植物對(duì)重金屬吸附累積的差異探析,土壤污染論文

植物對(duì)重金屬吸附累積的差異探析,土壤污染論文內(nèi)容摘要：闡述了高累積植物和低累積植物的概念以及植物吸附累積重金屬的差異、機(jī)理和影響因素?？衫贸鄯e植物修復(fù)農(nóng)田，低累積作物是防治糧食重金屬污染最有發(fā)展前景的途徑。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：重金屬；吸附；累積特殊品種；作者簡(jiǎn)介：張文博〔1985-〕，女，碩士，講師。；基金：河套學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目巴彥淖爾地區(qū)葵花對(duì)重金屬吸附累積的品種差異研究〔HYZQ202007〕；StudyonspecialspeciesofheavymetaladsorptionandaccumulationAbstract:Theconceptofhighaccumulationplantandlowaccumulationplantaswellasthedifferences,mechanismandinfluencingfactorsofheavymetaladsorptionandaccumulationbyplantsaredescribed.Thesuperaccumulationplantcanbeusedtorepairfarmland,andthelowaccumulationcropisthemostpromisingwaytopreventandcontrolheavymetalpollutioningrain.Keyword:Heavymetal;Adsorption;Accumulationofspecialspecies;0、引言隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，土壤污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。重工業(yè)帶來(lái)的不只是地方財(cái)政的巨額收入，同時(shí)還有工業(yè)污染帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。冶金業(yè)、采礦業(yè)的快速發(fā)展使土壤問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)，出現(xiàn)土壤生產(chǎn)能力下降、農(nóng)產(chǎn)品污染、生態(tài)環(huán)境毀壞等嚴(yán)重問(wèn)題。有報(bào)道稱(chēng)，中國(guó)有2000萬(wàn)公頃的農(nóng)田被重金屬污染，也就是有1/5的耕地被污染，由于重金屬污染而造成的糧食減產(chǎn)大于1000萬(wàn)噸[1].土壤中過(guò)量的重金屬不僅會(huì)影響糧食作物生長(zhǎng)，而且土壤中的重金屬會(huì)隨著食物鏈進(jìn)入人體，并進(jìn)一步富集，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康。由此引發(fā)的農(nóng)田土壤重金屬污染及糧食安全問(wèn)題越來(lái)越遭到人們的重視，尤其是研究人員的重視[2].當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外治理農(nóng)田重金屬污染的舉措〔即預(yù)防糧食重金屬污染的舉措〕主要有：一是物理化學(xué)方式方法。利用物理化學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)去除土壤重金屬污染，效果較為顯著。缺點(diǎn)是需要投入大量人力和物力，可能引起二次污染。二是生物修復(fù)方式方法。利用生物技術(shù)來(lái)完成土壤的重金屬修復(fù)，包括微生物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和植物修復(fù)。此法便宜、綠色、有成效，缺點(diǎn)是植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)。三是利用重金屬吸附累積特殊品種法。將重金屬超累積和低累積植物應(yīng)用于預(yù)防糧食的重金屬污染。本研究從重金屬超累積和低累積植物品種的概念、可能機(jī)理、影響因素等方面進(jìn)行綜述，旨在為預(yù)防糧食重金屬污染提供基礎(chǔ)參考[3,4].1、重金屬吸附累積特殊品種概述1.1重金屬超累積植物重金屬超累積植物最原始的定義是由Brooks等人于1977年提出的，是指能夠大量吸收并在體內(nèi)累積重金屬的一類(lèi)特殊植物。后來(lái)，又由Baker對(duì)重金屬超累積植物給出了詳細(xì)參考值，即以植物葉片中的重金屬含量的閾值區(qū)分，Hg到達(dá)10mg/kg、Cd到達(dá)100mg/kg、Ni、Co、Cu、Pb、Mn到達(dá)1000mg/kg,Zn到達(dá)10000mg/kg以上。當(dāng)前，使用最多的超富集植物的定義需要知足三個(gè)條件：一是植物地上部分的重金屬含量超過(guò)此地普通植物的100倍以上；二是地上部分重金屬含量大于其地下部分；三是該植物沒(méi)有表現(xiàn)出毒害特征。利用重金屬超富集植物吸收土壤中的重金屬并轉(zhuǎn)移到地上永久去除被以為是預(yù)防糧食污染很有前景的修復(fù)農(nóng)田方式方法[5,6,7].1.2重金屬的低累積植物在重金屬污染的農(nóng)田中，通過(guò)種植低累積植物品種得到安全的食用部分來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)防糧食重金屬污染。近年來(lái)，揚(yáng)中藝等人提出了污染對(duì)策品種〔即污染防治品種〕的概念：在一定污染條件下，植物可食部分積累的重金屬量比安全食用標(biāo)準(zhǔn)低，并且此種低累積的特性是穩(wěn)定的[8].有研究人員還提出了排異植物的概念，是指在重金屬污染土壤上能夠正常生長(zhǎng)、植物的地上部分和地下部分重金屬含量都較低的植物。對(duì)于糧食安全而言，使用污染對(duì)策品種這一概念更為嚴(yán)謹(jǐn)和貼切[9].2、植物對(duì)重金屬吸附累積的差異2.1植物吸附累積重金屬的差異不同種類(lèi)的植物外形與構(gòu)造差異和吸附積累重金屬的機(jī)理不同，對(duì)重金屬的吸附累積存在明顯差異，這是挑選重金屬超累積植物的前提條件[10].有研究人員做了糧食田間試驗(yàn)，在同一田地不同濃度Cd脅迫下種植小麥、水稻、大豆、玉米，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)Cd的吸附累積小麥最大，水稻大于大豆，玉米最小[11].研究表示清楚，綠葉蔬菜也存在重金屬吸附累積的差異。對(duì)重金屬的吸附累積而言，綠葉類(lèi)蔬菜根類(lèi)蔬菜豆類(lèi)蔬菜。同一種植物不同基因型之間的重金屬吸附積累也存在一定差異不同，這是挑選重金屬低累積植物的前提條件。有研究者把13個(gè)油菜品種種在同一塊田地里，對(duì)其地上部分測(cè)定重金屬含量，發(fā)現(xiàn)綠葉部分Cd的含量差異不同很大，最高相差18倍[12].國(guó)外研究者以14種常規(guī)水稻品種為研究對(duì)象，測(cè)定其Cr的含量，發(fā)現(xiàn)不同品種水稻之間Cr的含量有很大差異。另外，同一植物的根、莖、葉、果實(shí)對(duì)同一重金屬的吸附累積也有差異。植物代謝旺盛的部位富集重金屬較多，反則較少[13].配圖植物修復(fù)區(qū)2.2重金屬進(jìn)入植物體的分布重金屬是通過(guò)植物的根系進(jìn)入到植物體內(nèi)的，部分重金屬固定于植物根部，一部分重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，兩者之間哪個(gè)占比重大，不同重金屬是有不同比例的。研究者檢測(cè)了水稻各部位Cu、Cd等重金屬含量，大小關(guān)系為根最高，莖葉次之，籽實(shí)含量最少。有研究表示，對(duì)濕地植物進(jìn)行Cu、Cd、Pb等測(cè)定，發(fā)現(xiàn)根系的重金屬濃度是地上部分的5~60倍。對(duì)于有些植物而言，某些重金屬元素累積在植物的地上部分，煙草中Cd的含量高于綠葉根部[14,15].3、構(gòu)成植物累積重金屬差異的機(jī)理3.1植物生理學(xué)機(jī)理有研究表示清楚，不同品種的硬質(zhì)小麥中，累積Cd量高的品種有機(jī)酸含量比累積Cd量低的品種高得多。對(duì)于不同品種的水稻而言，根系沉淀的鐵氧化物數(shù)量不同，使得不同品種水稻對(duì)Cd的含量不同，根系外表鐵膜數(shù)量越多，水稻含鎘量越高。植物根系的形狀、生理特性和根系的分泌物等都是植物對(duì)重金屬吸附累積的影響因素。另外，重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配機(jī)制的不同也會(huì)影響其在植物體內(nèi)重金屬的含量[16].3.2分子生物學(xué)機(jī)理當(dāng)前，與植物重金屬累積相關(guān)基因方面的研究主要有植物螯合素和金屬硫蛋白的解毒機(jī)制以及金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子機(jī)制。有研究表示清楚，絨毛草的基因中有抑制砷酸鹽吸收系統(tǒng)的基因，能有效降低As的累積，減輕毒性。已鑒定出擬南芥中有植物絡(luò)合素，它是一種小分子多肽，能夠絡(luò)合重金屬。研究人員把擬南芥中的植物絡(luò)合素轉(zhuǎn)錄到印度芥菜中，能提高印度芥菜對(duì)重金屬的耐受能力。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，它有主動(dòng)運(yùn)輸?shù)墓δ?，能夠運(yùn)輸多種機(jī)制通過(guò)生物膜。有研究表示清楚，水稻基因組測(cè)序有45個(gè)全長(zhǎng)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[17,18,19].4、影響土壤中可被植物吸附累積的重金屬因素植物只能吸附累積土壤中的一小部分重金屬，大部分的重金屬在土壤中是以難溶解或不能溶解的化合物形式存在的。植物吸附累積重金屬的量是由土壤有效態(tài)決定的。一是重金屬的濃度。通常情況下，植物所吸附累積的重金屬濃度與土壤中的重金屬濃度成正比。二是pH.研究人員發(fā)現(xiàn)，pH每增加0.5個(gè)單位，鎘的吸附量就會(huì)增加一倍，氧化復(fù)原電位降低，植物對(duì)鎘的吸附量明顯下降。三是重金屬之間的互相作用。植物對(duì)重金屬的吸附累積具有加和性和協(xié)同性，吳燕玉等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于苜蓿來(lái)講，Cd、As的存在使苜蓿吸收Cu和Pb的能力明顯提升[20,21].5、瞻望對(duì)于重金屬的高累積植物和低累積植物的機(jī)理還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，深切進(jìn)入研究植物特定的耐高濃度重金屬的生理機(jī)制有助于挑選低累積植物。對(duì)于克隆超累積植物的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因和耐性相關(guān)基因進(jìn)行深切進(jìn)入研究，提高非超累積植物的吸附累積重金屬能力，對(duì)農(nóng)田土壤的修復(fù)起到了積極作用。以下為參考文獻(xiàn)[1]黃銘洪，駱永明。礦區(qū)土地修復(fù)與生態(tài)修復(fù)[J].土壤學(xué)報(bào)，2003,40〔02〕：161-163.[2]孫華，孫波，張?zhí)伊?。江西省貴溪冶煉廠周?chē)卟说刂亟饘傥廴緺顩r評(píng)價(jià)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003,22〔01〕：70-72.[3]胡景瑞。污染土壤的修復(fù)現(xiàn)在狀況與發(fā)展趨勢(shì)討論[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2021,〔12〕：77-80.[4]張玉敏，張慶玉，張冀，等。小麥基因型間籽粒鎘積累及低積累資源挑選[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018,269〔17〕：342-346.[5]BrooksRR,LeeJ,ReevesRD,JaffreT.De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