重金屬對植物的毒害機理

關于重金屬對植物的毒害機理第1頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六目錄1重金屬的定義2重金屬污染定義

2.1土壤重金屬污染的評價標準及評價方法2.2土壤重金屬污染來源3重金屬對植物的毒害機理3.1植物對土壤中重金屬富集的特點3.2植物對重金屬的吸收轉移機理3.3重金屬在植物體內的運移3.4重金屬對植物細胞結構的影響3.5重金屬對木本植物的毒害效應4沼氣肥對沙化區(qū)農作物種子萌發(fā)與生長的影響研究第2頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六1重金屬的定義重金屬是對中國環(huán)境污染最嚴重的污染物之一，不僅對生態(tài)環(huán)境產生著嚴重的危害，還會通過食物鏈富集到人體，給人帶來巨大的危害。密度在5以上的金屬統(tǒng)稱為重金屬，如金、銀、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、鎘、鉻和汞等45種。從環(huán)境污染方面所說的重金屬，實際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。目前最引起人們注意的是汞、鎘、鉻等。重金屬隨廢水排出時，即使?jié)舛群苄。部赡茉斐晌：?。?頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬污染是指由于人類活動將重金屬帶入到土壤中，致使土壤中重金屬含量明顯高于背景含量，并可能造成現(xiàn)存的或潛在的土壤質量退化、生態(tài)與環(huán)境惡化的現(xiàn)象。重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。分布：土壤中的重金屬污染物由于無機及有機膠體對陽離子的吸附、代換或絡合、生物作用的結果,大部分被固定在耕作層中,一般很少遷移至46cm以下的土層,但砷在土壤中的動態(tài)行為與銅、鉛、福等有所不同,在含有大量鐵、鋁組分的酸性(HPS.3一6.8)紅壤中,砷酸根可與之生成難溶鹽類而富集于30一40cm耕作層中2重金屬污染定義第4頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六2.1土壤重金屬污染的評價標準及評價方法評價標準：《土壤環(huán)境質量標準》（GB15618-1995）、《食用農產品產地環(huán)境質量評價標準》（HJ332-2006）和《綠色食品產地環(huán)境技術條件》（NY/T391-2000）以及土壤元素背景值。

評價方法：富集因子分析法、單因子污染指數(shù)法、內梅羅、綜合污染指數(shù)法、地質積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風險評價法等第5頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六2.2土壤重金屬污染來源a大氣降塵b污水灌溉c工業(yè)固體廢棄物的不當處置d礦業(yè)活動農藥和化肥第6頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六a大氣降塵主要的大氣污染源有電廠、冶煉廠、建筑材料生產廠、石油開采和加工廠等，這些工廠排除的有毒廢氣，通過降塵或降雨進入土壤，造成污染。公路和鐵路兩側的農田最易遭受重金屬污染，其中以Pb、Zn、Cd(鎘

)、Cr(鉻

)、Co、Cu的污染為主，它們來自于含鉛汽油的燃燒，汽車輪胎磨損產生的含Zn粉塵等，汽油中添加的抗暴劑烷基鉛會隨著汽車尾氣污染公路兩側100m范圍內的土壤。第7頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六b污水灌溉

污水灌溉是指用城市下水道污水、工業(yè)廢水、排污河污水以及超標的地面水等進行灌溉。我國某些省市比較干旱，缺水嚴重，農業(yè)用水緊張，污灌在這些地方就比較普遍了。但是，長期使用未經處理的污水進行農田灌溉，污水中重金屬元素在土壤中持續(xù)積累，可能導致土壤重金屬污染。第8頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六c采礦和冶煉工礦地區(qū)重金屬污染主要是由采礦和冶煉中的大氣沉降、廢渣滲濾和污水灌溉所造成的。隨著采礦業(yè)和冶金業(yè)的迅速發(fā)展，帶來巨大經濟效益的同時，造成的生態(tài)破壞和環(huán)境質量惡化也是不容忽視的。礦區(qū)及周邊土壤重金屬污染問題已成為環(huán)境科學研究的熱點之一。第9頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六d化肥和農藥

肥料中的重金屬問題越來越得到廣泛關注。2011年初，中國南方多個省市的大米檢測出鎘超標，無疑將重金屬污染再一次推向輿論的風口浪尖。由于我國進口磷肥量較大，而像美國、加拿大和澳大利亞的磷肥和復合肥中鎘含量較高，每年由于施用化肥帶入農田的鎘含量也是相當大的，鎘進入土壤后不易遷移，進而被農作物吸收。

肥料中的重金屬問題越來越得到廣泛關注。2011年初，中國南方多個省市的大米檢測出鎘超標，無疑將重金屬污染再一次推向輿論的風口浪尖。由于我國進口磷肥量較大，而像美國、加拿大和澳大利亞的磷肥和復合肥中鎘含量較高，每年由于施用化肥帶入農田的鎘含量也是相當大的，鎘進入土壤后不易遷移，進而被農作物吸收。第10頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六中國大米污染不完全分布圖第11頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六吸收重金屬的植物鎘：蔬菜水果，尤其是蘑菇天門冬可清除重金屬微粒；紫苑屬、黃耆、含煙草和雞冠花等一類植物,能吸引大量的鈾等放射性元素；鎘：蔬菜水果，尤其是蘑菇天門冬可清除重金屬微粒；紫苑屬、黃耆、含煙草和雞冠花等一類植物,能吸引大量的鈾等放射性元素；第12頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六香煙有害健康2010年10月8日，第九屆亞太煙草或健康會議在澳大利亞悉尼召開，會上發(fā)布的一項研究顯示，中國產的13個品牌卷煙檢測出含有重金屬，煙草中含有的鉛、砷和鎘等重金屬成分，其含量與加拿大產香煙相比，最高超出三倍以上

第13頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3重金屬對植物的毒害機理重金屬對植物的毒害作用是由一系列因素決定的，包括重金屬的吸收位點、植物細胞中對重金屬結合位點的競爭、重金屬離子的特性、離子的有效性以及各種化學作用等。重金屬在植物體內的積累超過一定閾值后，會嚴重干擾植物體內已存在的細胞及整株水平上的水分及離子穩(wěn)態(tài)，造成植物細胞分子損傷，最終表現(xiàn)出生長量、產量及品質的下降。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.1植物對土壤中重金屬富集的特點生長在被重金屬污染的土壤中的植物,其體內必然會發(fā)生重金屬累積。維諾格拉多夫指出,植物累積化學元素的情況至少可以分為兩種類型:a由于某區(qū)環(huán)境中元素含量高,該區(qū)全部有機體中該化學元素的含量均高;b某種有機體(經常是某一個屬)能特別聚集某種化學元素。同一種類的植物對不同的重金屬元素的吸收富集能力不同,不同種類的植物對同一種重金屬元素的吸收富集能力也不同。植物從土壤中吸收的這些元素,首先在根中積累,然后有一部分被運到植物體的其它部位。植物對金屬元素的吸收積累,除與環(huán)境中金屬元素的含量有關以外,還和這種元素對植物的有效性、土壤的pH值及光溫等生態(tài)因素有關.第15頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.2植物對重金屬的吸收轉移機理a重金屬到達植物根或葉表面b重金屬跨根細胞膜運輸c不帶電荷分子的跨膜擴散d帶電離子的跨膜擴散第16頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬到達根表面,主要有兩條途徑:一條是質體流途徑,即污染物隨蒸騰拉力,在植物吸收水分時與水一起到達植物根部;另一條途徑是擴散途徑,即通過擴散而到達根表面。在土壤中,重金屬的擴散一般遵循Fikc的第二法則,它的平均擴散距離為式中,d是平均擴散距離,cm:D是擴散系數(shù),cmZ/s;T是時間,s。a重金屬到達植物根或葉表面第17頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六b重金屬跨根細胞膜運輸植物吸收環(huán)境中的重金屬有兩種方式:一種是細胞壁等質外空間的吸收;一種是重金屬透過細胞質膜進入細胞的生物過程。重金屬透過細胞膜的過程,可以用物理化學的原理進行解釋。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六c不帶電荷分子的跨膜擴散假設分子從膜一側通過膜進入另一側的速度為V:V=PA(c1一c2)

P為膜的擴散系數(shù);A為脂質區(qū)域的面積;c1、c2分別為膜外側與膜內側的溶質濃度。另有研究表明,溶質分子在有機相的溶解度與膜對溶質分子的透性有關;溶質分子的大小也是一個非常重要的因素,它能影響溶質的擴散系數(shù)D,

D=D0M-1.22D0為單位分子質量的溶質擴散系數(shù);M為相對分子質量。溶質分子進入細胞的速度受水,生物膜之間的分配系數(shù)和相對分子質量制約,具有相同分配系數(shù)而又有較小相對分子質量的溶質則通透性較快。第19頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六d帶電離子的跨膜擴散金屬離子(或水合離子)從膜的外側進入膜時,要從介電常數(shù)較高的水溶液中進入介電常數(shù)較低的類脂雙層膜,這要克服很高的位壘。根據(jù)兩相(水相和脂質相)中吉布斯(Gibbs)自由能的變化,可得到金屬離子在水溶液中和磷脂雙分子層間的分配系數(shù):式中,cmax、cwat為膜相、水相中重金屬離子濃度;

0(w)為水溶液中標準化學勢:0(m)為磷脂膜表面的標準化學勢;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度。離子的電荷與半徑是決定分配系數(shù)的重要因素。僅僅靠擴散,金屬離子是很難進入和通過擴散膜的。一般說來,金屬離子的跨膜運輸是需要能量的?？缒み\輸有兩種方式:其一是順電化學梯度的被動運輸,能量主要來源于產生并保持膜兩側的電化學梯度;其二是逆電化學梯度的主動運輸。促進離子運輸?shù)尿寗恿κ腔瘜W勢、電位差及具有電特性的力如摩擦力等。第20頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬一旦進入根系,可貯存在根部或運輸?shù)降厣喜俊母砻嫖盏闹亟饘倌軝M穿根的中柱,被送入導管,進入導管后隨蒸餾拉力向地上部移動。一般認為穿過根表面的金屬離子到達內皮層可能有兩種通路;第一條為非共質體(質外體)通道,即金屬離子和水在根內橫向遷移,到達內皮層是通過細胞壁和細胞間隙等質外空間;第二條是共質體通道,即通過細胞內原生質流動和通過細胞之間相連接的細胞質通道。由于內皮層上有凱氏帶,金屬離子不能通過,只有轉入共質體后,才能進入木質部導管,因此重金屬在內皮層的共質體內運輸是其轉運到地上部的限制性步驟。重金屬進入根細胞質后,可以游離金屬離子形態(tài)存在。但細胞質中游離金屬離子過多,對細胞產生毒害作用,干擾細胞的正常代謝,因而細胞質中金屬可能與細胞質中的有機酸、氨基酸、多肽和無機物等結合,通過液泡膜上的運輸體或通道蛋白轉入液泡中。但對于超積累植物,金屬阻隔在液泡中對其轉運到地上部分是不利的,因而在超積累植物的液泡膜上可能存在一些特殊的運輸體,能把暫時貯存在液泡中的金屬裝載到木質部導管。3.3重金屬在植物體內的運移——重金屬在根共質體內運輸?shù)?1頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.3重金屬在植物體內的運移——重金屬在木質部運輸

金屬離子從根系轉移到地上部分主要受兩個過程的控制:從木質部薄壁細胞轉載到導管和載導管中運輸,后者主要受根壓和蒸騰流的影響?？傊?植物從根際吸收重金屬,并將其積累到地上部,這過程包括許多環(huán)節(jié)和調控位點:a跨根細胞質膜運輸;b根皮層細胞中橫向運輸;c從根系的中柱薄壁細胞裝載到木質部導管;d木質部中長途運輸;e從木質部卸載到葉細胞跨葉細胞膜運輸;f跨葉細胞的液泡膜運輸。第22頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬對植物的毒害效應并不是僅僅破壞某一個單一的器官，而是對植物細胞的膜結構和非膜結構、生化反應和生理活動的整體傷害，只是由于植物細胞內的各細胞器對重金屬的耐受程度存在差異，各細胞器所表現(xiàn)出來的癥狀才有些差別。第23頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六A對細胞內部結構的影響重金屬對線粒體的結構與功能的影響:線粒體結構的損傷，會導致其內部的電子傳遞體系和氧化磷酸化循環(huán)受阻，從而導致細胞呼吸作用減弱，有氧糖代謝受阻，最終影響植物的呼吸作用。重金屬對液泡的結構與功能的影響:液泡是來源于內質網或高爾基體的由單位膜包裹而成的囊泡，它的內部是一個水溶體系，含有大量的離子和代謝物質，是植物細胞的一個自我調解體系和內部環(huán)境.液泡是植物細胞代謝副產品及廢物囤積場所，其內部含有的多種有機酸、有機堿、蛋白質等物質都能與重金屬結合而使重金屬離子在細胞內被區(qū)隔化，將重金屬分隔在特定區(qū)域，可以減少其對細胞的破壞作用。由此可以看出液泡對植物細胞防止重金屬對自身的毒害起著重要的保護作用。3.4重金屬對植物細胞結構的影響第24頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六B對植物細胞超微結構的影響重金屬對細胞核結構和功能的影響:重金屬對細胞核超微結構的損害主要表現(xiàn)為：雙層核膜結構分離、結構受損，染色質凝集，核仁解體，出現(xiàn)微核。重金屬對質膜的結構與功能的影響:當植物受到重金屬傷害時，質膜是率先受到影響的細胞結構重金屬脅迫導致細胞膜的改變無疑會使膜的透性增加，一些研究也給予了充分的證實。重金屬對葉綠體的結構與功能的影響:葉綠體是植物細胞所特有的能量轉換器，其超微結構與光合功能密切相關。葉綠體超微結構對重金屬比較敏感，它的損害通常是引起植物死亡的原因之一。葉綠體膜系統(tǒng)受損，可以使分解葉綠素的酶活性增強，從而導致葉綠素的降解。類囊體的破壞還會使合成葉綠素的酶因失去骨架而不能發(fā)揮正常的功能，使得葉綠素的含量下降。葉綠素含量的下降會直接導致植物光合作用的效率降低，從而對植物的生理生化代謝產生巨大的毒害作用當植物受到高溫等其他脅迫時葉綠體同樣出現(xiàn)基質類囊體空泡化，葉綠體光合作用的功能逐步喪失的現(xiàn)象。第25頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六舉例：硼對植物的毒害癥狀硼（X）是植物必需的一種營養(yǎng)元素，如果土壤中數(shù)量不足將會導致植物營養(yǎng)缺乏，但是如果過量存在將可能對植物產生毒害。硼在植物體內運輸主要受蒸騰作用調控，因而硼中毒現(xiàn)象常發(fā)生在葉片上,不同植物在高硼介質中所表現(xiàn)的葉片中毒癥狀亦不同：一、毒害癥狀首先出現(xiàn)在頂端葉片，隨暴露時間延長，毒害最嚴重部位轉變?yōu)榛咳~片，如栒子屬，梔子屬，木犀屬植物葡萄；二、毒害癥狀首先出現(xiàn)在基部葉片，逐漸波及到上部葉片，隨處理時間延長毒害最嚴重部位仍為基部葉片，如綠豆，大麥，豌豆，苜蓿；三、毒害癥狀首先出現(xiàn)在頂端葉片，隨處理時間延長毒害最嚴重部位為中部葉片，如上海青，小白菜。第26頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六舉例：木本植物對重金屬的毒害響應木本植物以其特有的生物學特性,對土壤重金屬具有一定的吸收蓄積能力,如刺槐、毛白楊、垂柳、接骨木、臭椿、油松、馬尾松、木麻黃、小葉榕等對重金屬均有較強的抗性或吸收能力。紙皮樺能富集10μg·g-1WD(干重)的Hg而不中毒。速生樹種楊柳類植物內積累的鎘與汞的質量分數(shù)分別達34.93mg·kg-1WD和47.19mg·kg-1WD,超過對照植株10倍以上,生長未見異常。第27頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六刺槐毛白楊接骨木

木麻黃小葉榕第28頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.5重金屬對木本植物的毒害效應3.51對木本植物生長的影響3.52對礦質營養(yǎng)的影響

3.53對酶活性的影響3.54對光合作用的影響3.55對木本植物的遺傳損傷與影響海棠檳榔楊桃番石榴第29頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬污染對木本植物最直觀的影響表現(xiàn)于生長遲緩，植株矮小、褪綠,生長量下降等。他可結合在細胞壁上,導致中膠層中果膠的交聯(lián),這種交聯(lián)可能是細胞伸長生長受抑的原因,使植株生長受到抑制。陳志澄等將Al加入到無土栽培營養(yǎng)液中,對龍眼、荔枝、黃皮3種果樹幼苗進行培植,結果表明,隨著栽培液中Al濃度升高,龍眼、荔枝、黃皮果樹的生長均受到影響,果樹的根長、須根量均減少,高Al時根尖黑褐,葉片失水或枯萎。3.51對木本植物生長的影響第30頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六重金屬進入土壤后除本身有可能產生毒性外,還可通過拮抗或協(xié)同作用,造成木本植物營養(yǎng)失調。陳志澄等研究發(fā)現(xiàn),隨Al濃度升高,龍眼和荔枝對營養(yǎng)物質N、K、Ca的吸收下降,尤以龍眼對K、Ca的吸收影響較大,但對于黃皮,低量Al能增加其對K、Ca的吸收,高Al仍使其對營養(yǎng)物質吸收下降。3.52對礦質營養(yǎng)的影響板栗第31頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.53對酶活性的影響

重金屬通過酶促作用而對光合、呼吸、代謝等產生不良影響。酶屬于蛋白質范疇,重金屬脅迫可導致酶活性的失活、變性,甚至酶的破壞。枳屬木本植物：雞爪梨第32頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.54對光合作用的影響葉綠體是植物進行光合作用的場所,葉綠素含量的多少直接影響光合能力的強弱。許多研究表明,重金屬脅迫抑制植物的光合作用,且抑制的程度與脅迫的程度呈正相關,另外,光合降低也與植物種類和發(fā)育時期以及重金屬的種類有關。鋁脅迫可影響龍眼幼苗光合作用,導致光合效率降低,葉綠素、類胡蘿卜素含量,葉綠素a與葉綠素b的比值、凈光合速率、CO2飽和點均下降。過量銅可極顯著地降低蘋果(MaluspumilaMill)葉片葉綠素含量。覆盆子紅梅系列第33頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六3.55對木本植物的遺傳損傷與影響受重金屬污染的植物,體內細胞核、核仁嚴重遭到破壞,染色體發(fā)生不同程度的畸變,直接或間接地影響了細胞中DNA和染色體的合成和復制,核酸代謝失調。重金屬可以影響DNA和RNA的含量,而DNA和RNA通過轉錄和翻譯與蛋白質合成有關,因此,還可以利用重金屬抑制DNA和RNA的合成去解釋重金屬抑制蛋白質的合成。另一方面,也可通過蛋白質表達的差異來推測基因序列的差異。植物在短期污染下其遺傳多樣性水平降低,遺傳毒害效應明顯,但隨時間推移以及人工選擇作用的加強,核酸代謝活性變化趨向于正常值,遺傳多樣性有所回升和提高。第34頁，共39頁，2022年，5月20日，11點44分，星期六4沼氣肥對沙化區(qū)農作物種子萌發(fā)與生長的影響研究1材料與方法2試驗目