環(huán)境中重金屬元素鎘概況

1、環(huán)境中重金屬元素鎘概 況,,,鎘污染現(xiàn)狀鎘削減措施研究趨勢(shì),我國(guó)土壤鎘污染現(xiàn)狀,我國(guó)有關(guān)農(nóng)田Cd污染的調(diào)查工作是20世紀(jì)70年代中、后期開(kāi)始的,但至今未見(jiàn)Cd污染總體狀況的資料報(bào)道。何電源等(1991)在1987—1990年間對(duì)湖南省的農(nóng)田污染狀況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn),農(nóng)田Cd污染主要來(lái)源于工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水,在各類Cd污染農(nóng)田中5%～10%的面積減產(chǎn)嚴(yán)重。90年代初,我國(guó)污灌農(nóng)田已擴(kuò)大到1.4×106公頃

2、。,續(xù)上：,Cd污染耕地涉及11個(gè)省市的25個(gè)地區(qū),每年生產(chǎn)鎘米(是指Ｃｄ含量超過(guò)ｍｇ/ｋｇ的糙米,長(zhǎng)期食用會(huì)引起骨痛病)5.0×107ｋｇ。如沈陽(yáng)市張士灌區(qū)因污灌使2533公頃農(nóng)田遭受Ｃｄ污染(土壤Ｃｄ含量≥1.0ｍｇ/ｋｇ),其中嚴(yán)重污染面積(可能產(chǎn)生的稻米Ｃｄ含量≥1.0ｍｇ/ｋｇ的農(nóng)田)占13%。 另外,作物受Ｃｄ污染導(dǎo)致“鎘米”的地區(qū)還有:上海的沙川灌區(qū)、廣東的廣州和韶關(guān)地區(qū)、廣西的陽(yáng)朔、湖南的衡陽(yáng)等。,1 土壤

3、中Cd的來(lái)源 、含量及分布,Cd是一種稀有分散元素。地殼中鎘平均量0.15 mg/kg。未污染土壤中Cd主要來(lái)源于其成土母質(zhì)。在世界范圍內(nèi),土壤中Cd的含量范圍為0.01～2mg/kg，中值為0.35mg/kg。日本和英國(guó)土壤的背景值分別為0.413mg/kg和0.62mg/kg,我國(guó)土壤的背景值為0.017～0.33mg/kg。,1.1主要地球貯庫(kù)中鎘的含量及殘留時(shí)間,,幾類巖石中鎘,沉積巖1.167mg/kg;皂土1.4

4、;泥灰?guī)r2.6變質(zhì)巖0.46mg/kg; 石榴石片巖1火成巖<0.22mg/kg；玄武巖0.22,主要礦物中的鎘,閃鋅礦2%；硫鎘礦、方硫鎘礦77.8%；氧化鎘礦87.5%；菱鎘礦65.18%；其它礦類幾~幾千mg/kg。,農(nóng)業(yè)土壤中鎘的輸入與輸出,1.2典型農(nóng)業(yè)土壤中鎘的含量,我國(guó)不同類型土壤中鎘含量,1棕壤；2褐土；3黃棕壤；4棕色石灰土； 5紅色石灰土,部分國(guó)家和地區(qū)土壤鎘標(biāo)準(zhǔn),稻草樣本重

5、金屬含量抽查mg/kg,白云石粉中重金屬含量mg/kg,施磷帶來(lái)鎘污染,部分國(guó)家和地區(qū)磷礦（肥）鎘含量,1.3我國(guó)煙田土壤重金屬含量mg/kg變幅,1.4鎘在土壤層次中的分布,同一類土壤中，重金屬在土壤層次中的分布是表層>>中下層。這主要由于有表層生物富集或外來(lái)廢物污染（污灌、污施等）引起。施用化肥、農(nóng)藥也會(huì)造成Cd的污染。據(jù)調(diào)查,廣州市施用磷肥、石灰的Cd含量為2～3mg/kg,而澳大利亞施用的過(guò)磷酸鈣含Cd達(dá)38～48

6、mg/kg 。在沈陽(yáng)張士灌區(qū)土壤中,經(jīng)污灌進(jìn)入土壤中的Cd的56.33%累積于土壤的表層,去表土15cm,可使稻米中的Cd下降50%。,鎘在土壤層次中的分布,土壤中重金屬的形態(tài),土壤中重金屬的形態(tài)分為:可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)硫化物態(tài)和殘留態(tài)。形態(tài)受土壤組分及其土壤化學(xué)行為影響,各形態(tài)之間處于動(dòng)態(tài)平衡中。研究結(jié)果表明,隨著土壤總Cd含量增加,殘?jiān)鼞B(tài)百分率減少,交換態(tài)百分率顯著上升,這說(shuō)明土壤Cd污染越重,非殘?jiān)鼞B(tài)

7、的相對(duì)含量越高,將相對(duì)增加Cd的毒性。,土壤中重金屬鎘的形態(tài)及關(guān)系,2　Cd在植物體內(nèi)的積累、分布,2.1積累不同植物對(duì)Cd的吸收、積累效應(yīng)差異很大。木本植物對(duì)土壤中Cd的生物積累較高,；有些蕨類其葉部Cd含量可高達(dá)1200mg/kg,是富集Cd最強(qiáng)的植物類型之一。水稻等大田農(nóng)作物也易吸收土壤中的Cd。有報(bào)道,當(dāng)土壤含Cd量為2.21mg/kg時(shí),糙米中Cd即達(dá)2.64mg/kg。而國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大米中鎘允許量為：小于或等于0.

8、2mg/kg(GB-238-84)。,2.2分布,水稻的根、莖葉、糙米中Cd的比例為 80∶5∶1,而楊樹(shù)則可將根部吸收Cd的一半運(yùn)轉(zhuǎn)至地上部。一般來(lái)說(shuō),Cd在植物體內(nèi)的分布是根>莖>葉>籽實(shí)。Cd集中在根部可能與Cd和根內(nèi)蛋白質(zhì)、糖、核酸等有機(jī)物化合成為穩(wěn)定的大分子或不溶性有機(jī)大分子而沉積下來(lái)有關(guān)。,鎘在植物體內(nèi)的分布,作物不同部位鎘的分布,我國(guó)煙葉中5元素含量及變幅單位：mg/kg,Cd在細(xì)胞中的分布,

9、近十來(lái)年不少學(xué)者研究報(bào)道, 根所吸收的重金屬中有70%～90%累集在根尖細(xì)胞壁上。楊居榮等1993年的研究表明,Cd在黃瓜、菠菜中的可溶成分所占比例較大,為45%～69%,沉積于細(xì)胞壁的成分占2.5%～21.0%,而Pb有77%～89%沉積于細(xì)胞壁上,可溶成分只占0.2%～3.8%。,3 Cd對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,3.1Cd毒害癥狀：生長(zhǎng)遲緩、植株矮小、退綠、產(chǎn)量下降等。例如,大麥?zhǔn)蹸d污染后,種子的萌發(fā)率、根生長(zhǎng)速率下降,且隨處理濃度增大

10、和時(shí)間延長(zhǎng)而加劇。Cd對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,還與生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)期有關(guān)。例如,在水稻幼穗分化之前,Cd主要降低光合力；在幼穗分化至抽穗期,主要抑制生殖器官分化,造成穎花敗育；抽穗期后,Cd則主要干擾體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移和再分配。,3.2　Cd對(duì)細(xì)胞分裂的影響及遺傳毒害,Cd能引起細(xì)胞分裂出現(xiàn)障礙或不正常分裂,表現(xiàn)為細(xì)胞分裂周期延長(zhǎng),產(chǎn)生染色體斷裂、畸變、粘連和液化等。Cd能與帶負(fù)電的核酸結(jié)合,破壞核仁結(jié)構(gòu),抑制DNase和RNase活性,并使植

11、物體DNA合成受阻。,3.3　Cd對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響,低濃度的Cd可使葉綠體基粒垛疊減少,線粒體內(nèi)腔嵴突減少或消失;高濃度的Cd可使葉綠體垛疊無(wú)規(guī)律、膜系統(tǒng)潰解,使線粒體腫脹、潰解。葉綠體的破壞與Cd沉積在類囊體上與膜上蛋白體結(jié)合，破壞葉綠體酶系統(tǒng)和阻礙葉綠體合成有關(guān)。線粒體結(jié)構(gòu)的改變是由于Cd抑制線粒體膜上ATP酶的活性所引起。,Cd對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響,無(wú)Cd正常細(xì)胞,受Cd害細(xì)胞,3.4　Cd對(duì)細(xì)胞膜透性的影響,80年代中期

12、以來(lái)的一些試驗(yàn)結(jié)果表明：Cd對(duì)細(xì)胞膜有嚴(yán)重破壞作用,使得細(xì)胞膜透性增加。植物細(xì)胞膜透性與Cd濃度呈極顯著正相關(guān)。Cd導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化加劇 。,3.5　Cd對(duì)植物體保護(hù)酶活性的影響,超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要酶類,被統(tǒng)稱為植物保護(hù)酶系統(tǒng)。當(dāng)植物受Cd污染后, Cd污染可引起SOD、POD和CAT活性下降。,,Cd對(duì)植物的傷害是多方面的,相應(yīng)地植物采取多方面的策略來(lái)抵抗或減

13、弱Cd脅迫的程度,如固定化、區(qū)域化及合成植物螯合肽、金屬硫蛋白、應(yīng)激蛋白、應(yīng)激乙烯等。,土壤鎘與大米鎘的關(guān)系,,鎘對(duì)人體的毒性,糧食作物是鎘進(jìn)入食物鏈的主要途徑，土壤鎘與米中鎘有良好的正相關(guān)，因而土壤鎘污染產(chǎn)生的影響是全球性的。鎘是一種積累性毒素，人體腎皮質(zhì)是鎘作用的靶器官。腎皮質(zhì)鎘濃度達(dá)到200mg/kg時(shí)，會(huì)引起多種癥狀的腎機(jī)能失調(diào)，如腎小管壞死，蛋白尿癥等。,2鎘污染的削減措施,1化控途徑2生控途徑3農(nóng)業(yè)措施4工程及其它措施

14、,1化學(xué)控鎘,施石灰對(duì)土壤中水溶態(tài)鎘的影響,施石灰對(duì)土壤中交換態(tài)鎘的影響,,,有機(jī)酸對(duì)鎘毒害的抑制,有機(jī)酸對(duì)鎘毒害的抑制,2生物控鎘,2.1富鎘莧科作物（野生莧）富集鎘的能力特強(qiáng)，種一季可使土壤鎘下降29.49mg/m2。2.2綠肥植物無(wú)葉紫花苕子能富集Pb、Zn; 香根草、苧麻對(duì)土鎘的吸收力很強(qiáng)。 收獲后不要還田，要集中消毀。,世界各地發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物,幾種異常積累植物外觀,幾種異常積累植物外觀,利用苧麻改良鎘污染農(nóng)田,

15、利用苧麻改良鎘污染農(nóng)田,利用植物根系削減水體中鎘,植物在水體中對(duì)鎘的積累效果明顯優(yōu)于在土壤中的積累效果。David E 注意到利用普通作物的根過(guò)濾作用 ，將向日葵浸入實(shí)驗(yàn)水體中僅24h，水體中鎘濃度可由1000ug/L 降低到 200ug/L，顯示出利用植物根部可快速削減水體中毒害性重金屬元素鎘。,利用植物根系削減水體中鎘,利用植物根系削減水體中鎘,3農(nóng)業(yè)措施,3.1源頭控制，重類金屬污染的主要源頭之一是礦質(zhì)肥（尤其磷肥）和劣質(zhì)農(nóng)業(yè)化學(xué)

16、品（含有的農(nóng)藥），因而對(duì)新來(lái)源的磷肥等農(nóng)業(yè)化學(xué)品要把好源頭檢測(cè)關(guān)。3.2增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥提高土壤環(huán)境容量，有機(jī)質(zhì)可增加土壤膠體對(duì)污染物的吸附吸收能力。在淹水還原條件下，可促使鎘還原，減少毒性。3.3品種選擇，不同品種對(duì)重金屬吸收差別很大，可選用對(duì)鎘親合力小的新品種。3.4培植擴(kuò)大根系統(tǒng),加大根系截獲量,收獲后全層清理根系,將有效削減土壤中鎘量。 3.5加深耕層,還可以讓鎘從土壤向下層淋失。,4工程及其它措施,電化學(xué)措施客土措施

17、規(guī)避措施等等,鎘污染土壤生物修復(fù)展望1,應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)將超積累植物的相關(guān)基因克隆,然后轉(zhuǎn)移到生物量較大的植物或作物體內(nèi),培養(yǎng)出新的超積累植物品種,將其應(yīng)用到污染土壤的修復(fù)上,必將大大提高對(duì)污染土壤的修復(fù)能力,減少重金屬在食物鏈中的積累。,鎘污染土壤生物修復(fù)展望2,與超積累植物相反,篩選以體外抗性為主導(dǎo)機(jī)制的重金屬排異植物,特別是農(nóng)作物,減少其向可食用部位轉(zhuǎn)移,降低在食物鏈中的數(shù)量,對(duì)于人類尋找既對(duì)污染物有較高的抗性,又能保證生物產(chǎn)品具

18、有較高的安全性的作物種,這將為污染土壤的再利用提供一種嶄新的途徑。,鎘污染土壤生物修復(fù)展望3,化害為利、以毒攻毒，新物質(zhì)開(kāi)發(fā)利用,本講小結(jié)：,1本講敘述了環(huán)境中尤其土壤植物系統(tǒng)中重金屬鎘的含量、形態(tài)及分布。由于有生物富集，在生物量集中區(qū)，鎘分布量較集中；生物小循環(huán)使鎘在土壤植物系統(tǒng)中積累增多，人類采礦、冶煉、污灌污施加劇了這一過(guò)程。農(nóng)業(yè)土壤中鎘量偏高的所涉范圍較大，加強(qiáng)鎘削減的研究意義重大。2對(duì)重金屬異常積累的植物（作物）及排異植物（