1、1第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化3.1 土壤背景值土壤背景值3.2 重金属污染的危害重金属污染的危害3.3 典型重金属迁移转化典型重金属迁移转化 4 土壤植物体系中重金属迁移及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制5 土壤中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第1页，共47页。23.1 土壤背景值土壤背景值l定义定义：指在：指在未受污染未受污染的情况下，的情况下，天然土壤天然土壤中的中的金属元素的金属元素的基线含量基线含量。l重要性重要性：在研究
2、重金属对土壤的污染时，：在研究重金属对土壤的污染时，首先首先调查调查各地区土壤重金属含量的各地区土壤重金属含量的背景值背景值。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第2页，共47页。3第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化3.1 土壤背景值土壤背景值3.2 重金属污染的危害重金属污染的危害3.3 典型重金属迁移转化典型重金属迁移转化 4 土壤植物体系中重金属迁移及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制5 土壤中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第3页，共
3、47页。43.2 重金属污染的危害重金属污染的危害(1)影响植物生长影响植物生长l土壤中土壤中无机砷无机砷l含量为含量为12g/g时，水稻生长开始受到抑制；时，水稻生长开始受到抑制；l含量为含量为40g/g时，水稻减产时，水稻减产50%；l含量为含量为160g/g时，水稻不能生长；时，水稻不能生长；l稻米含砷量与土壤含砷量稻米含砷量与土壤含砷量呈正相关呈正相关。l土壤中土壤中有机砷化物有机砷化物对植物的毒性则更大。对植物的毒性则更大。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第4页，共47页。53.2 重金属污染的危害重金属污染的危害(2)影响土壤生物群的变化及物质的转化影响土壤生物群的变化及物质的
4、转化l重金属离子重金属离子对微生物的毒性顺序：对微生物的毒性顺序：HgCdCrPbCoCu；lHg2+对微生物的毒性对微生物的毒性最强最强；浓度在浓度在1 g/g时，就能抑制许多细菌的繁殖。时，就能抑制许多细菌的繁殖。第5页，共47页。63.2 重金属污染的危害重金属污染的危害(3)影响人体健康：影响人体健康：植物吸收并积累土壤中的重金属，植物吸收并积累土壤中的重金属，通过食通过食物链进入人体物链进入人体；(4)影响其他环境要素影响其他环境要素l大气环境：大气环境：经化学或微生物的经化学或微生物的转化作用转化作用，转化为，转化为易挥发的金属有易挥发的金属有机物机物(如有机砷、有机汞如有机砷、有
5、机汞)或或蒸气态金属或化合物蒸气态金属或化合物(如汞、氢化砷如汞、氢化砷)挥发挥发到到大气大气中；中；l水体环境：水体环境：在在雨水雨水（特别是酸雨）（特别是酸雨）淋溶淋溶或或地表径流地表径流作用下，重金作用下，重金属进入属进入地下水和地表水地下水和地表水，影响水生生物影响水生生物。第6页，共47页。7第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化3.1 土壤背景值土壤背景值3.2 重金属污染的危害重金属污染的危害3.3 典型重金属迁移转化典型重金属迁移转化 4 土壤植物体系中重金属迁移
6、及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制5 土壤中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第7页，共47页。8(1)铅铅l丰度和背景值：丰度和背景值：地壳中铅的丰度为地壳中铅的丰度为12.5 g/g，土壤中铅的背景值为，土壤中铅的背景值为1520 g/g。l土壤的铅污染来源土壤的铅污染来源汽油燃烧汽油燃烧冶炼烟尘的沉降冶炼烟尘的沉降矿山、冶炼废水污灌引起矿山、冶炼废水污灌引起 公路旁土壤 809.6 g/g91m处32.5 g/g第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化3.3 典型重金属迁移转化第8页，共47页。9l吸附特性：吸附特性：l土壤的土壤的Pb2+容易被有机质和黏土
7、矿物所容易被有机质和黏土矿物所吸附吸附；l腐殖质腐殖质对铅的对铅的吸附能力吸附能力明显明显高于黏土矿物高于黏土矿物。l溶解特性：溶解特性：l在土壤溶液中在土壤溶液中可溶性铅的含量很低可溶性铅的含量很低；l土壤中铅的土壤中铅的迁移能力较弱迁移能力较弱，生物有效性较低生物有效性较低。l当土壤当土壤pH降低降低时，部分被吸附的铅可以时，部分被吸附的铅可以释放释放出来，使铅的出来，使铅的迁移能力提高迁移能力提高，生物生物有效性增加有效性增加。迁移转化特征第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第9页，共47页。10l非必需元素：非必需元素：铅铅不是不是植物生长发育的植物生长发育的必需元素必需元素。l低浓度
8、：低浓度：铅在环境中比较稳定，铅在环境中比较稳定，低浓度低浓度的铅对作物生长的铅对作物生长不会产生危害不会产生危害。l高浓度：高浓度：土壤中土壤中高浓度高浓度的铅能的铅能抑制抑制水稻生长，使叶片的水稻生长，使叶片的叶叶绿素含量降低绿素含量降低，影响光合作用，延缓生长，推迟成熟，影响光合作用，延缓生长，推迟成熟，导导致减产致减产。危害第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第10页，共47页。113.3 典型重金属迁移转化典型重金属迁移转化(2)汞汞l土壤中汞的背景值：土壤中汞的背景值：0.010.15 g/g。l来源来源l天然源母岩天然源母岩l人为源含汞农药的施用、污水灌溉等人为源含汞农药的施用、
9、污水灌溉等l化学形态：化学形态：金属汞（正常的金属汞（正常的pE和和pH范围内）、无机汞、有机汞范围内）、无机汞、有机汞 第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第11页，共47页。12l迁移特点迁移特点土壤胶体及有机质对汞的土壤胶体及有机质对汞的吸附作用吸附作用相当强相当强 以以阴离子阴离子形式存在的汞（如形式存在的汞（如HgCl3-、HgCl42-）：可被带）：可被带正电荷正电荷的氧化的氧化铁、氢氧化铁或铁、氢氧化铁或黏土矿物黏土矿物所吸附。所吸附。分子态分子态的汞（如的汞（如HgCl2）：可被吸附在）：可被吸附在Fe、Mn的氢氧化物的氢氧化物上。上。Hg(OH)2：溶解度小，可以被溶解度小，
10、可以被土壤土壤强烈的保留。强烈的保留。不易随水流失，但易挥发至大气中不易随水流失，但易挥发至大气中 第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第12页，共47页。13l转化特点转化特点汞的形态转化汞的形态转化无机汞无机汞可可分解分解生成生成金属汞金属汞；还原条件还原条件下，下，有机汞有机汞可可降解降解生成生成金属汞金属汞；厌氧条件厌氧条件下，部分下，部分汞汞可转化为可转化为可溶性甲基汞可溶性甲基汞或或气态二甲基汞气态二甲基汞。还原环境中还原环境中HgS的生成的生成Hg2+与与H2S生成极难溶的生成极难溶的HgS；金属汞金属汞被被硫酸还原细菌硫酸还原细菌变成变成HgS可可阻止阻止汞在土壤中的移动。汞在
11、土壤中的移动。氧气充足：氧气充足：HgS缓慢氧化成缓慢氧化成亚硫酸盐亚硫酸盐和和硫酸盐硫酸盐 第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第13页，共47页。14汞的危害危害植物生长汞的危害危害植物生长 l中国科学院植物研究所水稻的水培实验：中国科学院植物研究所水稻的水培实验：l含汞含汞0.074 g/mL，产量下降产量下降，秕谷率增加；，秕谷率增加；l含汞含汞0.74 g/mL，水稻，水稻根部已开始受害根部已开始受害，并随着试验浓度的增加，根部，并随着试验浓度的增加，根部更加扭曲，呈褐色，有锈斑；更加扭曲，呈褐色，有锈斑；l含汞含汞7.4 g/mL时，时，水稻叶子发黄水稻叶子发黄，分蘖受抑制，植株高
12、度变矮，分蘖受抑制，植株高度变矮，根系发育不良。根系发育不良。l含汞含汞22.2 g/mL时，时，水稻严重受害水稻严重受害，水培水稻受害的致死浓度为，水培水稻受害的致死浓度为36.5g/mL。l随着浓度的增加，植物各部分的含汞量上升随着浓度的增加，植物各部分的含汞量上升。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第14页，共47页。15(3)镉镉l土壤中镉的背景值：土壤中镉的背景值：0.150.20 g/g（地壳中镉的丰度（地壳中镉的丰度为为5 g/g）。）。l来源来源矿山、冶炼矿山、冶炼磷矿渣磷矿渣和和过磷酸钙过磷酸钙的使用的使用污灌污灌及及污泥污泥的施用的施用工业废气工业废气中镉扩散并沉降至土壤
13、中镉扩散并沉降至土壤第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第15页，共47页。16(3)镉镉l化学形态化学形态可给态：可给态：以以离子态离子态或或络合态络合态存在，易被植物所吸收；存在，易被植物所吸收；代换态：代换态：被被黏土黏土或或腐殖质腐殖质交换吸附；交换吸附；难溶态：难溶态：以以沉淀沉淀或或难溶性螯合物难溶性螯合物存在，不易被植物吸收。存在，不易被植物吸收。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第16页，共47页。17l迁移转化特点迁移转化特点被吸附的镉：被吸附的镉：土壤对镉的土壤对镉的吸附率吸附率在在80%90%在在015 cm的土壤的土壤表层累积表层累积；15 cm表层以下表层以下含量显
14、著含量显著减少减少被水所被水所溶出而迁移溶出而迁移，pH越低，镉的溶出率越大越低，镉的溶出率越大。如。如pH7.5时，镉很难溶出。时，镉很难溶出。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第17页，共47页。18难溶态难溶态Cd水稻田在水稻田在淹水淹水条件下，镉主要以条件下，镉主要以CdS形式存在，形式存在，抑制抑制了了Cd2+的迁移，的迁移，难以被植物所吸收。难以被植物所吸收。排水时造成排水时造成氧化淋溶环境氧化淋溶环境，S2-氧化或氧化或SO42-，引起，引起pH降低，镉溶解在降低，镉溶解在土壤中，易被植物吸收土壤中，易被植物吸收向植物和人体中的迁移向植物和人体中的迁移蔬菜类的叶菜中积累多，黄瓜
15、、萝卜、番茄中少；蔬菜类的叶菜中积累多，黄瓜、萝卜、番茄中少；镉进入人体，在骨骼中沉积，使骨骼变形，骨痛症。镉进入人体，在骨骼中沉积，使骨骼变形，骨痛症。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第18页，共47页。19影响迁移的因素影响迁移的因素土壤的土壤的种类种类、性质性质、pH和和氧化还原氧化还原条件等因素有关条件等因素有关土壤中土壤中PO43-等离子均能影响镉的迁移转化；等离子均能影响镉的迁移转化；Cd2+和和PO43-形成形成难溶的难溶的Cd3(PO4)2，不易被植物所吸收。，不易被植物所吸收。土壤土壤镉污染治理镉污染治理，可施用石灰和磷肥，调节土壤，可施用石灰和磷肥，调节土壤pH至至5.
16、0以上，以抑制镉害。以上，以抑制镉害。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第19页，共47页。20(4)铬铬 l丰度和背景值：丰度和背景值：地壳中铬的丰度为地壳中铬的丰度为200 g/g，铬的土壤背景值，铬的土壤背景值为为100 g/g。l存在形态存在形态l三价：三价：Cr3+、CrO2-（亚铬酸根）；稳定（亚铬酸根）；稳定l六价：六价：CrO42-和和Cr2O72-，l可溶性铬：土壤中可溶性铬只占总铬量的可溶性铬：土壤中可溶性铬只占总铬量的0.01%0.4%。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第20页，共47页。21lCr(III)的吸附的吸附l土壤胶体对土壤胶体对三价铬三价铬的的吸附作用
17、强烈吸附作用强烈；lCr3+甚至可以甚至可以交换交换黏土矿物晶格中的黏土矿物晶格中的Al3+；l黏土矿物黏土矿物吸附三价铬吸附三价铬的能力约为的能力约为六价铬六价铬的的30300倍。倍。lCr(VI)的溶解与吸附的溶解与吸附l溶解：溶解：六价铬六价铬进入土壤后进入土壤后大部分游离大部分游离在土壤溶液中；在土壤溶液中；l吸附：吸附：六价铬六价铬仅有仅有8.5%36.2%被土壤胶体被土壤胶体吸附吸附固定。固定。不同类型的黏土矿物对六价铬的吸附能力有明显的差异；不同类型的黏土矿物对六价铬的吸附能力有明显的差异；红壤黄棕壤黑土黄壤；红壤黄棕壤黑土黄壤；高岭石伊利石蛭石蒙脱石。高岭石伊利石蛭石蒙脱石。土
18、壤中土壤中有机质越多有机质越多，负电性越强负电性越强，对六价铬阴离子的，对六价铬阴离子的吸附力就越弱吸附力就越弱。土壤中铬的迁移转化土壤中铬的迁移转化第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第21页，共47页。22土壤中铬的迁移转化土壤中铬的迁移转化lCr(III)与与Cr(VI)之间的转化之间的转化l实例实例1：含铬废水进入农田含铬废水进入农田Cr(VI)转化为转化为Cr(III)lCr()被土壤胶体被土壤胶体吸附吸附固定；固定；lCr()迅速被有机质迅速被有机质还原成还原成Cr()，再被土壤胶体，再被土壤胶体吸附吸附；l铬的铬的迁移能力及生物有效性降低迁移能力及生物有效性降低，同时使铬在，同时
19、使铬在土壤中积累土壤中积累起来。起来。l实例实例2：Cr()可转化为可转化为Cr()lpH 6.58.5时，土壤中的时，土壤中的Cr()被被O2氧化为氧化为Cr()4Cr(OH)2+3O2+2H2O 4CrO42-+12H+l土壤中的氧化锰使土壤中的氧化锰使Cr()转化为转化为Cr()lCr()存在着潜在危害存在着潜在危害第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第22页，共47页。23铬对植物的危害铬对植物的危害l必需元素必需元素l铬是植物所铬是植物所必需必需的；的；l低浓度低浓度的铬对植物生长有的铬对植物生长有刺激刺激作用；作用；l植物植物缺少缺少铬就会铬就会影响正常发育影响正常发育。l毒性作用
20、毒性作用l累积累积过量铬过量铬会引起会引起毒害作用毒害作用，直接或间接地，直接或间接地危害人类健康危害人类健康。土壤中土壤中Cr()：2040 g/g时，对玉米苗生长有明显的刺激作用；时，对玉米苗生长有明显的刺激作用；320g/g时，有抑时，有抑制作用；制作用；土壤中土壤中Cr()：20 g/g时，对玉米苗生长有刺激作用；时，对玉米苗生长有刺激作用；Cr()为为80 g/g时，有显著时，有显著的抑制作用。的抑制作用。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第23页，共47页。24影响土壤中铬对植物毒性的因素影响土壤中铬对植物毒性的因素(i)铬的化学形态：铬的化学形态：Cr()毒性毒性大于大于Cr(
21、)毒性毒性(ii)土壤性质：土壤性质：土壤粘粒和有机质的含量土壤粘粒和有机质的含量l土壤土壤胶体胶体对对Cr()有强烈的有强烈的吸附吸附固定作用固定作用l酸性或中性条件，土壤酸性或中性条件，土壤胶体胶体对对Cr()也有很强的也有很强的吸附吸附作用作用l土壤土壤有机质有机质具有具有吸附吸附或或螯合螯合作用，作用，l土壤土壤有机质有机质使使可溶性可溶性Cr()还原成难溶的还原成难溶的Cr()；第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第24页，共47页。25(iii)土壤土壤氧化还原氧化还原电位电位在在Cr()浓度相同时，旱地土壤中有效态铬比在水田高得多。浓度相同时，旱地土壤中有效态铬比在水田高得多。(
22、iv)土壤土壤pHCr()在在中性和碱性土壤中性和碱性土壤中的毒性要比在中的毒性要比在酸性土壤酸性土壤中中大大；Cr()对植物的毒性在对植物的毒性在酸性土壤酸性土壤中中较大较大。第四章/3土壤中重金属污染及迁移转化第25页，共47页。26第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化4 土壤植物体系中重金属迁移及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制4.1 污染物的迁移方式污染物的迁移方式4.2 影响重金属迁移的因素影响重金属迁移的因素4.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制5 土壤
23、中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第26页，共47页。274.1 污染物的迁移方式一、土壤植物体系的重要性一、土壤植物体系的重要性l能量转换能量转换 土壤植物体系具有转化储存土壤植物体系具有转化储存太阳能太阳能为为生物化学能生物化学能的功能；的功能；l 净化环境（净化环境（“活过滤器活过滤器”）通过通过物理、化学物理、化学和和生物代谢生物代谢过程过程吸附、交换、沉淀或降解吸附、交换、沉淀或降解许多许多污染物，从而净化和保护了环境。污染物，从而净化和保护了环境。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第27页，共47页。28二、迁移方式二、迁移方式 l 概述：概
24、述：土壤中污染物通过植物根系土壤中污染物通过植物根系根毛细胞根毛细胞的作用积累于植物的茎、的作用积累于植物的茎、叶和果实部分。叶和果实部分。l 迁移方式：迁移方式：(1)被动转移被动转移(2)主动转移主动转移 4.1 污染物的迁移方式第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第28页，共47页。29(1)被动转移l机制：机制：脂溶性物质从脂溶性物质从高浓度一侧向低浓度一侧高浓度一侧向低浓度一侧，沿，沿浓度梯度浓度梯度扩散，扩散，通过有通过有类脂层屏障类脂层屏障的生物膜。的生物膜。l特点：特点：被动扩散被动扩散不耗能不耗能，不需载体不需载体参与。参与。l影响因素：影响因素：扩散速率与有机物的扩散速
25、率与有机物的化学性质化学性质（脂脂/水分配系数水分配系数）、在）、在液体液体pH条件下条件下离解性离解性和和分子体积大小分子体积大小有关。有关。第29页，共47页。30(2)主动转移主动转移l机制：机制：在需在需消耗消耗一定的一定的代谢能量代谢能量下，一些物质可在下，一些物质可在低浓度低浓度一一侧与膜上高浓度的特异性蛋白侧与膜上高浓度的特异性蛋白载体载体结合，通过生物膜至结合，通过生物膜至高浓高浓度度一侧解离出原物质。这一转运称为一侧解离出原物质。这一转运称为主动转移主动转移。l能量来源：能量来源：所需代谢能量来自膜的所需代谢能量来自膜的三磷酸腺苷酶三磷酸腺苷酶分解三磷酸分解三磷酸腺苷（腺苷（
26、ATP）成二磷酸腺苷（）成二磷酸腺苷（ADP）和）和磷酸磷酸时所释放的能时所释放的能量。量。第30页，共47页。31(2)主动转移主动转移l特点特点l与膜的高度特异性与膜的高度特异性载体及其数量载体及其数量有关有关l具有具有选择性选择性和和竞争性竞争性l实例：实例：K+的转移的转移lK+细胞内细胞内K+细胞外细胞外l结合过程：低浓度侧结合过程：低浓度侧K+易与膜上的易与膜上的磷酸蛋白磷酸蛋白P结合为结合为KPK+PKPl释放过程：在膜中扩散并与膜的释放过程：在膜中扩散并与膜的ATP发生磷化发生磷化，将结合的钾离子，将结合的钾离子释放释放到高浓度侧到高浓度侧KPATP PPADP K+第31页，
27、共47页。32第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化4 土壤植物体系中重金属迁移及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制4.1 污染物的迁移方式污染物的迁移方式4.2 影响重金属迁移的因素影响重金属迁移的因素4.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制5 土壤中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第32页，共47页。334.2 影响重金属迁移的因素一、重金属的作用一、重金属的作用l促进作用促进作用l微量重金属（微量重金属（Cu、Zn、Mo、Fe、Mn
28、）是）是植物生长酶催化剂。植物生长酶催化剂。l微量重金属可以促进土壤中许多微量重金属可以促进土壤中许多物质的生物化学转化物质的生物化学转化。l抑制作用抑制作用 重金属负荷超过土壤所承受的容量时，重金属负荷超过土壤所承受的容量时，生物产量会受到影响生物产量会受到影响。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第33页，共47页。34二、影响重金属迁移的因素二、影响重金属迁移的因素(1)植物种类植物种类l 植物植物吸收转移吸收转移重金属的重金属的能力不同能力不同l 植物的植物的“耐性品种耐性品种”：重金属含量高的土壤中，：重金属含量高的土壤中，耐受性群落耐受性群落；原；原来不具耐受性的植物群落，长期
29、生长在受污染的土壤中，来不具耐受性的植物群落，长期生长在受污染的土壤中，产生产生适应性适应性l日本小犬厥，叶片日本小犬厥，叶片1000mg/kg的的Cd，2000mg/kg的的Zn；l日本日本“矿毒不知矿毒不知”大麦，铜污染严重的地区生长；大麦，铜污染严重的地区生长；l我国南方耐铝大豆。我国南方耐铝大豆。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制4.2 影响重金属迁移的因素第34页，共47页。35二、影响重金属迁移的因素二、影响重金属迁移的因素(2)土壤种类土壤种类l土壤质地土壤质地l土壤腐殖质含量土壤腐殖质含量l土壤氧化还原电位土壤氧化还原电位l土壤酸碱性土壤酸碱性 例如：例如：As主要是主要
30、是阴离子阴离子交换吸附，交换吸附，pH升高时，升高时，有利于有利于As的的解吸解吸第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制4.2 影响重金属迁移的因素第35页，共47页。36(3)重金属形态重金属形态 l 重金属的溶解度重金属的溶解度 例如：实验研究了土壤中例如：实验研究了土壤中CdSO4、Cd3(PO4)2和和CdS 三种不同三种不同形态的镉，发现对水稻生长的抑制与镉的溶解度有关。形态的镉，发现对水稻生长的抑制与镉的溶解度有关。l重金属在植物体内的迁移能力重金属在植物体内的迁移能力 例如：例如：Zn和和Cd的对比试验发现，的对比试验发现，Cd较易被植物吸收，较易被植物吸收，Zn次之次之二、影
31、响重金属迁移的因素二、影响重金属迁移的因素 第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制4.2 影响重金属迁移的因素第36页，共47页。37第四章第四章 土壤环境化学土壤环境化学1 土壤的组成与性质土壤的组成与性质2 土壤污染物土壤污染物3 土壤中重金属污染及迁移转化土壤中重金属污染及迁移转化4 土壤植物体系中重金属迁移及机制土壤植物体系中重金属迁移及机制4.1 污染物的迁移方式污染物的迁移方式4.2 影响重金属迁移的因素影响重金属迁移的因素4.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制5 土壤中农药的迁移转化土壤中农药的迁移转化6 土壤中氮磷污染土壤中氮磷污染第37页，共47页。384.3 植
32、物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制一、耐性植物与非耐性植物一、耐性植物与非耐性植物l分类：分类：根据植物受重金属影响情况，将植物分为根据植物受重金属影响情况，将植物分为耐耐性植物性植物和和非耐性植物非耐性植物；l影响因素：影响因素：植物的耐性受植物的耐性受植物特性植物特性和和重金属迁移重金属迁移性质性质影响。影响。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第38页，共47页。394.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l植物根系的作用植物根系的作用机制：机制：通过改变根际通过改变根际化学性状化学性状、原生质泌溢原生质泌溢等作用等作用限制限制重金属离子的重金属离子的跨膜吸收跨膜吸收；形
33、成跨根际的形成跨根际的氧化还原电位梯度氧化还原电位梯度和和pH梯度梯度抑制对重金属的抑制对重金属的吸收吸收根际分泌根际分泌螯合剂螯合剂抑制重金属的跨膜吸收抑制重金属的跨膜吸收二、耐性机制第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第39页，共47页。404.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l植物根系作用植物根系作用实例实例1：对比石竹科麦瓶草属植物（产生耐性）和非耐：对比石竹科麦瓶草属植物（产生耐性）和非耐性植物，发现耐性植物性植物，发现耐性植物根中根中Cu浓度浓度明显低于非耐性植物；明显低于非耐性植物；实例实例2：Zn诱导细胞外膜产生分子量为诱导细胞外膜产生分子量为60,000 93
34、,000 的的蛋白质蛋白质，并与之键合形成，并与之键合形成络合物络合物，使，使Zn停留在停留在细胞膜外。细胞膜外。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第40页，共47页。414.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l重金属与植物的细胞壁结合重金属与植物的细胞壁结合 机制：机制：重金属离子被重金属离子被局限于细胞壁局限于细胞壁上，不能进入细胞质上，不能进入细胞质影响细胞内的代谢活动，使植物对重金属表现出耐性；影响细胞内的代谢活动，使植物对重金属表现出耐性；达到达到饱和饱和时，多余的金属离子会时，多余的金属离子会进入细胞质进入细胞质；植物品种不同、重金属种类不同，细胞壁与重金属离植物品
35、种不同、重金属种类不同，细胞壁与重金属离子的子的结合能力表现出明显不同结合能力表现出明显不同。因此，细胞壁对重金属。因此，细胞壁对重金属的固定作用不是一个的固定作用不是一个普遍的耐性机制普遍的耐性机制。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第41页，共47页。424.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l重金属与植物的细胞壁结合重金属与植物的细胞壁结合 实例实例1：在耐性植物中，在耐性植物中，Zn 有有60%分布在细胞壁上分布在细胞壁上实例实例2：Cd在不同植物细胞中的分布在不同植物细胞中的分布蹄盖蕨属植物：蹄盖蕨属植物：Cd有有7090%存在于存在于细胞壁细胞壁中，以离子形式存中，
36、以离子形式存在或与细胞壁中的纤维素、木质素结合；在或与细胞壁中的纤维素、木质素结合；黄瓜和菠菜：黄瓜和菠菜：Cd有有4589沉积于沉积于细胞质细胞质中，中，7789%的的Pb沉沉积于细胞壁上；积于细胞壁上；豆科植物：豆科植物：Cd有有814%左右存在于左右存在于细胞壁细胞壁中，中，70%存在细胞存在细胞质内。质内。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第42页，共47页。434.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l酶系统的作用酶系统的作用 机制：机制：重金属含量增加时，耐性植物中某些酶的活性重金属含量增加时，耐性植物中某些酶的活性仍维持仍维持正常水平正常水平，甚至被，甚至被激活激活
37、，从而使耐性植物在受重金，从而使耐性植物在受重金属污染时保持属污染时保持正常的代谢作用正常的代谢作用；实例：实例：膀胱麦瓶草耐性不同的品种体内，磷酸还原酶、膀胱麦瓶草耐性不同的品种体内，磷酸还原酶、葡萄糖葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢磷酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶活性不同酶活性不同；耐性品种中硝酸还原酶还能被；耐性品种中硝酸还原酶还能被显著激活显著激活。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第43页，共47页。444.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l形成重金属硫蛋白或植物络合物形成重金属硫蛋白或植物络合物 首次发现：首次发现：1957年，首次从马的
38、肾脏中提取金属结合蛋白，年，首次从马的肾脏中提取金属结合蛋白，命名为命名为“金属硫蛋白金属硫蛋白”(MT-Metallothionein)，能，能大量合大量合成成 MT 的细胞对重金属有明显的的细胞对重金属有明显的抗性抗性，而，而丧失丧失 MT 合成能力合成能力的细胞对重金属有高度的的细胞对重金属有高度的敏感性敏感性MT的作用：的作用：是动物和人体最主要的重金属是动物和人体最主要的重金属解毒剂解毒剂；参与必需；参与必需金属元素的金属元素的储存、运输和代谢储存、运输和代谢；第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第44页，共47页。454.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l形成重金属
39、硫蛋白或植物络合物形成重金属硫蛋白或植物络合物 机制机制：金属结合蛋白金属结合蛋白与进入植物细胞内的与进入植物细胞内的重金属结合重金属结合，使，使其以不具生物活性的其以不具生物活性的无毒螯合物无毒螯合物形式存在，形式存在，降低降低金属离金属离子的活性，子的活性，减轻或解除减轻或解除了其毒害作用。这一作用称为是了其毒害作用。这一作用称为是金金属结合蛋白的解毒作用属结合蛋白的解毒作用。当重金属含量当重金属含量超过超过金属结合蛋白的最大束缚能力时，金属以金属结合蛋白的最大束缚能力时，金属以自由态存在或与酶结合，引起自由态存在或与酶结合，引起细胞代谢紊乱细胞代谢紊乱，出现植物，出现植物中中毒毒第四章/
40、4土壤植物体系中重金属迁移及机制第45页，共47页。464.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l形成重金属硫蛋白或植物络合物形成重金属硫蛋白或植物络合物 实例实例1：Caterlin 首次从首次从大豆根大豆根中分离出中分离出富含富含Cd的蛋白质复合物的蛋白质复合物，由于，由于其表观分子量和其它性质与动物体内的金属硫蛋白极为相似，故称为其表观分子量和其它性质与动物体内的金属硫蛋白极为相似，故称为类类 MT。实例实例2：从从水稻、玉米、卷心菜水稻、玉米、卷心菜等植物中分离得到了等植物中分离得到了Cd诱导产生的结合蛋诱导产生的结合蛋白白，性质与动物体内的，性质与动物体内的Cd-MT类似类似
41、。实例实例3：何笃修何笃修(1991)从从玉米玉米中中分离纯化分离纯化镉结合蛋白镉结合蛋白，每个蛋白质分子结每个蛋白质分子结合大约合大约3个个Cd原子原子，性质类似于动物的金属硫蛋白，认为，性质类似于动物的金属硫蛋白，认为Cd在玉米中诱导产在玉米中诱导产生的是植物生的是植物类金属硫蛋白类金属硫蛋白。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第46页，共47页。474.3 植物的重金属耐性机制植物的重金属耐性机制l形成重金属硫蛋白或植物络合物形成重金属硫蛋白或植物络合物 实例实例4：1985年，从经过重金属诱导的年，从经过重金属诱导的蛇根木蛇根木悬浮细胞中提取悬浮细胞中提取分离了一组分离了一组重金属结合肽重金属结合肽。其分子量和化学性质其分子量和化学性质不同于不同于动物体内的动物体内的MT，而将其命名为，而将其命名为植物植物络合素络合素（PC）。它可以被重金属）。它可以被重金属Cd、Cu、Hg、Pb等等诱导合成诱导合成。未经重金属处理的细胞未经重金属处理的细胞不含这种络合素不含这种络合素；细胞吸收的细胞吸收的Cd大于大于90%以以PC形式存在。形式存在。第四章/4土壤植物体系中重金属迁移及机制第47页，共47页。
