镉毒害对水稻生理生态效应的研究进展.doc

环境生物无机化学论文

班级: 环科一班
姓名: 黄 * *
学号: 0340***
指导老师: 张 * *

重金属镉污染对水稻生理生态效应研究进展
摘 要: 重金属镉是植物生长非必需元素, 它含有很大生物毒性, 与其它重金属相比, 更易被植物吸收积累。在参考大量文件资料基础上, 综述了镉( Cd)毒害引发水稻部分生理生化特征, 以及镉在水稻体内吸收、 分布和转运积累动态, 并讨论了生产低镉或无镉污染水稻路径。
关键词: 镉污染; 水稻; 生理生化; 效应
序言: 工业“ 三废” 大量排放和不合理处理以及大量肥料施用是造成土壤镉污染关键原因, 镉因其在土壤中高度移动性和对作物高度毒害性, 被视为重金属中最含有危害性一个污染元素。水稻作为中国关键农作物, 在整个国民经济和社会安定中起着关键作用。镉污染不仅影响其生长发育, 造成产量下降, 更为关键是重金属在水稻体内大量积累, 并沿着食物链进入人类, 最终危害人类身体健康。所以其产量和品质直接影响着人类饮食水平提升, 这就迫切要求我们对水稻中镉有充足了解。
1 镉对水稻生理生化特征及种子萌发影响
1.1 镉胁迫对水稻抗氧化类酶活性影响
在重金属镉胁迫下, 水稻通常会产生高活性氧自由基(ROS) , ROS 与细胞膜系统、 脂类、 蛋白质和核酸等生物大分子发生连锁式反应, 使细胞结构遭到强烈破坏。因为镉对细胞结构伤害, 破坏了胞内外酶及催化作用原有区域, 还可能直接占据一些酶活性中心, 使酶活性受到影响。
植物体内SOD、 POD和CAT是活性氧自由基清除系统中关键保护酶之一。在外来胁迫早期, 植物体内活性氧清除系统被激活, 其产生作用超出了活性氧对植物损伤作用, 表现为镉胁迫早期对种子萌发及植物幼苗苗长有一个低浓度下刺激效应。不过伴随镉浓度增加和胁迫时间延长, 保护酶系统逐步被抑制, 抗氧化酶系统内多个酶之间活性比不平衡, 细胞内多个功效膜被破坏, 表现为生理代谢紊乱, 直至细胞凋亡。
1.2 镉离子胁迫对水稻光合作用和叶绿素影响
镉对光合作用和叶绿素也有不一样程度影响。叶绿素是植物进行光合作用关键色素之一。相关研究发觉镉胁迫下, 叶绿素( a, b) 降低, 类囊体中叶肉细胞显著降低, 叶片氧呼出效率降低, 光合作用Ⅱ系统被钝化等。当土壤中Cd 浓度高到一定含量时, 水稻会出现受害症状,表现为叶片失绿, 出现褐色斑点与条纹, 严重影响光合作用。重金属离子能与酶活性中心或蛋白质中巯基结合, 能替换金属蛋白中必需元素, 造成生物大分子构象改变、 酶活性丧失, 抑制了原叶绿素酸酯还原酶活性而引发叶绿素含量下降, 引发植株失绿。同时, 镉毒害使水稻吸收元素降低, 阻碍叶绿素形成及其含量增加, 造成叶绿素含量下降, 最终严重影响植物光合作用正常进行。
1.3 镉离子胁迫对水稻种子萌发影响
种子萌发与幼苗生长是物质代谢与能量代谢十分活跃过程, 伴有大分子降解为小分子、 不溶性物质变为可溶性物质, 供种胚和幼苗生长之需。镉离子能抑制蛋白酶和肽酶活性, 且随离子浓度增加抑制强度增大。而淀粉酶活性降低肯定影响可溶性糖含量, 脱氢酶影响脱氢反应和能量代谢, 硝酸还原酶影响植物对NO3-利用, 使氨基酸和蛋白质含量降低, 最终造成供能不足, 影响萌发。当镉离子浓度高达一定浓度时, 生长点坏死, 根本不萌发, 而且胚根比芽更敏感。
1.4 镉离子胁迫对水稻生长影响
因为Cd 进入土壤环境以后, 其生物有效性会受外界环境影响发生改变, 而水稻在不一样生育时期对Cd 暴露反应可能并不相同。在现实污染环境中, 镉胁迫可能只在作物生长某一阶段, 也可能是整个生育时期, 从而造成重金属对水稻生理生化影响愈加复杂。现在, 已经有很多研究报道了Cd2+对细胞结构产生显著伤害, 关键集中在叶绿体、 细胞核、 线粒体等细胞器以及对染色体影响。细胞组成了组织, 结构破坏造成植物体组织损伤, 从而影响其生长。有研究表明, 在全生育期 Cd 胁迫环境下, 植株生长瘦弱, 叶片短小, 中下部叶片枯尖、 黄化严重, 根短而粗。表皮糙裂, 菌丝状根毛发达, 抽穗期推迟 3～ 4 d。植株贪青晚熟, 后期小分蘖多, 穗短粒少, 其中杂交水稻表现尤为突出。
2 镉在水稻中吸收、 分配和积累动态规律研究
镉经过根部吸收、 叶片吸收和表皮渗透三种路径进入植物体内。 植物从环境中吸收镉以后, 经体内运输, 分布到根茎叶各器官。 不一样作物对镉吸收、 分配和积累效应不一样, 水稻属于易吸收镉植物, 但品种之间吸收镉差异显著。
2.1 水稻品种对水稻镉吸收影响
在相同条件下, 不一样水稻品种及同一品种不一样器官, 因为外部形态及内部结构不一样, 吸收重金属生理生化机制各异, 故其重金属元素累积量差异较大。水稻基因型间吸收、 累积镉能力存在显著差异, 不一样基因型水稻植株和籽粒含镉量可相差数倍。因为气候影响, 早稻糙米中镉浓度通常比晚稻糙米中镉浓度要高得多, 这是因为早稻圆锥花序形成期后气温很高, 水稻蒸腾速率很强, 镉与小分子有机质形成络合物随蒸腾流大量向上输送, 并累积在茎叶和籽实中; 而晚稻圆锥花序形成期后气温逐步下降, 蒸腾率降低, 积累也对应降低。从减产效应和稻米品质来看, 杂交水稻对环境 Cd 污染比常规水稻愈加敏感。
2.2 镉在水稻植株不一样器官分布规律
研究表明, 对于同一品种来说, 水稻根、 茎、 叶、 籽粒中镉含量随土壤镉浓度升高而上升,根、 茎、 叶、 籽粒间镉含量存在相关性。镉在水稻体内浓度分配次序为茎>叶>谷壳>糙米; 总量分配次序为叶>茎>糙米>谷壳, 地上部含镉量<根部含镉量<根膜含镉量, 根系、 茎叶和糙米中镉总量比约为 80∶5∶1; 籽实各形态结构中胚乳>颖壳>皮层>胚。镉在水稻器官中分布也因生育时期而异。相关研究表明, 常规水稻在幼穗分化期, 茎叶中占 27.3%, 根系中占72.7%; 到抽穗期, 茎叶中占 20.6%, 根系中占79.4%; 到成熟期, 茎叶中占 29.9%, 稻壳中占0.9%, 糙米中占 0.9%, 根系中占 68.3%。根部重金属积累量在水稻秧苗期很低, 分蘖期最大, 伴随时间延续, 在根部积累重金属越来越少; 茎部重金属积累量也是在水稻秧苗期很低, 分蘖期最大, 在拔节期降至最小, 随即积累又慢慢上升。不一样水稻品种根、 茎、 叶和籽粒间Cd含量相关性很差, 与土壤重金属浓度相关性亦随不一样部位而异。
2.3 水稻中镉转运积累机理
Cd2+转运过程可能包含: ( 1) 根际活化吸附; ( 2) 经质外体路径和共质体路径短距离运输; ( 3) 经木质部及韧皮部装载长距离运输;( 4) 叶表皮毛浓集。生活在渍水环境条件下水稻根系含有泌氧能力, 在水稻根表及根质外体被氧化而形成铁锰氧化物胶膜, 此胶膜也会吸附土壤中镉, 成为土壤中 Cd 进入水稻体内界面。同时, 根系分泌物也能活化水稻根际镉及根表铁氧化物胶膜上富集镉, 促进水稻根系对镉吸收。这种根分泌物对镉活化作用受介质中镉浓度影响。与根表分泌物结合和存在于胶膜化合物被认为是被根系吸着部分, 并未进入根组织, 只有跨过质膜, 进入细胞质通道部分才能真正被根系吸收。Cd2+在植物根部经质外体路径和共质体路径进行横向(短距离)运输。自植物幼苗根内皮层上凯氏带形成后, Cd2+就不能再经过质外体路径直接抵达木质部导管, 而必需经共质体路径进行跨质膜转运和木质部装载, 以后随蒸腾流向地上部运输和积累。跨质膜和液泡膜Cd2+运输促进 Cd2+在植物体中分配和隔离作用。经过对木质部渗出液中Cd 和Zn化学形态研究, 有教授认为, 这些金属从根部被运输到水稻地上部分, 是作为有机金属络合物形式在本质部中运动。经脂肪、 蛋白质提取试验证实, Cd在稻麦籽实中以与蛋白质相结合形态为主, 其结合表观相对分子质量约为 54.50× 103, 其中与谷蛋白、 球蛋白结合最多, 而脂溶态量极少。糙米中Cd 含量受水稻植株吸收Cd 总量和茎叶Cd 向籽粒转移效率双重影响。现有研究结果表明, 植物积累Cd2+机理关键经过与细胞壁结合、 与有机化合物形成金属螯合物及区域化分布等路径, 从而进行解毒; 现在已经普遍认为重金属在植物体内积累, 细胞水平上关键在液泡及质外体, 组织水平上关键在表皮细胞、 亚表皮细胞及表皮毛中。
3 镉毒害水稻防治路径
基于以上水稻受镉毒害生理效应和水稻镉吸收、 分配和积累规律分析, 很多研究认为, 采取农艺方法降低农作物对镉吸收及选育低积累镉品种对降低人类食品中镉含量效果很好。
3.1 降低土壤中镉有效性
水稻植株对镉吸收和积累量不是取决于土壤中全镉量, 而是决定于土壤中植物有效态镉含量。土壤 pH、 Eh、 CEC、 质地、 有机质等都会影响土壤中Cd 溶解度和移动性。
土壤pH值对镉有效性有着亲密关系, 通常能够在Cd污染土壤上施石灰或过磷酸钙等碱性物质来提升土壤pH值,降低镉毒害,但石灰用量增加到一定数量会影响水稻生长和产量,出现烧苗、 缺苗、 分蘖少现象。
土壤Eh值在很大程度上影响着植物对部分微量重金属元素吸收。伴随 Eh 值增大, 土壤中水溶性镉含量、 水稻吸收镉总量及地上部镉量随之增加。 通常能够控制土壤水分来调整 Eh值, 达成降低镉污染目。有机质是良好还原剂, 能够促进土壤中镉形成硫化镉, 不易被植物吸收。经过施用有机肥(堆肥、 厩肥、 尤其是猪厩肥、 植物秸秆等有机肥) ,增加土壤有机质, 有利于改良土壤胶体对重金属吸附能力, 为土壤镉提供络合、 螯合剂。
3.2 培育和选择抗镉或镉吸收低水稻品种
因为不一样水稻品种对镉积累能力差异很大, 这为选择优良品种提供了巨大空间。所以,应首先选择种植对镉吸收低或是能将镉固定在水稻根茎部品种, 这么就能够避免镉沿食物链进入人类。
3.3 植物修复
植物修复就是利用植物—微生物系统原位治理污染环境, 重金属植物修复技术包含植物提取、 根际过滤、 植物稳定和植物挥发。其中植物提取是最根本、 最有发展潜力技术, 其基础思绪是种植超积累植物于污染土壤中, 植物吸收重金属并将其转移到地上部。 收获植物, 焚烧后回收重金属, 降低土壤重金属含量, 从而实现治理目标。比如栽种蕨类植物可用来去除土壤中镉和锌; 另外有试验表明, 镉污染稻田种植苎麻5 a 后, 土壤中镉含量降低了27.56%。
4 结论
总而言之, 镉直接影响到水稻生产与人体健康问题。所以, 在无镉或低镉生产管理中, 不仅要重视防治技术上问题, 更需要大家高度关注, 强化环境管理, 严格控制或降低镉污染,才能有效地控制和治理镉在土壤中污染。

参考文件: 【1】曹仁林, 贾晓葵, 张建顺.镉污染水稻土防治研究[ J] .天津农林科技, 1999, ( 8) : 12- 17.
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