冉 烈，李會合

(重慶文理學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 永川 402168)

鎘(Cd)是生物毒性最強的重金屬元素，在環(huán)境中的化學(xué)活性強，移動性大，毒性持久，容易通過食物鏈的富集作用危及人類健康，對人體具有三致(致病、致癌、致突變)作用，能誘發(fā)腎衰變、關(guān)節(jié)炎、癌癥等?。?-2］.鎘易通過農(nóng)作物途徑進入人體造成毒害.世界衛(wèi)生組織(2003)和美國環(huán)保局(1994)規(guī)定人體Cd的最大允許攝入量(ADI值)均為 1μg·kg-1·d-1［3］.鎘是一種積累性的劇毒元素，人體某些器官中的鎘含量隨著年齡的增長而增加，對鎘的環(huán)境行為、污染防治等方面的研究一直受到廣泛關(guān)注［4-6］.本文綜述了土壤鎘污染現(xiàn)狀和鎘污染對人體健康及植物生理生化的影響，以期為土壤鎘污染修復(fù)治理提供參考.

1 土壤鎘污染現(xiàn)狀

鎘是一種稀有分散金屬，土壤中鎘的背景值取決于成土母質(zhì)，各類巖石中鎘的含量各不相同，平均值約為 0.1 ～0.2 mg/kg.全世界土壤鎘含量范圍為 0.01 ～2.00mg/kg，中值為 0.35mg/kg.我國41個土類Cd背景值差異較大，土壤類型不同，鎘含量也不相同，其含量變化范圍在0.017 ～ 0.332 mg/kg［7］.此外，我國各區(qū)域間土壤鎘的背景值也呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性:西部地區(qū)＞中部地區(qū)＞東部地區(qū);北方地區(qū)＞南方地區(qū).雖然各地區(qū)土壤中鎘的背景值有較大差異，但一般情況下自然存在的鎘不會對人類造成危害，而人為因素引入的鎘則會給人類帶來危害.土壤中的鎘分為可溶性和非水溶性兩大類，二者在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化.鎘在土壤中的化學(xué)形態(tài)多樣，和其它重金屬元素相比，鎘相對容易被植物吸收，其化學(xué)形態(tài)與其在植物體內(nèi)遷移能力大小有關(guān)，其活性還與土壤的氧化還原環(huán)境有關(guān)［8］.

環(huán)境中鎘主要來自自然形成和人為因素引入.前者主要來自大自然中的巖石和礦物，后者主要指通過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動直接或間接地將鎘排放到環(huán)境中.鎘常被用于電鍍、油漆著色劑、合金抗腐蝕和抗磨擦劑、塑料穩(wěn)定劑、光敏元件的制備以及電池生產(chǎn)等行業(yè)［9］.這些行業(yè)的發(fā)展必然導(dǎo)致大量的鎘進入土壤、水體和大氣環(huán)境［10-11］.此外，在鍍鋅的金屬、硫化的輪胎、磷肥和污泥中也夾雜著一定數(shù)量的鎘［12］.采礦業(yè)、冶金等工業(yè)廢水的不合理排放、工業(yè)污泥的農(nóng)田施用、污水灌溉及磷肥施用等都會造成土壤鎘累積.隨著我國工業(yè)的發(fā)展，由于化肥、農(nóng)藥和污泥的大量施用，工業(yè)廢水的排放和重金屬的大氣沉降的日益增加，農(nóng)田重金屬的含量明顯增加，土壤鎘污染狀況越來越嚴(yán)重.我國鎘污染的土壤面積已達(dá) 20 萬 km2，占總耕地面積的 1/6［13］.在大田作物中，農(nóng)產(chǎn)品的主要污染物為重金屬類，其中以鎘最為突出.土壤鎘污染造成我國水稻、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量下降，嚴(yán)重威脅人體健康，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［3］.2000年農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對14個省會城市2110個樣品的檢測表明，蔬菜中重金屬鎘等污染超標(biāo)率高達(dá)23.5%;南京郊區(qū)18個檢測點青菜葉樣分析表明，鎘含量全部超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，最多超過17倍.

據(jù)估計，過去50年中全球排放到環(huán)境中的Cd達(dá)到 2.20 ×104t、Cu 約 9.39 ×105t、Pb 為7.83 ×105t、Zn 為1.35 ×106t.我國農(nóng)田土壤鎘污染多數(shù)是由于引用工業(yè)污水灌溉造成的.據(jù)1993年中國環(huán)境狀況公報，全國工業(yè)廢水的排放量為219.5億t，污水灌溉農(nóng)田的面積3.3萬km2，平均污灌農(nóng)田年接納工業(yè)污水6645 t/hm2.根據(jù)有關(guān)部門的調(diào)查統(tǒng)計，目前我國工業(yè)企業(yè)年排放的未經(jīng)處理的污水達(dá)300～400億t，用這些工業(yè)污水灌溉農(nóng)田的面積占污灌總面積的45%，造成嚴(yán)重的重金屬污染［14］.何電源等在1987—1990年間對湖南省的農(nóng)田污染狀況進行了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn):農(nóng)田鎘污染主要來源于工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水，在各類鎘污染農(nóng)田中，5%～10%的面積減產(chǎn)嚴(yán)重.值得注意的是，我國鎘污染多數(shù)是由于灌溉用水不當(dāng)造成的，如引用工業(yè)污水.20世紀(jì)90年代初，我國污灌農(nóng)田已擴大到1.4 ×106hm2，由于引污灌溉，致使6.3 ×105hm2農(nóng)田遭受不同程度的污染，而鎘污染耕地達(dá)1.3 ×104hm2，土壤鎘含量為 2.5 ～23.0mg/kg，其中沈陽張士灌區(qū)有1067 hm2的土壤平均含鎘3 ～7 mg/kg，最高達(dá) 9.38 mg/kg，在重污染區(qū)表層土壤鎘含量高出底層土壤幾十甚至一千多倍［15］.

我國的土壤鎘污染涉及11個省市的25個地區(qū)，每年生產(chǎn)鎘米5.1×109kg.比如廣州郊區(qū)老污灌區(qū)土壤中鎘的含量高達(dá)228 mg/kg;沈陽市張士灌區(qū)農(nóng)田嚴(yán)重污染面積(可能產(chǎn)生稻米Cd 含量≥1.0mg/kg 的農(nóng)田)達(dá) 13%［16］;上海螞蟻浜地區(qū)被鎘污染的土壤平均含鎘量達(dá)21.48 mg/kg，最高值為130mg/kg.湖南株洲市清水塘地區(qū)農(nóng)田土壤Cd平均超標(biāo)25.7倍，最高135.3倍;Hg平均超過背景值 2.6倍，最高達(dá) 8.4倍［17］.據(jù)報道，目前我國污灌區(qū)有11處生產(chǎn)的大米中Cd含量嚴(yán)重超標(biāo).例如，江西省某縣多達(dá)44%的耕地遭到污染，并形成670 hm2的“鎘米”區(qū);成都東郊污灌區(qū)生產(chǎn)的大米中鎘含量高達(dá)1.65mg/kg，超過 WHO/FAO 標(biāo)準(zhǔn)約 7倍.土壤作物受鎘污染的地區(qū)還有:上海、廣東、廣西、湖南等地部分地區(qū)［18-19］.因此，如何降低土壤環(huán)境中鎘含量，減少其對農(nóng)作物產(chǎn)品的污染，保障生態(tài)系統(tǒng)尤其是人類健康已成為土壤植物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)交叉領(lǐng)域的國際研究前沿?zé)狳c和難點.

2 鎘污染的危害

2.1 鎘對人體健康的危害

鎘對人體健康會產(chǎn)生較大的危害，其侵入人體的方式主要是通過呼吸道和消化道.鎘非人體所必需的微量元素，其在新生兒體內(nèi)并不存在，但隨著年齡的增長，人體內(nèi)的鎘含量也會升高，50歲左右即使無職業(yè)接觸的人體內(nèi)含鎘量也可達(dá)到20 ～30μg/kg［20］.鎘對人體嚴(yán)重的毒害事件是20世紀(jì)50年代發(fā)生在日本神通川流域的骨痛病，主要是因為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民用鉛鋅冶煉廠的含鎘廢水灌溉稻田，使稻谷鎘含量嚴(yán)重超標(biāo)，人們長期食用鎘米造成的.“疼痛病”是十大公害病之一，其潛伏期較長，一般為10～30年，主要癥狀表現(xiàn)為背和腿疼痛、腹脹和消化不良等，嚴(yán)重者還會發(fā)生多發(fā)性病理性骨折.骨骼病變還會導(dǎo)致骨質(zhì)密度降低，表現(xiàn)出骨質(zhì)疏松等癥狀［21］.

鎘具有較強的致癌、致畸和致突變作用，對人體的毒害可以分為急性和慢性毒害兩種［20，22］.鎘的急性吸入毒害主要表現(xiàn)為肺損害，主要由職業(yè)性接觸高濃度鎘塵而導(dǎo)致的.吸入中等量的鎘蒸氣可引起鑄造熱，經(jīng)治療數(shù)天可愈.大量吸入鎘蒸氣后，在一定時間內(nèi)(4～10 h)會出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀，如咽喉干痛、干咳、胸悶、呼吸困難等，還可表現(xiàn)出頭暈、乏力、發(fā)熱等類似流感癥狀，嚴(yán)重者還會出現(xiàn)支氣管肺炎、肺水腫，最終導(dǎo)致死亡.死亡病例剖檢發(fā)現(xiàn)支氣管和肺部受損害嚴(yán)重［8］.鎘化合物可引起急性中毒，誤食鎘化合物經(jīng)10min至數(shù)小時潛伏期后，會出現(xiàn)急劇的胃腸刺激反應(yīng)(如惡心、腹瀉、腹痛等癥狀)，導(dǎo)致全身疲乏、肌肉酸痛和虛脫等.鎘慢性毒害包括對腎臟、骨骼、肝臟、心腦血管、生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、遺傳等一系列損傷［23］.

鎘與含羥基(-OH)、巰基(-SH)等多種基團的蛋白質(zhì)分子結(jié)合后生成的鎘-蛋白質(zhì)，能抑制許多酶系統(tǒng)，甚至使酶失去生物活性，導(dǎo)致腎、肝等器官中酶系統(tǒng)正常的生理功能受到破壞，從而影響人體對蛋白質(zhì)、脂肪以及糖類等營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，引發(fā)高血壓等多種疾?。?，25］.鎘可與鋅蛋白酶發(fā)生親合反應(yīng)，使那些需要鋅的酶的生理功能受到干擾，降低其生物活性，使人易患糖尿病等疾病，而且還會使人嚴(yán)重缺鋅，誘發(fā)多種癌癥［20］.

鎘還可以占據(jù)鈣離子通道并進入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡，還可干擾細(xì)胞內(nèi)與鈣相關(guān)的信息傳遞系統(tǒng)，產(chǎn)生細(xì)胞毒性［25-26］.研究資料表明［27］:鎘能破壞細(xì)胞之間的連接，鎘還會破壞細(xì)胞骨架的完整，損害細(xì)胞的功能.鎘與骨質(zhì)磷酸鈣發(fā)生親合反應(yīng)后，使骨骼嚴(yán)重缺鈣而變得疏松、軟化，最后帶來嚴(yán)重的骨損傷.

鎘可通過一些生化反應(yīng)置換出細(xì)胞內(nèi)的酶類金屬，使機體內(nèi)抗氧化酶的活性降低，導(dǎo)致機體清除自由基的能力下降，從而引起氧化損傷.鎘還可以使機體產(chǎn)生氧化自由基和過量的超氧化自由基［28］;也可引起炎癥反應(yīng)，產(chǎn)生氧化損傷，從而削弱機體抗氧化損傷的能力.鎘引起的氧化損傷已被看作為鎘引起癌變和細(xì)胞毒性的一個重要機制［29］.

鎘能影響細(xì)胞凋亡和增生的有關(guān)基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)，可以誘導(dǎo)許多早期應(yīng)激反應(yīng)基因的異常表達(dá);還可取代鋅，與鋅脂蛋白結(jié)合，從而影響細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控系統(tǒng)，最終使細(xì)胞凋亡［30］.

2.2 鎘對植物生理生化的影響

鎘會對植物生長產(chǎn)生不利的影響.鎘也是植物生長的非必需元素，當(dāng)植物體內(nèi)的鎘積累到一定程度時，植物就會表現(xiàn)出毒害癥狀，鎘毒害阻礙植物根系生長，抑制水分和養(yǎng)分的吸收，引起一系列生理代謝紊亂，如葉綠素、糖和蛋白質(zhì)合成受阻，光合強度下降和一些酶的活性改變，最終導(dǎo)致產(chǎn)量減少［31］.鎘在土壤植物系統(tǒng)中的遷移直接影響到植物的生理生化特征和生長發(fā)育，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì).目前對鎘毒害的研究主要集中在鎘對植物地上部分的影響方面，如:對植物的光合作用和蒸騰作用以及對植物產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的影響等方面［32-35］.

鎘首先破壞植物的根部，如傷害核仁、改變RNA合成、影響質(zhì)子泵的活性等.鎘可與酶活性中心或蛋白質(zhì)中巰基結(jié)合，還可取代金屬硫蛋白中的必需元素(Ca2+、Mg2+等)，導(dǎo)致必需元素的缺乏，從而干擾細(xì)胞正常代謝過程.鎘還可以使植物葉綠素酶活性增強，導(dǎo)致葉綠素分解速度加快和葉綠素含量降低，從而抑制植物的光合作用［36］.雖然鎘是植物非必需元素，但鎘是植物易累積的毒物，植物對鎘既可被動吸收也有代謝吸收［35］.鎘離子對某些化合物的巰基(-SH)具有很強的親合力，同時對蛋白質(zhì)的其它側(cè)鏈和磷酸鹽功能團也具有一定的親合力，從而使鎘易集中在植物的蛋白質(zhì)顆粒中，進而對動物和人體產(chǎn)生危害;鎘在植物體中主要以與蛋白質(zhì)結(jié)合的形態(tài)存在，通過干擾酶活性影響作物生長發(fā)育，造成植物生化過程紊亂，從而造成危害［32，34］.

鎘對植物的影響還表現(xiàn)在破壞水分平衡、降低光合速率、影響碳固定等方面［37］.鎘能增加線粒體H+的被動通透性，阻止線粒體氧化磷酸化作用［38］.高濃度鎘能使水稻幼苗吸收及分布K、Ca、Mg等營養(yǎng)元素減少，阻止葉綠素的形成，影響光合產(chǎn)物的運輸及加速葉片衰老和死亡［39］.鎘能大大減少H+、K+交換，抑制質(zhì)膜ATP酶及其他多種酶的活性，如葡萄糖2-6-2磷酸脫氫酶(G262PD)、谷氨酸脫氫酶(GDH)等.土壤鎘污染還會使植物體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等酶活性下降［40］，鎘還會抑制固氮酶、淀粉酶、蛋白酶、乳酸脫氫酶等的活性.以上結(jié)果表明，鎘對氮代謝、呼吸作用、碳水化合物代謝和核酸代謝等均有阻礙作用.丙二醛(MDA)的含量是反映脂質(zhì)過氧化作用強弱的一個重要指標(biāo).當(dāng)植物處于各種逆境脅迫或衰老時，其體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和消除的平衡受到破壞，使體內(nèi)活性氧含量增加，引發(fā)質(zhì)膜過氧化，從而導(dǎo)致植物生長異常.黎曉紅等(2007)［41］以不同 Cd2+濃度對土培小麥進行處理，分別在拔節(jié)、抽穗、灌漿初期以及灌漿中期，分析不同濃度Cd2+脅迫下活性氧及酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)的變化，結(jié)果表明，隨著小麥生育進程的變化，Cd2+脅迫使O2-、H2O2和 MDA 含量增加，且生育前期的增長量明顯大于后期;各生育時期的抗氧化酶和抗氧化物也出現(xiàn)不均衡變化;抽穗—拔節(jié)期間，SOD活性升高，CAT保持穩(wěn)定，酶促抗氧化系統(tǒng)對活性氧的清除作用顯著;灌漿期后，SOD、CAT活性均比對照有所下降，而抗壞血酸-谷胱甘肽氧化還原途徑中的APX、GR活性以及 AsA、GSH含量經(jīng)前期速降后，逐漸穩(wěn)定.

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