煙草重金屬及其修復(fù)措施研究進(jìn)展

許嘉陽(yáng)+宋鵬飛+劉春奎+賈瑋

摘 要：隨著重金屬污染問(wèn)題日趨突出，煙草的安全性也引起了人們的廣泛關(guān)注。該文介紹了煙草重金屬的來(lái)源、含量狀況、遷移和積累，分析了煙草對(duì)重金屬吸收積累的影響因素，并提出了治理重金屬污染的主要措施，旨在為煙草重金屬污染修復(fù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：煙草；重金屬；積累因素；修復(fù)措施

中圖分類號(hào) S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）17-29-04

Progress of Heavy Mentals and Restoration Measures in Tobacco

Xu Jiayang1 et al.

（1College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract：The security issue of tobacco had aroused public atttention widely with heavy mental pollution growing increasingly prominent within our surroundings. Contents of main heavy mentals in tobacco and the way they migrated，being absorded，accumulated as well as certain factors that might influence them were summarized in the article. Moreover，some feasible methods and measures were put forward aiming at providing some references for preventing and controlling heavy mental pollution in tobacco ecosystem.

Keywords：Tobacco；Heavy mental；Accumulation factors；Restoration measures

重金屬一般是指比重大于5的金屬元素，主要包括鉛、鎘、汞、鉻、銅、鋅、鎳等，已日益成為影響環(huán)境的主要污染物。由于重金屬?gòu)V泛分布于大氣、土壤和水中，嚴(yán)重威脅著農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。有研究表明，卷煙中的重金屬會(huì)隨著吸食過(guò)程進(jìn)入人體，在吸煙者體內(nèi)逐步積累，從而對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害。因此，分析煙草重金屬的來(lái)源、含量狀況、遷移和積累的影響因素，提出煙葉重金屬含量降低的有效措施，對(duì)控制煙草重金屬及卷煙重金屬殘留量具有重要的意義。

1 煙草重金屬的來(lái)源

重金屬的來(lái)源非常廣泛，大體上可以分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市3種來(lái)源[1]。工業(yè)能源大多以煤、石油類為主，是環(huán)境中汞、鉛、鎘、鉻、砷等重金屬污染的主要來(lái)源；農(nóng)業(yè)來(lái)源主要是指污水灌溉、農(nóng)藥、劣質(zhì)化肥等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不合理使用；城市來(lái)源主要包括污水處理中污泥的堆放、垃圾滲濾液的泄漏以及含鉛汽油的使用等。此外，大氣沉降也是導(dǎo)致土壤中重金屬的主要來(lái)源之一[2]，大氣中的大多數(shù)重金屬是經(jīng)自然沉降[3]和雨淋沉降進(jìn)入土壤的，然后經(jīng)由雨水淋濾及地表徑流作用轉(zhuǎn)移進(jìn)入地表水系統(tǒng)，從而對(duì)飲用水安全構(gòu)成威脅。

煙草重金屬來(lái)源主要包括2類：一是大氣中的重金屬可由煙葉表面吸收，二是土壤中的重金屬可由煙草根部吸收。煙葉原料中的重金屬主要源于土壤，卷煙中的重金屬也可源于加工中的香精香料、黏合劑和卷煙紙[4]。

2 煙草中重金屬的含量狀況

鎘廣泛存在于自然界，其在土壤中的含量表現(xiàn)為0.01～0.7mg/kg，在人體中的半衰期長(zhǎng)達(dá)10～30a[5]。煙草是鎘的富集植物，煙葉中重金屬富集系數(shù)表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>Pb>As，煙葉鎘的富集系數(shù)高達(dá)11.67，與其他作物相比其含量相對(duì)較高[6]。在卷煙抽吸過(guò)程中，鎘在煙氣中的遷移率與其他金屬元素相比較高，其平均轉(zhuǎn)移率高達(dá)10%，而砷、鎳、銅等的轉(zhuǎn)移率不足1%[7]。約有33%的鎘在卷煙燃燒過(guò)程中進(jìn)入煙氣，且煙氣鎘含量與卷煙中鎘總量的正相關(guān)達(dá)到顯著水平[8]。

大田烤煙鎘素含量約為0.5～5mg/kg[9]。我國(guó)烤煙主產(chǎn)區(qū)中部煙葉的鎘含量為2.95mg/kg，鎘含量低于4mg/kg的樣品占79.07%[10]。煙葉鎘含量在污染的植煙土壤中會(huì)顯著提高，例如，當(dāng)含鎘的城市污泥施入土壤以后，煙葉鎘含量可升高到70mg/kg[11]。

煙葉的鎘含量與地域分布密切相關(guān)。我國(guó)煙葉鎘含量在不同煙區(qū)之間的差異達(dá)到極顯著水平，平均鎘含量在不同產(chǎn)區(qū)之間甚至相差10倍以上[10]。對(duì)國(guó)外煙區(qū)的煙葉鎘含量進(jìn)行更大范圍的比較，加拿大煙葉的鎘含量最高，是美國(guó)的5倍[12]。我國(guó)云南和貴州煙葉鎘含量明顯高于其他省份[13]，貴州煙區(qū)由于磷礦石的鎘含量較高，煙葉鎘含量約為3.02mg/kg，為黃淮煙葉鎘含量的2.3倍。對(duì)來(lái)自我國(guó)20個(gè)主產(chǎn)煙區(qū)的497份烤煙樣品進(jìn)行分析，表明鎘、鉛、砷的平均含量分別為2.95、2.89和0.53mg/kg[14]。來(lái)自山東煙區(qū)的煙葉鎘、鉛、汞的平均含量相對(duì)較低，分別為0.46、0.76和0.027mg/kg[15]。云南曲靖煙區(qū)烤煙鉛、鉻、汞平均含量分別為4.15，1.78和0.050mg/kg[16]。綜上所述，我國(guó)煙葉重金屬含量在地區(qū)之間存在顯著差異；當(dāng)前我國(guó)烤煙的重金屬元素可能主要是鉛和鎘[14]；隨著地點(diǎn)和年份等生態(tài)環(huán)境的變化，煙葉重金屬積累也隨之發(fā)生變化[17]。

3 煙草中重金屬的積累和遷移

當(dāng)外源的重金屬污染物進(jìn)入土壤后，煙草可通過(guò)根系代謝吸收進(jìn)入根細(xì)胞，部分滯留于根中，部分通過(guò)胞間運(yùn)輸和蒸騰作用積累在莖、葉之中。

煙草不同部位重金屬含量及分配規(guī)律不同?，F(xiàn)蕾期各部位鎘的含量是葉>根>莖>種子，種子作為繁殖器官具有保護(hù)機(jī)制而避免對(duì)后代的毒害。成熟煙株煙葉中的鎘含量幾乎表現(xiàn)為均勻分布，以根中的含量最低；下部葉的鉛含量最低而根中最高。隨著煙株的生長(zhǎng)發(fā)育，其不同部位的重金屬含量相應(yīng)降低，這一變化規(guī)律與作物生長(zhǎng)的稀釋效應(yīng)原理相吻合[18]。在煙草各器官中，鎘吸收累積順序一般為葉或莖>根>種子，鉛吸收累積表現(xiàn)為根>莖>葉。基于不同重金屬處理，一般鎘、鉛吸收量占煙草總吸收量表現(xiàn)為：莖>葉>根。因此，絕大部分重金屬累積在煙草的莖葉中，尤以鎘元素最為明顯。汞在煙株中的富集規(guī)律為：根>莖>葉，且下部葉>中部葉>上部葉[19]。在鉻污染下，煙株各器官中鉻富集量均隨鉻處理濃度的增加而增加，以根中最高，莖中次之，葉中最低[20]。

轉(zhuǎn)移系數(shù)常用來(lái)表示作物對(duì)某元素轉(zhuǎn)移能力的強(qiáng)弱。鎘在煙草中的轉(zhuǎn)移系數(shù)為2.57～3.63，鉛的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.22～0.54，表明煙草對(duì)鎘的轉(zhuǎn)移能力明顯強(qiáng)于鉛[18]。在共存重金屬種類較多的情況下，以物理學(xué)吸附為主的鎘，其遷移系數(shù)逐漸增大，而以化學(xué)吸附占優(yōu)勢(shì)的鉛，其遷移系數(shù)逐漸減小[21]。多種重金屬共存可以促進(jìn)鎘向煙草地上部遷移，并抑止鉛向煙草葉部遷移[22]。雖然鉛能降低鎘在葉片中的累積，但卻會(huì)增加煙草根系中鎘的含量和比例[23]。汞不易在煙株中遷移[24]，一般下部煙葉汞的殘留量最大，生產(chǎn)上有必要打去外觀品質(zhì)低劣的腳葉。

4 影響煙草中重金屬吸收積累的因素

在影響煙葉重金屬吸收積累的因素中，土壤的影響最大且具有普遍性，氣候影響次之，而品種的影響相對(duì)較小[25]。煙田土壤鎘含量及其有效態(tài)含量與煙葉鎘含量的正相關(guān)均達(dá)到極顯著水平[26-27]。

4.1 土壤類型 煙葉重金屬的積累量因土壤類型不同而顯著不同。變性土中的烤煙鎘含量顯著高于淋溶土[28]。煙葉鎘含量與土壤pH的負(fù)相關(guān)達(dá)到顯著水平，當(dāng)土壤pH較低時(shí)煙葉鎘含量較高[29-30]。不少研究表明，土壤pH值與煙葉鎘、鉛、汞、鎳、錳、銅、鋅含量的負(fù)相關(guān)均達(dá)到顯著水平[16，31-33]，也有研究[29]認(rèn)為土壤pH升高對(duì)煙葉Cu或Pb含量無(wú)影響。另外，土壤有機(jī)質(zhì)含量與煙葉中鉛、鎘含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平[16]，說(shuō)明重金屬在土壤中的富集程度與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。土壤陽(yáng)離子交換量也會(huì)對(duì)煙葉重金屬的吸收產(chǎn)生影響。

4.2 施肥因素 有關(guān)施肥（特別是磷肥）對(duì)煙草重金屬積累影響的研究備受關(guān)注。在高磷處理下，煙葉鎘積累顯著高于低磷肥處理[33]。當(dāng)土壤中施用磷的濃度提高時(shí)，煙草中的鎘含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先降低后升高[24]。也有研究認(rèn)為煙葉鎘含量在大田施用磷肥和不施磷肥2個(gè)處理之間差異不顯著[28]。磷肥的施入量在不超過(guò)160kg/hm2時(shí)，對(duì)煙葉重金屬含量影響甚微[34]。除磷肥外，其他類肥料的施入也會(huì)對(duì)煙葉鎘含量產(chǎn)生影響。土壤中施入雞糞[35]和蚯蚓糞[36]對(duì)鎘的吸收有一定的抑制作用，而增加氮肥的施入量則會(huì)導(dǎo)致煙葉鎘積累量的升高[37]。

4.3 金屬離子 多元素復(fù)合的土壤污染相應(yīng)對(duì)煙株重金屬積累產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)[38]。鋅、鐵、鉛、鈣等金屬元素均能影響煙草對(duì)鎘的積累[23，39]，其中向土壤中施入鋅[23]、鐵和鉛[40-41]均能促進(jìn)煙草對(duì)鎘的吸收。Cd+Pb復(fù)合污染與單獨(dú)Cd污染處理相比較，前者的烤煙Cd含量在根中增加了11.7%，在莖中增加了19.9%，Pb對(duì)Cd積累具有較大的協(xié)同效應(yīng)[42]。在石灰性土壤中添加適量的磷可減輕鎘對(duì)煙草的危害[24]。

4.4 其他因素 影響煙草重金屬吸收與積累的其他因素還包括氣候條件、烤煙品種及土壤修復(fù)改良劑等[38]。不同年份相比較，有的年份從下部葉到上部葉，煙葉Pb和Cd的含量依次升高，有的年份則相反[2]，可能與降雨等氣候因素有關(guān)。盡管不同研究的結(jié)論有所出入[43]，但氣候環(huán)境因素是煙葉重金屬含量變化的重要影響因素。

就不同的烤煙和香料煙品種而言，煙草Pb和Cd的含量變化不大，但香料煙對(duì)Cd和Pb的吸收較低[44]。也有研究認(rèn)為品種對(duì)煙葉Pb含量的影響較大[45]，在不同部位之間的差異顯著。

土壤改良劑能降低烤煙對(duì)重金屬的吸收，不同土壤改良劑（活性炭、凹凸棒土、有機(jī)肥等）可以抑制烤煙對(duì)Pb和Cd的吸收，相應(yīng)降低了其在葉片中的含量[46]，改良效果表現(xiàn)為凹凸棒土>骨粉>活性炭[18，47]。

5 煙草重金屬污染治理的策略

控制煙葉重金屬積累已成為煙草農(nóng)業(yè)減害的研究熱點(diǎn)。為了從源頭阻斷重金屬進(jìn)入煙田的途徑，需要做好煙區(qū)土壤、水源重金屬含量的普查，加大煙草專用肥料的重金屬檢測(cè)力度，合理控制農(nóng)藥使用[48]。

5.1 建立科學(xué)的煙草種植布局 為了提高植煙土壤的安全性，需要從源頭控制重金屬向煙區(qū)的遷移。努力避免種植煙草于重金屬污染區(qū)域，特別是要禁止在重金屬的高污染區(qū)域種植煙草，這就需要通過(guò)重金屬的調(diào)查與監(jiān)測(cè)，建立科學(xué)的煙草種植區(qū)劃。

5.2 制訂規(guī)范的煙草施肥方案 為了保證煙草專用肥特別是磷肥專用肥的質(zhì)量，必需建立嚴(yán)格的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)體系和規(guī)范的施肥方案，最大限度地減少來(lái)自肥料中的重金屬。福建煙區(qū)使用的煙草肥料尚屬安全級(jí)別[49]，其As含量為限量標(biāo)準(zhǔn)的0.7%～24.0%，Cd為0.5%～2.1%，Hg為0%～4.8%，Pb為7.7%～50.6%。生產(chǎn)鈣鎂磷肥的礦渣可能含有較高含量的Cr，因而導(dǎo)致肥料偏高的Cr含量，需要引起高度重視[50]。

5.3 嚴(yán)格控制施用城市廢棄物 一些源于城市廢棄物的垃圾肥料可能導(dǎo)致土壤重金屬含量的急劇增加。煙葉中的Cd和Ni含量在施用垃圾肥料之后可明顯提高。為了降低煙草的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)杜絕城市垃圾肥的施用，并防止污水灌溉煙田。

5.4 通過(guò)農(nóng)藝措施改變煙葉重金屬的聚集 一些農(nóng)藝措施（包括土壤pH值調(diào)節(jié)、有機(jī)質(zhì)含量控制等）可通過(guò)改變土壤重金屬的活性程度，降低重金屬的富集。例如，土壤氧化還原電位可通過(guò)控制土壤的水分進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終減少重金屬污染；在重金屬污染的土壤上種植不進(jìn)入食物鏈的植物（苧麻），5a后土壤中含Cd平均降低27.6%[51]；把采摘后的烤煙根、莖集中處理，可提取土壤重金屬和防止二次污染[52]。

5.5 使用土壤改良修復(fù)劑 土壤修復(fù)劑可控制煙草重金屬的吸收，主要分為2類，其一是利用堿性物質(zhì)提高土壤pH值[53，54]，其二是可與重金屬專性結(jié)合的物質(zhì)（固化劑、化學(xué)試劑、天然礦物骨粉和活性炭等修復(fù)劑）[18，55-57]。另外，施用適量的黃腐酸可以增加砷在土壤中的殘留率，降低單株烤煙的砷含量[58]。盡管土壤修復(fù)技術(shù)確有降低煙草重金屬含量的效果，但對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)的影響還不甚了解，有待于田間試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

5.6 利用生物技術(shù)控制重金屬含量 基于抗重金屬基因工程原理和技術(shù)，通過(guò)金屬硫蛋白與鎘形成復(fù)合物，可在煙草中轉(zhuǎn)入動(dòng)物的金屬硫蛋白基因，使其在煙草根中固定而無(wú)法向地上部轉(zhuǎn)移，從而降低其表達(dá)產(chǎn)物中的鎘含量。將小鼠的金屬硫蛋白基因轉(zhuǎn)入白肋煙使葉片鎘含量下降了24%[59]。在煙草轉(zhuǎn)基因植株中轉(zhuǎn)入人類的金屬硫蛋白基因，可使煙草鎘含量大大降低[60]。在轉(zhuǎn)入金屬硫蛋白基因的煙株中，與對(duì)照相比較，煙株根系和莖中的鎘含量有所升高，而煙葉中的鎘含量下降了70%[61]。表明應(yīng)用生物技術(shù)控制煙葉重金屬的吸收積累具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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（責(zé)編：張長(zhǎng)青）