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硕士论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 摘要：通过盆栽实验，初步研究了植物对土壤中两种典型重金属吸收效应规律。 选取上海青和四季小白菜为供试植物，向土壤添加c u ”和p b 2 + 、n a h c 0 3 ，来考 查c u 2 + 和p b 2 + 的含量以及c u 2 + 和p b 2 + 的复合污染对植物吸收富集重金属能力的 影响；实验中采集土样、植物样，经过预处理，用原子吸收分光光度法测定土样 和植物样品中的c u 2 + 和p b “含量。实验结果表明，上海青和四季小白菜根中铅和 铜的含量大于茎叶中铅和铜的含量，铅和铜主要富集在上海青和四季小白菜的根 部。上海青和四季小白菜对c u 2 斗和p b 2 + 的吸收效应不同。在c u 2 + 和p b 2 + 的复合 污染下，四季小白菜和上海青对c u 2 + 和p b 2 + 的吸收效应不同于在c u 2 + 和p b 2 + 单 独作用下的吸收效应。n a h c 0 3 的加入，改变了上海青和四季小白菜对c u 2 + 和 p b n 的吸收富集能力。 关键词：植物重金属富集吸收n a h c 0 3c u 2 + p b 2 + 婴主垦茎 堕塑型圭垫主重垒垦垫坚坚垫堕婴塑 s t u d y o nt h el a wo f p l a n t sa b s o r b i n gh e a v y m e t a l si nt h es o i l a b s t r a c t ：t h el a wo fp l a n t sa b s o r b i n gt w ot y p i c a lh e a v ym e t a l s i nt h es o i lw a s p r e l i m i n a r y r e s e a r c h e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tc u l t i v a t e di nap o t t h ef o u rs e a s o n s c h i n e s ec a b b a g ea n ds h a n g h a i q i n gw e r es e l e c t e d a se x p e r i m e n t a l p l a n t s i nt h e e x p e r i m e n t t h ec u 2 + 、p b 2 十a n d n a h c 0 1w e r ea d d e di n t ot h es o i li no r d e rt o s t u d yt h e i n f l u e n c eo ft h ep l a n ta b s o r b i n gt h eh e a v ym e t a l sw h i c hi n c l u d e st h e c o n c e n t r a t i o n so fc u 2 + 、p b 2 + 、n a h c 0 3a n dt h ec o m p l e xp o l l u t i o no fc u 2 + a n d p b 2 + t h e e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o w t h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so fc u 2 + 、p b 2 + i nt h e r o o to ft h ef o u rs e a s o n sc h i n e s ec a b b a g ea n d s h a n g h a i q i n ga r el a r g e rt h a nt h a ti nt h e l e a fa n ds t e mo ft h ef o u rs e a s o n sc h i n e s ec a b b a g ea n ds h a n g h a i q i n g c 一+ a n d p b 2 + a r ea b s o r b e d m a i n l yb yt h e r o o to ft h ef o u rs e a s o n sc h i n e s ec a b b a g ea n d s h a n g h a i q i n g t h ei n f l u e n c eo f t h ef o u rs e a s o n sc h i n e s e c a b b a g ea n ds h a n g h a i q i n g a b s o r b i n g c u 2 +a n dp b 2 +i nt h ec a s eo ft h er e s p e c t i v ep o l l u t i o no fc u 2 +a n d p b 2 + i sd i f f e r e n tw h e nt h ef o u rs e a s o n sc h i n e s ec a b b a g ea n ds h a n g h a i q i n ga r e i n t h es o i l p o l l u t e db y c u 2 + a n d p b 2 + t o g e t h e r t h ea b i l i t yo ft h e f o u rs e a s o n s c h i n e s ec a b b a g ea n ds h a n g h a i q i n g a b s o r b i n g c u 2 +a n dp b 2 + c a nb e c h a n g e d b ya d d i n gn a h c 0 3 i nt h es o i l k e y w o r d s ：p l a n th e a v ym e t a la b s o r b i n gn a h c 0 3c u 2 + p b 2 + y 6 2 4 6 8 9 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。| ，我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 ， 己在诠妒j ：，明确的说明。 研究生签名： 吕0 、王 加o f 乌1 月7 5 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：吕厶圭 仍。丫年7 月5 日 塑主堡苎 垫塑型圭堡主重全星! ! ! 些垫皇竺i ! 一 1引言 土壤是环境要素的重要组成部分，它不仅是农业生产的基础，而且还是人类环 境的重要组成部分。它处于自然环境的中心位置，承担着环境中大约9 0 的来自各 方面的污染物。然而，局部地球化学作用或者人为活动的强烈作用，尤其是近年来 由于城市和工业的迅速发展，工业废弃物、城市固体废弃物、农业灌溉水污染、肥 料和农药的施用，和城市污水处理厂污泥及大气污染的沉降，污染已从城市向周围 蔓延。据统计，我国已有1 x 1 0 7 h m 2 的农业土地受到不同程度的污染。这些土壤污 染包括重金属对土壤的污染、农药对土壤的污染、酸性沉降物对土壤的影响等污染 类型。因为重金属具有污染物的多元性、隐蔽性、一定程度上的长距离传输性和污 染后果的严重性“，因此土壤一植物系统污染研究的主要污染物是重金属。 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，致使土壤中的重金 属含量过高，并造成生态环境恶化的现象，土壤中的些重金属元素在低浓度时， 对植物而言是必须元素，但有些重金属元素在过量时就会对植物物产生毒害作用， 如锌、铜、铬、镍、镉、汞、砷、铅等。 在我国，土壤重金属污染主要来自采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革、染 料等工业生产的三废以及污灌、农药、化肥的不合理施用等。重金属在土壤中积累 到一定限度就会对土壤一植物系统产生毒害，并可能通过接触食物链直接或间接地 对人体健康产生严重危害。 1 1 我国土壤重金属的污染现状 据报道，目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 0 0 1 0 k m 2 ， 约占总耕地面积的l 5 ：其中被工业“三废”污染的耕地为1 0 0 1 0 3 k m 2 ，污水灌 溉的农田面积已达3 3 1 0 3 k i n 2 1 2 1 。某省曾经对4 7 个县和郊区的2 5 9 1 c k m 2 耕 地( 占全省耕地面积的五分之二) 进行过调查。其结果表明，7 5 的县已受到不同 程度的重金属污染的潜在威胁，而且污染趋势仍在加重。 污水灌溉等对农田己造成大面积的土壤污染。如沈阳张士灌区用污水灌溉2 0 多年后，污染耕地2 5 o 1 0 3 k m 2 ，造成了严重的镉污染，稻田含镉5 7 m g k g 1 。 天津近郊因污水灌溉导致0 2 3 x 1 0 3 k m 2 农田受到污染。广州近郊因为污水灌溉而污 染农田2 7 o k m 2 ，因施用含污染物的底泥造成1 3 3 k m 2 的土壤被污染，污染面积占 郊区耕地面积的4 6 。二十世纪八十年代中期对北京某污灌区进行的抽样调查表 明，大约6 0 的土壤和3 6 的糙米存在污染问题。 每年因土壤污染而减产粮食1 0 0 0 万吨；另外还有1 2 0 0 万吨粮食中的污染物超 标；两者的直接经济损失达2 0 0 多亿元1 。尤其是城郊粮食、蔬菜、水果等食物， 镉、铬、砷、铅、铜等重金属超标严重，有的地区粮食含镉量甚至超过诱发“痛痛 堡主笙苎 堡塑型圭茎! 重鱼垦! 燮塾壁塑! ! 一 病”的标准5 。 1 2 土壤重金属的污染危害 1 2 1 铜的污染危害 1 2 1 1 铜对植物生长发育的影响与危害 研究证明，铜是植物体内多酚氧化酶、氨基氧化酶、络氨酸酶、抗坏血酸酶、 细胞色素氧化酶等的组成部分，是各种氧化酶活性的核心元素，可进行电子的接受 与传递，在植物体内的氧化还原反应中起重要作用，与叶绿索的形成、碳水化合物 及蛋白质合成有密切关系，并且能提高植物的呼吸强度。因而植物的正常生长需要 少量的铜，植物缺铜时叶绿素减少，叶片出现失绿现象，繁殖器官的发育受到破坏， 产量显著下降，严重时会导致死亡。 过量的铜同样会对植物生长发育产生危害。是阻碍植物对其它元索的吸收， 被植物吸收的铜大部分停留在根部，造成的根部铜大量过剩，使植物对其它成分的 吸收受阻。例如根部铜过剩使二价铁氧化为三价铁，妨碍植物对二价铁的吸收和在 体内运转，造成缺铁病。二是发现植物中过量的铜抑制脱羧酶的活性，间接阻碍了 n h t + 向谷氨酸转化造成n h 4 + 在植物体内的积累，使根部受到严重损害，首先使 主根不能伸长，常常到2 c m 4 c m 就停止，根尖硬化，生长点细胞分裂受到抑制， 根毛少。同时，根部的破坏使植物对水分和养分的吸收受到影响，造成生长不好， 形成缺水病和枯叶病，产量下降，甚至枯死。 1 2 1 2 铜对人体健康的影响与危害 铜是人体必需的元素，广泛分布在人体的脏器组织。铜是血、肝、脑等铜蛋白 的组成部分，有3 0 种以上的蛋白和酶中含有铜，铜是几种胺氧化酶的必须成份。 缺铜试验表明，缺铜会引起胺氧化酶活性降低。缺铜动物会出现血管弹性硬蛋白、 结缔组织和骨骼胶元蛋白的合成障碍，就是由于组织中胺氧化酶活性下降的结果。 铜还参与细胞色素酶中铁的吸收和转移，在缺铜试验的动物中，肝脏、肌肉和神经 组织的细胞色素氧化酶活性显著减弱，显示出铁蛋白中的铁利用受阻，以致引起贫 血病，影响糖的代谢和减少机体内高能化合物a t p 的数量，使动物消瘦。铜也是 赖氨酸氧化酶的成份之一。缺铜会引起心肌变脆、主动脉破裂，缺铜还会引起骨质 疏松，毛发脱落、生长缓慢、脑水肿和皮质坏死等。人体缺铜会引起铜不足血症， 婴儿因缺铜也会得营养病。 铜盐的毒性以醋酸铜最大。硫酸铜毒性较大，经口服即使微量也往往会引起急 性中毒，大量食入可发生肝小叶中心区坏死。对于人体，人体铜过量，肝内含铜量 会增加数倍。超过忍受限度时红细胞不能摄取全部铜，铜突然释放到血清中，结果 2 硕t 论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 发生溶血。铜引起溶血有多种原因，c u 2 + 与血红蛋白、红细胞以及其它细胞膜的 s h 基有亲和力，结果增加了红细胞的通透性而发生溶血。此外，铜抑制谷胱甘肽 还原酶，并使细胞内还原型谷胱甘肽减少，铜使血红蛋白变性，发生溶血性贫血。 铜过量还表现为w i l s o n 氏症，其主要症状是胆汁排泄铜的功能紊乱。造成组织中 铜贮留，首先蓄积于肝部，引起肝脏损害，出现慢性、活动性肝炎症状。当铜沉积 于脑部引起神经组织病变时，则出现运动失常和帕金森综合症。铜沉积于近侧肾小 管，引起氨基酸尿、糖尿、蛋白尿和尿酸尿。 1 2 2 铅的污染危害 1 2 2 1 铅对植物生长发育的影响与危害 铅不是植物生长的必须元素。铅进入植物的过程，主要是以非代谢性的被动方 式进入植物根内，还可以通过树皮或叶片进入植物体内。通常散布在空气中的铅， 可以通过张开的气孔进入叶内，但是叶表面角质层是铅进入叶内的障碍。铅也会从 叶表面裂口、表皮裂缝、因病虫害丽产生的叶片伤口进入叶内。 积累在根、茎叶内的铅，可以影响植物的生长发育，使植物受害。铅对植物根 系生长的影响是显著的。铅能减少根细胞的有丝分裂速度，这也许是造成植物生长 缓慢的原因。高浓度的铅影响植物的光合和蒸腾作用强度。一般随着铅浓度的提高， 光合和蒸腾作用的速度逐渐降低。这两种生理过程的变化与叶子气孔度二氧化碳吸 收和水蒸气扩散能力有关。铅的累积也直接影响细胞的代谢作用。 高浓度的铅还对蔬菜产生危害。例如，用高浓度的铅处理白菜、萝h 种子，会 使种子萌发率和胚轴长度降低，甚至出现胚根组织坏死。用高浓度的铅溶液灌溉蔬 菜，可使萝h 、白菜、莴苣根系生长受到明显抑制；外部叶片褪绿，老化以及植物 矮小，产量下降。 1 2 2 2 铅对人体健康的影响与危害 铅通过消化道和呼吸道进入人体。铅在人体内，在吸收一蓄积一排出之间维持 着动态平衡。在正常情况下，接触一定量的铅后，若进入量和排出量接近时并不产 生危害，若进入量大予排出量，则铅吸收的量增多，相应尿铅排出量也增高，但无 任何中毒症状出现，此种情况称为铅吸收。若吸收量过多，不但血液而且软组织中 铅浓度高到一定程度，就可以产生毒性作用。但吸收的铅又可转移积存到骨骼中形 成不溶性磷酸铅，反而减轻了铅的毒性。因此血铅和骨铅之间的移动与铅中毒症状 的消失和发生有关。 铅的毒性与其化合物的形态、溶解度大小有关。硝酸铅、醋酸铅容易溶于水， 易被吸收；铅白、铅的氧化物、碱式硫酸铅在酸液中易溶解，颗粒小而成粉状，毒 性大；硫化铅、铬酸铅不易溶，毒性小；四乙基铅较无机铅毒性大。 堡兰堡塞 垫塑翌圭墨主重垒垦堕坚坚塾堕塑墨一 铅是作用于全身各个系统和器官的毒物，根据近年来的研究证明，铅可与体内 一系列蛋白质、酶和氨基酸内的官能团结合，干扰机体内许多方面的生化和生理活 动。铅的毒性是损害器官，主要是骨髓造血系统和神经系统。 侵入人体内的铅，随血液进入脑组织，损伤小脑及大脑皮质细胞、干扰代谢活 动，导致营养物质和氧气供应不足。铅污染不仅影响身体健康，而且影响儿童智力 发育。 1 3国内外植物和土壤中重金属污染研究概况 1 ，3 1 土壤中重金属污染形态 植物从土壤中吸收的重金属量与土壤中的重金属总量有一定关系，但土壤中的 重金属总量并不是植物吸收程度的一个可靠指标m 1 。研究表明，石灰性污灌土壤o 2 0 c m 土层中，pb 、c d 主要以碳酸盐结合态和硫化物残渣态存在，其次是有机结合 态，交换态和吸附态较少：p b 的吸附态大于交换态；而c d 则相反”。影响p b ， c d 形态分布的主要因素有p h 值、有机质含量、腐殖酸组成和碳酸钙含量等。郑泽 群等人在西安城郊野狐庄污灌区土壤分析中，用污染区与对照区比较表明，长期污 灌的土壤中铬的平均含量为8 2 ，o m g k g 。最高检出值为9 6 8 m g k g ，而对照区耕层土 壤铬的平均含量为7 4 。4 m g k g ，经t 检验，污染区与非污灌区的土壤铬含量差异显 著，说明土层已遭受污灌污染1 8 o2 0 4 0 c m 土层中铬的含量虽有累积，但差异并 不显著，而下层土壤则无明显累积。这是因为土壤有机质对c r ( v i ) 的还原作用 很明显，随灌溉水进入土壤的c r ( v i ) 可被有机质迅速还原为c r ( 1 1 1 ) 哼1 ，而粘 土矿物对c r ( i i i ) 有强烈的吸附和固定作用，在土壤中不易移动，也较难被植物 吸收这是铬只在表层和耕作层中累积的主要原因。而对于汞来说，它的有效形态 主要与土壤的硫、氯化物及有机肥料含量有关。在砷污染的土壤中，主要以水溶性 砷和钙砷为主，铝砷和铁砷最低 1 0 l 。e a w o o l s o n 等指出，大多数土壤以铁砷为 主，若活性铁含量低而钙、铝含量高时，则以钙砷或铝砷为主。 1 3 2 重金属污染物在土壤中的分布 土壤中的重金属污染物由于无机及有机胶体对阳离子的吸附、代换或络合、生 物作用的结果，大部分被固定在耕作层中，一般很少迁移至46 e r a 以下的土层，但 砷在土壤中的动态行为与铜、铅、镉等有所不同，在含有大量铁、铝组分的酸性 ( p h 5 3 6 8 ) 红壤中，砷酸根可与之生成难溶盐类而富集于3 0 4 0 c m 耕作层中。 还有研究表明，金属污染物主要累积在土壤耕作层，而且其可给态含量较高，分别 占全量的6 0 1 ，3 0 ，3 8 和2 2 j i l l , 灌溉污水中的汞里溶解态和络合态， 迸入土壤后9 5 被土壤矿质胶体和有机质迅速吸附或固定。它一般累积在土壤表 层，在剖面上分布自上而下递减1 1 2 1 4 堡主监塞 ! 堕塑盟圭! 壅! 垦垒堕塑堕坚塑里堕i ! 一 1 3 3 植物对土壤中重金属富集的特点 生长在被重金属污染的土壤中的植物，其体内必然会发生重金属累积。维诺格 拉多夫指出植物累积化学元素的情况至少可以分为两种类型：( 1 ) 由于某区环境 中元素含量高，该区全部有机体中该化学元素的含量均高；( 2 ) 某种有机体( 经常 是某一个属) 能特别聚集某种化学元素。即在同一土壤上有的植物能选择吸收累积 这些元素，有的植物能选择吸收那些元素。如所有生长在含铜土壤中的植物，含铜 量都显著增高。同是生长在酸性土壤条件下的植物，石松科植物和野牡丹科植物等 富积大量的铝，有的含量高达1 以上( 占干物质) ，而酸性土壤中的其它植物含 量只有0 0 5 左右。广东地区鹧鸪草地上部分干物质铜的含量平均为1 3 2 0 m g k g ， 比该地区其它植物中的铜含量高出1 0 2 0 倍。植物从土壤中吸收的这些元素，首 先在根中积累，然后有一部分被运到植物体的其它部位。植物对金属元素的吸收积 累，除与环境中金属元素的含量有关以外，还和这种元素对植物的有效性、土壤的 p h 值及光温等生态因素有关1 3 、1 8 。 1 3 3 1 不同种类的植物对重金属的吸收效应 同一种类的植物对不同的重金属元素的吸收富集能力不同，不周种类的植物对 同一种重金属元素的吸收富集能力也不同1 1 9 - 2 3 1 。周根娣等人1 对上海市农畜产品 的调查结果表明，叶类蔬菜较其他类别的蔬菜污染严重。g z u r e r a c o s a n o 等人2 ” 研究发现蔬菜品种中间重金属含量呈极显著差异( p 秋茄 白骨树。王勇 军【z 9 1 等人对深圳福田树林中的另外三种植物的研究表明它们对土壤中5 种重金属 元素富集能力的大小依次为海桑 无瓣海桑 秋茄。刘香梅等人 3 0 1 在温室盆栽条件 下对生长于污泥中的几种耐铜性植物体内重金属的含量做了研究，结果表明5 种植 物对c u 的吸收顺序是：遏蓝菜 羽叶鬼针草 酸模 紫苜蓿 印度芥茉。王新等人1 3 l l 利用田间小区实验的方法，研究了玉米、水稻、大豆、小麦不同作物对重金属的吸 收及重金属在作物体内迁移、积累、分配的规律。研究表明，作物种类不同，对重 金属吸收、积累的特性也不都是一样的，水稻根系吸收重金属的量较多，占整个作 物体吸收量的5 8 9 9 ；玉米茎叶吸收重金属的量比其它作物多，占整个作物体 吸收量的2 0 4 8 ；小麦、大豆籽实吸收重金属的量较多，尤其是c u 、z n 二元 素，其吸收占整个作物体吸收的1 3 8 6 8 7 2 ；玉米籽实吸收的量最少，尤其 是a s 元素，仅占o 9 1 3 1 8 。重金属在作物体内的分配规律为根 茎叶 籽实。 堡! 堕苎 堕塑翌墨主至全垦塑壁坚垫壁堕一 重金属由土壤迁移到作物体内并由作物带走输出的量极少，少于1 ，而仍有9 0 残留于土壤中。 1 3 3 2 植物的不同部位及不同生长期对重金属的吸收效应不同 有关重金属在植物各器官的分布，国内外进行了大量的研究。植物体的不同部 位，对重金属元素积累的状况不一样，通常是植物的地下部分大大地高于地上部分 1 3 2 1 。如水稻根与地上部分中的铜、汞、砷等相差约1 5 2 0 倍，茎叶与糙米比较相 差几倍到几十倍，植物茎的灰分中镉含量大约比叶的灰分中的含量高2 倍。”。阜 康站资料显示，根部污染物占总吸收量比例随作物而异，水稻为5 5 6 l ，小 麦为5 0 5 3 ，大豆为2 8 2 9 。沈阳及鹰潭站水稻根部积累的p b 、a s 可 达土壤含量的8 9 9 7 ，c u 居中，占8 0 左右，c d 、z n 在根部所占比例较小， 仅占土壤含量的3 0 2 0 t 3 4 。镉和锌在小麦、玉米、水稻各器官的残留累积量 中以根最高，茎叶居中，籽粒中的含量远远低于根系中的含量”5 “”。根对c d 和z n 的吸收量分别占总吸收量的7 0 8 0 ，5 8 6 8 ，籽实分别占1 1 0 ，9 2 5 。水稻和小麦各器官对铅和砷吸收富集的特点与镉相似：根 茎叶 籽粒。 资料表明，根对p b 、a s 的吸收量分别占总吸收量的9 8 和8 8 9 8 ，籽实占0 0 1 0 3 ，o 0 2 o 3 h 叫”。但水田作物吸收累积的砷的含量比早地作物( 花 生) 高。小麦各器官对汞的吸收也呈现根 茎叶 籽粒的规律，其比率为3 0 ：3 ：l “”。 c u 元素的富集情况与z n 相似，它的迁移能力居中。在同等污染物浓度下，作物种 类不同，其所吸收重金属量也有差异。小麦、大豆易吸收土壤中的重金属，并向地 上部迁移，籽实中重金属含量明显比其它作物体内的含量多。而玉米茎叶吸收重金 属的能力较强，向作物籽实的迁移能力较弱。水稻吸收重金属大部分累积在根部。 作物吸收重金属所表现出的差异主要是由于不同作物其生理特性及遗传差异所致 1 4 5 。如镉在西红柿、茄子等的根和茎叶中的累积量不尽相同，不同器官差异较小， 但仍表现为果实部分累积量较低的规律。而白菜等叶菜类，叶中的含量低于根中含 量。如菠菜的茎叶与根中的c d 含量之比为l ：1 7 11 4 6 1 ；萝卜等根菜类，其块根含 c d 低于叶子，如用1 0 0 m g k g c d 溶液处理小白菜时，根中为5 8 7 0 m g k g 叶中为 5 2 3 3 m g k g ：丽用此溶液处理萝h 时，根中为2 4 0 3 m g k g ，叶中为2 9 8 4 m g k 9 1 4 7 - 5 0 。还有研究表明，污灌区与清洁区黄瓜中的c d 含量基本相同，萝h 对c d 的富 集能力较弱，而白菜对c d 的富集能力较强。总体表现为：黄瓜与谣红柿：叶 茎 根 果，白菜：根 地上部，萝b ：地上部 根1 5 1 1 0 在植物的不同生长期内，植物及其各部分对重金属的吸收效应也是不同的。莫 争等人f 5 2 】研究外源可溶性重金属进入土壤环境后在水稻植株不同部位的分布及其 含量随时间的变化，表明在水稻生长季节，重金属在水稻不同部位的累积分布依次 是c d 、c r z n 、c u p b 。重金属在水稻植株不同部位的积累分布是：根部 根基 堡主笙苎焦塑型圭堡! 重垒曼盟璺堕塾皇里塞一一 茎 主茎 穗 籽实 叶部。水稻分蘖期重金属在根部、茎部和叶片的积累量达到 最大，随时间的延长，在根部积累的重金属越来越少；在茎部积累的重金属在拔节 期降至最小，随后含量又稍微上升，叶片上的重金属含量在拔节期迅速下降，随后 趋于稳定。杨志强等人p 刘在研究“无公害”西瓜中重金属的残留中表明重金属的 残留量迁移规律为：根 茎、叶 皮、瓤。韩爱民等人【54 】根据“淮安市绿色食品基 地调查以及相关研究”课题资料，分析了水稻中重金属含量与土壤质量的关系，结 果表明重金属含量在水稻中的分布是：根 茎叶 籽粒；在糙米中检出的重金 属铜和铬的含量与土壤中铜和铬的含量显著相关，铅、锌、锰的含量与土壤中铅、 锌、锰的含量相关关系不显著。 1 3 3 3 重金属的种类也影响植物对重金属的吸收效应 植物对不同种类的重金属吸收效应是不同的。韩爱民等人 5 4 】根据“淮安市绿色 食品基地调查以及相关研究”课题资料，分析了水稻中重金属含量与土壤质量的关 系，结果表明。水稻籽粒对重金属的吸收特点因其元素不同而差异较大，重金属元 素被水稻糙米吸收的程度为：砷 镉 汞 铅 锰 铬 p b n i c r ，利用系数大 小为c u z n ： n i p b 、c r ，循环系数大小为c u 、p b c r n i 、z n 。 i 3 3 4 重金属的存在形态 土壤中的铜一般以下列几种形态存在：1 ) 以游离态或复合态离子形式存在于土 壤溶液中；2 ) v a 非专性( 交换态) 或专性吸附在土壤粘粒的阳离子；3 ) 主要与碳酸盐 和铝、铁、锰水化氧化物结合的阳离子；4 ) 存在于生物残体和活的有机体中的有机 态；5 ) 存在于原生和次原生矿物晶格结构中的矿物态。根据所结合的组分不同，土 壤中的铜可区分成多种形态，这些形态之间是相互联系的。它们在各种形态中的相 对分配比例则取决于矿物种类结构、母质、土壤有机质含量等。土壤中的活性铜主 要指水溶态和非专性吸附的交换离子。张克云等人f 5 习的研究表明，水稻各器官c u 、 a s 浓度与土壤c u 、a s 浓度密切相关，而与土壤中交换态c u 、a s 的相关性又大于 结合态和全态c u 、a s 的相关性。杨学春 拍】等人研究表明在紫色丘陵地的稻田中， 因受土壤强吸附性、不均匀性和重金属难移动性的影响，一般迁移是较困难的。重 金属元素在土壤中的存在形态、积累状况迁、移转化及对植物的有效性和毒性与土 壤胶体对其专性吸附性能有密切关系御l 。 1 3 3 5 土壤的理化性质对植物吸收效应的影响 1 3 3 5 1 土壤的类型 土壤的类型直接影响着植物对重金属的吸收富集。岳震华、张富强等人f 5 8 】对湖 7 硕十论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 南省长沙市、邵阳市等5 个城市具有代表性的灰菜园土、红菜园土、潮菜园土三 种类型土壤中重金属迁移规律以及蔬菜在这三种土壤上的重金属富集量进行了调 查分析，发现三种不同菜园土重金属表底土比对重金属富集的顺序为灰菜园土 红菜园土 潮菜园土，说明在三种菜匿土中灰菜园土对重金属的吸收和化学固定作 用最强。 1 3 3 5 2 p h 值的影响 土壤p h 值改变可导致土壤中重金属形态的变化，从而影响重金属的生物有效 性。在低p h 值时，土壤中c d 、z n 等离子浓度随p h 值上升而下降，但p h 值过高 又会溶解，离子浓度又会再升高k 5 9 1 。随着土壤溶液p h 值升高，各种霓金属元素在 土壤固相上的吸附量和吸附能力加强。b o e k h o l d 等人对酸性砂土中c d 的吸附现象 进行研究，发现p h 每增加0 5 个单位，c d 的吸附就增加倍。韩盛等研究表 明随p h 值上升，p b 在士壤中的平衡浓度下降，土壤溶液中p b 平衡浓度主要由土 壤胶体吸附作用及碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物的沉淀溶解作用所决定。 1 3 3 5 f 3 土壤有机质含量 有机质对重金属具有很强的吸附作用，并通过与土壤中的重金属元素形成的络 合物来影响土壤中重金属的移动性及其生物有效性。m c b r i d e 等人的研究表明天然 有机质是一种有效的吸附剂，能极大的降低离子的活度，有机质可强烈地吸附镉、 锌，腐殖质分解形成的腐质酸可与土壤中锌、镉形成络( 螯) 合物，降低了植物对 镉、锌的吸收。但也有研究表明，有机质加入土壤中对植物的吸收重金属没有影响， 甚至使植物对重金属的吸收稍微增加。有报道指出，c u 、z n 、p b 、c d 等均属于亲 硫元素，常与有机质形成络合物或螯合物，增加其活性。近年来也有研究表明，随 着土壤中施用有机肥增加，其水溶性有机物( d o m ) 含量也增加，水溶性有机碳 ( d o c ) 与土壤中总可溶态铜、镉存在正相关。【6 “6 2 1 粘土矿物可以通过离子交换来吸收溶液中的重金属离子，适宜的环境温度会有 利于植物吸收重金属。此外，土壤的阳离子交换量( c e c ) 也对重金属的生物有效 性产生影响。有人认为，在影响重金属生物有效性的诸因素中，粘粒含量 p h 有 机质含量_ 重金属含量嘟，。 1 3 3 6 复合污染及交互作用 重金属复合污染的研究是近年来环境科学的新热点。因为在自然界多数情况 下，环境污染多是由多个元素共存作用造成的，元素之间交互作用形成复合污染对 生态系统的效应有别于单元素污染。二十世纪八十年代以来，国外一些学者进行了 土壤重金属复合污染效应及其指标的研究r 6 4 - 6 8 1 , 在我国，从二十世纪九十年代开 8 硕上论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 始，一些研究者就c d 、p b 、c u 、n i 、z n 、a s 等元素对大豆、小麦影响迸行了盆 栽苗期试验，认为元素问联合作用对作物生长和产量有定影响t 6 9 - 7 3 1 。如果用吸 收系数代表籽实中某一元素的浓度与土壤中元素浓度之比，则c d 在单元素污染时， 吸收系数为o 0 1 7 0 0 2 4 ，复合污染吸收系数为0 3 6 1 o 6 2 1 ，提高了2 1 2 5 倍， p b 的吸收系数提高了4 6 3 2 3 1 倍；a s 的复合污染盆栽时，吸收系数可比单一 元素污染时提高1 0 倍，z n 的吸收系数在复合污染时也有显著增长”4 。7 ”。 1 3 3 7 养分的作用 土壤植物系统中重金属与养分元素的交互作用是很复杂的。涂从等人【7 6 】的研 究表明重金属是土壤污染退化的类重要物质。它们进入土壤后，一方面对生态系 统产生直接危害，一方面通过影响土壤养分的生物有效性而产生间接危害。同时， 土壤中的养分元素也影响重金属的生态环境效应，这种相互影响被称为交互作用。 1 3 4 土壤中重金属吸附的根际效应 由于铜与有机配体形成的螯合物稳定性很强，王建林等人根据前人对苏南地区 水稻土的表观综合能力的研究分析表明土壤对铜吸附主要与有机质有关。m e n c h 等 人研究了低分子量根系分泌物( 主要为糖和有机酸) 与重金属铜离子、铅离子和锌离 子的螯合物的稳定常数，发现在p h = 5 时铜螯合物的稳定性最强。 1 4 本文的研究目的、方法、意义以及研究背景 土壤是植物生长的基地，是动物、人类赖以生存的物质基础，因此，土壤质量 的优劣直接影响人类的生产生活和发展。近些年来由于人为原因，使多种重金属 元素通过多种渠道进入土壤，导致土壤质量下降。植物不仅从土壤中摄取营养物质， 而且也吸收富集了重金属元素，并通过食物链进入人体，导致人体重金属中毒。进 行土壤和生物监测的目的是通过对其中有害物质的检测，及时掌握和判断土壤和生 物被污染的情况及程度，以便采取措施保护和改善生物存条件。 通过研究植物对土壤中重金属的吸收效应，可以探索出植物吸收富集重金属的 影响因素，为减少植物由于受重金属污染而危害人体健康以及为植物修复土壤提供 科学依据。 本课题主要通过改变土壤中重金属元素含量以及通过添加碳酸氢钠改变土壤 的p h 值，利用原子吸收法测定植物体内和土壤中重金属的含量，并对二者进行分 析，从而得出植物体内重金属元素含量以及植物对重金属元素富集系数和土壤中重 金属元素含量、土壤中碳酸氨钠含量的关系，探索重金属元素在植物中的分布规律。 硕士论文植物对土壤中重金属的吸收效应研究 2理论基础 2 1植物对重金属的吸收转移机理 2 i 1 重金属到达植物根( 或叶) 表面 重金属到达根表面，主要有两条途径：一条是质体流途径( m a s sf l o w ) ，即污 染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另条途径是扩散途 径( d i f f u s i o n ) ，即通过扩散而到达根表面。 在土壤中，重金属的扩散一般遵循f i c k 的第二法则，它的平均扩散距离为 d = 五厅( 2 1 ) 式中，d 是平均扩散距离，c m ；d 是扩散系数，c m 2 s ；t 是时间，s 。 2 1 2 重金属跨根细胞膜运输 植物吸收环境中的重金属有两种方式：一种是细胞壁等质外空间的吸收；一种 是重金属透过细胞质膜进入细胞的生物过程。重金属透过细胞膜的过程，可以用物 理化学的原理进行解释。 2 1 2 1 不带电荷分子的跨膜扩散 假设分子从膜侧通过膜进入另一侧的速度为v ，则： v 2 p a ( c l e 2 ) ( 2 2 ) 式中，p 为膜的扩散系数；a 为脂质区域的面积；c 1 、c 2 分别为膜外侧与膜内 侧的溶质浓度。 另有研究表明，溶质分子在有机相的溶解度与膜对溶质分子的透性有关；溶质 分子的大小也是一个非常重要的因素，它能影响溶质的扩散系数d ，即 d = d o m “( 2 3 ) 式中，d o 为单位分子质量的溶质扩散系数；m 为相对分子质量。 溶质分子进入细胞的速度受水一生物膜之间的分配系数和相对分子质量制约， 具有相同分配系数而又有较小相对分子质量的溶质则通透性较快。 2 1 2 2 带电离子的跨膜扩散 金属离子( 或水合离子) 从膜的外侧进入膜时，要从介电常数较高的水溶液中 进入介电常数较低的类脂双层膜，这要克服很高的位垒。根据两相( 水相和脂质相) 中吉布斯( g i b b s ) 自由能的变化，可得到金属离子在水溶液中和磷脂双分子层间 的分配系数： k = c m 小w 糟9 咻“_ 船 ( 2 4 1 l o 堡主堡塞 堕塑翌圭堡生重垒星墼璺坚垫生婴! ! 一 式中，c 。、c 。为膜相、水相中重金属离子浓度；l ij o ( w ) 为水溶液中标准化 学势；p ，o ( m ) 为磷脂膜表面的标准化学势；r 为气体常数；t 为绝对温度a 离子的电荷与半径是决定分配系数的重要因素。仅仅靠扩散，金属离子是很难 进入和通过扩散膜的。一般说来，金属离子的跨膜运输是需要能量的。跨膜运输有 两种方式：其一是顺电化学梯度的被动运输，能量主要来源于产生并保持膜两侧的 电化学梯度；其二是逆电化学梯度的主动运输。促进离子运输的驱动力是化学势、 电位差及具有电特性的力如摩擦力等。 ( 1 ) 被动运输污染物被动运输与膜两侧建立的电化学梯度和膜的通透性紧 密相关。 a 离子运输通过膜的金属离子的流量可以根据n e r s t - - p l a n c k 方程求取， 即： j i ( x ) = - - d i ( d e i d c 。+ z i c i f r t x d 巾d x ) ( 2 5 ) 式中，j i ( x ) 为物质在距离膜表面x 处的流量；c i 为i 离子的浓度；z i 为离子i 的电荷；d 为离子的扩散系数；由为电位；f 为法拉第常数；r 为气体常数：t 为 绝对温度。 通过膜的扩散电位为： 巾= 2 3 r t x l o g ( c i e 。) z f ( 2 6 ) 式中，由为电位差：z 为离子所带的电荷数；c i 为膜内离子的浓度；c 。为膜 外离子的浓度；f 为法拉第常数；r 为气体常数；t 为绝对温度。 根据实验结果可知，在低浓度状态下，金属离子( 或水合离子) 叶很难进入细 胞。 细胞膜对金属离子运输存在两种观点。一种认为膜上存在着载体( c a r t i e r ) ，包 括载动载体和扩散载体，离子m 与载体的结合方式有两种：金属离子与载体在 膜表面结合( 不同相反应) ，复合物通过膜，金属离子在膜的另一侧被释放；金 属离子与载体在同一水相中结合，复合物进入膜。然后在膜的另一侧水相中分离。 另一种认为膜上存在着通道，膜上不仅存在着允许水分予通过的小孔，而且存在着 直径等于或超过离子直径的较大的孔。 b 促进运输环境中的配体及生物大分子与重金属离子结合对其迁移能力有 很大的影响。金属离子所带电荷越小，亲脂性越大，就越容易透过生物膜。此外， 重金属离子与膜的配体的亲和力也有很大影响。 ( 2 ) 主动运输主动运输就是指离子或分子发生一定距离的转运或相当大量 的转运，而这神转运又是不服从扩散定律或电化学平衡定律的。这种过程只有从外 部输入能量才能发生。利用前面介绍的n e m s t 公式，可以判断一个转运过程究竟是 主动的还是被动的。n e m s t 公式表示膜两侧的电势差与膜内外同一种物质的化学势 的关系，即式( 2 6 ) 。 硕士论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 假定t 为2 9 8 1 5 可k ，则式可简化成 中= 5 9 x l o g ( c i c 。) z f ( 2 7 ) 只要在膜的两侧某种离子能够建立真正的平衡( 例如不形成沉淀或衍生物) ， 而且这种离子能够自由透过膜( 在两个方向透过的情况相同) ，就可以利用上述公 式来判断是否发生了离子的积累或排出( 即主动转运) 。用超微型的电极和灵敏的 电位计测定膜两侧的电位差，同时用微量化学方法测定细胞内外某离子的浓度。假 设这些数据不符合n e r n s t 公式，那就必定是发生了主动运输，或是离子的积累。通 常的判定方法是，通过测定膜外离子的浓度及植物根内部与外晁溶液之间的电位 差，然后根据n e r n s t 公式得出膜内离子浓度的计算值，最后把该值与膜内离子浓度 实测值进行比较。如果实测值与计算值相等或接近，就是没有发生主动运输；如果 实测值大于计算值，则表示发生了这种离子的主动累积；如果实测值小于计算值， 则表示发生了离子的主动排出。 2 1 3 重金属在植物体内的运移 2 1 3 1 重金属在根共质体内运输 重金属一旦进入根系，可贮存在根部或运输到地上部。从根表面吸收的重金属 能横穿根的中柱，被送入导管，进入导管后随蒸馏拉力向地上部移动。一般认为穿 过根表面的金属离子到达内皮层可能有两种通路；第一条为非共质体( 质外体) 通 道，即金属离子和水在根内横向迁移，到达内皮层是通过细胞壁和细胞间隙等质外 空间；第二条是共质体通道，即通过细胞内原生质流动和通过细胞之间相连接的细 胞质通道。 由于内皮层上有凯氏带，金属离子不能通过，只有转入共质体后，才能进入木 质部导管，因此重金属在内皮层的共质体内运输是其转运到地上部的限制性步骤。 重金属进入根细胞质后，可以游离金属离子形态存在。但细胞质中游离金属离子过 多，对细胞产生毒害作用，干扰细胞的正常代谢，因而细胞质中金属可能与细胞质 中的有机酸、氨基酸、多肽和无机物等结合，通过液泡膜上的运输体或通道蛋白转 入液泡中。但对于超积累植物，金属阻隔在液泡中对其转运到地上部分是不利的， 因而在超积累植物的液泡膜上可能存在一些特殊的运输体，能把暂时贮存在液泡中 的金属装载到木质部导管。 2 1 3 2 重金属在木质部运输 金属离子从根系转移到地上部分主要受两个过程的控制：从木质部薄壁细胞转 载到导管和载导管中运输，后者主要受根压和蒸腾流的影响。目前对于阳离予载木 质部的装载过程还不十分明确，但研究者一致认为，它是与根细胞吸收离子相独立 的一个过程。 硕士论文 植物对土壤中重金属的吸收效应研究 有资料表明，木质部装载过程的能量来自木质部薄壁细胞膜上的h - a t p a s e 产 生的负性跨膜电势。阳离子载木质部的装载可能通过阳离子一质子反向运输体阳离 子一麟s e 通道和离子通道。 木质部细胞壁的阳离子交换能量高，能够严重阻碍金属离子向上运输，故非离 子态的金属螯合复合体，在蒸腾流中的运输更有效。 总之，植物从根际吸收重金属，并将其积累到地上部，这过程包括许多环节和 调控位点：1 ) 跨根细胞质膜运输；2 ) 根皮层细胞中横向运输；3 ) 从根系的中柱薄壁 细胞装载到木质部导管；4 1 木质部中长途运输：5 ) 从木质部卸载到叶细胞( 跨叶细 胞膜运输) ；6 ) 跨叶细胞的液泡膜运输。目前除对n i 和z n 超积累的生理机理研究 有所突破外，对其他元素无明显进展。 2 i 3 3 叶片重金属的向下运移 王焕校等模拟大气污染的实验，用不同浓度的硝酸铅涂在蔬菜( 白菜、萝卜、 莴苣等) 的叶片上，证明叶片中的铅能向下移动。 2 2 影响植物对重金属吸收的环境因子 2 2 1 酸碱度 在影响土壤重金属的理化性质中，p h 值无疑是个重要的因素。根据土壤的 酸度和重金属的性质，投加酸性或碱性物质改变土壤p h 值，可以提高重金属的生 物有效性。 土壤酸度对重金属化合物的溶解与沉淀平衡的影响较为复杂。土壤中绝大多数 重金属是以难溶态存在的，其可溶性受p h 值控制，即土壤中重金属随着p h 值增 加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。首先，随着土壤溶液p h 值降低， 大多数重金属元素在土壤固相的吸附量和吸附能力减弱。其次，土壤溶液的p h 值 影响到重金属元素的离子活度。最后，土壤溶液p h 值对重金属的植物利用性影响 可