在較低濃度時雖在外部形態(tài)特征上無明顯癥狀，但通過食物鏈可危及人類健康。王逸群等以不同濃度的Cd2+處理水稻，發(fā)現(xiàn)葉肉細胞中細胞核核膜破裂，核仁消失；葉綠體被膜受損，類囊體遭到破壞；線粒體被膜結構也受損，內(nèi)嵴逐漸解體。且隨著

8、Cd2+濃度的提高，葉肉細胞中細胞核、葉綠體、線粒體受毒害程度加重。而且由于Cd2+能降低葉綠素與蛋白質結合的牢固度，能抑制原葉綠素酸酯還原酶活性，進而導致葉綠素降解，其含量顯著降低，從而使同化CO2能力下降，作為光合產(chǎn)物的糖類（尤其可溶性糖）減少11。細胞膜透性變化是評定植物逆境受傷害的重要指標。黃秋嬋等12通過試驗發(fā)現(xiàn)，Cd2+能使水稻細胞質膜透性顯著增加，使K+外流量增多，從而干擾了細胞的正常代謝。 鉛(Pb)低濃度的鉛處理能夠促進植株正常的生理代謝活動，如莖葉內(nèi)硝酸還原酶活性、可溶性糖含量、葉綠素含量均有不同程度的增加，但隨著濃度的升高而表現(xiàn)出對水稻秧苗素質、生長發(fā)育狀況、生育期和產(chǎn)量

9、的不良影響。MESMAR等人13研究了鉛對小麥種子萌發(fā)、幼苗生長、葉綠素和蛋白含量的影響，20mmo此的Pb(NO3)2對種子萌發(fā)的抑制率約達60。生長對鉛的吸收為被動吸收，鉛對根生長的抑制大于芽生長，葉綠素隨處理濃度的增加而減少，而蛋白含量則增加?？锷倨降?3進行的水稻鹽襲試驗表明，當土壤中加入低濃度不同比例的鉛時，基本沒有觀察到鉛對水稻的毒害病癥，鉛對水稻的生長發(fā)育沒有明顯的宏觀影響。 鈷（Co） 趙紅等14以水稻綿2優(yōu)647為材料，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，研究了不同濃度的鈷處理下對水稻種子萌發(fā)及幼苗幾項生理指標的影響。結果表明：在種子萌發(fā)條件下，隨著鈷濃度的增加，水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和

10、活力指數(shù)均逐漸降低。在幼苗生長過程中，隨著鈷處理濃度的增大，水稻幼苗根長、苗高、根重、苗重及植株鮮重呈下降的趨勢，同時幼苗葉片的葉綠素含量快速下降，而過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量卻逐漸上升。2.2 對光合作用的影響重金屬抑制植物的光合作用己被許多研究所證實，一般認為其抑制機理包括：（1）重金屬使葉綠體含量降低，引起葉綠體結構損傷15,16和葉綠體膜系統(tǒng)的損傷；（2）重金屬導致葉片內(nèi)光合酶的損傷并引起光合色素含量降低，Cu2 + 能抑制光合和非光合磷酸化，抑制RuBp羧化酶的活性。較高濃度的銅能抑制光系統(tǒng)的電子傳遞，Hg2 + 、Cu2 + 和Ni 能導致茶樹葉內(nèi)葉綠素含量的顯

11、著降低，并降低HiII 反應活力17；（3）重金屬可通過影響葉片氣孔開放來抑制植物的光合作用。葛才林等17通過光合速率測定表明，0.025 1.0mmoI/L的Cu2+、Cd2+ 和Hg2+ 顯著抑制水稻葉片的光合速率，且抑制程度隨Cu2+ 、Cd2+和Hg2+ 濃度的增高而增強。示蹤動力學分析表明，0.5mmoI/L的Cu2+、Cd2+和Hg2+抑制光合產(chǎn)物在葉內(nèi)不同狀態(tài)間的轉化，影響葉中光合產(chǎn)物的輸出，導致葉內(nèi)小分子糖的累積，使葉片光合速率受糖濃度增高的反饋調(diào)節(jié)而下降。電泳分析表明，Cu2+、Cd2+和Hg2+抑制葉內(nèi)淀粉酶同功酶的表達，并進而抑制光合同化物在葉內(nèi)可輸配態(tài)和暫貯態(tài)之間的轉化

12、。范中亮等18以雜交秈稻(K優(yōu)818)為材料，研究了不同土壤類型下(潮土和水稻土)重金屬Cd對劍葉光合特性構成的影響，表明了相同的Cd濃度水平在偏酸性的水稻土上對水稻光合生理產(chǎn)生的逆境脅迫比在較中堿性的潮土上要大。2.3 對生長發(fā)育的影響 目前國內(nèi)對水稻生長發(fā)育特別是幼苗的生長研究較多。研究表明，水稻在重金屬Cd 的脅迫下，其種子的發(fā)芽力受挫，生長勢削弱，直至完全失活。曾翔等19研究表明，Cd濃度在10 ppm 下，水稻發(fā)芽率比對照下降1.3%，根系長度則比對照下降32.8%。何俊瑜等對我國主要栽培的32個不同品種水稻種子的萌發(fā)期進行耐Cd研究，總結了不同品種的水稻種子，其萌發(fā)期對Cd脅迫相應

13、的差異性。除此以外，重金屬Cd對不同品種的水稻種子的萌發(fā)均能產(chǎn)生強烈的抑制作用，在種子萌發(fā)指標中受抑制最重的是活力指數(shù)，其次是發(fā)芽指數(shù)。趙紅等20水稻綿2優(yōu)647為材料，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方法研究了不同濃度的鈷處理下對水稻種子萌發(fā)及幼苗幾項生理指標的影響，發(fā)現(xiàn)在種子萌發(fā)條件下，隨著鈷濃度的增加，水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均逐漸降低；在幼苗生長過程中，隨著鈷處理濃度的增大，水稻幼苗根長、苗高、根重、苗重及植株鮮重呈下降的趨勢，同時幼苗葉片的葉綠素含量快速下降。鄒繼穎等21以水稻為對象，采用水培法進行，研究了不同生長時期，不同外源汞、鎘的施用量對水稻所受的污染，重金屬在水稻內(nèi)的遷移和積累的影

14、響，表明：相同條件下，當鎘濃度不同時，表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，在較低的濃度時，促進了水稻幼苗生長量的增加；高濃度下，水稻幼苗的生長受到抑制，表現(xiàn)在植株矮小、根短粗、葉片失綠等；相同條件下，不同年齡的水稻對汞鎘的耐受性不同。汞鎘溶液濃度相同時，葉齡越小的水稻生長越差，葉齡越大的水稻對汞鎘的耐受性越強。3.土壤改良劑抑制水稻對重金屬的吸收目前，關于控制土壤重金屬污染方面的研究報導很多，主要有物理化學法和生物工程法。物理化學法已有一定的應用，但存在工程大、投資大等問題，對于大面積的耕地污染不適用；生物工程法當中包括當前的熱點研究植物修復法，它還處于理論研究階段，受修復周期長、生物量小和植物種類少等問

15、題限制，一時難以推廣應用。試驗研究表明，利用化學改良劑穩(wěn)定土壤中的重金屬，減少重金屬在作物中的積累是一種可行的土壤污染治理方法22-23。3.1 施加有機物料 有機物料來源廣泛，今年來，很多學者都在研究如何利用有機物料來抑制水稻對總金屬的吸收和富集。周利強等24采用盆栽試驗，研究了施用有機碳源、菜籽餅和豬糞對污染土壤上水稻生長和重金屬吸收特性的影響，發(fā)現(xiàn)施用菜籽餅和豬糞均能緩解重金屬對水稻的毒害作用，促進水稻生長，顯著增加地上部生物量和籽粒產(chǎn)量，降低糙米中重金屬濃度，而有機碳源抑制水稻生長。孔文杰等的研究發(fā)現(xiàn)25，適量有機肥與化肥配合施用能保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)銅和鋅等微量營養(yǎng)元素的平衡,同時能有效

16、地防止過量重金屬積累所引起的土壤質量退化,并實現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)和再利用,促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但較高的有機肥配施比例會提高糙米的鎘含量,存在一定的健康風險。Mishra, M等發(fā)現(xiàn)34，往土中施加加工過的市政有機垃圾和蚯蚓的糞便能夠增加土壤和水稻重金屬容量，且絕大部分的重金屬集中在水稻的根部。王凱榮等25發(fā)現(xiàn)施用稻草和豬廄肥對土壤有效性Pb、Cd含量（ETDA可提取態(tài)）均無顯著影響。陳建斌發(fā)現(xiàn)26,用有機物料改良Cd污染土壤，前期被固定的外源性Cd會隨活性錳還原和有機質的分解而釋放出來，并向交換態(tài)轉化使鎘的有效性恢復到原來的水平。更有研究者認為施用有機肥和農(nóng)作物秸稈將大量可溶性有機質（DOM）帶入

17、到土壤中，而DOM能抑制土壤對Cd的吸附，因此對施用有機物改良被污染土壤的做法表示質疑。3.2 施加無機物料 有很多無機物可以被用來當做減少水稻重金屬污染的改良劑。其中石灰能夠顯著降低水稻的重金屬富集量已經(jīng)得到眾多研究的驗證。丁凌云等26探討了石灰、過磷酸鈣和有機物等改良劑的應用對水稻（oryza sativa）產(chǎn)量和重金屬吸收的影響發(fā)現(xiàn)，石灰和過磷酸鈣能抑制重金屬向植物的地上部分遷移，與對照相比米中 Pb、Zn 和 Cd 的含量分別下降 61.8、14.1和 45.1；噴施磷溶液能提高水稻的產(chǎn)量和降低重金屬在稻米中的積累，水稻產(chǎn)量由 0.61 kg·m-2提高到0.68 kg

18、83;m-2，稻米中各重金屬含量也有不同程度的降低。湯海濤等27的研究發(fā)現(xiàn)，通過對植株噴施富硒肥、自配鈦硒微肥可以使稻谷中鉛含量分別降低16.05%和27.78%。王世華等28的研究發(fā)現(xiàn)，重金屬復合污染條件下，葉面施用硅制劑可以緩解水稻的毒害效應，且和施無機硅相比，施有機硅對水稻重金屬毒害的緩解效果更顯著，葉面噴施硅后，單株有效穗數(shù)、百粒質量和單株穗質量均顯著增加；而水稻籽實中Cd、Pb、Zn、Cu含量均顯著下降。隨著土壤Cd污染濃度的增加，施硅對水稻重金屬毒害的緩解效果越顯著。黃益宗等29在溫室條件下采用土培法模擬研究了骨炭對水稻吸收積累重金屬的影響,發(fā)現(xiàn)施用骨炭對水稻根表鐵膜Fe、Zn 含

19、量影響較大，而對其他元素含量沒有太大影響，骨炭除了對水稻莖葉Fe含量有影響外，對Cu、Zn、Pb、Cd 含量影響均不大；骨炭應用能顯著地降低水稻根系Fe和Pb含量。4 問題與展望 近幾十年來，由于環(huán)境污染的不斷加重，環(huán)境問題特別是土壤重金屬污染導致的受污染大米比例趨于增多，嚴重威脅著我國的糧食安全。目前，關于水稻的重金屬污染和防治的研已經(jīng)取得較大進展，但是許多問題仍需要考慮： （1）隨著土壤重金屬污染的出現(xiàn)及污染問題的復雜化；多元素的復合污染問題引起了國內(nèi)外學者的極大關注。相對于旱田作物；目前的稻(水稻)田重金屬污染實驗多以單一污染實驗為主(其中又以Cd或Pb污染居多)；而對復合污染的研究較少

20、；只能算剛剛起步；距離規(guī)律性的認識還很不足。(2)就目前關于水稻重金屬污染研究來看；重金屬在水稻的根、莖、葉、籽實中吸收、遷移、累積還只是停留在比較研究的階段；從分子遺傳學的角度對重金屬的吸收、遷移、累積規(guī)律研究較少。(3)稻米中重金屬的結合形態(tài)；目前還沒有十分成熟的研究方法。建立可靠的分析方法是在該領域進行深入研究的前提條件；因此仍需要進一步開發(fā)先進的可靠分析檢測技術。參考文獻：1孫光規(guī)重金屬污染及治理研究進展J南方農(nóng)業(yè)，2006(6)：41-442楊忠平長春市城市重金屬污染的生態(tài)地球化學特征及其來源解析D長春：吉林大學，20083舒言山西展開農(nóng)田環(huán)境質量監(jiān)測N地質勘查導報，200810一2

21、8(002)4李正文，張艷玲，潘根興.不同水稻品種籽粒Cd，Cu和Se的含量差異及其人類膳食攝取風險環(huán)境科學，2003,24（3）:112-1155王凱榮，郭眾，何電源，等.重金屬污染對稻米品質影響的研究J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1993，12（6）：254-2576吳啟堂，陳盧，王廣壽.水稻不同品種對吸收Cd積累的差異和機理研究J生態(tài)學報，1999，19（1）：104-1077譚周镃稻米重金屬污染的調(diào)查研究及其對策思考J.湖南農(nóng)業(yè)科學，1999（5）：26-288關共湊，徐頌，黃金國重金屬在土壤-水稻體系中的分布變化及遷移規(guī)律分析J生態(tài)環(huán)境，2006，15(2)：315-3189楊居容，查燕，劉虹污

22、染稻、麥籽實中Cd，Cu，Pb的分布及其存在形態(tài)初探J.中國環(huán)境科學，1990，19（6）：500-50410石貴玉重金屬Cr針對水稻幼苗的毒害效應J廣西科學，2004，11（2）：15415611王逸群，鄭金貴，陳文列等Hg2+、Cd2+污染對水稻葉肉細胞傷害的超微觀察J福建農(nóng)林大學學報（自然科學版），2004，33（4）：40941312黃秋嬋，韋友歡，黎曉峰硅對鎘脅迫下水稻幼苗生長及其生理特性的影響J湖北農(nóng)業(yè)科學，2007，46（3）：35435713匡少平，徐仲，張書圣水稻對土壤中環(huán)境重金屬激素鉛的吸收效應及污染防治J環(huán)境科學與技術，2002，25（2）：323414趙紅，王愛斌，林國

23、衛(wèi)，陳家銘重金屬鈷對水稻種子萌發(fā)及幼苗幾項生理指標的影響J吉林農(nóng)業(yè)科學，2013，38（2）：18-20，2615李榮春，Cd、Pb及其復合污染對烤煙葉片生理生化及細胞亞顯微結構的影響植物J生態(tài)學報，2000，24（2）：238 24216施國新，杜開汞鎘污染對黑藻葉細胞傷害的超微結構研究植物學報，2000，42（4）：373 37817葛才林，駱劍峰，劉沖，殷朝珍，王澤港，馬飛，羅時石重金屬對水稻光合作用和同化物輸配的影響J核農(nóng)學報，2005，19（3）：214 21818范中亮，楊菲，吳琦，季輝，張衛(wèi)建不同土壤類型下重金屬Cd對水稻劍葉光合特性和產(chǎn)量構成的影響J農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報2010，2

24、9(6)：1021102619曾翔，張玉燭鎘對水稻種子萌發(fā)的影響J應用生態(tài)學報，2007，18（7）：1665166820趙紅，王愛斌，林國衛(wèi)，陳家銘重金屬鈷對水稻種子萌發(fā)及幼苗幾項生理指標的影響J吉林農(nóng)業(yè)科學2013,38（2）：18-20，2621鄒繼穎，劉輝，?；?，吳文龍，榮洪剛重金屬汞鎘污染對水稻生長發(fā)育的影響土 壤與作物，2012，1（4）：227-23222陳世寶，朱永官不同含磷化合物對中國芥菜(Brassica Oleracea)鉛吸收特性的影響J.環(huán)境科學學報，2004，24(4)：707-71223李瑞美，王果，方玲，石灰與有機物料配施對作物鎘鉛吸收的控制效果的研究J.農(nóng)業(yè)環(huán)

25、境科學學報，2003，22(3)：293-29624周利強，吳龍華，駱永明，尹斌有機物料對低積累水稻品種始穗期抗氧化酶活性和重金屬積累的影響J土壤(Soils)，2013，45(3)：50651225孔文杰，倪吾鐘，有機無機肥配合施用對土壤-水稻系統(tǒng)重金屬平衡和稻米重金屬含量的影響J中國水稻科學，2006，20(5)：51752326王凱榮，張玉燭，胡榮桂不同土壤改良劑對降低重金屬污染土壤上水稻糙米鉛鎘含量的作用J農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26（2）：486-48127陳建斌有機物料對土壤的外源性銅和鎘形態(tài)變化的不同影響J農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，2002，21（5）：450-45228丁凌云，藍崇鈺，林建平，束文圣不同改良劑對重金屬污染農(nóng)田水稻產(chǎn)量和重金屬吸收的影響J生態(tài)環(huán)境，2006，15(6)：1204-120829湯海濤，李衛(wèi)