玉米對土壤中鉛的吸收效應

玉米對土壤中鉛的吸收效應

1人體中鉛的吸收重金屬污染是環(huán)境污染中的一個重要問題之一。鉛作為對人類有毒的重金屬元素,在人體中有90%～95%以難溶性的磷酸鉛形式沉淀于骨骼。美國疾病控制中心認為,當人體血鉛大于15μg/100mL時,可引起中毒,導致人體貧血、肝炎、腎炎、高血壓、神經(jīng)錯亂等病癥,必須接受治療。若人體中每天吸收的鉛量大于10g,即可引起死亡。人體中鉛有多種來源:(1)直接吞咽污染土壤或呼吸含鉛塵埃;(2)飲水污染;(3)糧食、蔬菜等對環(huán)境土壤、水中鉛的吸收,通過食物鏈進入人體,這是人體中鉛的重要來源。許多研究表明,重金屬元素進入土壤后,會產(chǎn)生明顯的生物效應,可導致植物特別是其根部中毒、植株枯萎死亡、產(chǎn)量降低等;而且,植物的不同部分對鉛吸收的有效性不一樣。例如,鄭春榮等和Jones等研究指出,植株地上部分鉛的濃度往往高于根中鉛的濃度。但我們發(fā)現(xiàn),即使在高鉛含量(>4000mg/kg)的土壤中,作物對鉛發(fā)生強烈吸收后也沒有導致植株出現(xiàn)宏觀病癥,植物對鉛的吸收表現(xiàn)出極強的隱蔽性。為減少食物中鉛對人體的潛在危害,本文通過山東五蓮玉米盆栽試驗,研究作物對土壤中鉛的吸收效應,探討環(huán)境土壤重金屬元素對作物和人類健康的影響。2樣品的制備和測定研究表明,作物對鉛的吸收與土壤的含鉛量有明顯的正相關性,而影響鉛吸收的主要因素有土壤有機質含量、陽離子交換能量、pH值、土壤中三氧化二物含量等。為使試驗結果具有可對比性,試驗時需消除上述因素的影響;為此,我們將相同作物在相同的原始土壤中進行盆栽試驗,以保證上述因素在同一時間上的相對一致性,所不同的是加入到土壤中重金屬化合物的類型和量有所區(qū)別。土壤取自山東五蓮縣城附近梯田土壤(黃棕色,A層);將土樣風干、壓碎,剔除根系、碎石,用粗篩過篩(孔徑尺寸大小為1mm×1mm)。分別按1g/kg的比例添加尿素和鉀肥(KCl),混合均勻。然后每次定量稱取6kg土壤移入8kg容量的陶瓷盆中,再分別添加PbCl2和Pb(NO3)2,其添加的鉛含量依次為0、500、1000、…、3500、4000mg/kg,充分攪拌后,擱置10d,重新攪拌后每盆點播已發(fā)芽的玉米2株(Zeamays,魯玉一號);玉米生長期間,每隔8d每盆加入400g蒸餾水(直接澆灌在植株篼下及附近),直到玉米完全成熟。采集根系、秸桿和籽實樣品,并將樣品洗凈、烘干,粉碎至200目以下。原始土壤中Pb含量和各生物樣品中Pb含量測定采用ICP-AES法,分析時采用內插標樣進行質量監(jiān)控。Pb的平均偏差為6.78%;重復樣品的測定精度均優(yōu)于95%。3玉米中鉛的吸收特性在整個盆栽試驗過程中,在所添加的鉛濃度區(qū)間內,基本沒有觀察到鉛對玉米的毒害病癥(如植株枯萎、葉色不一致變化、抽穗期和成熟期推遲、籽實畸形等),不同鉛濃度下各盆栽作物產(chǎn)量也基本一致,說明鉛對玉米的生長發(fā)育沒有明顯的宏觀影響,為作物對土壤中鉛吸收對比奠定了基礎。玉米對土壤中鉛的吸收情況見表1和圖1。山東省五蓮縣玉米的盆栽試驗表明,玉米對鉛的吸收具有以下特點。(1)當土壤中加入鉛化合物時(PbCl2或Pb(NO3)2),玉米根系、秸桿和籽實中鉛含量均隨土壤中鉛添加量的增加而增加,且相關性很好(表2),當置信度>95%時,相關系數(shù)r>0.94。(2)玉米對土壤中鉛的吸收具有很強的分異特性(圖2),對鉛吸收最強的是根系,根系中鉛含量大約是秸桿的4～60倍、是籽實的100～1000倍。這一特征揭示,玉米根系可以作為一種屏障或過濾器,來阻止鉛進一步向其秸桿和籽實中遷移,從而減少其毒害效應。其次,玉米秸桿中鉛含量大約是籽實的20倍,說明除根系外,秸桿也是阻礙鉛進入籽實的二次重要屏障。由于根系和秸桿主要由植物纖維組成,而籽實的主要成分是淀粉,玉米根系-秸桿-籽實中鉛含量依次大幅度降低(圖2),揭示作物對鉛的吸收主要殘留在纖維中,而淀粉中Pb的積存很弱。(3)不同鉛化合物對玉米吸收鉛的影響存在一些差異。例如,用Pb(NO3)2處理的玉米,其秸桿和籽實中鉛含量較PbCl2處理的偏高(表1)。但用Pb(NO3)2處理的玉米根系鉛含量比PbCl2處理的偏低,特別是土壤中鉛添加量高時更是如此,最大可相差1.5倍以上。(4)不論用Pb(NO3)2還是用PbCl2處理,玉米根系中鉛含量均穩(wěn)定增長,但秸桿和籽實對鉛的吸收存在差異。處理時,采用Pb(NO3)2,它們中的鉛含量繼續(xù)升高;而采用PbCl2處理時,當土壤中添加的鉛含量達到3000mg/kg,秸桿和籽實中鉛含量增加緩慢,且當鉛添加量為3500～4000mg/kg時,秸桿和籽實中鉛含量幾乎不變。由此揭示,當在土壤中添加高含量的PbCl2時,除根系外,作物的秸桿、籽實對鉛的吸收很可能存在一個飽和上限。由于在觀察的土壤鉛濃度區(qū)間內(即為土壤的原始鉛含量+添加的鉛含量;玉米土壤鉛區(qū)間=25.8～4025.8mg/kg)沒有發(fā)現(xiàn)Pb(NO3)2處理的吸收飽和效應,而自然界各類土壤(A層)鉛背景含量在0.7～1143mg/kg范圍內,因此可以認為在自然耕作中,基本上不會由于土壤中Pb(NO3)2濃度的過高而使作物秸桿、籽實中鉛含量達到飽和。4土壤-植物體系中鉛的變化目前,玉米是中國北部地區(qū)口糧的重要來源之一。但從上述研究可以看出,玉米對土壤中的鉛具有強烈的吸收性,并可殘留在作物的各個部位(包括籽實);而且,它們對Pb的吸收表現(xiàn)出極大的隱蔽性,即使吸收了大量的重金屬鉛,植株仍然保持正常的生長發(fā)育,這為及時發(fā)現(xiàn)、防治土壤-植物體系中鉛污染增加了難度。土壤中重金屬鉛污染主要來自污灌(電鍍工業(yè)水,塑料、電池、電子等工業(yè)排放廢水)、固體廢棄物(污泥、垃圾)以及含鉛重金屬礦產(chǎn)(如鉛鋅硫化物礦床等)的開采和冶煉等,這些作用可以在城市和礦山周邊產(chǎn)生局部土壤鉛污染;而高鉛巖石的大面積風化剝蝕可形成區(qū)域性土壤污染。盡管我國的土壤質量標準為Pb≤300mg/kg(GB15618-1995),但實際上土壤的背景值就可從0.7mg/kg變化至1143mg/kg,而受固體廢棄物污染的土壤,其鉛含量可高達26000mg/kg。鉛在食品中的衛(wèi)生標準是≤1mg/kg(GB2707-2763-3)。從表1可以看出,在以PbCl2為污染物的土壤中,當鉛含量大于1500mg/kg時,可引起玉米中鉛含量超標;而在以Pb(NO3)2為污染物的土壤中,只要鉛含量大于1000mg/kg,就可引起玉米中鉛含量超標。因此,我國土壤-植物體系中重金屬鉛污染調查和防治仍然面臨著較大困境。科學家一直在努力,減少人類通過食物途徑吸收的鉛量。運用各類化學方法、吸附法和離子交換法降低灌溉污水和土壤中的活性鉛濃度,目前已經(jīng)得到廣泛應用。通過上述盆栽試驗指出,由于在土壤-植物體系中鉛污染的隱蔽性,因此應加強對鉛憑借食物鏈進入人體并危害人類健康的調查;繼而在污染區(qū)尋求土壤環(huán)境修復技術,來減少土壤-植物體系中鉛對人體的危害。由于植株殘體(特別是根系)中殘留有大量的鉛,因此可利用植物殘體特別是根系對鉛的強烈吸收性來達到生物降解的目的,即在鉛污染的土壤區(qū)域內,通過自然作物栽培,將吸收了大量鉛的作物殘體(特別是根系)從土壤中清除處理,反復多次,即可逐漸達到改良環(huán)境土壤的目的。表3列出了盆栽試驗(土壤用PbCl2處理)玉米根系的植物有效性F(為根系吸收的鉛總量占土壤中鉛總量的百分率)和模擬計算獲得的清除作物根系后的土壤鉛含量CPb(soil)。顯然,隨著土壤中鉛含量的增加,土壤中重金屬鉛的植物(根系)有效性也增加。當土壤鉛含量為4025.8mg/kg時,玉米根系對土壤中鉛的吸收率達2.78%;經(jīng)一次栽培并剔除根系后,土壤中鉛含量可從4025.8mg/kg降低至3913.9mg/kg,降低幅度達112mg/kg。另外,盆栽試驗表明,土壤中NO-含量的增加有利于作物(特別是籽實)對鉛的吸收,這主要與Pb(NO3)2易溶于水使鉛形成活性鉛有關;若在該類土壤中加入石灰或碳酸鹽,使土壤處于堿性條件下,可導致鉛生成難以被作物吸收的沉淀物(在堿性條件下,氫氧化鉛的溶度積為4.2×10-15;碳酸鉛的溶度積為1.5×10-13),從而降低作物對鉛的吸收效應,減少鉛在糧食中的殘留量,達到間接修復環(huán)境的目的。5對人體的危害通過玉米的盆栽試驗,表明:(1)土壤中重金屬元素鉛不會對玉米產(chǎn)生明顯的宏觀毒害病癥(如植株枯萎、葉色不一致變化、抽穗期和成熟期推遲、籽實畸形等);(2)土壤中重金屬元素鉛可直接被作物吸收,殘留在作物的各個部位,其含量隨著土壤中鉛含量的增加而提高,并可通過食物鏈進入人體,危害人類健康,因此土壤中鉛對人類具有危害潛在性和隱