毒害元素对植物生长的影响文献综述

毒害元素对植物生长的影响文献综述摘要：当前,在农业生态系统中,重金属镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、铬(Cr)是一类毒性较强的环境污染物,对植物的生长发育、生理代谢及遗传均有较强的抑制及毒害效应。近年来,随着工农业生产的迅速发展以及人口的急剧增长,人类赖以生存的环境受到越来越严重的干扰和破坏,环境污染问题日益突出,已经成为严峻的社会问题,尤其是重金属对环境的污染问题更是引起了人们的关注。关键词：重金属；植物生长；毒害；农业环境0引言随着环境中重金属污染物不断增加,越来越多的土壤不同程度受到重金属的污染[1][2]。现有的研究表明,重金属易被土壤吸附而积累,不易降解。作物吸收重金属后会抑制其生长发育、减少生物量、降低作物的产量和品质,并通过生物链富集对人体健康造成严重威胁[3-5]。土壤重金属污染已对我国的生态环境、食品安全、百姓身体健康和农业可持续发展构成严重威胁,因此检测环境中重金属对农作物的毒性是非常必要的。自上世纪以来,国内外许多学者在这方面己做了大量研究工作，研究发现造成环境污染的主要重金属包括镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、汞(Hg)等对生物毒性强的金属，其次是具有一定毒性的金属铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、砷(As)等[6]。1重金属污染的来源和水平1.1镉的污染现状镉在自然界多以硫镉矿存在，并常与锌、铅、铜、锰等矿共存,福在地壳中的丰度约为0.2mg/kg。环境中镉污染的最主要来源是有色金属矿产开发和冶炼排出的废气、废水和废渣。镉对土壤污染的途径主要有以下两点，一是工业废气中的镉扩散沉降累积于土壤之中，二是用含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到严重污染。王凯荣等[7]，对我国湖南省主要矿区的调查表明，矿区土壤中镉含量为2.8-51.3mg/kg。1.2铅的污染现状铅是构成地壳的元素之一,含量约为13mg/kg。矿山开采、金属冶炼、汽车废气是环境中铅的主要来源,此外还有来自燃煤、油漆涂料的污染。全世界每年消耗铅量约为400万t，仅有1/4回收利用，其余大部分以不同形式污染环境。土壤中的铅污染主要由汽油燃烧和冶炼烟尘以及矿山、冶炼废水所引起。铅在农业土壤中的含量约为2-80mg/kg，但城市和矿山、冶炼厂附近的土壤含铅量都比较高，据调查，在我国的一些大城市中，土壤表层含铅量为200-2000mg/kg。1.3铜的污染现状土壤中铜的平均浓度约为20mg/kg。土壤铜污染主要来源是铜矿山的开采、冶炼排出的大量含铜废水，此外，工业粉尘、城市污水以及含铜农药也能造成土壤的铜污染。据调查,我国华南某铜矿附近污染土壤铜含量为1730-2630mg/kg，为对照土壤的93-138倍。因铜引起的环境污染,主要是造成农业上的损失，对作物造成危害，并不通过作物的残留而危害人体，这是铜与其他重金属的差别。1.4铬的污染现状铬广泛存在于自然界中,有铬铁矿、铬铅矿和硫酸铬矿。不同的土壤含铬量差异很大，平均约为100mg/kg，环境中的铬污染主要来源于含铬矿的冶炼以及化工、电镀、皮革、制药、防腐剂、燃料、颜料及合成催化剂等工业生产中产生的含铬“三废”。含铬废水是主要污染源，镀铬工艺只有约10%的铬被镀在物件上，30%-70%的铬随废水排放，一般含铬10mg/kg。2重金属在植物体内的积累、分布及存在形式随着环境中重金属污染物不断增加，大量重金属进入生态系统，参与土壤-水体-生物系统的循环。重金属通过植物的吸收在根、茎、叶及籽粒中大量积累,不仅抑制其生长发育、减少生物量,而且还会降低作物的产量和品质。植物对重金属的吸收与积累,取决于环境中的重金属离子浓度、土壤条件及植物的种类与部位。2.1镉在植物中的积累分布镉并不是植物体内的必需元素，但许多植物均能从水和土壤中摄取镉，并在体内积累到一定数量。植物体含镉量与土壤中的镉存在量成正相关。尤其是可溶性镉，特别容易被植物吸收。植物吸收的镉量，不仅取决于土壤中含镉量的多少，也受其化学形态影响。陈家梅等[7]，用不同浓度的CdCl2、CdSO4、CdS处理水稻,得到三种形态的Cd2+在水稻糙米中均有累积,且浓度越高累积越多。相同浓度处理下水稻吸收积累Cd2+的顺序为CdCl2CdSO4CdS。植物吸收的镉量与土壤PH值有关。如其他土壤条件不变，植物组织中的含镉量随土壤PH值增高而降低。2.2铅在植物中的积累分布土壤中的铅主要是以Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4形式存在，在土壤溶液中的可溶性铅含量很低，土壤中的铅迁移性弱。当植物生长时，植物利用根系吸收土壤中的而迁移到植物体内，当土壤中的铅浓度增加时，植物体内的含铅量也会增高。根部吸收的铅主要累积在根部，只有少数转移到地上部分。在大麦盆栽实验中，生长在酸性土壤的大麦苗比在碱性土壤生长的铅累积量要高。这是由于酸碱度的增高，铅的可溶性和移动性降低，以致影响植物对铅的吸收[8]。2.3铜在植物中的积累分布生长在铜污染土壤中的植物，其体内也会发生铜的累积。王征帆等[]调查显示，在污灌土壤中生长的作物含铜量要比在清灌区土壤生长的作物高。作物中铜的累积与土壤中有效态铜的含量密切相关。2.4铬在植物中的积累分布在自然环境中，铬以多种价态形式存在，通常有二价、三价和六价形式。其中二价铬离子能被空气迅速氧化成三价离子。实验证明,植物体内的含铬量与环境中含铬量成正相关，植物从土壤中吸收的铬绝大部分积累在根部，其次是茎叶，籽粒中积累最少。3重金属对植物的伤害效应环境中重金属浓度超过某一临界值时，就会对植物产生一定的毒害作用，轻则植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑制，重则导致植物死亡。3.1重金属对植物生长发育的影响重金属对植物毒害效应的表观现象之一是阻止植物生长。己有的研究表明,重金属离子进入植物体内积累到一定程度，就会出现毒害症状，通常能够抑制种子萌发及根，叶的生长，引起植株矮小、退绿、产量下降等症状。例如，张义贤等证明了大麦受镉污染后，种子的萌发率、根生长率下降，且随处理浓度增大和时间延长而加剧。3.2重金属对植物生理生化的影响在各种外界元素进入到植物细胞内之前，首先要经过细胞壁和细胞膜。当外界重金属浓度超过植物的生长极限值时，细胞质膜首先受到伤害。重金属胁迫可导致细胞膜结构和功能的严重破坏，使细胞膜透性增加。孙赛初等用测定外渗液电导率和外渗液钾含量的方法，证明对植物细胞膜有严重的伤害作用[9]。众多实验证明重金属胁迫可导致叶绿体、线粒体及细胞核等重要器官损伤，抑制植物的光合作用，且抑制效应与处理时间的延长和处理浓度的增大成正相关。重金属对细胞膜的伤害，不仅破坏了细胞内酶及代谢作用的原有区域，而且还可能直接取代某些酶中活性的微量元素或与酶中半肤氨酸残基键结合，使其受到破坏，相关的酶活性也必然受到影响。杨居荣等分别用Cd2+处理小麦、玉米、黄瓜和大豆，结果显示，耐性较强的小麦，SOD、POD和CAT活性升高，而耐性弱的大豆，三种酶的活性则均降低，说明SOD、POD和CAT在植物抗Cd2+胁迫中起一定的作用[10]。3.3重金属对植物DNA损伤的影响在重金属污染的条件下，由于结构的特点和半保留复制的特性，可直接或间接地导致生物细胞内的分子损伤，其主要形式为碱基改变、碱基错配、插入或缺失片段、链断裂、甲基化损伤、链内和链间交联。这些损伤不仅损害结构的完整性，而且还影响了基因组的正常表达，进而干扰作物的正常生理活动或组织功能，最终导致作物生长异常、发育畸形甚至死亡。例如，段昌群等[11]证明了能使玉米根和叶中的细胞核变形，甚至溶解。进入植物细胞内的和还能与带负电荷的核酸碱基结合，引起核酸立体结构的改变，降低和活性，进而干扰植物体内的转录和翻译过程，结果导致细胞分裂间期的和的合成受到抑制，含量降低。4重金属对作物伤害机理和植物抗性机制研究概况4.1重金属对植物伤害机理的研究概况目前国内外有关重金属对作物伤害机理方面的研究报道较多，多数集中在下列几个方面（1）重金属离子干扰根系对矿质养分的吸收和转运，造成植物的营养缺乏。大量的重金属离子进入植物细胞内干扰了离子之间原有的平衡系统，造成正常离子的吸收、运输、渗透和调节的障碍，从而导致新陈代谢过程紊乱[12]。（2）较多的重金属离子进入植物体内后，不仅可取代某些酶和蛋白质行使其功能时所必需的特定元素，而且还能与核酸、蛋白质和酶等大分子物质结合，造成生物大分子发生构象改变，使其变性或活性降低，从而干扰细胞的正常代谢过程。（3）重金属离子能诱导植物体内的氧化胁迫。植物在遭受环境胁迫时，体内的活性氧自由基如超氧阴离子一、氢氧自由基一、过氧化氢等有毒物质积累，导致膜脂过氧化，膜差别透性丧失，引起一系列的生理生化变化,从而使植物代谢系统受到伤害[13]。4.2植物对重金属抗性机制的研究概况环境中过量的重金属对植物是一种不利因素，它们会限制植物的正常生长、发育。尽管如此，不少种类植物仍能在高浓度的重金属离子环境中生长、繁殖，并完成生活史，表明在长期进化过程中植物亦相应地产生了多种对重金属的抗性，Baker(1987)[14]认为植物对重金属抗性的获得主要通过两种途径，避性和耐性，这两种途径并不排斥，往往能统一于同一种植物中。5总结总之，重金属对植物造成的伤害是多方面的，而植物对重金属胁迫也有多方面的防卫机制。植物体对重金属耐性的生理机制究竟是在受重金属污染后产生的某些特定的酶或蛋白质专用于抵抗金属，还是原本就存在于植物体内在遇到重金属后就可以起耐性作用。如果是后者，细胞是如何实现体内平衡调节的，这些都是仍需探索和解决的问题。参考文献[1]王夔主编.生命科学中的微量元素下卷[M]北京：中国计量出版社，1992[2]孟紫强主编.环境毒理学[M]北京：中国环境科学出版社，2000:140-146[3]孟昭福,薛澄泽,张增强等.土壤中重金属复合污染的表征[J]农业环境保护,1999,18:87-92[4]蒋彦鑫.我国亿亩耕地遭污染[M]新京报，2007[5]王宏摈,束文圣,蓝崇任.重金属污染生态学研究现状与展望[J]生态学报,2005,25：598-605[6]王凯荣,郭众.重金属污染对稻米营养品质的研究[J]农业环境保护,1993[7]廖自基主编.环境中微量重金属元素的污染危害与迁移转化[M]北京科学出版社,1989[8]王夔主编.生命科学中的微量元素上卷[M]北京:中国计量出版社,1991，140-141[9]廖自基主编.环境中微量重金属元素的污染危害与迁移转化[M]北京科学出版社,1985，160-165[10]孟紫强主编.环境毒理学[M]北京:中国环境科学出版社,2000，141[11]陈家梅等.2种不同价态的镉在水稻中的吸收积累[J]农业环境保护,1982(11):19-22[12]王凯荣,龚惠群.两种基因型水稻对环境镉吸收与再分配差异性比较研究[J]农业环境保护,1996，15(4):145-149[13]J.M.Ruiz,R.M.Rivero,L.Romero.BoronIncreasesSynthesisofGlutathioneinSunflowerPlantsSubjectedtoAluminumStress[J].PlantandSoil.2006(1-2)[14]J.WvanHoorn,NKaterji,AHamdy,MMastrorilli.Effectofsalinityonyieldandnitrogenuptakeoffourgrainlegumesandonbiologicalnitrogencontributionfromthesoil[J].AgriculturalWaterManagement.2001(2)