隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，重金屬對土壤和農(nóng)作物的污染問題越來越嚴重。所謂重金屬一般是指比重在5以上的金屬，有金、汞等45種[1]，而從環(huán)境污染方面所說的重金屬主要指汞、鎘、鉛、鉻和類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬。天然水中都含有一些重金屬，但含量較低，對人類、動物及其它生物不會引起中毒現(xiàn)象。但污水中含量過高就會造成土壤和農(nóng)作物的重金屬污染，甚至造成大面積農(nóng)田毀壞。重金屬過多而產(chǎn)生的污染有三種，即：大氣污染型、水質(zhì)污染型和土壤污染型。其中以水污染型較為普遍?！吨袊h(huán)境公報》的數(shù)據(jù)表明，2002年我國污水排放總量為439.5億噸，重金屬排放量為1823噸。李戀卿（2002）的研究表明，太湖地區(qū)的鎘積累速率為0.3-3ug.(Kg.a)-1，年污染通量為08-10X10-3Kg（hm2.A）-1[2]。由于重金屬污染具有生物放大作用、微量毒性效應(yīng)、隱蔽性和滯后性、累積性和復(fù)合性等特點，且農(nóng)作物直接參與食物鏈循環(huán)，因此重金屬在農(nóng)作物中的積累勢必影響到人類健康與安全。
水稻是我國大面積栽培的糧食作物。重金屬對人類有潛在性的危害作用，在生物體內(nèi)可以富集，并把它轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬化合物，從而對人類造成更大的危害。過量的重金屬在水稻的根、莖、葉以及籽粒中大量積累，不僅影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，并可通過食物鏈危及動物和人類的健康。因此，研究重金屬污染不僅對水稻生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，而且對環(huán)境治理，為無公害稻米的生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)和工程化基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實用價值。本文就國內(nèi)外重金屬對水稻影響的研究現(xiàn)狀進行概述。
1 重金屬污染水稻的效應(yīng)
1.1 鎘(Cd)的效應(yīng)
土壤中Cd的污染，主要來自礦山、冶煉、污水灌溉與污泥的施用等。低濃度的Cd對水稻幼苗表現(xiàn)出一定的生長促進作用[3]，楊春剛（2005）研究，低濃度的Cd處理土壤時，能提高水稻葉片生長速度、增加比葉重、縮短生育期、增加結(jié)實率、穗長、二次枝梗數(shù)、穗重和單莖重[4]。但當土壤Cd濃度高到一定含量時，水稻會出現(xiàn)受害癥狀，表現(xiàn)葉片失綠，出現(xiàn)褐色斑點與條紋；嚴重受害的根系少而短，根毛發(fā)育不良[5]。插秧后25天，添加Cd0.5、4.0、64ppm處理的分蘗數(shù)比對照分別下降了28.8%、34.9%和53.2%。土壤高濃度Cd處理，能顯著延遲分蘗高峰、降低葉片生長速率、株高和單株葉面積、穗粒數(shù)、結(jié)實率、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、穗重、單莖重、增加癟粒數(shù)[4]。據(jù)實驗在草甸褐土上，當土壤Cd濃度為150mg/kg時引起水稻減產(chǎn)10%-30%。在草甸棕壤的盆栽水稻研究中，當土壤Cd濃度為200mg/kg時，表現(xiàn)植株較矮，無效分蘗增多，地上干物重下降，減產(chǎn)12.3%[6]。紅壤性水稻土的盆栽試驗表明，無論是氯化鎘或是硫酸鎘形態(tài)處理，水稻株高均隨土壤Cd濃度增高而降低，土壤Cd濃度達100mg/kg時減產(chǎn)20%-50%；當達到200mg/kg時，植株矮化，無效分蘗增多，穗實粒數(shù)減少，秕谷率增加[6]。據(jù)我們的初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)：重金屬對水稻的污染效應(yīng)還表現(xiàn)在對水稻的直接傷害上，Cd污染對水稻不同發(fā)育時期的光合作用影響非常明顯，并且其光合濃度隨著Cd濃度增高而降低。
1.2 鉛(Pb)的效應(yīng)
水稻田的Pb主要是通過農(nóng)藥(如砷酸鉛)或某些肥料而進入土壤。一定濃度的Pb對作物的生長不會造成危害，但隨著濃度升高就表現(xiàn)出對水稻秧苗素質(zhì)、生長發(fā)育狀況、生育期和產(chǎn)量的影響[5]。Pb使水稻生長受阻的主要原因是根系遭受毒害而喪失正常功能，能減少光合作用，延緩生長，推遲成熟而導(dǎo)致減產(chǎn)，從水稻分蘗期測定的葉綠素來看，不同土壤中水稻葉綠素含量隨Pb的增加而有下降趨勢[7]。
1.3 砷(As)的效應(yīng)
農(nóng)業(yè)中曾廣泛使用的含As農(nóng)藥、除草劑、脫葉劑、雜交稻殺雄劑等和工業(yè)中排放出的含As廢水、廢氣、廢物、礦山排放的砷灰、含As尾氣等都直接或間接進入土壤和植物系統(tǒng)而影響土壤和動植物的正常功能。楊居榮[8]等的研究結(jié)果表明，As對水稻毒害的可見癥狀比較明顯，表現(xiàn)為植株矮化，葉色濃綠，抽穗期和成熟期延遲。
1.4 汞(Hg)的效應(yīng)
目前我國對含Hg農(nóng)藥已禁止使用，但隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的發(fā)展，在一些地區(qū)因利用含汞污水、污泥以及受Hg污染的河水灌溉農(nóng)田而引起了土壤含Hg量的增加，嚴重地影響農(nóng)作物的生長發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。Hg對水稻的毒害主要表現(xiàn)在根部，受害時根部呈棕色，根量減少，干物重下降，有效分蘗降低，葉片濃綠，呈現(xiàn)貪青晚熟，嚴重受害時，葉片發(fā)黃，以致整株枯萎[9]。這可能與水稻在Hg脅迫下，葉綠素和葉綠素a/b比值下降有關(guān)。
1.5 鉻(Cr)的效應(yīng)
Cr對水稻的危害及遷移能力都以6價Cr強于3價Cr，受害的水稻植株變矮，葉片狹窄，葉色枯黃，分蘗減少，葉鞘呈褐色，根系潰爛、細短而稀疏，生長嚴重受抑[11]。鉻對水稻生理生化過程的影響研究還不多。有研究表明，鉻影響根尖細胞的有絲分裂，從而抑制萌發(fā)和發(fā)育[12-13]，使產(chǎn)量降低。鉻處理時水稻幼苗葉片可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖及淀粉含量下降，而POD活性急劇上升[14]。
2 水稻對重金屬的吸收特點
在相同條件下，不同的水稻品種及同一品種的不同器官，由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，吸收重金屬的生理生化機制各異，故其重金屬元素的積累差異較大。蔣彬等[15]的研究發(fā)現(xiàn),水稻籽實吸收重金屬存在基因型的差異，它們將來自全國不同地區(qū)的239份樣品種植在同一地區(qū)，發(fā)現(xiàn)各品種鉛、砷、鎘含量存在極顯著的基因差異，并篩選出了一系列低鉛或低鎘或低砷的品種。王凱榮等[16]的研究表明雜交晚稻比常規(guī)稻對Pb、Cd的富集能力強，吳啟堂等[17]也得到類似的結(jié)果，認為高產(chǎn)品種重金屬含量高，低產(chǎn)品種重金屬含量低，由此給高產(chǎn)品種的育種提出了很大的挑戰(zhàn)。譚周磁[18]通過對8個早稻品種和10個晚稻品種積累重金屬的實驗，發(fā)現(xiàn)不同品種對重金屬吸收有顯著差異,篩選出了對重金屬較為鈍感的湘早秈19號和晚稻V46，以及對重金屬較為敏感的譚早秈1號和師大1911。研究[19]表明，重金屬在水稻植株內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官累積量較大，而在營養(yǎng)貯藏器官中積累量小，重金屬在水稻不同形態(tài)器官中含量順序是：根部>根莖部>主莖>穗>籽實>葉部。所以，秸桿雖可以培肥改土，節(jié)水保墑，提高地力進而提高產(chǎn)量，但是也給土壤重金屬的污染治理帶來了困難。目前，對水稻中重金屬分布的研究還不夠深入，引起根、莖、葉及籽實中重金屬含量的明顯差異的生理生化機制還有進一步研究。
水稻籽實各形態(tài)結(jié)構(gòu)中重金屬的濃度分布極不均勻，胚中濃度顯著高于胚乳，皮層和穎殼中重金屬濃度也較高，但是從單位粒實中的重金屬總量分布看，胚乳、皮層和穎殼中重金屬濃度也較高，但是從單位籽實中的重金屬總量分布看，胚乳中重金屬含量占絕對優(yōu)勢。不同重金屬在水稻耔實各形態(tài)結(jié)構(gòu)的濃度順序也不一樣，Cd是皮層>胚>胚乳>穎殼；Cu和Pb是胚>皮層>胚乳>穎殼[20]。查燕等[21]的研究也證實籽實中重金屬的濃度隨加工程序的升級而降低，從稻谷到精米,Pb,Cu,Cd的去除率分別是56.93%、41%和4.1%?？赡艿脑蛑亟饘僭诘竟戎蟹植疾痪鶆?，通過脫殼、磨精、拋光等加工過程除掉含重金屬較多的胚、皮層和穎殼等部位，得到的食用大米中重金屬含量相對稻谷較低。
3. 影響水稻吸收重金屬的因素
3.1 土壤質(zhì)地和有機質(zhì)的影響
土壤中重金屬含量與土壤質(zhì)地密切相關(guān)，一定量的重金屬投入土壤后，土壤質(zhì)地越粘重，它的持留量越大。土壤腐殖質(zhì)能在其表面交換性吸附重金屬，并亦可形成金屬-腐殖質(zhì)復(fù)合物，從而增加了土壤對重金屬的吸持。一般地說，土壤中腐殖質(zhì)含量越高，土壤吸附重金屬的能力越強。
3.2 土壤PH值的影響
許多研究資料表明，土壤中重金屬離子Pb2+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Ni2+的溶解度與土壤溶液中PH值的關(guān)系極大。土壤PH值越低，其溶解度愈大，活性愈高。但類金屬As的情況不同，由于它主要以陰離子狀態(tài)存在，在較低PH值范圍內(nèi)，H2AsO4、AsO42-等能被帶上正電荷的氫氧化鐵等迅速吸附。隨著PH值增加，吸附劑表面負電荷增高，促使含As陰離子向溶液中解吸[22]。
3.3 土壤EH值的影響
土壤在還原狀態(tài)下，重金屬可形成難溶化合物。硫化物使土壤溶液中的重金屬離子減少，從而抑制了植物對重金屬的吸收。旱田條件下小麥、大豆吸收重金屬的含量比水稻多[23]。當土壤EH值提高時，重金屬的活性也增加，有利于水稻吸收重金屬，且EH值與糙米重金屬含量呈正相關(guān)。但As例外，當EH值低到一定程度時，變價元素As可以亞砷酸鹽形態(tài)存在，亞砷酸鹽的毒性和可溶性比砷酸鹽大得多，且易被作物吸收[24]。
4 水稻對重金屬的抗性及生物學(xué)基礎(chǔ)
不同植物種類，甚至同一種植物的不同品種對金屬的抗性都有差異[25]。吳啟堂等[26]報道，雜交稻“汕優(yōu)63”等產(chǎn)量高，但糙米Cd含量也較高，優(yōu)質(zhì)稻“野奧絲苗”等產(chǎn)量較低，糙米重金屬含量也較低，常規(guī)稻則變幅較大。因此重金屬在水稻植株體內(nèi)積累少的品種可能產(chǎn)量和品質(zhì)都較低，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種又極有可能在植株體內(nèi)積累的重金屬含量較高，這為選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)而重金屬含量低的水稻品種增加了困難。
根際是重金屬由土壤進入作物體的主要界面，是污染物進入作物體參與食物鏈物質(zhì)循環(huán)的門戶。不同水稻品種吸收Cd的差異與其根表鐵氧化物膠膜有一定關(guān)系。根表鐵氧化物膠膜可以富集介質(zhì)中的Cd，鐵膜數(shù)量越多，富集的Cd也越多。隨著根表鐵膜數(shù)量的增加，水稻對Cd的吸收量也增加。在鐵膜增加到一定量時，對水稻吸收Cd的作用達到最大。而后隨著鐵膜數(shù)量的繼續(xù)增加，水稻對Cd的吸收反而下降，鐵氧化物成為水稻吸收Cd的障礙層[27-29]。
植物對不同金屬離子的抗性機制上表現(xiàn)出的多樣性具體體現(xiàn)在金屬結(jié)合蛋白(或多肽)及其功能上。高等植物的細胞壁是重金屬進入細胞內(nèi)部的第一逆屏障[30-31]，細胞壁中的果膠質(zhì)成分為結(jié)合重金屬離子提供了大量的離子交換點，當這些結(jié)合點達到飽和時，關(guān)鍵的抗性機制則可能由存在于細胞質(zhì)內(nèi)的一些重金屬結(jié)合肽所擔(dān)負[32]?，F(xiàn)今所發(fā)現(xiàn)的金屬硫蛋白可分為三類：金屬蛋白硫(MT),類金屬硫(MT-like)和植物螯合態(tài)(PC)；這三類金屬硫蛋白主要是由過量的重金屬離子誘導(dǎo)動植物細胞合成，而這種蛋白質(zhì)能與進入細胞的重金屬離子結(jié)合，使之失活而解除其毒害[33-36]。20世紀90年代以來，人們對高等植物MT類基因的表達調(diào)控有了初步認識。在水稻中發(fā)現(xiàn)有MT1型基因(rgMT)和MT2型基因(osMT-1)的存在，其中rgMT在根中的轉(zhuǎn)錄水平最高，葉中次之，鞘中最少[37-39]。
5 結(jié)語
水稻累積重金屬的現(xiàn)象主要取決于兩個方面：一是水稻自身的因素，如根冠比較大，分蘗較旺盛的品種；二是環(huán)境因素，即土壤、空氣、水等，這些因素決定了重金屬在水稻中的含量、種類、存在形式以及水稻對重金屬的富集能力和富集途徑。所以，根據(jù)水稻的特征，科學(xué)處理好各種栽培條件，通過生物的、物理的或化學(xué)的途徑，控制水稻中重金屬的含量，減少重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中的污染，避免一些重金屬對動植物的傷害可以從以下幾個方面加以控制和研究：
(1) 開發(fā)先進可靠的分析檢測技術(shù)
稻米中重金屬的檢測分析，尤其是存在的形態(tài)分析目前還沒有十分成熟的研究方法。建立可靠的分析方法是該領(lǐng)域進行研究的前提條件，因此需要開發(fā)先進的可靠的快速分析檢測技術(shù)。
(2) 積極開展耐重金屬和低吸收資源的篩選和鑒定
鑒于目前對耐重金屬或重金屬低吸收的資源篩選工作還開展得極少，目前應(yīng)廣泛收集耐或抗重金屬污染的水稻種質(zhì)或基因材料，為開展耐或抗重金屬的品種選育及基礎(chǔ)研究提供材料。
（3）深入研究吸收和積累重金屬的遺傳規(guī)律
重金屬的遷移及在水稻根、莖、葉、籽實中的積累已有一些研究，但從遺傳學(xué)的角度對重金屬的吸收及積累規(guī)律的研究還較少，應(yīng)從經(jīng)典遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)角度深入研究吸收和積累重金屬的遺傳規(guī)律，為開展新品種選育提供理論基礎(chǔ)。
(4) 培育耐或抗或低吸收或少富集的水稻品種
在廣泛收集、篩選和鑒定耐、抗重金屬污染的水稻種質(zhì)或基因材料和弄清遺傳特征與遺傳規(guī)律的基礎(chǔ)上，著力培育出耐或抗或低吸收或少富集的水稻品種。
(5)加強多學(xué)科協(xié)作與滲透，重點開展控制水稻重金屬污染的生態(tài)措施研究。如將植物修復(fù)、客土(或換土)及化學(xué)措施等組裝配套使用，較單一措施可以提高對微量污染元素的控制效果。
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