重金属在土壤-植物体系中的
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重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主讲人：任颖
主要内容
影响重金属在土壤-植物体系中的迁移 的因素
重金属在土壤-植物
体系中的迁移及其 机制
重金属在土壤-植物体系中的迁移转化 规律 主要重金属在土壤中的积累和迁移转化 植物对重金属污染产生耐性的几种机制
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
土壤的重金属污染
•
重金属是土壤原有的构成元素，有些是植物、动物和人必 需的营养元素。如Zn、Cu、Mo、Fe、Hg等，但由于含 量的不同，可导致不同的效应，如果含量和有效性太低生
物会表现缺乏症状，但过量就会造成污染事件。
•
土壤背景值就是指在未受污染的情况下，天然土壤中的金
属元素的基线含量。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
a. 土壤中重金属含量越高，植物体内的重金属含量也越高； b. 不同植物的累积有明显的种间差异：豆类>小麦>水稻>玉米； c. 重金属在植物体内的分布规律：根>茎叶>果壳>籽实。
2.重金属在土壤剖面中的迁移转化规律
a. 大部分重金属被土壤颗粒吸附； b. 遵循垂直分布规律，可耕层是重金属的富集区； c. 重金属有向根际土壤迁移的趋势。
来源：冶炼废水、废渣，汽车尾气
主要以Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4存在，Ksp小
有效性受pH影响很大，土壤的pH增加，使铅的可溶性和 移动性降低，从而影响植物对铅的吸收。 很难迁移、植物吸收后积累于根部 藓类植物被确定为铅污染和积累的指示植物
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
•
土壤的粘土矿物和有机质对汞有强烈的吸附作用，因此汞
进入土壤后，大部分被土壤吸附或固定，因此汞容易在表 层积累。
• •
汞在厌氧微生物作用下可甲基化，毒性增大。 植物对汞的吸收和积累与汞的形态有关。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
植 物 对 重 金 属 产 生 耐 性 的 机 制
合成MT的细胞对重金属有明显的抗性， MT是动物及人体 最重要的重金属解毒剂 。
•
后来，在植物中发现类MT或植物络合素。其作用是与进 入植物细胞内的重金属结合，使其以不具生物活性的无毒 的螯合物形式存在，降低金属离子的活性，从而减轻或解 除其毒害作用。
锌-Zinc
• 锌是植物、动物和人类必需的营养元素 • 在还原条件下易形成ZnS • 在碱性条件下易形成Zn(OH)2沉淀 • 酸性土壤溶液中离子态含量高 2ppm
• 对土壤pH非常敏感
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
汞－Mercury
•
三种价态随着pH和Eh变化而转化，HgS是还原状态下的主 要形态
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属与植物细胞壁的结合
•
研究结果表明：细胞壁中的金属大部分以离子形式存 在或与细胞壁中的纤维素、木质素结合；
•
• •
由于金属离子被局限的细胞壁上，而不能进入细胞质 影响细胞内的代谢活动，使植物对重金属表现出耐性；
不同植物的细胞壁对金属离子的结合能力是不同的； 细胞壁对金属离子的固定作用不是一个普遍耐性机制。 即：不是所有的耐性植物都表现为将金属离子固定在 细胞壁上。
• 污染土壤中的铜主要在表层积累，并沿土壤的纵深垂直分
布递减，这是由于进入土壤的铜被表层土壤的粘土矿物吸 附，同时，表层土壤的有机质与铜结合形成螯合物。 • 在植物各部分的积累分布：根>茎、叶>果实。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
铅-lead
• • • • •
重金属污染土壤的特点：
•
重金属不被土壤微生物降解，可在土壤中不断积累， 也可以为生物所富集，并通过食物链在人体内积累， 危害人体健康。
•
重金属一旦进入土壤就很难予以彻底的清除。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属在土壤-植物系统的迁移
• 重金属通过质流、扩散、截获到达 植物根部。 • 植物通过主动吸收、被动吸收等方 式吸收重金属。 • 重金属通过木质部和韧皮部向地上 部运输。 • 植物对污染物吸收受到土壤性质、 植物种类、污染物形态的影响。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
酶系统的作用
•
耐性植物中的几种酶的活性在重金属含量增加时仍能
维持正常水平；
•
同时还可以激发另外一些酶，从而使耐性植物在受重
金属污染时保持正常的代谢。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
形成重金属硫蛋白或植物络合素
•
1957年发现，在马的肾脏中发现金属硫蛋白（ MT ），能
1.植物根系的作用
2.重金属与植物的细胞壁结合 3.酶系统的作用
4.形成重金属硫蛋白或植物络合素
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
植物根系的作用
•
植物根系通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用
限制重金属离子跨膜吸收。还可以通过形成跨根际的 氧化还原电位梯度和pH梯度等来抑制对重金属的吸收
•
已经证实，某些植物对重金属离子的吸收能力的降低 可以通过根际分泌螯合剂而减少重金属的跨膜吸收
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
影响重金属在土壤-植物系统迁移的因素
影响因素 金属种类、浓 度、存在形态 植物的种类、 生长发育期 复合污 染
土壤理化性质
施肥
pH
质地
氧化还原电位
有机质含量
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属在土壤-植物系统的迁移转化规律
1.植物对土壤重金属的富集规律
• • • • •
来源：炼锌工业的副产品； 旱地石灰性土壤中多以CdCO3、Cd(OH) 2存在； 在水田中主要CdS存在； 镉的吸附跟土壤胶体的性质有关。
镉不是人体的必需元素。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化 铜－Copper
• 铜是各种生物的必需微量元素； • Cu2+容易与腐质酸的羧基和羟基发生螯合；
3.土壤对重金属离子的吸附固定原理
a. 与胶体种类：氧化锰> 有机质> 氧化铁> 伊利石> 蒙脱石> 高岭石； b. 与金属离子的种类：价态越高，电荷越多，越易吸附； 同等价态，离子半径越大，水合半径相对越小，越易吸附。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土Biblioteka Baidu中的累积和迁移转化
镉－Cadmium
主讲人：任颖
主要内容
影响重金属在土壤-植物体系中的迁移 的因素
重金属在土壤-植物
体系中的迁移及其 机制
重金属在土壤-植物体系中的迁移转化 规律 主要重金属在土壤中的积累和迁移转化 植物对重金属污染产生耐性的几种机制
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
土壤的重金属污染
•
重金属是土壤原有的构成元素，有些是植物、动物和人必 需的营养元素。如Zn、Cu、Mo、Fe、Hg等，但由于含 量的不同，可导致不同的效应，如果含量和有效性太低生
物会表现缺乏症状，但过量就会造成污染事件。
•
土壤背景值就是指在未受污染的情况下，天然土壤中的金
属元素的基线含量。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
a. 土壤中重金属含量越高，植物体内的重金属含量也越高； b. 不同植物的累积有明显的种间差异：豆类>小麦>水稻>玉米； c. 重金属在植物体内的分布规律：根>茎叶>果壳>籽实。
2.重金属在土壤剖面中的迁移转化规律
a. 大部分重金属被土壤颗粒吸附； b. 遵循垂直分布规律，可耕层是重金属的富集区； c. 重金属有向根际土壤迁移的趋势。
来源：冶炼废水、废渣，汽车尾气
主要以Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4存在，Ksp小
有效性受pH影响很大，土壤的pH增加，使铅的可溶性和 移动性降低，从而影响植物对铅的吸收。 很难迁移、植物吸收后积累于根部 藓类植物被确定为铅污染和积累的指示植物
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
•
土壤的粘土矿物和有机质对汞有强烈的吸附作用，因此汞
进入土壤后，大部分被土壤吸附或固定，因此汞容易在表 层积累。
• •
汞在厌氧微生物作用下可甲基化，毒性增大。 植物对汞的吸收和积累与汞的形态有关。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
植 物 对 重 金 属 产 生 耐 性 的 机 制
合成MT的细胞对重金属有明显的抗性， MT是动物及人体 最重要的重金属解毒剂 。
•
后来，在植物中发现类MT或植物络合素。其作用是与进 入植物细胞内的重金属结合，使其以不具生物活性的无毒 的螯合物形式存在，降低金属离子的活性，从而减轻或解 除其毒害作用。
锌-Zinc
• 锌是植物、动物和人类必需的营养元素 • 在还原条件下易形成ZnS • 在碱性条件下易形成Zn(OH)2沉淀 • 酸性土壤溶液中离子态含量高 2ppm
• 对土壤pH非常敏感
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
汞－Mercury
•
三种价态随着pH和Eh变化而转化，HgS是还原状态下的主 要形态
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属与植物细胞壁的结合
•
研究结果表明：细胞壁中的金属大部分以离子形式存 在或与细胞壁中的纤维素、木质素结合；
•
• •
由于金属离子被局限的细胞壁上，而不能进入细胞质 影响细胞内的代谢活动，使植物对重金属表现出耐性；
不同植物的细胞壁对金属离子的结合能力是不同的； 细胞壁对金属离子的固定作用不是一个普遍耐性机制。 即：不是所有的耐性植物都表现为将金属离子固定在 细胞壁上。
• 污染土壤中的铜主要在表层积累，并沿土壤的纵深垂直分
布递减，这是由于进入土壤的铜被表层土壤的粘土矿物吸 附，同时，表层土壤的有机质与铜结合形成螯合物。 • 在植物各部分的积累分布：根>茎、叶>果实。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化
铅-lead
• • • • •
重金属污染土壤的特点：
•
重金属不被土壤微生物降解，可在土壤中不断积累， 也可以为生物所富集，并通过食物链在人体内积累， 危害人体健康。
•
重金属一旦进入土壤就很难予以彻底的清除。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属在土壤-植物系统的迁移
• 重金属通过质流、扩散、截获到达 植物根部。 • 植物通过主动吸收、被动吸收等方 式吸收重金属。 • 重金属通过木质部和韧皮部向地上 部运输。 • 植物对污染物吸收受到土壤性质、 植物种类、污染物形态的影响。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
酶系统的作用
•
耐性植物中的几种酶的活性在重金属含量增加时仍能
维持正常水平；
•
同时还可以激发另外一些酶，从而使耐性植物在受重
金属污染时保持正常的代谢。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
形成重金属硫蛋白或植物络合素
•
1957年发现，在马的肾脏中发现金属硫蛋白（ MT ），能
1.植物根系的作用
2.重金属与植物的细胞壁结合 3.酶系统的作用
4.形成重金属硫蛋白或植物络合素
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
植物根系的作用
•
植物根系通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用
限制重金属离子跨膜吸收。还可以通过形成跨根际的 氧化还原电位梯度和pH梯度等来抑制对重金属的吸收
•
已经证实，某些植物对重金属离子的吸收能力的降低 可以通过根际分泌螯合剂而减少重金属的跨膜吸收
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
影响重金属在土壤-植物系统迁移的因素
影响因素 金属种类、浓 度、存在形态 植物的种类、 生长发育期 复合污 染
土壤理化性质
施肥
pH
质地
氧化还原电位
有机质含量
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
重金属在土壤-植物系统的迁移转化规律
1.植物对土壤重金属的富集规律
• • • • •
来源：炼锌工业的副产品； 旱地石灰性土壤中多以CdCO3、Cd(OH) 2存在； 在水田中主要CdS存在； 镉的吸附跟土壤胶体的性质有关。
镉不是人体的必需元素。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土壤中的累积和迁移转化 铜－Copper
• 铜是各种生物的必需微量元素； • Cu2+容易与腐质酸的羧基和羟基发生螯合；
3.土壤对重金属离子的吸附固定原理
a. 与胶体种类：氧化锰> 有机质> 氧化铁> 伊利石> 蒙脱石> 高岭石； b. 与金属离子的种类：价态越高，电荷越多，越易吸附； 同等价态，离子半径越大，水合半径相对越小，越易吸附。
重金属在土壤-植物体系中的迁移及其机制
主要重金属在土Biblioteka Baidu中的累积和迁移转化
镉－Cadmium