土壤中重金属生物有效性与植物效应研究_高军锋

第27卷第3期2008年　6月四　川　环　境S I C H U A NE N V I R O N M E N TV o l .27,N o .3J u n e 2008·综　述·收稿日期:2008-03-28作者简介:高军锋(1974-),男,甘肃宁县人,1997年毕业于兰州交通大学给水排水专业,本科。

国家注册监理工程师,主要从事环境、安全监理工作。

土壤中重金属生物有效性与植物效应研究高军锋1,毛玉红2(1.兰州交通大学监理公司,兰州　730070;2.兰州交通大学环境与市政工程学院,兰州　730070) 摘要:植物效应为重金属的生物有效性评价提供了链接,本文就污染土壤中重金属生物有效性问题,探讨了植物效应和生物有效性的关联关系。

阐述各种植物效应在重金属生物有效性评价、监测及应用领域的研究进展,探讨了目前存在的某些不足。

根据重金属的生物有效性评价结论,可针对不同土壤污染类型采用不同的植物应对措施,如可以尝试应用避性排斥型植物在生物有效性低的污染土壤上生产出非污染的农产品,为进行安全农业生产提出了一条新的思路。

关　键　词:生物有效性;植物效应;指示植物;排斥型植物;超累积植物中图分类号:X 53 文献标识码:A 文章编号:1001-3644(2008)03-0110-03R e s e a r c h A d v a n c e s o n t h e B i o a v a i l a b i l i t y a n d P l a n t E f f e c t o f H e a v y Me t a l s i nS o i lG A OJ u n -f e n g 1,M A OY u -h o n g2(1.S u p e r v i s i o nC o m p a n y o f L a n z h o u J i a o t o n gU n i v e r s i t y ,L a n z h o u 730070,C h i n a ;2.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l ＆M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g ,L a n z h o uJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ,L a n z h o u 730070,C h i n a ) A b s t r a c t :Th e r e a r e l i n k s b e t w e e nt h ee f f e c t o f p l a n t a n dt h ee v a l u a t i o nf o r b i o a v a i l a b i l i t y o f h e a v y m e t a l s .I nt h i s p a p e r t h e p r o b l e mo f b i o a v a i l a b i l i t y o f h e a v y m e t a l s i n p o l l u t e d s o i l i s r e v i e w e d a n dt h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e e f f e c t s o f p l a n t a n d b i o a v a i l a b i l i t y a r e e x p l a i n e d .A t t h es a m e t i m e ,t h e a p p l i c a t i o n s o f p l a n t e f f e c t s o nt h e m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n g m e t h o do f b i o a v a i l a b i l i t y a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l a n ds o m e e x i s t i n g d i s a d v a n t a g e s a r e d i s c u s s e d .C o n s e q u e n t l y ,m e a s u r e s w i t h d i f f e r e n t p l a n t s c a n b e t a k e nt o d e a l w i t hd i f f e r e n t t y p e s o f h e a v y m e t a l p o l l u t e ds o i l b a s eo nb i o a v a i l a b i l i t y .A s a ne x a m p l e ,n o n -p o l l u t i n g a g r i c u l t u r a l p r o d u c t s c a nb e p r o d u c e d b y p l a n t i n gh e a v y m e t a l e x c l u d e r s i nt h el o wb i o a v a i l a b i l i t ys o i l ,w h i c hp r o p o s e sa n e ww a yf o r t h es a f e t yo f a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n .K e y w o r d s :B i o a v a i l a b i l i t y ;t h e e f f e c t o f p l a n t ;i n d i c a t o r p l a n t ;e x c l u s i o np l a n t ;h y p e r a c c u m u l a t o r 重金属在土壤中的积累可增加土壤对生态环境的危害,危害大小与其在土壤中的型态分布及生物有效性关系较大。

同时重金属生物有效性的高低直接影响到植物的外在效应表现,因而植物对重金属的富集、回避、敏感指示等效应,为分析土壤中重金属的生物有效性提供了相关性链接。

1　重金属生物有效性 用重金属在土壤中的总量来预测其在环境中的行为和对生态环境的影响是不确切的,因为总量难以反映重金属的生物有效性和移动性[1]。

对于土壤中重金属的生物有效性,一般采用植株中的重金属含量、重金属的根际效应或可食部分的重金属含量来衡量生物有效性[2～7]。

根据生物对重金属不同形态的吸收难易程度,可将其分为三类:可利用态、潜在可利用态和不可利用态[8]。

土壤中重金属生物有效性不仅受环境的影响,也受生物体自身的影响,涉及到物理、化学及生物等各个方面,影响因素很多,主要有土壤性质、重金属的复合污染和根际环境等。

土壤的物理组成和化学性质直接影响重金属的存在形态,其中p H 、有机质是影响较大的因素[9];多种重金属之间可DOI :10.14034/j .cn ki .schj .2008.03.023能存在着加和、拮抗或协同作用,致使其对生态系统的毒性发生改变[10];根际环境可以减少植物对重金属的吸收,根系分泌物的理化性质(如p H 值、氧化还原性质等)的变化以及“根际效应”对屏蔽重金属起到了关键的作用,所以菌根能改善植物对水、营养物质的吸收,从而大大增强植物对重金属毒害(包括对病害)的抵抗力[11,12]。

另外,种植不同的作物也会改变土壤重金属的生物可利用性。

如种植水稻会促进土壤中的锌向非活性的残余态转化[13],使土壤重金属的生物有效性降低;而蚕豆则使土壤中的锌保持较高活性[14];种植油菜后土壤锌的有效态增加、活性增加[15]等。

2　植物抗性效应和生物有效性 T o m s e t t[16]认为植物对重金属的抗性即植物能生存于某一特定的含量较高的重金属环境中而不会出现生长率下降或死亡等毒害症状的性能。

B a k-e r[17]认为,植物对重金属的抗性可通过避性和耐性两种途径获得,即抗性=避性(a v o i d a n c e)+耐性(t o l e r a n c e)。

这两条途径并不相互排斥,且能统一作用于某一植物上。

2.1　耐性与避性植物通过某种外部机制保护自己,拒绝吸收或阻碍重金属元素进入体内,即便置身于高重金属含量的环境中也可免受毒害,称之为避性。

在这种情况下,植物体内重金属的浓度并不高[17]。

避性主要体现在以下两方面:限制重金属离子跨膜吸收、降低体内的重金属离子浓度;在高重金属含量的环境中,植物反馈分泌一些化学物质并与重金属离子发生络合反应,降低植物周围环境中有效态的含量,避免植物受害[18]。

耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制,使植物能生存于高含量的重金属环境中而不受伤害,此时植物体内具有较高的重金属浓度。

B a k-e r[17]指出耐性具有两条基本途径:“超富集”与“排斥”。

值得重视的是,从污染土壤改良与生态安全的角度分析,植物对重金属的“耐性”与“避性”效应具有同等重要的地位。

B a k e r根据植物对重金属的吸收、转移和积累机制将植物分为三类:积累型(超累积型)、指示型(敏感型)和排斥型[19]。

普遍认为超累积型是较好的修复材料;敏感型则为较好的监测指示材料[20,21]。

对于排斥型植物,虽然“避性”机理有待进行深入研究,不过可以简单设想一下,若是某种农作物本身具有避性,或将避性主控基因通过分子生物学手段转移给农作物,强化其避性排斥机制,则可在“不安全”的土壤上生产出“安全”的食品[22]。

2.2　避性排斥型植物与生物有效性具有将重金属排斥于体外,并使之不进入或少进入植物体内的特殊能力的植物称为排斥型植物。

排斥也是植物抗重金属污染的有效方法。

对于自然界中是否具有避性较好的排斥型植物,相关报道较少,还需作进一步的验证和研究。

但可以启发人们充分利用这一特性,通过分子生物学手段培育转基因植物或农作物,实现在污染土壤上生产出非污染的农产品。

这样,也能省去进行土壤修复的复杂而繁琐的过程。

另外,由于只有可被生物利用的金属离子才能被植物吸收,也即植物吸收能力取决于土壤中重金属的生物有效性的高低。

所以采取一定措施降低土壤中重金属的生物有效性,再种上具有一定排斥能力的排斥型植物,则在“不安全”的土壤上生产出“安全”食品的保险性会大大提高。

2.3　指示植物与生物有效性指示植物对重金属既有一定的吸收能力,又有一定的忍耐力。

同时指示植物吸收重金属的量与环境中重金属的浓度之间有一定可比性,存在一定的相关关系。