植物重金属毒害作用机理研究进展_梁芳

山西农业科学２００７，３５（１１）：５９～６１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

植物重金属毒害作用机理研究进展

梁芳，郭晋平

（山西农业大学林学院，山西太谷０３０８０１）

摘要：重金属是重要的环境污染物质，受重金属胁迫，植物种子萌发、生长发育、植物细胞膜透性、光合作用、土壤微生物活性及植

物体内化学成分都发生改变。因此，重金属污染严重影响作物的品质和质量，并通过生物链放大作用进一步对人类和环境造成危害。针对目前的植物重金属毒害作用机理研究进展作一综述，为减轻重金属对植物体的伤害，躲避重金属风险提供理论依据。关键词：重金属；毒害；植物；生理生化中图分类号：Ｓ４３２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－２４８１（２００７）１１－００５９－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｅａｖｙＭｅｔａｌＴｏｘｉｃＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰｌａｎｔ

ＬＩＡＮＧＦａｎｇ，ＧＵＯＪｉｎ－ｐｉｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴａｉｇｕＳｈａｎｘｉ，０３０８０１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｗｈｅｎｐｌａｎｔｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｔｏｘｉｃｉｔｙ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ；Ｔｏｘｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｐｌａｎｔ；Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ

随着人类社会的快速发展，环境污染问题已经被提升到有一个新的高度，特别是含有重金属的物质通过各种途径进入环境，参与土壤－水体－生物系统的循环，通过植物的吸收在植物的根、茎、叶及籽粒中大量积累，严重危害植物的生长发育。重金属是指密度大于５ｇ・ｃｍ－３的一类金属元素，大约有４０种，主要包括镉、铬、汞、铅、铜、锌、银、锡等。一般来讲，植物受到重金属污染时会出现生长缓慢、植株矮小、根系伸长受到抑制，严重时甚至导致植物死亡［１，２］。近年来有关重金属对植物毒害作用机理做了大量的研究，针对该研究现状作一综述。

子萌发受到抑制。扬州大学的朱红霞研究表明，小麦种子萌发和幼苗生长对重金属胁迫的敏感性较高，并且Ｃｕ－Ｈｇ，Ｃｄ－Ｈｇ，Ｃｕ－Ｃｄ－Ｈｇ复合处理对小麦种子萌发具有较明显的效应［３］。

１．２重金属毒害抑制植物的生长发育

生活在重金属胁迫中的植物需要消耗更多的能

量保持适应环境，因此体内生理生化过程混乱，光合、呼吸作用受到抑制，影响植株正常生长。如铅能够降低叶绿素含量，根量稀少，根冠膨大、变黑、腐烂，导致植物地上部分生物量下降，植物呼吸及光合作用受阻［４］；硫酸锌是一种微量元素肥料，过量的锌会伤害植物根系，阻碍植物根系生长，地上部分有褐色斑点和坏死。

１

１．１

重金属毒害对植物生理的影响

重金属毒害抑制植物种子萌发

重金属抑制植物种子萌发其原因是抑制了淀粉

１．３重金属毒害影响植物的细胞膜透性

植物细胞膜系统（包括液泡膜、质膜和细胞器膜）

酶、蛋白酶活性，抑制了种子内储藏淀粉和蛋白质的分解，从而影响种子萌发所需的物质和能量，致使种

是植物细胞和外界环境进行物质交换和信息传递的界面和屏障，是细胞进行正常生理功能的基础。细胞

＊收稿日期：２００７—０９—１２作者简介：梁芳（１９８２－），女，山西榆社人，在读硕士，主要从事森林培育研究。通讯作者：郭晋平（１９６３－），男，山西原平人，博士后，主要从事森林培育研究。

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山西农业科学２００７年第３５卷第１１期

膜含有大量不饱和脂肪酸，主要是由双层磷脂和蛋白质构成的，植物遭受重金属胁迫时，导致大量的活性氧自由基产生，这些自由基攻击细胞膜上的不饱和脂肪酸，使细胞膜透性增加，重金属更易进入细胞内对植物造成严重伤害。王焕校等研究表明，水生植物叶组织外渗液的电导度和钾离子浓度与水中的

传递活性的影响，结果也表明Ｃｄ２＋对光系统Ⅱ的抑制作用较光系统Ⅰ明显［１４］。

２

２．１

重金属毒害对植物生化的影响

重金属对土壤微生物活性的影响

重金属能影响植物根系对土壤中营养元素的吸

Ｃｄ浓度呈非常显著的正相关，说明Ｃｄ对植物细胞

膜有严重的破坏作用，造成质膜的选择透性减弱，结构破坏，功能丧失［５］。据蔡新华研究结果表明，随着镉和铜离子浓度上升，细胞膜透性越大，从而影响了活细胞的物质交换，进而影响了细胞正常的生理活动。目前，细胞膜透性被广泛地用于评定植物对重金属反应的方法之一。

收，主要是影响了土壤微生物的活性，土壤微生物的代谢功能决定着土壤中有机质的周转与矿化、养分转化以及有机废弃物的循环等，这些能敏感的反应土壤质量的健康状况［１５］。研究表明，低浓度重金属污染土壤有利于ＣＯ２的释放，高浓度重金属污染能显著抑制土壤的呼吸作用，其ＣＯ２释放量的减少是微生物向真菌迁移的结果［１６］。土壤中有些酶和微生物一起参与土壤中物质和能量的循环［１７］，因此，土壤酶类对重金属的抑制或激活作用比较敏感，进而影响植物的生长发育［１７～２２］。

１．４重金属毒害对植物光合作用的影响

光合作用通常指绿色植物吸收光能，把二氧化

碳和水合成有机物，同时释放氧气的过程，是自然界最基本的物质代谢和能量代谢，是绿色植物特有的功能［６］。光合作用的场所是叶绿体，光合色素系统和光合电子传递体都附着在叶绿体的类囊膜上。重金属对光合作用的影响是植物受害的主要原因。

正常叶片叶色浓绿，叶绿体大多呈纺锤形，沿细胞边缘排列，这有利于吸收光能和光合产物迅速转运。类囊体结构的完整有序，对正常有效的光能转化是非常有效的

［７］

２．２重金属毒害引起植物体内化学成分变化植物遭受重金属污染后体内的可溶性糖含量有

明显的变化。Ｃｄ２＋污染使植物叶内可溶性糖含量急剧或缓慢上升，据孙赛初、王焕校１９８５年对凤眼莲和紫背萍的研究结果说明，Ｃｄ２＋对高等水生植物可溶性糖的影响表现为可溶性糖含量随水中镉浓度升高而增加，这可能是由于叶内不溶性糖及蛋白质等物质的分解和光合产物的运输受阻所引起的［２３］。

重金属影响植物体内蛋白质含量。低浓度Ｃｄ能使烟叶蛋白质含量下降，随着Ｃｄ浓度增加蛋白质含量上升［２４］。但是低浓度Ｐｂ能诱导黄瓜幼苗叶片中可溶性蛋白质含量增加，在试验范围内随Ｐｂ质量浓度

［２５］

的增加，蛋白质含量反而下降。由此可以看出，重

。叶绿素是光合作用的物质基

础，其含量高低将直接影响光合作用的强弱及物质合成速率的高低。不同的重金属对植物叶绿素含量影响不同，但总体规律均表现为，随着重金属含量的升高，叶绿素的总含量降低。许多研究表明，重金属

Ｃｄ２＋可使高等植物的叶绿体含量减低，原因是重金

属离子直接干扰了叶绿素的生物合成［８～１０］。大量研究表明，在大麦幼苗中，Ｃｄ２＋通过影响原叶绿素酸酯还原酶的活性抑制叶绿素的合成［１０］；过量的Ｃｕ可极显著地降低苹果叶片叶绿素含量［１１］；烟草叶绿素含量和光合强度随Ｃｄ含量的上升而下降，叶绿素ａ和ｂ含量、叶绿素ａ／ｂ值与处理剂量间均呈负相关，说明叶绿素ａ比叶绿素ｂ对Ｃｄ更敏感［１２］。铜胁迫下，叶绿素合成受阻，甚至引起叶绿素的破坏［１３］，过量的铜可引起类囊体结构和功能的破坏，从而使光合过程的

金属污染对植物蛋白质的影响既与植物种类有关，也与重金属浓度和种类有关。

重金属还影响植物体中氨基酸含量的变化，其中脯氨酸变化最大。脯氨酸是植物体内的氨基酸库，是重要的渗透调节物质，植物体内脯氨酸含量的增加是植物对逆境胁迫的一种适应性反应。低浓度Ｃｄ时，脯氨酸含量增加，直至高出对照１０２．５％，Ｃｄ２＋大量积累时又迅速减少。研究表明［２６］，小白菜根内游离脯氨酸的含量随培养液中Ｃｄ浓度的升高而增加，

ＰＳⅠ、ＰＳⅡ之间的联系阻断，光合作用严重受阻。

叶绿体的光合电子传递是由多个步骤组成的，不同的重金属离子对高等植物叶绿体的光合电子传递有抑制作用，通常光系统ＰＳⅡ的活性对重金属离子更为敏感。有研究表明，Ｃｄ，Ｐｂ

［１４］

２＋

２＋

Ｃｄ２＋，Ｃｒ６＋，Ｐｂ２＋对青菜也有类似的效应［２７］。因此，脯氨

酸含量的变化可作为植物体内氨基酸代谢是否发生障碍的指标。

，Ｚｎ等重金属

２＋

３结语

重金属对植物的毒害作用表现在影响植物的萌

离子对菠菜叶绿体光系统Ⅰ、光系统Ⅱ及全链电子

６０

梁芳等：植物重金属毒害作用机理研究进展

芽、生长发育、光合作用、生理代谢和植物体内化学物质含量的改变等方方面面。因此，即使是同一种重金属元素对不同植物的影响也是有差异的。通过揭示植物重金属毒害作用机理，期望通过人为措施减少重金属对植物的伤害，为植物躲避重金属污染提供理论依据，提高植物的抗逆性。

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《山西农业科学》创刊于１９６１年１月，是由山西省农业科学院主办的大农业学术刊物，月刊，每月２０日出版。主要栏目有：宏观农业、栽培与生理、土壤肥料、植物保护、果树蔬菜、畜牧兽医、农产品贮藏加工、遗传育种、生物技术、食品安全、农业基础、林业科学、农艺科学、水利建设、气象科技、农机研究、园艺园林、农业资源与环保、农业信息、农技推广、农业工程、农业传媒、农业能源、三农问题研究、农村金融研究等学科的研究报告、学术论文及综合述评等，同时刊登水平较高的调查报告、成果转化等方面的文章。

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