浅谈植物对土壤中重金属的吸附..

浅谈植物对土壤中重金属的吸附浅谈植物对土壤中重金属的吸附 摘要 摘要 针对中国土壤中重金属污染加剧的趋势 为提高人们对土壤重金属污染的认 识 和人们对土壤中重金属污染的重视 特简要介绍相关情况 本文从土壤重金属 污染现状概况 植物对土壤重金属的吸收 影响植物吸收土壤中重金属的因素三个 方面介绍 并对植物修复土壤中重金属污染的理论提出展望 关键词关键词 土壤 重金属 植物 吸收 Introduction to Plant for the Adsorption of Heavy Metals in Soil Abstract With the soil pollution of heavy metals getting worse and worse In order to improve people s knowledge on the soil heavy metal pollution and the importance of heavy metal pollution in soil so introduce something about heany metal pollution This studies about soil heavy metal pollution status the absorption of heavy metals from soil the factors affecting plant absorption of heavy metals in soil The prospect of the theory of phytoremediation of heavy metal pollution in soil is also proposed Key words soil heavy metal plant absorption 引言引言 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 90 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 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 土壤中的一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 第 2 页 共 10 页 1 土壤中重金属污染概况土壤中重金属污染概况 1 1 土壤重金属污染现状土壤重金属污染现状 近几十年来 随着工业 城市污染的加剧和农用化学品使用的增加 土壤污染日趋严重 成为我国突出的环境问题之一 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 1 因此土壤 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 改变土壤化学组成 直接或间接地破坏土壤的生态结构 通过土壤 植物系统 迁移累积 进而影响农产品安全乃至人体健康 据不完全调查 目前全国受污染的耕地约有 0 1 亿 hm2 污水灌溉污染耕地约 216 7 万 hm2 固体废弃物堆存占地和毁田约 13 3 万 hm2 合计约占耕地总面积的 1 10 以上 据估算 全国每年因重金属污染的粮食达 1 200 万 t 造成的直接经济损失超过 200 亿元 并对人体健 康形成危害 2 1 2 土壤中重金属污染形态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 3 研究表明 石灰性污灌土壤 0 20cm 土层中 Pb Cd 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 Pb 的吸附态大于交换态 而 Cd 则相反 4 影响 Pb Cd 形态分布的主要因素有 pH 值 有 机质含量 腐殖酸组成和碳酸钙含量等 在某地污灌区土壤分析中 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 82 0mg kg 最高检出值为 96 8mg kg 而对照区耕 层土 壤铬的平均含量为 74 4mg kg 经检验 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 5 20 40cm 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 Cr 的还原作用很明显 随灌溉水进入土壤 的 Cr 可被有机质迅速还原为 Cr 6 而粘土矿物对 Cr 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 7 E A Woofson 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 重金属污染物在土壤中的分布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 46cm 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 PH5 3 6 8 红壤中 砷酸根可 与之生成难溶盐类而富集于 30 40cm 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 60 1 30 38 和 2 2 8 灌溉污水 中的汞呈溶解态和络合态 迸入土壤后 95 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 9 2 植物对土壤重金属的吸收和积累植物对土壤重金属的吸收和积累 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 第 3 页 共 10 页 出 植物累积化学元素的情况至少可以分为两种类型 l 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 05 左右 植物吸收重金属并将其转移和累积到地上部 要经过一系列的生理生化过程 如根际土 壤金属离子的活化 金属离子的跨膜转运 通过木质部 韧皮部向地上部的长途运输 重金 属离子在细胞内的分配和区室化等 现代分子生物学与生物技术的发展 使人们从分子水平 上阐明植物对金属离子的吸收 累积和解毒机制成为可能 同时 以富集和超富集植物为主体的生态修复技术在土壤重金属污染治理中发挥着重要 作用 2 1 不同种类的植物对重金属的吸收效应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 不同种类的植物对同一种重 金属元素的吸收富集能力也不同 10 14 周根娣等人 15 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 GZurera cosano 等人 16 研究发现蔬菜品种中间重金 属含量呈极显著差异 P茎叶 籽粒 资料表明 根对 Pb AS 的 吸收量分别占总吸收量的 98 和 88 98 籽实占 0 01 0 3 0 02 0 3 32 34 但水田 作物吸收累积的砷的含量比旱地作物 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 30 3 1 35 Cu 元素的富集情况与 Zn 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 36 如锅在西 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 Cd 含量之比为 1 171 37 萝卜等根菜类 其块根含 Cd 低于叶子 如用 100mg kg Cd 溶液处理 小白菜时 根中为 58 70mg kg 叶中为 52 33mg kg 而用此溶液处理萝卜时 根中为 24 03mg kg 叶中为 29 84mg kg 38 41 还有研究表明 污灌区与清洁区黄瓜中的 Cd 含量基 本相同 萝卜对 Cd 的富集能力较弱 而白菜对 Cd 的富集能力较强 总体表现为 黄瓜与西 红柿 叶 茎 根 果 白菜 根 地上部 萝卜 地上部 根 42 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 43 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 Cd Cr Zn Cu Pb 重金属在水稻植株不同部位的积累分布是 根部 根基茎 主茎 穗 籽实 叶部 水稻分粟期重 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 44 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 45 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 2 3 植物体内重金属的分布及其结合形态植物体内重金属的分布及其结合形态 重金属在植物体内的分布总是尽可能避免损伤功能相对重要的组织 细胞和细胞器 而 表现出选择性的分配 在组织水平上 重金属主要分布在表皮细胞 亚表皮细胞和表皮毛状 体中 在细胞水平 重金属主要分布在质外体和液泡 这种选择性分配也因植物种类和重金 属类型的不同表现出一定的差异 在耐性植物海州香薷细胞中 铜除主要分布于细胞壁内侧 第 5 页 共 10 页 液泡和导管内外 在细胞质和淀粉粒中也有分布 46 而锰在锰超累积植物商陆中可能主要以 草酸锰的形式累积在叶细胞的液泡中 47 组织水平上 海州香薷根中铜主要分布于根的表皮 细胞 茎中铜主要富集在维管组织中 叶中铜在叶柄维管组织中含量最高 锰在商陆根 茎 和叶柄中的分布最多的组织是维管束柱 胞内累积金属离子的结合形态也复杂多样 如镉在 植物体内一般与植物螯合肽或有机酸小分子结合 48 镍常与有机化合物的络合 以 Ni2 柠檬 酸结合形成 Ni H2O 62 为最多 49 商陆中随着锰处理浓度提高 商陆根中锰由水提取态向稀 酸提取态转化 茎中的水提取态锰比例增加 叶中的锰可能主要与草酸结合以草酸锰的结合 形态存在于液泡中 50 近年来 随着同步辐射技术的发展 XAFS 已经应用于研究植物体内 金属离子的配位环境及分子形态研究 利用 XANES 分析发现 海州香薷根 茎 叶铜的价 态和配位结构类似于 Cu His 中铜的形态 51 在鸭跖草中 从根到茎到叶铜的配位结构可能 会发生从 Cu O 向 Cu S 键的转化 说明 Cu2 被植物吸收后 在鸭跖草体内发生还原现象 POLETTE 等 52 利用 XAFS 也在杂酚油植物矮橡树根 茎 叶中发现较强的 Cu S 键 并且与 典型植物螯合肽中的 Cu S 键相似 说明植物螯合肽的生成可能是这种植物抵御铜毒及其迁 移的主要机制之一 3 影响植物吸收土壤中重金属的因素影响植物吸收土壤中重金属的因素 3 1 重金属的种类也影响植物对重金属的吸收效应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 45 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 铜Cu Pb Ni Cr 利用系数大小为 Cu Zn Ni Pb Cr 循环系数大小为 Cu Pb Cr Ni Zn 3 2 重金属的存在形态重金属的存在形态 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 以非专性 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 53 的研究 表明 水稻各器官 Cu As 浓度与土壤 Cu As 浓度密切相关 而与土壤中交换态 Cu As 的 相关性又大于结合态和全态 Cu As 的相关性 杨学春 54 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 55 第 6 页 共 10 页 3 3 土壤的理化性质土壤的理化性质 3 3 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 56 对湖南省长沙市 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 说明在三种菜园土中灰菜园 土对重金属的吸收和化学固定作用最强 3 3 2 pH 值的影响 土壤 pH 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 pH 值时 土壤中 Cd Zn 等离子浓度随 pH 值上升而下降 但 pH 值过高又会溶解 离子浓 度又会再升高 57 随着土壤溶液 pH 值升高 各种重金属元素在土壤固相上的吸附量和吸附 能力加强 Boekhold 等人对酸性砂土中 Cd 的吸附现象进行研究 发现 pH 每增加 0 5 个单位 Cd 的吸附就增加一倍 韩盛等 58 研究表明随 pH 值上升 Pb 在土壤中的平衡浓度下降 土 壤溶液中 Pb 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 3 3 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 Mcbride 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 鳌 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 Cu Zn Pb Cd 等均属于亲硫元素 常与有机质形成络合物或鳌合物 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 DOM 含量也增加 水 溶性有机碳 DOC 与土壤中总可溶态铜 镉存在正相关 59 60 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 CEC 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 PH 有机质含量 重金属含量 61 3 4 复合污染及交互作用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 62 66 在我国 从二十世纪九十年代开始 一些研究者就 Cd Pb Cu Ni Zn AS 等元素对大豆 小麦影响迸行了盆栽苗期试验 认为元素间联合 作用对作物生长和产量有一定影响 67 71 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 Cd 在单元素污染时 吸收系数为 0 017 0 024 复合污染吸收系数为 0 361 0 621 提高了 21 25 倍 Pb 的吸收系数提高了 4 63 23 1 倍 As 的复合污染盆栽时 第 7 页 共 10 页 吸收系数可比单一元素污染时提高 10 倍 Zn 的吸收系数在复合污染时也有显著增长 72 73 3 5 养分的作用养分的作用 土壤一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 74 的研究表明重 金属是土壤污染退化的一类重要物质 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 4 展展 望望 随着国家对土壤污染和农产品安全问题的关注 以及当前我国土壤重金属污染加剧趋势 土壤重金属的植物污染化学既面临着重大挑战 同时也迎来了前所未有的发展机遇 必须结 合当前实际 着眼国际理论研究前沿 加强学科之间的交叉 特别是现代分子生物学与信息 学 充分运用各种先进的现代分析技术手段 加强土壤重金属的植物污染化学的研究 参考文献参考文献 1 王慎强 我国土壤环境保护研究的回顾与展望 土壤 999 5 255 260 2 赵永新 全国土壤污染状况调查启动 N 人民日报 2006 07 19 2 3 陈英旭 朱祖祥 何增耀 土壤中铬的有效性与污染生态效应田 生态生物学杂志 1995 15 1 79 84 4 李宗利 薛澄泽 污灌土壤中铅 镉形态的研究闭 农业环境保护 1994 13 4 152 157 5 郑泽群 冯武焕 边淑萍等 在农业生态环境中归宿的研究 J 环境科学 1987 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