煙草重金屬污染及其防控措施研究進展

曾德武，李 帆，趙建武，朱開林，裴曉東

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煙草重金屬污染及其防控措施研究進展

曾德武，李 帆，趙建武，朱開林，裴曉東

（長沙市煙草公司瀏陽市分公司，湖南 瀏陽 410300）

探討了重金屬污染對煙草生長發(fā)育、煙葉品質(zhì)、生理代謝及細胞結(jié)構(gòu)等方面的影響，闡述了煙草對重金屬的轉(zhuǎn)運及分布規(guī)律，并對防控修復(fù)措施及未來研究方向提出了建議。

重金屬；污染；煙草；生長；煙葉；品質(zhì)；防控措施

煙草作為一種重要的經(jīng)濟作物，其品質(zhì)提高、無公害生產(chǎn)一直是煙草行業(yè)研究的重點[1-2]。重金屬含量過高的煙草植株，不僅其生長發(fā)育和產(chǎn)量會受到較大影響，煙葉品質(zhì)也會明顯降低[3-5]，對吸煙人群健康造成更大威脅。隨著人們對“吸煙與健康”的日益關(guān)注，煙葉安全性問題越來越受重視，其中煙草與重金屬的關(guān)系研究已成為國內(nèi)外煙草研究的熱點之一[6-7]。目前研究較多的重金屬，主要包括重金屬元素汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）以及類金屬元素砷（As）等[8-9]。近年來，眾多科研工作者針對重金屬對煙草生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響及如何降低煙草重金屬含量等課題做了大量研究?；诖耍覀冊诖讼到y(tǒng)闡述重金屬影響煙草生長的作用機理，并提出防控措施，為煙草重金屬防治提供一定的依據(jù)。

1 重金屬對煙草生長和煙葉品質(zhì)的影響及其作用機理

1.1 重金屬對煙草表觀形態(tài)及煙葉品質(zhì)的影響

煙草吸收的重金屬會直接影響植株體內(nèi)的生理代謝過程，最終在煙草的表觀形態(tài)上表現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)為葉綠素含量、葉片數(shù)量、地上及地下部生物累積量降低等[10-13]。

在品質(zhì)方面，煙草攝入過多重金屬會影響煙葉的煙堿、還原糖及蛋白質(zhì)含量[14-16]。煙堿含量是煙葉品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)其含量增加有利于煙葉品質(zhì)提高。Cd污染會降低煙葉煙堿含量，其可能原因是根合成煙堿途徑或者煙堿向葉片轉(zhuǎn)運過程受阻。另外，煙葉中可溶性糖對Cd、Pb的污染極為敏感，輕度污染就會導(dǎo)致其含量明顯下降，這可能是由于葉綠體被破壞，光合作用受阻引起的[17]。重金屬會導(dǎo)致烤煙煙葉中糖堿比和氮堿比升高，化學(xué)成分組成失衡，品質(zhì)受到影響[18]。煙葉的氨基酸、蛋白質(zhì)含量與煙草品質(zhì)呈一定的負相關(guān)關(guān)系，含量過高會降低煙葉品質(zhì)，燃吸時會產(chǎn)生苦澀、辛辣味。研究表明[19]，Cd的存在會提高煙葉蛋白質(zhì)、氨基酸含量，煙葉品質(zhì)有所下降。

1.2 重金屬對煙草生理代謝及細胞結(jié)構(gòu)的影響

陸寧等[20]采用盆栽試驗研究了鉻（Cr3+）濃度梯度對烤煙生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，烤煙植株的根系活力、葉片保護性酶活性隨著鉻濃度升高呈下降趨勢，而根葉細胞膜透性及葉片丙二醛含量呈增加趨勢，因此，高鉻環(huán)境不僅影響正常的生理代謝過程，更會對其細胞產(chǎn)生毒害作用。曹毅等[21]發(fā)現(xiàn)，隨著汞（Hg2+）濃度的增加，烤煙葉片保護酶活性、根葉細胞膜透性及根系活力下降，其中烤煙葉片過氧化氫酶（CAT）活性與汞濃度極顯著負相關(guān)，可視為汞污染的特異性生理指示指標(biāo)。葉片是植物進行光合作用的主要器官，其中葉綠體是光合作用的主要場所，很多研究表明，過量重金屬會破壞煙草的光合系統(tǒng)，包括葉綠素含量降低、葉綠素a/b值減小等[22-23]。

重金屬含量過高會干擾植物體內(nèi)酶活性甚至完全失活，從而影響植株正常生理代謝過程。煙草活性氧酶清除系統(tǒng)主要包括過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等。研究表明，重金屬會改變活性氧清除系統(tǒng)中酶的比例，植株體內(nèi)內(nèi)源活性氧的清除功能降低，致使O2、H2O2、OH-等基團的大量累積，影響細胞正常代謝活動甚至產(chǎn)生毒害作用[24]。POD-H2O2分解系統(tǒng)參與了葉綠素的降解，隨著Cd濃度增加，POD活性相應(yīng)增加，但葉綠素含量、葉綠素a/b值卻減少[25]。SOD是減少氧自由基對細胞膜造成傷害的防護酶，在清除超氧自由基中扮演著極其重要的角色，當(dāng)重金屬過高產(chǎn)生的自由基超過了SOD的清除極限時，SOD酶活則會急劇下降[26]。此外，硝酸還原酶（NR）是氮代謝過程中關(guān)鍵酶，在煙草中其活性與煙葉煙堿含量呈正相關(guān)關(guān)系，重金屬污染會顯著影響煙葉硝酸還原酶的活性，影響烤煙的正常氮素代謝，從而影響煙草的產(chǎn)量和品質(zhì)[27]。

過量的重金屬攝入會導(dǎo)致植物細胞膜透性增大，細胞亞顯微結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。相關(guān)研究結(jié)果表明，Cd污染導(dǎo)致葉肉細胞細胞核、葉綠體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)畸形，線粒體脊消失產(chǎn)生空泡化，細胞器膜結(jié)構(gòu)破壞等[28]。Pb對煙葉細胞亞顯微的危害程度要低于Cd，但其仍對Pb污染比較敏感，主要表現(xiàn)為物理傷害[29]。

1.3 非重金屬-重金屬及重金屬聯(lián)合作用對煙草的影響

自然界中單個重金屬污染較少，主要表現(xiàn)為多種重金屬聯(lián)合作用。重金屬聯(lián)合作用又表現(xiàn)為非重金屬-重金屬作用、重金屬交互作用，其結(jié)果表現(xiàn)為加強或減緩重金屬對煙草的毒性，作用形式主要有協(xié)同作用、拮抗作用、加合作用等[30]。

1.3.1 非重金屬-重金屬元素對煙草生長的影響 在一定程度上，鈣離子能夠減緩鎘對煙草植株的毒性，但對應(yīng)地，鈣離子可以增加鎘脅迫環(huán)境下煙草植株中鎘的積累[31]，可見，鈣離子雖然增強了煙草對鎘的適應(yīng)能力，但卻增加了鎘吸收量，這是不利于煙草安全生產(chǎn)的。相對來講，非金屬元素-重金屬元素聯(lián)合作用對煙草生長的研究較少，在該方面有待深入研究。

1.3.2 重金屬交互作用對煙草生長的影響 與單個重金屬污染相比，重金屬復(fù)合污染對煙草生長的抑制作用往往更為明顯。米艷華等[32]研究表明，重金屬復(fù)合污染會降低烤煙株高、葉片數(shù)及生物累積量，其生物產(chǎn)量減少幅度表現(xiàn)為：As+Cd+Pb > Cd+Pb > As+Pb > As+Cd > As > Pb > Cd。譚光群等[33]發(fā)現(xiàn)，土壤Zn含量處于較低水平時，Pb-Zn聯(lián)合作用導(dǎo)致煙草地上部Pb累積量增加，而在土壤Zn含量較高時，煙草各部位Pb含量顯著降低。煙葉吸收的鎘隨土壤鋅含量增高有所下降，兩者表現(xiàn)為較強的拮抗作用[34]。

土壤中的Pb、As對Cd在煙株中的積累表現(xiàn)為協(xié)同作用，土壤中的Cd對Pb在煙株中表現(xiàn)為拮抗作用，而As和Pb在土壤中為沉淀鈍化作用?？緹熤仓曛械腁s、Cd含量分別與土壤中的As、Cd含量呈顯著或極顯著相關(guān)，而煙株體內(nèi)的Pb含量除與土壤中的Pb含量呈極顯著相關(guān)外，還與土壤中的As含量呈顯著相關(guān)[33]。

2 煙草重金屬污染源及其吸收、轉(zhuǎn)運和分布

2.1 煙草重金屬的污染情況及影響因素

煙草對Cd富集能力較強，其次為Hg，而對Pb、Cr、As的富集能力相對較弱[32]。郎思曼等[35]也報道，鎘和鉛很可能是當(dāng)前我國烤煙葉中主要的重金屬元素。與其他重金屬相比，鎘污染在土壤中更為普遍，這可能是由于鎘較強的遷移能力、生物有效性所決定的。蕭蘊英等[36]報道，每支香煙中的汞、鎘分別以納克、微克計量單位來計算的，鎘在香煙中含量要大于汞。

李玉美等[37]測定了貴州省4個主要煙區(qū)土壤和煙草重金屬（Cd、Hg、As、Pb）含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各地土壤和煙葉中Cd含量普遍較高，其他3種重金屬在土壤和煙草中有一定累積但未超標(biāo)。研究表明，煙葉鎘含量與土壤鎘含量有著直接關(guān)系[38]，而鉛在土壤中主要以凝結(jié)狀態(tài)存在，植物根系吸收較少，其主要通過葉片從大氣吸收。鉛在植株中的含量以葉最高，其次是根莖類、果類。食品中鉛含量調(diào)查顯示，公路兩側(cè)作物鉛含量遠高于遠離公路的作物，說明大氣中的鉛含量與農(nóng)作物鉛含量直接相關(guān)。

與未污染地區(qū)相比，污染地區(qū)重金屬總量、各形態(tài)含量特別是可吸收態(tài)部分均明顯增加[39]。植物可吸收的重金屬只占土壤重金屬極少部分，其含量與土壤理化環(huán)境關(guān)系密切。就地域而言，南方煙葉的重金屬含量普遍高于北方，這可能是由于酸性土壤下重金屬溶解性較高，導(dǎo)致植物可吸收有效態(tài)重金屬較多所導(dǎo)致的[40]。不同類型土壤重金屬含量及有效性又有所差異，楊欣等[41]發(fā)現(xiàn)，外源鉛、鎘在水稻土、紅壤中交換態(tài)含量、移動性及生物有效性要高于褐土和黃壤，這可能與各類型土壤的pH有關(guān)。在土壤因素中，煙葉重金屬含量與交換性重金屬，有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH呈負相關(guān)[35]。砷在土壤中以無機態(tài)存在，主要有As3+和As5+兩種價態(tài)，而As3+是有毒的，土壤中氧化還原電位的變化會影響這兩種形態(tài)的含量[42]。

2.2 重金屬在煙草植株中累積分配

煙葉中重金屬含量隨煙株生長降低，累積量則呈“S”形曲線增加。煙草植株不同部位重金屬累積量有所不同。Pb、Cr、As在各煙草器官的分配規(guī)律為根系＞葉＞莖[43]，Hg為根＞莖＞葉[44]，Cd則表現(xiàn)為葉＞莖＞根，說明鎘在煙株內(nèi)具有很強的轉(zhuǎn)移能力。不同重金屬在煙草體內(nèi)轉(zhuǎn)移能力不同，Cd在煙株中的遷移能力大于As和Pb。吳玉萍等[45]研究也發(fā)現(xiàn)，煙株吸收的Cd大多轉(zhuǎn)運至地上部，其中80%以上分布在煙葉中，只有少部分累積于根部。

在煙葉中，Pb、As、Hg、Cr含量為下部葉＞中部葉＞上部葉[46]，Cd則表現(xiàn)為上部葉＞中部葉＞下部葉[47]，由此說明相比于其他重金屬，Cd在煙株體內(nèi)移動性較高，這也解釋了煙草易富集鎘的原因。劉芳等[48]研究表明，重金屬在較低濃度時，煙葉重金屬殘留量表現(xiàn)出下部葉＞中部葉＞上部葉的規(guī)律，隨重金屬復(fù)合處理濃度升高，上部煙葉重金屬殘留比例增大，中部煙葉其比例逐漸減少，下部煙葉其比例基本不變。

3 煙草重金屬污染防控修復(fù)措施

煙草重金屬防治方法較多，大體上可分為從源頭上控制、重金屬活性改良兩方面。從源頭上控制重金屬，主要是加強對有機肥、煙草專用肥等常用肥料的重金屬監(jiān)測力度，合理控制農(nóng)藥施用量，這對降低煙葉重金屬殘留至關(guān)重要。磷肥的施入會增加土壤中重金屬的含量，其對主要重金屬的貢獻率甚至達50% 以上[49]；煙草專用肥則含有較多的是Cr和As；餅肥則是Cu和Zn的主要攜帶者；天然硫酸鉀鎂肥和磷肥中Cd含量相對較高[50]。因此有必要加強肥料中重金屬含量的監(jiān)控。另一方面，科研工作者也曾試圖通過品種篩選來控制煙葉重金屬含量，但效果不是很好，通過現(xiàn)代生物手段來減少煙草對重金屬的吸收將是以后重要的一個研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)，將金屬硫蛋白基因轉(zhuǎn)入煙草獲得轉(zhuǎn)基因煙株，葉片中的Cd含量顯著降低[51]。

施用改良劑是降低土壤重金屬污染的一種有效手段，分為無機和有機改良劑，主要通過離子交換、吸附、表面絡(luò)合和沉淀作用，降低重金屬有效性，減少作物對重金屬的吸收[52]。無機改良劑主要包括石灰、熟石灰、磷肥、粘土礦物等，有機改良劑則以有機肥料為主，如豬糞、麥稈、稻草等。石灰和熟石灰屬堿性無機改良劑，可以明顯提高土壤pH值從而降低其生物有效性，另一方面形成的碳酸鈣可以鈍化重金屬。許多研究表明，磷肥及磷礦石能有效降低重金屬的生物有效性；粘土礦物（凹凸棒土）可降低土壤中植物可利用態(tài)的重金屬含量，還能促進煙草產(chǎn)量的提高。

有機物質(zhì)在土壤重金屬污染修復(fù)中也得到了廣泛的應(yīng)用，研究表明，有機物料可以改變土壤理化性狀，如提高土壤CEC和緩沖性能、改變土壤氧化還原特性，增加重金屬的吸附、沉淀和固定，減少植物對重金屬的吸收。另一方面，有機物中含較多腐殖酸，可與重金屬離子形成穩(wěn)定性較強的腐殖酸-重金屬離子絡(luò)合物，降低其生物有效性。骨粉和活性碳可以增加土壤膠體對鎘的吸附能力，降低其有效性，減少烤煙對鎘的吸收[53]。

合理農(nóng)藝措施也有助于降低煙草重金屬含量，如打頂、套種、施肥等。陳慶園等[54]研究發(fā)現(xiàn)，初花打頂可明顯降低中下部煙葉Cd、Pb和Cr的含量。通過施用鈣肥和鋅肥可以降低煙草對Cd的吸收，施入硫酸鉀肥可以降低土壤Pb的有效性，降低煙葉含Pb量[55]。使用硅肥能夠抑制煙草對鎘及砷的吸收，其作用機理包括提高土壤對重金屬的固定作用，提高細胞壁硅質(zhì)化阻止重金屬侵入及與重金屬在細胞壁形成沉淀[56]。

4 研究展望

近幾年來，煙草行業(yè)對煙草重金屬污染及防治的重視程度越來越大，盡管關(guān)于重金屬對煙草的影響相關(guān)研究較多，但仍有很多領(lǐng)域有待于更深入的研究。

（1）加強重金屬-煙草的生理及分子水平研究，目前，重金屬對煙草生長的影響已經(jīng)做了大量研究，但重金屬影響煙草生長及品質(zhì)的生理機制研究得相對較少；另外，重金屬脅迫對煙草相關(guān)基因表達的影響研究甚少，找出對重金屬響應(yīng)的特異性基因，研究其功能，對于了解其作用機制具有重大意義。

（2）目前來講，幾種重金屬聯(lián)合作用對煙草生長的影響研究較多，多數(shù)重金屬脅迫作用往往會加劇其毒性。其他元素-重金屬元素對煙草生長的研究相對較少，從已有知識來看，它們間的相互作用并不一定會加劇重金屬的毒性。因此，研究其他元素-重金屬對煙草生長的影響具有積極的意義。

（3）目前，煙草重金屬防治措施較多，多種防治措施并用才能取得一定的效果。從轉(zhuǎn)基因角度來控制煙草重金屬污染不失為一種新的方向，就目前而言，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在煙草上的研究較多，但缺乏系統(tǒng)性，而且對重金屬響應(yīng)的特異基因還沒有找出來，研究起來相對比較困難。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從轉(zhuǎn)基因的角度來控制煙草重金屬污染問題將是一大研究熱點。

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Advance in Tobacco Heavy Metal Pollution and its Controlling Measures

ZENG Dewu, LI Fan, ZHAO Jianwu, ZHU Kailin, PEI Xiaodong

(Liuyang County Tobacco Company of Hunan Province, Liuyang, Hunan 410300, China)

This paper reviewed the influence of heavy metal pollution on tobacco growth, leaf quality, physiological metabolism, and its cell sub-structures. Meanwhile, the law of heavy metal transportation and distribution in tobacco were elaborated, and the available heavy metal-controlling measures with future research were proposed, aiming to provide theoretical reference for controlling heavy metal pollution in tobacco.

heavy metal; pollution; tobacco; growth; tobacco leaf; quality; controlling measure

S572.01

1007-5119（2014）01-0127-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2014.01.024

曾德武，男，碩士，主要從事煙草栽培及病蟲害防治研究。E-mail：zengdewu0831@sina.com

2013-10-08