水稻中重金属污染及防治研究进展

水稻中重金属污染及防治研究进展

唐守寅

福建农林大学资源与环境学院

摘要：从重金属在水稻中的累积及迁移、重金属污染对水稻的影响、土壤改良剂抑制水稻对重金属的吸收三个方面介绍了水稻中重金属污染及防治研究进展，并对今后水稻重金属污染的研究方向提出了一些建议。

关键词：水稻；重金属；迁移转化；吸收

0 前言

在化学领域中，重金属是指比重大于4或5的金属。大多数金属都是重金属。环境污染领域所说的重金属主要是指Hg、Cd、Pb、Cr和类金属A8等生物毒性明显的重金属元素，此外，还包括Cu、Co、Ni、Sn等具有一定毒性的重金属元素[1]。研究发现，我国部分城镇的农田菜地已出现土壤重金属污染超标的现象，超标元素主要为Cd、Hg、As、Pb、Cu、Ni，香港、广州、成都等不少城市已出现了不同程度的重金属污染[2]。我国每年因土壤重金属污染造成的经济损失达到近200亿元[3]。土壤重金属微量元素由于隐蔽性强、毒性大、难降解且能沿食物链富集，成为人们优先考虑去除的污染物。水稻是最主要的粮食作物之一。土壤-水稻系统是重金属向人类食物链迁移积累、直接和间接危害人体健康的关键环节。近20年来，由于人类的工农业生产和生活活动使得农田环境日益恶化，稻米中重金属积累增加直接威胁着人体健康[4]。因此开展针对水稻的重金属污染及防治研究，对重金属在水稻中的富集、迁移转化、其对水稻的影响及如火如何防治的机理进行分析具有重要意义。

1 重金属在水稻中的累积及迁移

1.1不同水稻品种对重金属的富集规律

在相同条件下，不同的水稻品种由于其内部构造不同，对重金属富集存在显著差异。Al-Saleh 和Shinwari (2001) []检测了27个水稻品种籽粒中的重金属含量, 结果表明, 不同品种Cd、Pb和Hg 含量差异很大。蒋彬等通过研究发现，水稻籽实吸收重金属存在基因型差异，他们将来自于全国不同地区的239份样品种植在同一地区，发现各品种Pb、As含量存在极显著基因型差异，并筛选出了一系列低铅、低镉、低砷的品种。王凯荣等的研究表明杂交晚稻比常规稻对Pb，Cd的富集能力强[5]。吴启堂等也得到类似的结果，认为高产品种重金属含量高，低产品种重金属含量低，因此给高产品种的育种提出了很大的挑战[6]。谭周镃通过对8个早稻品种和10个晚稻品种累积重金属的实验，发现不同品种对重金属吸收有显著差异，筛选出了对重金属较为钝感的湘早籼19号和晚稻V46，以及对重金属较为敏感的潭早籼1号和师大1911[7]。

1.2 水稻不同部位重金属富集规律

除了不同品种的水稻在重金属富集上存在差异，重金属在水稻植株内部也存在显著差异。一般来说，重金属在水稻植株内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官累积量较大，而在营养器官中累积量小。关共凑等以佛山市南海区小塘镇和高明区杨梅镇的标准农田为研究对象分析重金属在土壤和水稻植株不同部位的分布及其随时间变化迁移规律结果表明重金属被水稻吸收以后多数仍滞留在土壤里，只有少量向地上部分迁移。重金属在水稻植株不同部位的质量分数分布由大到小的次序为根→茎→籽→叶[8]根部积累的量大于其他的量可能是由于水稻等禾本科湿地植物通过根系表层铁膜的吸附作用将一部分金属固定于铁膜中，植物根表红棕色的铁膜可能是植物吸收重金属的屏障，即根系吸收金属后，主要被固定于根表铁膜中[]。水稻地上部分中4种重金属元素分布由大到小的次序是Zn→Cu→Pb→Cd。而在水稻籽实各形态结构中重金属的浓度分布也极不均匀，胚中浓度显著高于胚乳，皮层和颖壳中重金属浓度也较高，但是从单位籽实中的重金属总量分布看，胚乳中重金属含量占绝对优势。不同重金属在水稻籽实各形态结构的浓度顺序也不一样，Cd是皮层＞胚＞胚乳＞颖壳；Cu和Pb是胚＞皮层＞胚乳＞颖壳[9]。

2 重金属污染对水稻的影响

重金属对水稻的作用主要与重金属的种类和浓度有关，大多数研究表明，部分重金属低浓度对水稻的生长发育没有影响，甚至还会刺激生长，而当浓度过高则将严重影响其生长发育。

2.1 水稻重金属的生态毒理性

重金属对植物的毒性作用，根据其影响或危害的程度大小，可以分为毒性很大、毒性中等和毒性较小三种。Ag+、Be2+、Hg2+、Sn2+，可能还有Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和CrO42+，是毒性很大的重金属，在溶液中浓度达1mg·L-1时就对植物产生毒害。

2.1.1 铬（Cr）

有试验研究表明，在投加铬酸盐的土壤中，低剂量时，铬有一定刺激生长作用。铬对水稻的危害及迁移能力都以六价铬强于三价铬，六价铬对水稻种子的萌发及其生长发育都有一定影响。铬在灌溉水中的浓度为5mg/L时，对作物有害；浓度为10mg/L时，作物出现严重的萎黄病；铬与镍协同作用时，铬浓度仅2mg/L即对作物产生损害。石贵玉的试验结果说明，重金属铬毒害使水稻植株矮小，叶片失绿，植株鲜重、干重下降，同时抗氧化酶活性下降[10]。

2.1.2 镉（Cd）

镉对水稻的危害，在较低浓度时虽在外部形态特征上无明显症状，但通过食物链可危及人类健康。王逸群等以不同浓度的Cd2+处理水稻，发现叶肉细胞中细胞核核膜破裂，核仁消失；叶绿体被膜受损，类囊体遭到破坏；线粒体被膜结构也受损，内嵴逐渐解体。且随着Cd2+浓度的提高，叶肉细胞中细胞核、叶绿体、线粒体受毒害程度加重。而且由于Cd2+能降低叶绿素与蛋白质结合的牢固度，能抑制原叶绿素酸酯还原酶活性，进而导致叶绿素降解，其含量显著降低，从而使同化CO2能力下降，作为光合产物的糖类（尤其可溶性糖）减少[11]。细胞膜透性变化是评定植物逆境受伤害的重要指标。黄秋婵等[12]通过试验发现，Cd2+能使水稻细胞质膜透性显著增加，使K+外流量增多，从而干扰了细胞的正常代谢。

2.1.3 铅(Pb)

低浓度的铅处理能够促进植株正常的生理代谢活动，如茎叶内硝酸还原酶活性、可溶性糖含量、叶绿素含量均有不同程度的增加，但随着浓度的升高而表现出对水稻秧苗素质、生长发育状况、生育期和产量的不良影响。MESMAR等人[13]研究了铅对小麦种子萌发、幼苗生长、叶绿素和蛋白含量的影响，20mmo此的Pb(NO3)2对种子萌发的抑制率约达60％。生长对铅的吸收为被动吸收，铅对根生长的抑制大于芽生长，叶绿素随处理浓度的增加而减少，而蛋白含量则增加。匡少平等[13]进行的水稻盐袭试验表明，当土壤中加入低浓度不同比例的铅时，基本没有观察到铅对水稻的毒害病症，铅对水稻的生长发育没有明显的宏观影响。

2.1.4 钴（Co）

赵红等[14]以水稻绵2优647为材料，采用营养液培养方法，研究了不同浓度的钴处理下对水稻种子萌发及幼苗几项生理指标的影响。结果表明：在种子萌发条件下，随着钴浓度的增加，水稻种子的发芽率、发芽指数和活力指数均逐渐降低。在幼苗生长过程中，随着钴处理浓度的增大，水稻幼苗根长、苗高、根重、苗重及植株鲜重呈下降的趋势，同时幼苗叶片的叶绿素含量快速下降，而过氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量却逐渐上升。

2.2 对光合作用的影响

重金属抑制植物的光合作用己被许多研究所证实，一般认为其抑制机理包括：（1）重金属使叶绿体含量降低，引起叶绿体结构损伤[15,16]和叶绿体膜系统的损伤；（2）重金属导致叶片内光合酶的损伤并引起光合色素含量降低，Cu2 + 能抑制光合和非光合磷酸化，抑制RuBp羧化酶的活性。较高浓度的铜能抑制光系统Ⅱ的电子传递，Hg2 + 、

Cu2 + 和Ni 能导致茶树叶内叶绿素含量的显著降低，并降低HiII 反应活力[17]；（3）重金属可通过影响叶片气孔开放来抑制植物的光合作用。

葛才林等[17]通过光合速率测定表明，0.025 ~1.0mmoI/L的Cu2+、Cd2+ 和Hg2+ 显著抑制水稻叶片的光合速率，且抑制程度随Cu2+ 、Cd2+和Hg2+ 浓度的增高而增强。示踪动力学分析表明，0.5mmoI/L的Cu2+、Cd2+和Hg2+抑制光合产物在叶内不同状态间的转化，影响叶中光合产物的输出，导致叶内小分子糖的累积，使叶片光合速率受糖浓度增高的反馈调节而下降。电泳分析表明，Cu2+、Cd2+和Hg2+抑制叶内淀粉酶同功酶的表达，并进而抑制光合同化物在叶内可输配态和暂贮态之间的转化。范中亮等[18]以杂交籼稻(K优818)为材料，研究了不同土壤类型下(潮土和水稻土)重金属Cd对剑叶光合特性构成的影响，表明了相同的Cd浓度水平在偏酸性的水稻土上对水稻光合生理产生的逆境胁迫比在较中碱性的潮土上要大。

2.3 对生长发育的影响

目前国内对水稻生长发育特别是幼苗的生长研究较多。研究表明，水稻在重金属Cd

的胁迫下，其种子的发芽力受挫，生长势削弱，直至完全失活。曾翔等[19]研究表明，Cd浓度在10 ppm 下，水稻发芽率比对照下降1.3%，根系长度则比对照下降32.8%。何俊瑜等对我国主要栽培的32个不同品种水稻种子的萌发期进行耐Cd研究，总结了不同品种的水稻种子，其萌发期对Cd胁迫相应的差异性。除此以外，重金属Cd对不同品种的水稻种子的萌发均能产生强烈的抑制作用，在种子萌发指标中受抑制最重的是活力指数，其次是发芽指数。赵红等[20]水稻绵2优647为材料，采用营养液培养方法研究了不同浓度的钴处理下对水稻种子萌发及幼苗几项生理指标的影响，发现在种子萌发条件下，随着钴浓度的增加，水稻种子的发芽率、发芽指数和活力指数均逐渐降低；在幼苗生长过程中，随着钴处理浓度的增大，水稻幼苗根长、苗高、根重、苗重及植株鲜重呈下降的趋势，同时幼苗叶片的叶绿素含量快速下降。邹继颖等[21]以水稻为对象，采用水培法进行，研究了不同生长时期，不同外源汞、镉的施用量对水稻所受的污染，重金属在水稻内的迁移和积累的影响，表明：相同条件下，当镉浓度不同时，表现出“低促高抑”现象，在较低的浓度时，促进了水稻幼苗生长量的增加；高浓度下，水稻幼苗的生长受到抑制，表现在植株矮小、根短粗、叶片失绿等；相同条件下，不同年龄的水稻对汞镉的耐受性不同。汞镉溶液浓度相同时，叶龄越小的水稻生长越差，叶龄越大的水稻对汞镉的耐受性越强。

3.土壤改良剂抑制水稻对重金属的吸收

目前，关于控制土壤重金属污染方面的研究报导很多，主要有物理化学法和生物工程法。物理化学法已有一定的应用，但存在工程大、投资大等问题，对于大面积的耕地污染不适用；生物工程法当中包括当前的热点研究——植物修复法，它还处于理论研究阶段，受修复周期长、生物量小和植物种类少等问题限制，一时难以推广应用。试验研究表明，利用化学改良剂稳定土壤中的重金属，减少重金属在作物中的积累是一种可行的土壤污染治理方法[22-23]。

3.1 施加有机物料

有机物料来源广泛，今年来，很多学者都在研究如何利用有机物料来抑制水稻对总金属的吸收和富集。周利强等[24]采用盆栽试验，研究了施用有机碳源、菜籽饼和猪粪对污染土壤上水稻生长和重金属吸收特性的影响，发现施用菜籽饼和猪粪均能缓解重金属对水稻的毒害作用，促进水稻生长，显著增加地上部生物量和籽粒产量，降低糙米中重金属浓度，而有机碳源抑制水稻生长。孔文杰等的研究发现[25]，适量有机肥与化肥配合施用能保持农田生态系统铜和锌等微量营养元素的平衡,同时能有效地防止过量重金属积累所引起的土壤质量退化,并实现养分的循环和再利用,促进可持续农业的发展。但较高的有机肥配施比例会提高糙米的镉含量,存在一定的健康风险。Mishra, M等发现[34]，往土中施加加工过的市政有机垃圾和蚯蚓的粪便能够增加土壤和水稻重金属容量，且绝大部分的重金属集中在水稻的根部。王凯荣等[25]发现施用稻草和猪厩肥对土壤有效性Pb、Cd含量（ETDA可提取态）均无显著影响。陈建斌发现[26],用有机物料改良Cd污染土壤，前期被固定的外源性Cd会随活性锰还原和有机质的分解而释放出来，并向交换态转化使镉的有效性恢复到原来的水平。更有研究者认为施用有机肥和农作物秸秆将大量可溶性有机质（DOM）带入到土壤中，而DOM能抑制土壤对Cd的吸附，因此对施用有机物改良被污染土壤的做法表示质疑。