几种重金属污染对水稻的影响

几种重金属污染对水稻的影响
随着工农业生产的发展，重金属对土壤和农作物的污染问题越来越严重。

所谓重金属一般是指比重在5以上的金属，有金、汞等45种[1]，而从环境污染方面所说的重金属主要指汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的重金属。

天然水中都含有一些重金属，但含量较低，对人类、动物及其它生物不会引起中毒现象。

但污水中含量过高就会造成土壤和农作物的重金属污染，甚至造成大面积农田毁坏。

重金属过多而产生的污染有三种，即：大气污染型、水质污染型和土壤污染型。

其中以水污染型较为普遍。

《中国环境公报》的数据表明，2002年我国污水排放总量为439.5亿吨，重金属排放量为1823吨。

李恋卿（2002）的研究表明，太湖地区的镉积累速率为0.3-3ug.(Kg.a)-1，年污染通量为08-10X10-3Kg（hm2.A）-1[2]。

由于重金属污染具有生物放大作用、微量毒性效应、隐蔽性和滞后性、累积性和复合性等特点，且农作物直接参与食物链循环，因此重金属在农作物中的积累势必影响到人类健康与安全。

水稻是我国大面积栽培的粮食作物。

重金属对人类有潜在性的危害作用，在生物体内可以富集，并把它转化为毒性更大的金属化合物，从而对人类造成更大的危害。

过量的重金属在水稻的根、茎、叶以及籽粒中大量积累，不仅影响水稻产量、品质及整个农田生态系统，并可通过食物链危及动物和人类的健康。

因此，研究重金属污染不仅对水稻生产具有指导作用，而且对环境治理，为无公害稻米的生产技术创新提供科学依据和工程化基础，具有重要的理论意义和实用价值。

本文就国内外重金属对水稻影响的研究现状进行概述。

1 重金属污染水稻的效应
1.1 镉(Cd)的效应
土壤中Cd的污染，主要来自矿山、冶炼、污水灌溉与污泥的施用等。

低浓度的Cd对水稻幼苗表现出一定的生长促进作用[3]，杨春刚（2005）研究，低浓度的Cd处理土壤时，能提高水稻叶片生长速度、增加比叶重、缩短生育期、增加结实率、穗长、二次枝梗数、穗重和
单茎重[4]。

但当土壤Cd浓度高到一定含量时，水稻会出现受害症状，表现叶片失绿，出现褐色斑点与条纹；严重受害的根系少而短，根毛发育不良[5]。

插秧后25天，添加Cd 0.5、4.0、64ppm处理的分蘖数比对照分别下降了28.8%、34.9%和53.2%。

土壤高浓度Cd处理，能显著延迟分蘖高峰、降低叶片生长速率、株高和单株叶面积、穗粒数、结实率、一次枝梗数、二次枝梗数、穗重、单茎重、增加瘪粒数[4]。

据实验在草甸褐土上，当土壤Cd浓度为150mg/kg时引起水稻减产10%-30%。

在草甸棕壤的盆栽水稻研究中，当土壤Cd浓度为200mg/kg时，表现植株较矮，无效分蘖增多，地上干物重下降，减产12.3%[6]。

红壤性水稻土的盆栽试验表明，无论是氯化镉或是硫酸镉形态处理，水稻株高均随土壤Cd浓度增高而降低，土壤Cd浓度达100mg/kg时减产20%-50%；当达到200mg/kg时，植株矮化，无效分蘖增多，穗实粒数减少，秕谷率增加[6]。

据我们的初步调查发现：重金属对水稻的污染效应还表现在对水稻的直接伤害上，Cd污染对水稻不同发育时期的光合作用影响非常明显，并且其光合浓度随着Cd浓度增高而降低。

1.2 铅(Pb)的效应
水稻田的Pb主要是通过农药(如砷酸铅)或某些肥料而进入土壤。

一定浓度的Pb对作物的生长不会造成危害，但随着浓度升高就表现出对水稻秧苗素质、生长发育状况、生育期和产量的影响[5]。

Pb使水稻生长受阻的主要原因是根系遭受毒害而丧失正常功能，能减少光合作用，延缓生长，推迟成熟而导致减产，从水稻分蘖期测定的叶绿素来看，不同土壤中水稻叶绿素含量随Pb的增加而有下降趋势[7]。

1.3 砷(As)的效应
农业中曾广泛使用的含As农药、除草剂、脱叶剂、杂交稻杀雄剂等和工业中排放出的含As废水、废气、废物、矿山排放的砷灰、含As 尾气等都直接或间接进入土壤和植物系统而影响土壤和动植物的正常功能。

杨居荣[8]等的研究结果表明，As对水稻毒害的可见症状比较明显，表现为植株矮化，叶色浓绿，抽穗期和成熟期延迟。

1.4 汞(Hg)的效应
目前我国对含Hg农药已禁止使用，但随着乡镇工业的发展，在一些地区因利用含汞污水、污泥以及受Hg污染的河水灌溉农田而引起了土壤含Hg量的增加，严重地影响农作物的生长发育，导致产量和品质下降。

Hg对水稻的毒害主要表现在根部，受害时根部呈棕色，根量减少，干物重下降，有效分蘖降低，叶片浓绿，呈现贪青晚熟，严重受害时，叶片发黄，以致整株枯萎[9]。

这可能与水稻在Hg胁迫下，叶绿素和叶绿素a/b比值下降有关。

1.5 铬(Cr)的效应
Cr对水稻的危害及迁移能力都以6价Cr强于3价Cr，受害的水稻植株变矮，叶片狭窄，叶色枯黄，分蘖减少，叶鞘呈褐色，根系溃烂、细短而稀疏，生长严重受抑[11]。

铬对水稻生理生化过程的影响研究还不多。

有研究表明，铬影响根尖细胞的有丝分裂，从而抑制萌发和发育[12-13]，使产量降低。

铬处理时水稻幼苗叶片可溶性蛋白质、可溶性糖及淀粉含量下降，而POD活性急剧上升[14]。

2 水稻对重金属的吸收特点
在相同条件下，不同的水稻品种及同一品种的不同器官，由于外部形态及内部结构的不同，吸收重金属的生理生化机制各异，故其重金属元素的积累差异较大。

蒋彬等[15]的研究发现,水稻籽实吸收重金属存在基因型的差异，它们将来自全国不同地区的239份样品种植在同一地区，发现各品种铅、砷、镉含量存在极显著的基因差异，并筛选出了一系列低铅或低镉或低砷的品种。

王凯荣等[16]的研究表明杂交晚稻比常规稻对Pb、Cd的富集能力强，吴启堂等[17]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，由此给高产品种的育种提出了很大的挑战。

谭周磁[18]通过对8个早稻品种和10个晚稻品种积累重金属的实验，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谭早籼1号和师大1911。

研究[19]表明，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，而在营养贮藏器官中积累量小，重金属在水稻不同形态器官中含量顺序是：根部>根茎部>主茎>穗>籽实>叶部。

所以，秸杆虽可以培肥改土，节
水保墒，提高地力进而提高产量，但是也给土壤重金属的污染治理带来了困难。

目前，对水稻中重金属分布的研究还不够深入，引起根、茎、叶及籽实中重金属含量的明显差异的生理生化机制还有进一步研究。

水稻籽实各形态结构中重金属的浓度分布极不均匀，胚中浓度显著高于胚乳，皮层和颖壳中重金属浓度也较高，但是从单位粒实中的重金属总量分布看，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。

不同重金属在水稻耔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[20]。

查燕等[21]的研究也证实籽实中重金属的浓度随加工程序的升级而降低，从稻谷到精米,Pb,Cu,Cd的去除率分别是56.93%、41%和4.1%。

可能的原因重金属在稻谷中分布不均匀，通过脱壳、磨精、抛光等加工过程除掉含重金属较多的胚、皮层和颖壳等部位，得到的食用大米中重金属含量相对稻谷较低。

3. 影响水稻吸收重金属的因素
3.1 土壤质地和有机质的影响
土壤中重金属含量与土壤质地密切相关，一定量的重金属投入土壤后，土壤质地越粘重，它的持留量越大。

土壤腐殖质能在其表面交换性吸附重金属，并亦可形成金属-腐殖质复合物，从而增加了土壤对重金属的吸持。

一般地说，土壤中腐殖质含量越高，土壤吸附重金属的能力越强。

3.2 土壤PH值的影响
许多研究资料表明，土壤中重金属离子Pb2+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Ni2+的溶解度与土壤溶液中PH值的关系极大。

土壤PH值越低，其溶解度愈大，活性愈高。

但类金属As的情况不同，由于它主要以阴离子状态存在，在较低PH值范围内，H2AsO4、 AsO42-等能被带上正电荷的氢氧化铁等迅速吸附。

随着PH值增加，吸附剂表面负电荷增高，促使含As阴离子向溶液中解吸[22]。

3.3 土壤EH值的影响
土壤在还原状态下，重金属可形成难溶化合物。

硫化物使土壤溶液中的重金属离子减少，从而抑制了植物对重金属的吸收。

旱田条件下小麦、大豆吸收重金属的含量比水稻多[23]。

当土壤EH值提高时，重金属的活性也增加，有利于水稻吸收重金属，且EH值与糙米重金属含量呈正相关。

但As例外，当EH值低到一定程度时，变价元素As可以亚砷酸盐形态存在，亚砷酸盐的毒性和可溶性比砷酸盐大得多，且易被作物吸收[24]。

4 水稻对重金属的抗性及生物学基础
不同植物种类，甚至同一种植物的不同品种对金属的抗性都有差异[25]。

吴启堂等[26]报道，杂交稻“汕优63”等产量高，但糙米Cd 含量也较高，优质稻“野奥丝苗”等产量较低，糙米重金属含量也较低，常规稻则变幅较大。

因此重金属在水稻植株体内积累少的品种可能产量和品质都较低，高产优质品种又极有可能在植株体内积累的重金属含量较高，这为选育高产优质而重金属含量低的水稻品种增加了困难。

根际是重金属由土壤进入作物体的主要界面，是污染物进入作物体参与食物链物质循环的门户。

不同水稻品种吸收Cd的差异与其根表铁氧化物胶膜有一定关系。

根表铁氧化物胶膜可以富集介质中的Cd，铁膜数量越多，富集的Cd也越多。

随着根表铁膜数量的增加，水稻对Cd的吸收量也增加。

在铁膜增加到一定量时，对水稻吸收Cd的作用达到最大。

而后随着铁膜数量的继续增加，水稻对Cd的吸收反而下降，铁氧化物成为水稻吸收Cd的障碍层[27-29]。

植物对不同金属离子的抗性机制上表现出的多样性具体体现在金属结合蛋白(或多肽)及其功能上。

高等植物的细胞壁是重金属进入细胞内部的第一逆屏障[30-31]，细胞壁中的果胶质成分为结合重金属离子提供了大量的离子交换点，当这些结合点达到饱和时，关键的抗性机制则可能由存在于细胞质内的一些重金属结合肽所担负[32]。

现今所发现的金属硫蛋白可分为三类：金属蛋白硫(MT),类金属硫(MT-like)和植物螯合态(PC)；这三类金属硫蛋白主要是由过量的重金属离子诱导动植物细胞合成，而这种蛋白质能与进入细胞的重金属离子结合，使
之失活而解除其毒害[33-36]。

20世纪90年代以来，人们对高等植物MT类基因的表达调控有了初步认识。

在水稻中发现有MT1型基因(rgMT)和MT2型基因(osMT-1)的存在，其中rgMT在根中的转录水平最高，叶中次之，鞘中最少[37-39]。

5 结语
水稻累积重金属的现象主要取决于两个方面：一是水稻自身的因素，如根冠比较大，分蘖较旺盛的品种；二是环境因素，即土壤、空气、水等，这些因素决定了重金属在水稻中的含量、种类、存在形式以及水稻对重金属的富集能力和富集途径。

所以，根据水稻的特征，科学处理好各种栽培条件，通过生物的、物理的或化学的途径，控制水稻中重金属的含量，减少重金属在生态系统中的污染，避免一些重金属对动植物的伤害可以从以下几个方面加以控制和研究：
(1) 开发先进可靠的分析检测技术
稻米中重金属的检测分析，尤其是存在的形态分析目前还没有十分成熟的研究方法。

建立可靠的分析方法是该领域进行研究的前提条件，因此需要开发先进的可靠的快速分析检测技术。

(2) 积极开展耐重金属和低吸收资源的筛选和鉴定
鉴于目前对耐重金属或重金属低吸收的资源筛选工作还开展得极少，目前应广泛收集耐或抗重金属污染的水稻种质或基因材料，为开展耐或抗重金属的品种选育及基础研究提供材料。

（3）深入研究吸收和积累重金属的遗传规律
重金属的迁移及在水稻根、茎、叶、籽实中的积累已有一些研究，但从遗传学的角度对重金属的吸收及积累规律的研究还较少，应从经典遗传学和分子遗传学角度深入研究吸收和积累重金属的遗传规律，为开展新品种选育提供理论基础。

(4) 培育耐或抗或低吸收或少富集的水稻品种
在广泛收集、筛选和鉴定耐、抗重金属污染的水稻种质或基因材料和弄清遗传特征与遗传规律的基础上，着力培育出耐或抗或低吸收或少富集的水稻品种。

(5) 加强多学科协作与渗透，重点开展控制水稻重金属污染的生态
措施研究。

如将植物修复、客土(或换土)及化学措施等组装配套使用，较单一措施可以提高对微量污染元素的控制效果。