水稻重金属污染的研究进展-生态环境学报

生态环境2004,13(3):[e-mail]作者简介：牟仁祥（1976－），男，助研，主要从事重金属方面的研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2003-12-07水稻重金属污染研究进展牟仁祥，陈铭学，朱智伟，应兴华中国水稻研究所，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心，浙江杭州310006摘要：从水稻植株和籽实对重金属的吸收富集规律、重金属的分析方法、重金属的赋存形态、受重金属污染后水稻的生理生化效应等四个方面，介绍了水稻中重金属污染的研究进展，并对今后控制水稻受重金属污染的方向提了一些建议。关键词：水稻；重金属；吸收；分析方法；赋存形态；生理生化效应中图分类号：X503.231文献标识码：A文章编号：1672-2175（2004）03-0417-03工业“三废”的排放、城市生活产生的污水和垃圾的污染以及含有重金属的农药、化肥的不合理使用，已使农田土壤环境日益恶化，进而影响到我国的稻米质量安全。因此，准确测定水稻根、茎、叶及籽实中重金属的含量及形态，研究它们在水稻生长过程中的吸收富集规律，寻找籽实中重金属可减少或消除的方法，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。1水稻对重金属的吸收富集规律在相同条件下，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，故其重金属元素的累积量差异较大。蒋彬等[1]的研究发现，水稻籽实吸收重金属存在基因型的差异，他们将来自于全国不同地区的239份样品种植在同一地区，发现各品种铅、砷、镉含量存在极显著得基因型差异，并筛选出了一系列低铅或低镉或低砷的品种。王凯荣等[2]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[3]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。谭周镃[4]通过对8个早稻品种和10个晚稻品种累积重金属的实验，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潭早籼1号和师大1911。研究[5]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累积量小，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，虽说秸秆还田可以培肥改土，节水保墒，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待进一步研究。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。不同重金属在水稻籽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[6]。由于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低，查燕等[7]的研究也证实籽实中重金属的浓度随加工程度的升级而降低，从稻谷到精米，Pb、Cu、Cd的去除率分别是56.93%、41.00%、24.10%。研究表明，水稻籽实中重金属主要来源于土壤[2,8]、灌溉水[9]、大气[8]、收割、翻晒和加工设备[10]等，其中起主要作用的是土壤和灌溉水。在一定范围内，水稻籽实中重金属的含量与土壤中重金属的含量呈正相关[11]，当土壤中重金属浓度很高时，会影响水稻根系的正常生理功能，引起细胞受到损害，导致重金属向地上部的转移受阻。当然，不同的土壤类型，其有机质、孔隙度、pH值、酶活性等理化性质不同，直接影响重金属在土壤中的迁移与固定，从而影响水稻对重金属的吸收与富集。笔者认为，在影响水稻吸收富集微量污染元素的众多因素中，土壤中有效态重金属含量和土壤的氧化还原状况是主要因素。陈怀满等[12]对人工污染土壤、尾矿砂、污泥等三种类型的土壤的重金属迁移规律以及水稻在这三种土壤上的重金属富集进行了调查分析，发现富集顺序是人工污染土壤尾矿砂污泥尾矿砂+污泥，说明不同来源的重金属进入土壤后对植物生长的影响不同，以人工污染土壤对水稻的影响最大。通过向土壤中添加调控物质来改变重金属的化学活性，可以抑制水稻对重金属的吸收。李玉红等[13]试验了EDTA、柠檬酸、草酸作为调控物质对水稻吸收Pb的影响，认为柠檬酸和草酸抑制了土壤中Pb的活化，使有效态Pb含量下降，柠檬酸使水稻籽实中的Pb含量下降53%~66%，而草酸使水稻籽实中的Pb含量下降64%~72%。2籽实中重金属的分析方法稻米中微量污染元素的检测主要依靠先进的仪器检测分析方法，如原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、中子活化分析（NAA）、离子色谱法（IC）、微分脉冲极谱法（DPP）、原子发射光谱法（ICP-AES）、同位素稀释质谱法（ID-MS）以及电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），这些仪器分析方法都得到了广泛的应用和发展。仪器的精度和灵敏度也得到很大的提高。由于稻米中微量污染元素的含量较低，要求仪器的灵敏度较高，而且由于特定的仪器往往只对一些特定的元素灵敏度较高，所以研究不同的元素常常选用不同的检测手段，有些元素还需要特殊的处理。如Hg、Se、As的检测用氢化物发生AFS检测灵敏度较高，而且干扰相对较少。对于近几年在本行业应用较多的仪器及其适宜的检测范围总结如表1。在各种仪器分析方法当中，NAA尤其适合包括固体样品和液体样品在内各种样品中多元素的测定。由我国研制的418生态环境第13卷第3期（2004年8月）AFS并结合氢化物发生技术，有检测限低、线性分析范围宽等其他方法不可比拟的优点，AFS的缺点就是只能对低温、易挥发的元素元素如砷、汞、硒等可以分析。目前应用最广泛的原子吸收光谱技术，分析物的蒸发、灰化和原子化是一项关键的技术，需要对样品进行灰化-原子化优化，缺点是一次只能测定一个元素。ICP-AES也可以对样品中的多元素进行同时测定，但是由于方法检测限的限制，常常需要对样品进行富集等烦琐的操作手段。ICP-MS除了雾化去溶干扰和激发电离干扰ICP-AES略大，负载量略小外，几乎完全保留了ICP-AES的优点，并且谱线简单、干扰少，灵敏度高，线性范围宽，对糙米及精米中铅、铬、镉、砷等重金属元素可以直接测定，从而减少了环境对样品的污染，提高了分析方法的可靠性和准确性。在对稻米中微量污染元素进行检测的过程中，样品的前处理往往比检测技术本身还重要。尤其是各种原子光谱技术，一般必需制成液体样品进样或液体进样时才能达到较高的准确度。为保证检测结果的准确度，在使样品在充分溶解的同时，还要必需避免待测元素的各种形式的挥发和损失。目前，国内外主要有以下几种方法。（1）密闭高温高压溶样。该方法是采用密闭容器，用硝酸或混酸直接分解样品，同时用微波辅助加热[14,17]，不但消解完全、快速、用酸量少，而且环境影响因素小。（2）低温灰化法。采用等离子体技术在150℃左右使样品灰化，再用混酸分解，该方法是目前公认的较好的样品前处理技术，但也有设备运行成本高、易挥发性元素有不同程度损失的缺点。（3）高温灰化法。利用高温下空气中氧将有机物碳化和氧化，挥发掉易挥发性组分，与此同时，试样中不挥发性组分也多转变为单体、氧化物或耐高温盐类，但是样品在高温下可能会爆溅，待测元素可能会丢失或沾污，而且耗时长。（4）酸消解法。该法是利用大量的强氧化性酸将样品中的有机物除去，此法会因为试剂纯度不高导致空白值偏大而影响结果。另外，液液萃取[17]、离子交换树脂分离富集[21]、微波萃取、超临界萃取等分离富集技术在测定生物样品中不同形态的微量污染元素时得到了广泛的应用。笔者建议可以尝试把这些技术方法应用于稻米中微量污染元素的分析研究。3籽实中重金属的赋存形态元素在水稻中的赋存形态是指元素的结合形态、化学形态以及在水稻中的物理分布。水稻中重金属的赋存形态及各形态的分布对人畜的健康有重要影响。由于水稻和稻米中的重金属元素的种类较多，而且各元素的毒性对人体健康存在不同的危害，这种差异除与元素总量有关外，同元素的赋存形态也有直接联系。重金属元素在水稻籽实中主要和蛋白质以络合物的形式结合[25]，与重金属络合的蛋白质种类主要有醇溶谷蛋白、球蛋白、谷蛋白和清蛋白等。在水稻籽实中，与Pb结合最多的蛋白质是醇溶谷蛋白，占37%；其次是球蛋白，占28%[26,27]；与Cd结合最多的蛋白质是球蛋白，占42%，其次是谷蛋白，占39%[28]；与As结合最多的蛋白质是谷蛋白[29]，占43%；与Cu结合最多的蛋白质是谷蛋白[30]，占45%。水稻籽实中的重金属与蛋白质是选择性的结合，Pb[26]、Cd[28]及As[31]都是与表观分子量为54.5KD和5.5KD的蛋白质结合形成螯合体。只是前者不稳定，在蒸煮加热和胃蛋白酶和胰蛋白酶的作用下容易分解，生成相对稳定的、小分子的结合体形式[31]。目前对这种小分子的结合体的研究还不够深入。水稻中的重金属一般是以无机态或有机态两种形态存在。Mohammed等[32]以污水灌溉水稻，并研究了植株体内的亚砷酸盐、砷酸盐、单甲基砷酸、二甲基砷酸的含量和吸收富集规律，认为亚砷酸盐、砷酸盐比单甲基砷酸、二甲基砷酸的吸收速度快。杨容甫等[33]认为富硒大米中硒的化学形态主要为硒蛋氨酸。目前学术界对重金属的化学形态的研究还相对较少，尤其是同一重金属的不同化学形态的相互转化的动态行为，相信，随着检测技术的发展，对水稻重金属的形态分析研究将会更加深入。4重金属污染的生理生化效应水稻受重金属污染之后，其植株处于重金属胁迫环境中，将产生不同程度的伤害。根据逆境胁迫的有关理论，任何逆境都会使光合速率下降，同化物形成减少，叶绿体受伤，呼吸速率也发生变化，有关光合和呼吸的酶失活或变性，合成酶的作用下降，水解酶的作用增强，从而引起植物体内生理生化指标的变化。而且，重金属还能与植物体内的某些酶进行螯合，破坏酶的活性，从而使植物体内生理生化的变化尤为复杂。据陈平等[34]的研究，镉浓度在0~10mg/L范围内，水稻叶片的膜脂过氧化产物和过氧化物酶活性随镉浓度增加而增加，而超氧化物岐化酶活性和过氧化氢酶活性随降低镉浓度增加而降低。施农农[35]等提出以淀粉酶和酸性磷酸酯酶作为鉴定水稻受重金属胁迫程度的酶学生理指标。土壤中微量污染元素能显著影响稻米的营养品质和卫生品质，由此可以给育种及生产提供一些有价值的参考。王凯荣等[2]以浙辐802和威优402为材料，分别添加不同浓度的铅和镉，认为稻米中直链淀粉和土壤中有效态铅含量呈显著负相关，支链淀粉含量与土壤中有效态镉含量呈显著正相关。另外，向土壤中添加镉能显著减少稻米中赖氨酸、组氨酸含量，提高天冬氨酸含量；向土壤中添加铅还能显著减少稻米中缬氨酸含量，提高苯并氨酸和天冬氨酸的含量。目前，重金属影响水稻生长的研究主要集中在单元素上[36]，由于农田生态环境较为复杂，各种重金属间往往存在协同、拮抗、屏蔽和独立作用[37]，致使重金属影响水稻生长的生理生化效应尤为复杂，其生态效应受多元素的组合、相对浓度及比例等多种因素影响。因此，重金属复合污染体对水稻生长的影响是一个有待深入研究的前沿问题。5结语水稻累积富集重金属的现象主要取决于两个方面：一是表1仪器及其适宜的检测范围检测方法检测项目应用文献ICP-MSAs,Ba,Cd,Co,Cr,Cu,Ge,Li,Pb,Sb,Sn,Sr,V大米[14]ICP-AESMn,Zn大米[14]NAARb大米[15]AASHg,Pb,Cd,Cr,Ni,Co,Se大米[16,17,18,19]ID-MSCd大米(粉)[20,21]AFSHg,Se大米[22,23]IC,ICP-MS联用As3+,As5+,单甲基砷酸,二甲基砷