蔬菜重金属污染研究现状及展望 毕业论文.doc

【标题】蔬菜重金属污染研究现状及展望 【作者】陈洪 【关键词】重金属蔬菜富集系数污染治理适应 【指导老师】汪建华 【专业】生物科学 【正文】1前言人们的日常生活，离不开蔬菜，随着人们生活水平的逐步提高，相对地，对食品的质量也提出了更高的要求，对蔬菜也是如此。改革开放以来，中国的蔬菜生产迅速发展，19782004年的27年间，蔬菜播种面积从3331104hm2增加至17560104hm2，增长了4.27倍，目前全国蔬菜总产量达550.7106t，人均蔬菜占有量313.0kg，已超过世界平均水平，并跻身世界第3大蔬菜出口国。但是，由于工业“三废”和城市生活垃圾的排放，含重金属废水灌溉以及含重金属的农药、化肥的不合理使用，导致菜地土壤受到重金属的污染。重金属可通过土壤进入蔬菜，且蔬菜积累的重金属可通过食物链进入人体而给人类健康带来危害。据报道，我国儿童铅中毒发病率大约为51.6，并且其毒性作用可持续到成人，短期内不可逆转1。因此，开展蔬菜重金属污染研究，揭示蔬菜重金属污染的特点和规律，对有效防治蔬菜重金属污染，促进蔬菜生产持续发展，保障食品安全具有重要的现实意义。本课题拟依据文献资料，就有毒有害重金属元素对蔬菜污染的研究进展作一综述，以期能全面把握这一领域的研究现状和发展方向，为重金属污染监测、防止、控制和治理提供参考。2我国蔬菜重金属污染现状目前，我国受镉、砷、铬和铅等重金属污染的耕地近2000万hm2，约占总耕地面积的152。每年因土壤污染而导致的粮食减产高达1000万吨，直接经济损失100亿元以上3。对国内蔬菜重金属污染调查结果表明，我国菜地土壤重金属污染形势非常严峻，尤其是东部。珠三角地区近四成菜地重金属污染超标，其中10属“严重”超标4；上海市蔬菜重金属污染，以Cd和Pb为甚，超标率分别为13.3和12.0，其次是Cr和Hg，超标率分别为4.6和 1.55；天津市菜地土壤8种重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Cd、Hg和As)含量均高于本市农业土壤背景值的1倍以上，其中Cd和Hg积累尤为明显，分别为背景值的5倍和60倍6；广州市菜地约有9.5受到污染，其中Cd、Pb和As含量分别为广东省土壤背景值的2.8倍、3.0倍和1.4倍7；沈阳市菜地土壤Cd、Pb和Zn的平均值分别为背景值的7.06倍、3.96倍和3.87倍8；南京市郊菜地土壤除Cd含量未超标外，其它4种重金属 Hg、As、Pb和Cr含量均已超出南京地区自然土壤背景值9；西安市郊区蔬菜主要污染元素为Pb，超标率48.0，最高超标6.91倍10；东莞市及其不同区域菜地的重金属污染，以Pb污染最严重11；长沙市各主要蔬菜基地生产的13个蔬菜种类铅和镉污染严重，超标率分别为60和5112；重庆蔬菜重金属污染程度为CdPbHg，近郊蔬菜基地土壤重金属Hg和Cd出现超标，超标率分别为6.7和36.713，14；广州市蔬菜地铅污染最为普遍，砷污染次之15；保定市污灌区土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的检出超标率分别为50、87.5、27.5和100，蔬菜中Cd的检出超标率为89.316，17。3蔬菜中重金属污染的来源3.1施用污水灌溉和污泥施用含重金属元素的污水和污泥是造成蔬菜重金属残留的一个主要原因。上海市郊区污灌和污泥施用历史较长，重点污染区桃浦化工区85个样点中，铅、砷和镉的蔬菜污染占了很大比例，其他元素也有不同程度的污染18，19。天津市长期施用污水和污泥的菜地中，土壤Cu、Zn和Pb含量高于背景值34倍，Cr、Ni和As高于背景值0.51倍，Cd高于背景值 l0倍，而Hg含量竞高达背景值125倍6。广州市的调查也表明，长期施用重金属含量较高的下水污泥造成污施地区土壤重金属残留水平也相应较高，Cd含量最高为清灌土壤的8.8倍，Pb为6.7倍，Cr为20倍，Zn为16倍15。3.2施用城市垃圾目前大多数城市的生活垃圾与工业废弃物还没有完全分开堆放，菜农施用的生活垃圾肥料虽在一定程度上提高了土壤养分，但其中工业废弃物的重金属成分也对土壤构成了影响。天津市以施用城市垃圾肥为主的菜田，土壤Cu、Pb、As和Cd含量高于背景值0.31倍，Hg甚至高于背景值30倍以上。施用含重金属的垃圾造成小麦重金属含量明显增加20。茹淑华等研究表明，在一定的范围内，随着垃圾施用量的增加，生菜食用部分的Pb、Cu和Cr含量也随着提高21。3.3大气降尘和烟尘大气的迁移和降尘作用是造成Hg大面积污染的一个重要原因。西南农业大学调查结果显示，在酸沉降地区，土壤和蔬菜的Hg污染随沉降物的增加而明显加重；为了中和土壤酸性而施用煤渣肥更使土壤Hg含量增加了34倍；粉尘污染除使蔬菜产量下降外，还使蔬菜重金属含量提高，甚至超过食品卫生标准1.15.6倍22,23。我国北方地区干旱少雨，烟尘污染较为严重。北京地区烟尘Cd、Cu、Cr、Pb和Zn等含量高于北京市农业土壤背景值1.740.2倍，导致土壤和蔬菜的重金属污染24。烟尘重金属元素含量较高除造成土壤污染外，烟尘落在蔬菜叶面也可能被叶片组织吸收而累积。排放的汽车尾气，也引起了沿交通干线土壤和蔬菜的Pb污染25。 3.4农业耕作措施农药、化肥、塑料薄膜等农用化学品以及有机肥料的使用，均可能是菜地中重金属的重要输入源。据估计，人类活动对土壤Cd的贡献中，磷肥占54%58%26。尽管中国磷肥中重金属含量普遍低于发达国家，但长期大量施用也可能会带来土壤重金属的累积27。加之少数地区磷矿中Cd含量较高28、近年从国外进口化肥量增加等原因，也使土壤中重金属累积的风险不断加大。根据中国农业统计年鉴29，2005年中国东、中、西部农药的使用量分别为628582、597788、233576t，东部地区农药投入总量和单位面积用量均远高于中、西部。正因为如此，东部地区重金属污染更为严重。有机肥中也常含有一定量的重金属30，如据刘荣乐等对中国8省（市）商品有机肥的调查结果，有机肥中各种重金属均出现了不同程度的超标31；卢东等对华东典型地区农业土壤重金属含量的调查结果，施用鸡粪等有机肥的农业土壤中，Cu、Zn含量明显高于施用化肥的土壤32。此外，农用薄膜生产应用的热稳定剂中往往含有Cd和Pb，在大量使用塑料薄膜的温室大棚和保护地中，如果不及时清除残留在土壤中的薄膜（或农膜），亦可能会使其中的重金属进入土壤并形成累积。4蔬菜对重金属的吸收与积累能力差异4.1不同蔬菜种类对重金属富集能力差异蔬菜对重金属的富集系数，定义为蔬菜中重金属含量与土壤中相应重金属含量之比。研究不同种类蔬菜对重金属的富集系数，可以有效地指导重金属污染土壤的合理种植与利用，防止重金属通过食物链进入人体。有研究表明，同一植物种类对不同重金属元素的富集系数是不同的，富集元素的规律是CdZn、CuPb、Hg、As。不同种类的蔬菜对重金属元素的吸收也不相同33。黄雅琴等研究表明，在Cu污染土壤上，胡萝卜对Cu的吸收量比生长在当地正常土壤上增加1.3倍，而菠菜仅增加0.29倍；而在高Pb浓度条件下，菠菜中Pb含量远远大于胡萝卜和韭菜34。胡小玲等对不同种类蔬菜重金属含量进行统计，发现叶菜类蔬菜重金属超标率最高，达到24.6，茄果类、豆类次之，根茎类蔬菜中重金属含量较低35。王丽凤等的调查结果表明，沈阳市蔬菜中重金属含量大小顺序为叶菜类根茎类瓜果类36。有研究表明，蔬菜品种间重金属含量呈极显著差异(P001)。姚全胜等研究了8种野生蔬菜的重金属富集能力，结果表明8种野生叶菜的铜含量范围为0.942.9mgkg，相差3.08倍；镉为0.00460.2mgkg，相差43.48倍；铅为O.0250.18 mgkg，相差6.4倍37。一般而言，叶菜类如菠菜、芹菜等对重金属有较强的富集能力。4.2种内重金属积累的基因型差异同一种蔬菜的不同基因型对重金属的吸收积累也存在明显差异。19911992年Michalik研究发现，胡萝卜肉质根吸收重金属存在基因型差异38。Kurz等盆栽和大田试验的结果表明，l5个羽叶甘蓝品种之间差异显著，最大相差20多倍。Florijn等采用水培和盆栽试验研究不同莴苣品种累积Cd的差异，结果表明盆栽试验中不同品种茎叶中Cd浓度差异不明显，但水培试验差异较大39。吴启堂等研究了不同品种菜心积累Cd的差异，结果表明在Cd含量为0.1 mgkg的土壤中，5个菜心品种的Cd含量范围为0.0400.131 mgkg(以鲜重为基数)，最大相差3.3倍40。王松良等通过水培试验研究小白菜不同基因型对Cd、Pb、As的累积特性，结果表明13种基因型茎叶Cd、Pb、As含量分别为1083830.41、7.90128.62、3.5964.05 mgkg41。5重金属对蔬菜生长发育、品质及其对人体健康的影响5.1重金属污染对蔬菜生长发育及品质的影响重金属抑制蔬菜的细胞分裂和伸长，刺激和抑制一些酶的活性，影响蛋白质合成，降低光合和呼吸作用，伤害细胞膜系统，从而影响蔬菜的生长发育。宋玉芳等采用室内生长箱盆栽试验法进行了4种重金属铜、锌、铅、镉与蔬菜生长的抑制响应关系研究。结果表明，蔬菜株高与重金属浓度有较好的负相关性，根长抑制率与重金属浓度相关性次之，而重金属对根伸长抑制作用最明显42。同样，刘海亮等以白菜、小萝卜、甘蓝、黄瓜种子为试验材料，分别加入0-50mgL镉溶液，置于2325温箱中进行镉胁迫发芽试验，结果表明，镉对四种蔬菜幼苗主根生长的影响从5mgL时开始出现，达10mgL时对小萝卜、甘蓝和黄瓜幼苗高度的影响十分明显，而白菜则在15mgL浓度下才出现明显的抑制作用。5d苗龄时，50mgL镉处理的4种蔬菜主根长和苗高均被严重抑制43。重金属对蔬菜品质影响方面，李道林等报道，当盆栽土壤中的砷浓度由20mgkg土增加到200mgkg土时，对四季豆的出苗数、苗期子叶形态，生长期的叶片数、株高、开花状况及结荚数、鲜重等指标均有显著影响，并进而影响它的生物产量44。胡红青等研究表明，在灰潮土上低Cd对生菜生长有促进作用，而浓度达到lOOmgkg土时则表现为抑制作用。同时，由于重金属的影响，蔬菜体内的维生素、糖分及其他物质含量都相应的有所变化，从而影响蔬菜的品质45。5.2重金属对人体健康的影响重金属污染问题引起人们的广泛关注最先是从其对人体健康的影响开始的,因此长期以来对重金属的研究与人体健康就存在着千丝万缕的联系。当前,农产品中重金属和农药的残留问题、重金属沿食物链向生物体可食部位的迁移积累问题以及重金属污染与疾病发生相关性等方面的研究相当活跃。蔬菜中重金属含量都有严格的限定，超量就会产生危害。六价铬可能经口、呼吸道或皮肤进入人体，引起支气管哮喘、皮肤腐蚀、溃疡和变态性皮炎。长期接触铬，还可导致呼吸系统癌症。食用含过量镉食品而造成的中毒大多是急性的，主要症状是恶心、呕吐、腹泻、腹痛。铅化合物对人体的影响主要是神经系统、肾脏和血液系统，还会引起肾功能损害，影响儿童的智力发育等46。砷慢性中毒表现为疲劳、乏力、心悸、惊厥，还能引起皮肤损伤，出现角质化、蜕皮、脱发、色素沉积，还可能致癌。汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛等，总汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中15%被脑吸收，但首先受损的是脑组织，并且难以治疗，往往促使死亡或贻患终生。在对人体健康的影响方面,其在人体内的过量累积可诱发心血管、肾、神经和骨骼等器官病变，严重者甚至会致癌47。如WHO等人系统研究了其在人体内的过量累积可诱发心血管、肾、神经和骨骼等器官病变48。6蔬菜重金属污染的防治措施 6.1合理规划城郊蔬菜生产基地，严格控制工业“三废”的排放随着城市逐步向郊区扩展，生产基地要重新在中、远郊规划，同时还要进行环境质量调查和评价，以确保基地生态环境良好。一些发展迅猛的大城市应在远郊、邻近城市甚至外省设立新的蔬菜生产基地。既可确保城市的蔬菜供应，又能避免蔬菜因城市的发展而受到污染。制订一系列的法规，控制在菜园地污水灌溉和施用污泥。对污泥和污水的重金属浓度以及土壤的重金属残留状况进行定期监测。对重金属污染严重的菜田，要改为它用，不能继续种植蔬菜。慎用固体废弃物，在采用工业废渣做改土剂时，要检测其中的重金属含量。工业废弃物要与生活垃圾分开处理和堆放，施用的垃圾肥要经无害化处理 6.2污染菜田的治理土壤污染具有潜在性、不可逆性、长期性和后果严重性，因此，治理土壤污染应立足于“防重于治”的基本方针。6.2.1物理措施应用物理措施如翻耕、客土与换土、水洗和淋溶等治理污染菜田，容易造成二次污染，且需要大量的人力物力。该措施通常用于污染较重的土壤。6.2.2化学措施化学措施治理污染是通过施用改良剂或抑制剂等，降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，从而降低污染物进入生物链的能力。在受重金属污染的土壤中，施用氢氧化钙、碳酸钙和硅酸钙等石灰性物质来提高土壤的pH值，可有效降低重金属的活性。添加石灰、腐殖酸、硫化钠、亚硒酸钠均能抑制土壤Hg和Cd进入蔬菜，其中，添加腐殖酸既能增产又能降低蔬菜Hg和Cd含量49。增施石灰和钙镁磷肥，也能降低小白菜对Cd的吸收，大白菜重金属含量显著下降。产量也比对照有较大幅度提高50。6.2.3生物措施生物措施是利用特定的动、植物和微生物吸收或降解土壤中的重金属元素，以达到净化土壤的目的。植物修复技术正作为一种新兴、高效的生物修复技术已被科学家和政府部门认可和选用，并逐步走向商业化，这也是全球未来发展的趋势。与传统的治理重金属污染土壤技术相比，植物修复技术可大规模应用推广，高效低耗。而且植物可以美化污染地点的环境，处理有毒废物只需要少量设备，并且在处理植物的同时可回收利用重金属。但这项新技术也有其局限性，原因是现有绝大多数超积累植物只能积累一种重金属，而环境中重金属污染往往都是复合性的；超积累植物多为野生植物，生长缓慢而且生物量低，对其生物学性状知之不多，对这些植物吸收、转运及累积重金属的机制还不很清楚。利用现有的植物种质资源筛选超积累植物并研究其吸收、转运的机理已经成为当前我国环境保护工作者和科研工作者的重要研究工作。6.3农业栽培措施合理轮作或间作，利用植物间的他感作用，种植一种植物，从而能使另一种植物对重金属的吸收能力大为增强，使之达到净化土壤的效果。合理施用化肥，大量施用无害的有机肥料，提高土壤的有机质含量，增强土壤对重金属的吸附能力。针对土壤污染程度，可以选择种植可食部位低积累重金属的蔬菜品种(低吸收或低转移)，进行蔬菜种植的合理布局。如在污染较严重的地区，选种低积累重金属的蔬菜品种，也可以有针对性地种植对重金属有较强抗性的蔬菜品种51。7存在问题与研究展望7.1存在的主要问题 7.1.1蔬菜对重金属污染的某些适应机理尚处于推测阶段目前，不同的研究者从不同的生命组织层次，从基因、细胞、个体和群体水平上探讨了很多生物体与受重金属污染环境之间的相互作用规律和机理，但是，由于生物体本身的差异以及重金属元素毒性效应的不同，使得生物体对重金属污染的适应过程和机理的研究极为复杂，很多机理和规律尚未发现。对蔬菜重金属污染的研究也是如此，其中的一些尚处于推测阶段。比如对于超量积累蔬菜的研究，对蔬菜体内复杂的转运和螫合机制控制了重金属吸收和储仔的速率，但是金属的转运和储存形态在很大程度上尚未为人们所知，许多转运系统的机理、定位、结构和功能等仍待深入研究。如果对超富集蔬菜适应环境的机制研究还仅停留在一般植物耐受过程的方方面面，那么该领域的研究就很难取得突破性的进展。必须另辟蹊径从一般性中探索出一些特殊的具有规律性的超富集机理。在重金属污染影响下分子和生物化学研究方面，目前一般都通过蛋白质表达的差异来推测基因序列的差异。但对于抗性的基因控制目前仍很不清楚停留在理论假说方面。7.1.2复合污染研究是热点但同时也是难点复合污染研究对于客观揭示环境中污染物的行为具有重要意义。但是由于环境因素的复杂性、重金属种类的多样性以及蔬菜对重金属耐受的差异广泛性，使得复合污染研究多为室内严格控制条件下的盆栽试验，这就使得研究结论与菜田条件相比存在很多差别。另外，仅重金属元素之间的复合污染规律都很难阐释清楚。如果再加上其他有机污染物(如农药和表面活性剂等)的联合作用，复合污染的规律就更为复杂。因此，如何进行重金属元素之间、有机污染物之间特别是重金属元素与有机污染物之间在多因素组合情况下的复合污染研究，在理论和方法上还需要进行更多的探索和创新52。 7.1.3重金属污染的治理方法研究仍然是一个世界性难题重金属污染的治理特别是重金属污染菜地农田的治理是一个世界性难题，虽然很多方法如物理法、化学法和生物法相继问世，但每种方法都有各自的优缺点。如现在普遍推崇的植物修复方法，因其费用低廉、不会破坏甚至会改善土壤理化性质以及具有较高的美学价值等优点而倍受青睐。但由于超量积累重金属蔬菜往往生物量低、生长缓慢、修复时间较长等缺陷以及重金属复合污染的制约，也就决定了该类蔬菜实际应用的局限性。今后，寻找或驯化分布范围广、地上部分生物产量高、生命周期短以及繁殖速率快的超量积累重金属蔬菜是植物修复技术应用与推广中必须加以解决的一个重要问题。 7.1.4金属分析测定方法和技术有待实现新的突破目前，由于原子吸收光谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICPAES)以及各种色谱一质谱联用仪等的使用，重金属的分析测定方法越显方便和快捷。但是，将重金属从总量分析转变到分形态、价态特别是生物有效态分析的研究是重金属分析方法发展的必然趋势。但对于分形态、价态的测定方法和技术往往需要多种仪器联用、仪器精度要求高、操作复杂并且很多涉及微痕量分析等。重金属分析测定方法和技术有待改进并实现新的突破。 7.2研究展望 7.2.1生物对重金属污染适应的分子机理研究随着分子生物学和基因工程的迅猛发展，为重金属污染条件下生物适应的分子机理研究成为可能。一些抗虫、抗病基因的发现以及通过载体在宿主细胞中的成功表达为抗重金属污染基因的研究提供了一些可供借鉴的方法和经验。今后，对重金属抗性基因和超富集重金属基因的克