水稻重金屬污染的研究進(jìn)展 - 生態(tài)環(huán)境學(xué)報.doc

牟仁祥等：水稻重金屬污染的研究進(jìn)展 419水稻重金屬污染研究進(jìn)展牟仁祥，陳銘學(xué)，朱智偉，應(yīng)興華中國水稻研究所，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心，浙江 杭州 310006摘要：從水稻植株和籽實對重金屬的吸收富集規(guī)律、重金屬的分析方法、重金屬的賦存形態(tài)、受重金屬污染后水稻的生理生化效應(yīng)等四個方面，介紹了水稻中重金屬污染的研究進(jìn)展，并對今后控制水稻受重金屬污染的方向提了一些建議。關(guān)鍵詞：水稻；重金屬；吸收；分析方法；賦存形態(tài)；生理生化效應(yīng)中圖分類號：X503.231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2004）03-0417-03工業(yè)“三廢”的排放、城市生活產(chǎn)生的污水和垃圾的污染以及含有重金屬的農(nóng)藥、化肥的不合理使用，已使農(nóng)田土壤環(huán)境日益惡化，進(jìn)而影響到我國的稻米質(zhì)量安全。因此，準(zhǔn)確測定水稻根、莖、葉及籽實中重金屬的含量及形態(tài)，研究它們在水稻生長過程中的吸收富集規(guī)律，尋找籽實中重金屬可減少或消除的方法，為無公害稻米的生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)和工程化基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實用價值。1 水稻對重金屬的吸收富集規(guī)律在相同條件下，不同的水稻品種及同一品種的不同器官，由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，吸收重金屬的生理生化機(jī)制各異，故其重金屬元素的累積量差異較大。蔣彬等1的研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽實吸收重金屬存在基因型的差異，他們將來自于全國不同地區(qū)的239份樣品種植在同一地區(qū)，發(fā)現(xiàn)各品種鉛、砷、鎘含量存在極顯著得基因型差異，并篩選出了一系列低鉛或低鎘或低砷的品種。王凱榮等2的研究表明雜交晚稻比常規(guī)稻對Pb、Cd的富集能力強(qiáng)；吳啟堂等3也得到類似的結(jié)果，認(rèn)為高產(chǎn)品種重金屬含量高，低產(chǎn)品種重金屬含量低，由此給高產(chǎn)品種的育種提出了很大的挑戰(zhàn)。譚周镃4通過對8個早稻品種和10個晚稻品種累積重金屬的實驗，發(fā)現(xiàn)不同品種對重金屬吸收有顯著差異，篩選出了對重金屬較為鈍感的湘早秈19號和晚稻V46，以及對重金屬較為敏感的潭早秈1號和師大1911。研究5表明，重金屬在水稻植株內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官累積量較大，而在營養(yǎng)貯藏器官中累積量小，重金屬在水稻不同形態(tài)器官中含量順序是：根部根莖部主莖穗籽實葉部。所以，雖說秸稈還田可以培肥改土，節(jié)水保墑，提高產(chǎn)量，但是也給土壤重金屬的污染治理帶來了困難。目前對水稻中重金屬分布的研究還不夠深入，引起根、莖、葉及籽實中重金屬含量的明顯差異的生理生化機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。水稻籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)中重金屬的濃度分布極不均勻，胚中濃度顯著高于胚乳，皮層和穎殼中重金屬濃度也較高，但是從單位籽實中的重金屬總量分布看，胚乳中重金屬含量占絕對優(yōu)勢。不同重金屬在水稻籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)的濃度順序也不一樣，Cd是皮層胚胚乳穎殼；Cu和Pb是胚皮層胚乳穎殼6。由于重金屬在稻谷中分布不均勻，通過脫殼、磨精、拋光等加工過程除掉含重金屬較多的胚、皮層和穎殼等部位，得到的食用大米中重金屬含量相對稻谷低，查燕等7的研究也證實籽實中重金屬的濃度隨加工程度的升級而降低，從稻谷到精米，Pb、Cu、Cd的去除率分別是56.93%、41.00%、24.10%。研究表明，水稻籽實中重金屬主要來源于土壤2, 8、灌溉水9、大氣8、收割、翻曬和加工設(shè)備10等，其中起主要作用的是土壤和灌溉水。在一定范圍內(nèi)，水稻籽實中重金屬的含量與土壤中重金屬的含量呈正相關(guān)11，當(dāng)土壤中重金屬濃度很高時，會影響水稻根系的正常生理功能，引起細(xì)胞受到損害，導(dǎo)致重金屬向地上部的轉(zhuǎn)移受阻。當(dāng)然，不同的土壤類型，其有機(jī)質(zhì)、孔隙度、pH值、酶活性等理化性質(zhì)不同，直接影響重金屬在土壤中的遷移與固定，從而影響水稻對重金屬的吸收與富集。筆者認(rèn)為，在影響水稻吸收富集微量污染元素的眾多因素中，土壤中有效態(tài)重金屬含量和土壤的氧化還原狀況是主要因素。陳懷滿等12對人工污染土壤、尾礦砂、污泥等三種類型的土壤的重金屬遷移規(guī)律以及水稻在這三種土壤上的重金屬富集進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)富集順序是人工污染土壤尾礦砂污泥尾礦砂+污泥，說明不同來源的重金屬進(jìn)入土壤后對植物生長的影響不同，以人工污染土壤對水稻的影響最大。通過向土壤中添加調(diào)控物質(zhì)來改變重金屬的化學(xué)活性，可以抑制水稻對重金屬的吸收。李玉紅等13試驗了EDTA、檸檬酸、草酸作為調(diào)控物質(zhì)對水稻吸收Pb的影響，認(rèn)為檸檬酸和草酸抑制了土壤中Pb的活化，使有效態(tài)Pb含量下降，檸檬酸使水稻籽實中的Pb含量下降53%66%，而草酸使水稻籽實中的Pb含量下降64%72%。2 籽實中重金屬的分析方法稻米中微量污染元素的檢測主要依靠先進(jìn)的儀器檢測分析方法，如原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光光譜法（AFS）、中子活化分析（NAA）、離子色譜法（IC）、微分脈沖極譜法（DPP）、原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）、同位素稀釋質(zhì)譜法（ID-MS）以及電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS），這些儀器分析方法都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。儀器的精度和靈敏度也得到很大的提高。由于稻米中微量污染元素的含量較低，要求儀器的靈敏度較高，而且由于特定的儀器往往只對一些特定的元素靈敏度較高，所以研究不同的元素常常選用不同的檢測手段，有些元素還需要特殊的處理。如Hg、Se、As的檢測用氫化物發(fā)生AFS檢測靈敏度較高，而且干擾相對較少。對于近幾年在本行業(yè)應(yīng)用較多的儀器及其適宜的檢測范圍總結(jié)如表1。在各種儀器分析方法當(dāng)中，NAA尤其適合包括固體樣品和液體樣品在內(nèi)各種樣品中多元素的測定。由我國研制的表1 儀器及其適宜的檢測范圍檢測方法檢測項目應(yīng)用文獻(xiàn)ICP-MSAs, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ge, Li, Pb, Sb, Sn, Sr, V大米14ICP-AESMn, Zn大米14NAARb大米15AASHg, Pb, Cd, Cr, Ni, Co, Se大米16, 17, 18, 19ID-MSCd大米(粉)20, 21AFSHg, Se大米22, 23IC, ICP-MS聯(lián)用As3+, As5+, 單甲基砷酸, 二甲基砷酸大米24AFS并結(jié)合氫化物發(fā)生技術(shù)，有檢測限低、線性分析范圍寬等其他方法不可比擬的優(yōu)點，AFS的缺點就是只能對低溫、易揮發(fā)的元素元素如砷、汞、硒等可以分析。目前應(yīng)用最廣泛的原子吸收光譜技術(shù)，分析物的蒸發(fā)、灰化和原子化是一項關(guān)鍵的技術(shù)，需要對樣品進(jìn)行灰化-原子化優(yōu)化，缺點是一次只能測定一個元素。ICP-AES也可以對樣品中的多元素進(jìn)行同時測定，但是由于方法檢測限的限制，常常需要對樣品進(jìn)行富集等煩瑣的操作手段。ICP-MS除了霧化去溶干擾和激發(fā)電離干擾ICP-AES略大，負(fù)載量略小外，幾乎完全保留了ICP-AES的優(yōu)點，并且譜線簡單、干擾少，靈敏度高，線性范圍寬，對糙米及精米中鉛、鉻、鎘、砷等重金屬元素可以直接測定，從而減少了環(huán)境對樣品的污染，提高了分析方法的可靠性和準(zhǔn)確性。在對稻米中微量污染元素進(jìn)行檢測的過程中，樣品的前處理往往比檢測技術(shù)本身還重要。尤其是各種原子光譜技術(shù)，一般必需制成液體樣品進(jìn)樣或液體進(jìn)樣時才能達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，在使樣品在充分溶解的同時，還要必需避免待測元素的各種形式的揮發(fā)和損失。目前，國內(nèi)外主要有以下幾種方法。（1）密閉高溫高壓溶樣。該方法是采用密閉容器，用硝酸或混酸直接分解樣品，同時用微波輔助加熱14, 17，不但消解完全、快速、用酸量少，而且環(huán)境影響因素小。（2）低溫灰化法。采用等離子體技術(shù)在150 左右使樣品灰化，再用混酸分解，該方法是目前公認(rèn)的較好的樣品前處理技術(shù)，但也有設(shè)備運行成本高、易揮發(fā)性元素有不同程度損失的缺點。（3）高溫灰化法。利用高溫下空氣中氧將有機(jī)物碳化和氧化，揮發(fā)掉易揮發(fā)性組分，與此同時，試樣中不揮發(fā)性組分也多轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w、氧化物或耐高溫鹽類，但是樣品在高溫下可能會爆濺，待測元素可能會丟失或沾污，而且耗時長。（4）酸消解法。該法是利用大量的強(qiáng)氧化性酸將樣品中的有機(jī)物除去，此法會因為試劑純度不高導(dǎo)致空白值偏大而影響結(jié)果。另外，液液萃取17、離子交換樹脂分離富集21、微波萃取、超臨界萃取等分離富集技術(shù)在測定生物樣品中不同形態(tài)的微量污染元素時得到了廣泛的應(yīng)用。筆者建議可以嘗試把這些技術(shù)方法應(yīng)用于稻米中微量污染元素的分析研究。3 籽實中重金屬的賦存形態(tài)元素在水稻中的賦存形態(tài)是指元素的結(jié)合形態(tài)、化學(xué)形態(tài)以及在水稻中的物理分布。水稻中重金屬的賦存形態(tài)及各形態(tài)的分布對人畜的健康有重要影響。由于水稻和稻米中的重金屬元素的種類較多，而且各元素的毒性對人體健康存在不同的危害，這種差異除與元素總量有關(guān)外，同元素的賦存形態(tài)也有直接聯(lián)系。重金屬元素在水稻籽實中主要和蛋白質(zhì)以絡(luò)合物的形式結(jié)合25，與重金屬絡(luò)合的蛋白質(zhì)種類主要有醇溶谷蛋白、球蛋白、谷蛋白和清蛋白等。在水稻籽實中，與Pb結(jié)合最多的蛋白質(zhì)是醇溶谷蛋白，占37%；其次是球蛋白，占28%26, 27；與Cd結(jié)合最多的蛋白質(zhì)是球蛋白，占42%，其次是谷蛋白，占39%28；與As結(jié)合最多的蛋白質(zhì)是谷蛋白29，占43%；與Cu結(jié)合最多的蛋白質(zhì)是谷蛋白30，占45%。水稻籽實中的重金屬與蛋白質(zhì)是選擇性的結(jié)合，Pb26、Cd28及As31都是與表觀分子量為54.5KD和5.5KD的蛋白質(zhì)結(jié)合形成螯合體。只是前者不穩(wěn)定，在蒸煮加熱和胃蛋白酶和胰蛋白酶的作用下容易分解，生成相對穩(wěn)定的、小分子的結(jié)合體形式31。目前對這種小分子的結(jié)合體的研究還不夠深入。水稻中的重金屬一般是以無機(jī)態(tài)或有機(jī)態(tài)兩種形態(tài)存在。Mohammed等32以污水灌溉水稻，并研究了植株體內(nèi)的亞砷酸鹽、砷酸鹽、單甲基砷酸、二甲基砷酸的含量和吸收富集規(guī)律，認(rèn)為亞砷酸鹽、砷酸鹽比單甲基砷酸、二甲基砷酸的吸收速度快。楊容甫等33認(rèn)為富硒大米中硒的化學(xué)形態(tài)主要為硒蛋氨酸。目前學(xué)術(shù)界對重金屬的化學(xué)形態(tài)的研究還相對較少，尤其是同一重金屬的不同化學(xué)形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)行為，相信，隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，對水稻重金屬的形態(tài)分析研究將會更加深入。4 重金屬污染的生理生化效應(yīng)水稻受重金屬污染之后，其植株處于重金屬脅迫環(huán)境中，將產(chǎn)生不同程度的傷害。根據(jù)逆境脅迫的有關(guān)理論，任何逆境都會使光合速率下降，同化物形成減少，葉綠體受傷，呼吸速率也發(fā)生變化，有關(guān)光合和呼吸的酶失活或變性，合成酶的作用下降，水解酶的作用增強(qiáng)，從而引起植物體內(nèi)生理生化指標(biāo)的變化。而且，重金屬還能與植物體內(nèi)的某些酶進(jìn)行螯合，破壞酶的活性，從而使植物體內(nèi)生理生化的變化尤為復(fù)雜。據(jù)陳平等34的研究，鎘濃度在010 mg/L范圍內(nèi)，水稻葉片的膜脂過氧化產(chǎn)物和過氧化物酶活性隨鎘濃度增加而增加，而超氧化物岐化酶活性和過氧化氫酶活性隨降低鎘濃度增加而降低。施農(nóng)農(nóng)35等提出以淀粉酶和酸性磷酸酯酶作為鑒定水稻受重金屬脅迫程度的酶學(xué)生理指標(biāo)。土壤中微量污染元素能顯著影響稻米的營養(yǎng)品質(zhì)和衛(wèi)生品質(zhì)，由此可以給育種及生產(chǎn)提供一些有價值的參考。王凱榮等2以浙輻802和威優(yōu)402為材料，分別添加不同濃度的鉛和鎘，認(rèn)為稻米中直鏈淀粉和土壤中有效態(tài)鉛含量呈顯著負(fù)相關(guān)，支鏈淀粉含量與土壤中有效態(tài)鎘含量呈顯著正相關(guān)。另外，向土壤中添加鎘能顯著減少稻米中賴氨酸、組氨酸含量，提高天冬氨酸含量；向土壤中添加鉛還能顯著減少稻米中纈氨酸含量，提高苯并氨酸和天冬氨酸的含量。目前，重金屬影響水稻生長的研究主要集中在單元素上36，由于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境較為復(fù)雜，各種重金屬間往往存在協(xié)同、拮抗、屏蔽和獨立作用37，致使重金屬影響水稻生長的生理生化效應(yīng)尤為復(fù)雜，其生態(tài)效應(yīng)受多元素的組合、相對濃度及比例等多種因素影響。因此，重金屬復(fù)合污染體對水稻生長的影響是一個有待深入研究的前沿問題。5 結(jié)語水稻累積富集重金屬的現(xiàn)象主要取決于兩個方面：一是水稻自身的因素，如根冠比較大、分蘗較旺盛的品種；二是環(huán)境因素，即土壤、空氣、水等。這些因素決定了重金屬在水稻中的含量、種類、存在形式，以及水稻對重金屬的富集能力和富集途徑。所以，根據(jù)水稻的特性，科學(xué)處理好各種栽培條件，通過生物的、物理的、或化學(xué)的途徑控制水稻中重金屬的含量，減少重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中的傳遞，避免一些重金屬的對食用或飼用者的傷害。可以從以下幾個方面加以控制和研究：（1）進(jìn)一步開發(fā)先進(jìn)可靠的分析檢測技術(shù)。稻米中重金屬的檢測分析，尤其是賦存形態(tài)的分析，目前還沒有十分成熟的研究方法。建立可靠的分析方法是在該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究的前提條件，因此仍需開發(fā)先進(jìn)的可靠分析檢測技術(shù)。（2）深入研究吸收和累積重金屬的遺傳研究。重金屬的遷移及在水稻根、莖、葉、籽實中的累積還停留在基礎(chǔ)的階段，從遺傳學(xué)的角度對重金屬的吸收及累積規(guī)律的研究還較少，可以和水稻育種研究有機(jī)結(jié)合起來，利用DH群體（加倍單倍體群體）和近等基因系研究控制水稻吸收和累積重金屬的遺傳位點。（3）廣泛收集耐、抗重金屬污染的水稻種質(zhì)或基因材料，弄清遺傳特征與遺傳規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，有目的的選擇與水稻進(jìn)行雜交的品種（或基因），培育出耐、抗、低吸收或少富集的水稻品種。（4）加強(qiáng)多學(xué)科協(xié)作與滲透，重點開展控制水稻重金屬污染的生態(tài)措施研究。如將植物修復(fù)、客土（或換土）及化學(xué)措施等組裝配套使用，較單一措施可以提高對微量污染元素的控制效果。參考文獻(xiàn)：1 蔣彬, 張慧萍. 水稻精米中鉛鎘砷含量基因型差異的研究J. 云南師范大學(xué)學(xué)報, 2002, 22(3): 37-40.2 王凱榮, 郭焱, 何電源, 等. 重金屬污染對稻米品質(zhì)影響的研究J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 1993, 12(6): 254-257.3 吳啟堂, 陳盧, 王廣壽. 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