煙草中重金屬的分布·影響及控制措施

趙明香，保志娟

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，云南昆明 650201)

重金屬污染主要指Hg、Cd、Pb、Cr及類金屬As等生物毒性顯著的元素污染。其主要來源于“三廢”及農(nóng)藥和化肥的大量施用等。重金屬在長期積累過程中會傷害植物細(xì)胞膜，影響細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能，使光合作用、呼吸作用、生理生化活動受影響，從而影響植株的生長發(fā)育，最終影響產(chǎn)質(zhì)量[1-2]。煙草是重要的經(jīng)濟作物和特殊的食品，易吸收和富集重金屬，且重金屬過量會嚴(yán)重影響其產(chǎn)質(zhì)量。研究表明，每支卷煙中的As、Cd、Cr和Pb可分別達(dá)0.17、0.86、2.35和0.44 μg/g[3]。當(dāng)抽吸煙草成品時，煙葉中重金屬通過主流煙氣以氣溶膠或金屬氧化物的形式進(jìn)入人體，危害人體健康[4]。降低重金屬危害首先是研究煙草對重金屬元素的吸收和積累規(guī)律及重金屬對煙草的影響，從而采取有效措施進(jìn)行遏制。對此，筆者從重金屬在煙草中的分布、對煙草的影響及煙草中重金屬含量的控制措施3個方面進(jìn)行了綜述。

1 重金屬在煙草中的分布

1.1煙草中重金屬的吸收途徑重金屬在煙草中的吸收、積累或毒性程度是由總量、金屬離子性質(zhì)、形態(tài)、結(jié)合位點競爭、植物品種等多種因素決定。煙草吸收重金屬途徑大致可歸納為2條：一是煙株根系從土壤中吸收重金屬；二是煙葉通過呼吸作用、光合作用等從大氣中吸入重金屬。普遍認(rèn)為，煙葉重金屬的主要來源為途徑一[5]。大多數(shù)研究認(rèn)為，我國煙葉中的重金屬元素以Pb和Cd為主[6-8]。這可能是由于土壤中Cd污染更普遍，煙草主要通過根細(xì)胞吸收土壤中的Cd[9]。煙草根部對Cd的吸收累積量與莖葉中Cd的含量有明顯的正相關(guān)性，不同煙草品種對土壤中Cd的富集系數(shù)及向莖葉遷移轉(zhuǎn)化的能力(根莖比)有很大差異[10]。土壤酸度也會影響煙葉中重金屬的富集，若土壤pH越高，煙葉中Cd和Ni含量越低，且不同土壤pH煙草生長地間具有較大的差異性。此外，土壤有機碳有時也會影響煙葉對重金屬的吸收[11-12]。

另外，Miele等[13]研究發(fā)現(xiàn)，夏季降雨能夠沖洗大氣和中上部葉片上的重金屬，致使煙葉中Cd和Pb的含量下降，他們認(rèn)為煙葉重金屬的主要來源為大氣沉降。李義強等[14]通過分析我國部分煙葉產(chǎn)區(qū)土壤和煙葉重金屬現(xiàn)狀也證明大氣環(huán)境條件亦是影響煙葉富含金屬元素的重要因素之一。

1.2重金屬在不同器官、生育期和葉位間的分布重金屬在煙草中的累積受土壤特性、外在環(huán)境因素、人為方面的影響，不同重金屬在煙草中的分布在不同生育期、器官和葉位中有很大差別。大多數(shù)重金屬在煙草中多集中在根部，其次是莖葉中[2，15-18]。在無外源Hg脅迫下，煙草葉片吸收Hg顯著高于根和莖，但添加外源Hg時，煙草Hg含量表現(xiàn)為根、葉大于莖，且偏重葉儲存[2]。賀遠(yuǎn)等[16]研究認(rèn)為，無外源Cd時，各器官中Cd含量從大到小依次為根、莖、葉，加入Cd后，分布則變?yōu)槿~大于根和莖。

生長初期煙葉中Cd、Pb、As含量高于收獲期和中期，Cr表現(xiàn)為在生長中期積累。煙株在中期吸收Hg最多，其次為收獲期，初期吸收Hg最少[2]。隨著煙株生長，從團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾期各器官中Pb含量呈先降低后升高趨勢，而現(xiàn)蕾期到成熟期根部Pb含量逐漸下降[18]。

煙葉在成熟采收前，葉位間Cd含量從大到小依次為下部葉、中部葉、上部葉，積累規(guī)律為快速升高—快速降低—緩慢升高[16]。中部葉的Hg含量在生育后期最高[19]。常思敏等[20]研究認(rèn)為，葉片與葉脈中的As含量從大到小依次為莖、上部葉脈、中部葉脈、上部葉片、中部葉片(下部葉脈)、下部葉片。

1.3重金屬在煙株內(nèi)的形態(tài)分布重金屬的遷移、毒性與元素形態(tài)有密切關(guān)系。元素形態(tài)一般分為物理形態(tài)(如溶解態(tài)、顆粒狀和膠體態(tài)等)和化學(xué)形態(tài)(如元素的價態(tài)、結(jié)合態(tài)、聚合態(tài)及其結(jié)構(gòu)等)。目前的研究多集中于化學(xué)形態(tài)方面，尤其是重金屬元素的初級形態(tài)(不溶態(tài)和可溶態(tài))和次級形態(tài)(無機態(tài)和有機態(tài))分析[21]。重金屬難溶性結(jié)合態(tài)和自由態(tài)呈現(xiàn)一種相互制約的關(guān)系。雷麗萍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，耐Cd性煙草品種中難溶性Cd的磷酸鹽結(jié)合態(tài)及FNaCl的比例較敏感性品種高，說明根細(xì)胞束縛難溶性結(jié)合態(tài)時，降低了自由態(tài)向植株的遷移和轉(zhuǎn)運，這可能正是植株本身對脅迫產(chǎn)生耐性的機制之一。李彥娥等[23]也證實了這一觀點，他們采用土培試驗研究了煙草中的Cd形態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)根中FHAC分配比率占絕對優(yōu)勢，莖中FHAC降低，F(xiàn)NaCl增加，而在葉中，F(xiàn)NaCl提取態(tài)占絕對優(yōu)勢。葉片中的Cd多富集在蛋白質(zhì)周圍，這也是煙草葉Cd含量高于根、莖，而受害癥狀較根輕的原因之一。但賀遠(yuǎn)等[24]在Cd2+的水培試驗中發(fā)現(xiàn)，煙草根系中Cd以去離子水提取態(tài)為主，其次為醋酸提取態(tài)，葉片中Cd主要以醋酸結(jié)合態(tài)存在。Cd處理濃度升高時，煙草中Cd由活性弱的化學(xué)形態(tài)向活性強的形態(tài)轉(zhuǎn)化。李登科等[25-26]研究發(fā)現(xiàn)，煙草中Cr(VI)的含量高于Cr(Ⅲ)的含量，無機態(tài)的亞硒酸根與硒酸根含量較高，而有機態(tài)的硒中甲基硒代半胱氨酸含量相對較高。煙草中As含量低，且部分以低毒的二甲基砷酸和甲基砷酸形式存在[27]。

另外，植株吸收重金屬取決于金屬離子在溶液中的游離態(tài)活度大小。減少植株對重金屬的吸收可通過使用螯合劑EDTA等降低游離態(tài)離子的活度等途徑[28]。最近研究發(fā)現(xiàn)，植物螯合肽(PCs)及富含巰基的有機絡(luò)合劑可以明顯促進(jìn)植株木質(zhì)部的Cd向地上部分的運輸，但這種再分配機制(根比)與煙草基因型差異及Cd濃度有很大關(guān)系[11]。

1.4品種和地域因素對煙草累積重金屬的影響不同煙草類型和品種吸收積累重金屬的含量不同。香料煙較烤煙和白肋煙而言對Cd和Pb的吸收積累量低?？緹熤蠥s含量比白肋煙高，但Cd和Pb含量比白肋煙低[29]。蔡海林等[30]研究發(fā)現(xiàn)，基因蛋白活性差異是導(dǎo)致不同煙草品種Cd積累差異的重要原因。但有研究者發(fā)現(xiàn)，地域差異、環(huán)境變化影響對重金屬含量的差異比煙葉部位、品種造成的差異影響大。北方煙區(qū)的Pb和Cd含量低于南方煙區(qū)，可能是由于重金屬在酸性土壤中溶解度高，導(dǎo)致離子有效性較高[9]。

2 重金屬對煙草的影響

2.1對種子和葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響重金屬對煙草種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率影響存在劑量關(guān)系，不同重金屬的影響閾值不同。在Pb2+濃度為100 mg/L時無明顯影響，之后發(fā)芽勢和發(fā)芽率隨著Pb2+濃度的增加而降低，抑制作用逐漸加強[1]。Cd2+濃度大于16 mg/L時，煙草種子發(fā)芽率明顯受到抑制[31]。重金屬對煙葉葉肉細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)有較強的損傷和誘變作用，破壞煙草細(xì)胞膜選擇透性機能、細(xì)胞內(nèi)酶和代謝作用原有的區(qū)域性[4]。高濃度Cd2+(50 mmol/m3)可顯著降低細(xì)胞的成活性[32]。

2.2對煙草酶系統(tǒng)的影響重金屬離子進(jìn)入煙株后會與生物大分子上的活性點位或非活性點位結(jié)合[33]，改變生物大分子(酶)的生理代謝功能，使生理活動受限。馬新明等[34]研究表明，ATP酶活性隨著Cd2+濃度的升高而降低。在土壤中Pb2+濃度為150 mg/kg時，煙草根與葉中的ATP酶活性達(dá)到最大，此后隨著Pb2+濃度的升高而逐漸降低。重金屬脅迫下，活性氧自由基代謝失衡，MDA含量上升，膜脂過氧化程度加劇；SOD活性對重金屬存在劑量效應(yīng)，即低濃度促進(jìn)，高濃度抑制，而CAT活性逐漸降低，POD活性不斷增加。土壤中Pb和Hg存在著一定的協(xié)同作用，共同對葉綠素和POD活性產(chǎn)生影響[35]。

2.3對煙草光合作用和碳氮代謝的影響煙葉中的葉綠素含量、葉綠素a/b值會在重金屬脅迫時明顯降低，且光合結(jié)構(gòu)受到一定損傷。Cd 能破壞光合色素的合成，引起光合速率降低，影響PS Ⅱ活力，縮短有效光合作用時段[36]。且重金屬協(xié)同作用對光合作用的影響大于單一元素作用[37]。重金屬通過影響葡萄糖酶、淀粉酶等碳代謝相關(guān)酶的活性，最終影響糖類合成。Sigfridsson等[36]研究發(fā)現(xiàn)，Cd會抑制RuBP羧化酶活性，導(dǎo)致糖含量降低。隨著Cr濃度的升高，淀粉和可溶性糖含量呈明顯下降趨勢[17]。重金屬Cd和Cr能影響煙葉硝酸還原酶(NR)活性，減少氮的吸收及轉(zhuǎn)運，引起氮代謝變化，最終影響煙草品質(zhì)[17，38]。

2.4對煙草生長發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量的影響普遍認(rèn)為，煙草的生長在受到重金屬脅迫時，會表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象，不同重金屬元素表現(xiàn)出不同的濃度臨界點。Cd濃度超過一定閾值時會使植株矮小，葉面積系數(shù)下降，且褪綠，葉片蒸騰拉力大幅減小，導(dǎo)致植株對營養(yǎng)元素的吸收能力下降，明顯降低煙草植株體內(nèi)K、P、Ca等礦物質(zhì)含量[39-40]。并且隨著重金屬濃度的增大，煙草中脯氨酸含量增加，直接影響蛋白質(zhì)的含量變化[41]。煙草根系的生長對重金屬脅迫存在一定劑量關(guān)系，在一定范圍內(nèi)重金屬可增加根重，超過一定范圍，根尖損傷，根冠變短，根的生長和伸長變慢甚至停止，根長、鮮重和干重總趨勢均下降[42]。重金屬脅迫還會影響植株根系分泌物種類和數(shù)量，進(jìn)而使植物的解毒能力降低[43]。

3 控制措施

3.1對污染土壤進(jìn)行修復(fù)土壤重金屬治理修復(fù)途徑有2個：一是去除化，即將重金屬從土壤中轉(zhuǎn)移；二是穩(wěn)定化，即改變土壤中重金屬的形態(tài)和離子活度，降低毒性。目前，較有效的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)是施用土壤改良劑。常見的改良劑有無機改良劑(石灰、黏土礦物類、工業(yè)副產(chǎn)品類)、生物炭、有機肥、有益微生物制劑等。通過添加這些改良物可使植煙土壤中的環(huán)境發(fā)生變化，改變重金屬價態(tài)和活性，減少生物可利用部分，降低其在煙草中的移動性和毒性。Adamu等[12]釆用提高土壤pH的方法來降低煙葉中Cd和Ni的積累，但是該方法對Pb無影響。李玉磊等[44]研究發(fā)現(xiàn)，使用納米碳能降低土壤有效態(tài)Cd含量及煙葉中Cd含量。此外，也可以采用生物修復(fù)技術(shù)(植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動物修復(fù))等來降低土壤中的重金屬含量[45]。

3.2農(nóng)藝措施降低重金屬含量因不同類型、品種對重金屬的反應(yīng)不同，可根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件和田間管理技術(shù)選擇對重金屬具有高抗性、低積累性且優(yōu)質(zhì)的新品種進(jìn)行種植。也可以采用間作或輪作方式，把煙草與另一種重金屬吸附能力強的超富集植物一起進(jìn)行種植。饒智等[46]研究表明，在煙株旺長期，間作對土壤和煙葉中部分重金屬含量的影響差異顯著，間作青豆與甘薯控制Hg含量和間作紅薯與青豆控制Cd含量的效果較好。

重金屬會隨著磷肥施入量的增大而增加，有研究表明其對主要重金屬的貢獻(xiàn)率高達(dá)50%以上[47]。煙草專用肥中含有較多Cr和As，天然硫酸鉀鎂肥和磷肥含有較高的Cd[48]。碳酸鈣能顯著減少煙草根、莖、葉中的Cd積累量[49-50]。周乾[51]研究表明，不同配方重金屬營養(yǎng)劑能顯著降低下部煙葉重金屬Pb、Cd、Cu的含量。因此，掌握測土配方施肥、精準(zhǔn)施肥、合理施肥對降低煙草中的重金屬含量有重大意義。

3.3生物工程技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用生物技術(shù)降低重金屬是一個重要的研究方向。利用煙草植物螯合肽合成酶(ntpcs1)對Cd和As具有耐受性的特點，人們已利用該酶開發(fā)轉(zhuǎn)基因修復(fù)植物[52-54]。利用不同基因型對重金屬的積累與分配存在顯著差異，可篩選對重金屬有一定抗性的煙草新品種，但由于區(qū)域污染對烤煙重金屬的積累影響更大，品種篩選和種植控制重金屬含量的效果不佳。有研究表明[9]，通過生物技術(shù)改變煙草體內(nèi)的代謝基因可控制煙草葉片的重金屬含量，如利用轉(zhuǎn)金屬硫蛋白可以減少煙草對Cd的積累。土壤中的真菌及共生菌根對Cd的生物有效性有較大影響，如有些真菌的殘體可以作為土壤中Cd的有效吸附劑，從而降低土壤Cd的有效性[23]。金慧清等[55]采用鐮刀菌菌株YCEF005和棘殼孢菌菌株YCEF191等內(nèi)生菌劑能顯著減少煙葉中Cd2+、As3+、Pb2+的含量。劉宏玉[11]使用分離自煙草的4個株內(nèi)生真菌菌株處理后，煙草葉片中的Cd含量下降14.3%～27.1%。目前，由于內(nèi)生真菌處理煙苗的措施較復(fù)雜，該項技術(shù)還需要進(jìn)行優(yōu)化，才能向生產(chǎn)實際轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)語

煙草重金屬是影響煙葉安全性的重要因素之一。目前，關(guān)于重金屬對煙草的影響研究較多，但仍有很多領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究。

(1)目前大部分研究集中在煙草部位、器官對重金屬的吸收積累及劑量和效應(yīng)之間的相互作用，關(guān)于煙草是如何吸收重金屬及改變品質(zhì)的分子機制和途徑的研究甚少，如果清楚吸收分子機制，那么通過添加藥物等阻斷措施不失為一種很好的控制方法。

(2)當(dāng)前對重金屬在煙株中的分布研究主要集中在煙葉中重金屬的總量檢測方面，但對形態(tài)分布和不同形態(tài)對煙草的影響和煙氣轉(zhuǎn)移的研究較少[56]，而且多數(shù)研究僅局限于Cd。不同元素和重金屬作用，可能會加強或減緩重金屬對煙草的毒性，尤其對于有益元素和金屬元素的聯(lián)合作用研究也很少，這方面研究仍有待加強。

(3)利用生物技術(shù)降低煙草中的重金屬正在成為煙草減害研究中一個新的熱門課題，但很多科研成果僅處于實驗室階段，如何推廣應(yīng)用是亟待解決的問題。基因編輯技術(shù)是近年來發(fā)展起來的可以對基因組完成精確修飾的一種技術(shù)，它具有極其廣泛的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。目前，該項技術(shù)在煙草中的應(yīng)用不多，隨著煙草基因研究工作的推進(jìn)，利用基因編輯技術(shù)來控制煙草重金屬污染問題將是一大研究熱點。

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