环境铜污染影响及修复的研究现状综述

陈贵英，李 维，陈顺德，葛方兰，曾礼华，王 琼

（四川师范大学 生命科学学院，四川 成都 610101）

1 引言

铜是动植物和人类必需的微量元素，缺乏或过多都将产生不良影响。随着社会经济的发展，人类活动对环境的干扰日益加剧，工业和农业生产活动常可导致土壤和水的铜污染，铜已成为环境重金属污染的主要元素之一。环境铜污染的人为来源主要有工业“三废”排放，城市生活垃圾及污水污泥农用，含铜农药化肥施用等。随着我国居民生活水平的提高和肉类需求的迅速增长，畜牧业的快速发展以及由此引起的饲料添加剂的广泛应用，动物粪便中铜排出量递增已经成为环境铜污染的又一重要因子［1～2］。

环境铜污染不但导致该地区植物、动物、微生物生长及土壤酶受到影响，而且引起生态系统失调，影响到整个地区的生态环境［3］，严重威胁到生态系统的稳定和人类的安全。同时，动植物体的富集作用可使铜毒性增强，当人食用了这些超标的动植物食品后，会在人体内蓄积，产生诸多不良后果，甚至危害人体健康。因此，近年来对环境中铜污染及修复的研究越来越多。

2 铜污染对生物及土壤酶的影响

2.1 对植物的影响

土壤对Cu的固持能力较强，施用堆肥污泥的土壤通过长期淋溶后，只有很小部分的Cu随淋溶液淋出［4］，在铜污染环境中，土壤受污染程度比水体要严重得多。近些年，蔬菜中重金属污染的种类和程度呈不断增长趋势，其中Cu、Cd、Zn在蔬菜中为高富集元素［5］，因此，Cu污染对高等植物毒害作用的研究也非常多。

Cu污染对高等植物毒害作用的研究目前主要集中在对植物生长指标、光合作用、细胞结构、细胞分裂、酶学系统和其他营养元素的吸收上。Cu污染对植物光合作用的影响首先是对光系统Ⅱ（PSII）的影响，过量Cu会破坏类囊体的结构功能，这种破坏作用既可发生在光氧化侧，又可发生在还原侧，抑制初级电子供体和受体产量，同时PSII的反应中心也有抑制位点［6～7］。Strange等认为Cu过量使细胞膜的强度下降，Cu渗入细胞内，影响细胞器的结构功能，同时使胞内物质外渗而亏缺［8～9］。同时过量Cu引起的光合生物膜中类脂过氧化和PSII紊乱，会使非周期性的光合磷酸化作用遭到破坏，进而抑制希尔反应的活性［10］。

黄晓辉等实验得出60mg／kg铜处理的水稻各项考种指标均比对照高，说明低浓度的铜对水稻生长发育有益，能提高产量。120mg／kg铜处理的水稻出现中毒症状，除株高外，其余各项考种指标均低于对照。继续增加施铜量，水稻表现明显的受害症状［11］。有报道其主要是降低蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶的活性，影响植物代谢功能［12］。

通过实验模拟研究了铜污染对小麦生长状况有效性的规律。结果发现铜污染与小麦种子萌发、株高有很好的相关性，呈低促高抑效应［13～14］。作为营养元素，铜浓度在300mg／kg时，出苗率、株高、生物量都达到最大值。而当浓度达到500mg／kg时，对小麦各方面呈现抑制作用［14］。

低浓度Cu（＜100mg／kg）可促进油菜茎叶和根的生长，各项指标都略微增长；而当Cu浓度＞500mg／kg时，根数和株高明显下降，分别比对照下降37.5%和22.43%。根数和株高与Cu浓度呈负相关［15］。

曹成有等对铜对3种豆科植物（紫花苜蓿、红三叶和沙打旺）萌发及早期生长发育的抑制效应进行研究。结果表明：质量浓度≥400mg／kg的铜水溶液对3种植物种子的萌发产生显著的抑制作用，质量浓度越高阻抑越明显。同时过量铜离子可显著降低植物叶绿素的含量，并对地上部分的生长产生明显地抑制作用［16］。也有实验证明当铜浓度在100mg／kg以上，小白菜和胡萝卜的生长都明显受到抑制［17］。

2.2 对动物的影响

高Cu对高等动物毒害作用的研究非常多，尤其是对家禽家畜生长发育的影响方面。目前主要集中在对动物生产性能、体内重要的铜酶、代谢酶及重要组织器官结构功能的影响。铜污染对动物的影响主要集中在水生动物和土壤动物。

有报道指出，人、绵羊和猪铜中毒剂量分别为20～30mg／kg、25mg／kg和300～500mg／kg。牛、绵羊、猪和禽的铜最大耐受量分别为100、25、250和300mg／kg。特别是长期施用含高铜的粪便的牧地，牧草铜含量超标，极易引起对铜敏感的牛、羊发生铜中毒（尤其是羊）。

Dijendra Nath Roy等研究了铜离子3个浓度梯度（10mg／kg、15mg／kg、20mg／kg）日粮对老鼠肝脏的一系列影响。结果15mg／kg就会引起肝脏形态和功能上的显著中毒症状，肝实质细胞变形，实质组织破坏，Cu－Zn SOD活力下降导致线粒体功能不良，最终使肝门细胞死亡［18］。

南旭阳研究了铜离子对鲫鱼红细胞、白细胞和血红蛋白量的影响，结果白细胞的数量变化具有较为明显的时间效应和剂量效应。随着处理时间的加长和铜离子浓度的增加，白细胞数均随之上升，而且都高于对照组［19］。贾秀英等研究了铜、镉对鲫组织超氧化物歧化酶活性的影响。结果，在低浓度Cu 1mg／L毒害下，鲫的肝胰脏、肾脏和鳃组织的SOD活性高于对照，分别比对照升高了53.06%、57.66%、11.07%；随着其浓度的提高，肝胰脏、肾脏和鳃的SOD活性迅速下降，2mg／L Cu浓度组，在肝胰脏、肾脏和鳃组织的SOD活力下降为对照的85.30%、88.065%和76.38%；4mg／L Cu浓度组，3种组织的SOD活性仅为对照的69.67%、64.51%和51.99%［20］。

高铜对鲤鱼损害的主要靶器官是肝脏和肾脏。引起体内靶细胞的变性、坏死，造成相应的机能障碍，致鲤鱼铜中毒。中毒鱼生长不良、体色变黑，临死前出现神经症状，与虹鳟、鲫鱼、帆鲔铜中毒后出现的症状相似［21］。

对海产养殖危害，由于贝类生长环境的特殊性以及贝类的富集作用，贝类更容易在体内聚集有毒有害物质，朱明远等对栉孔扇贝对麻痹性贝毒的积累和排出研究表明，扇贝内脏的毒性超过了全贝毒性97%，因此重金属扇贝体内的积蓄量以内脏团最高［22］。在蓄积过程中，内脏中首先受到影响的是生理生化指标［23］。目前应用在海洋方面的监测生物为牡蛎和贻贝，淡水方面为河蚬［24］。

铜污染培养下蚯蚓体重与污染浓度的关系是抛物线关系，0～60mg／kg铜污染处理范围，21d内的蚯蚓体重都随着土壤铜浓度的增加而增加，Cu60mg／kg时处理出现最高值，于此浓度后处理蚯蚓体重则开始下降［25］。

2.3 对土壤微生物的影响

土壤微生物是维持土壤生物活性的重要组分，金属污染不仅会导致土壤微生物量、呼吸强度、微生物量碳与有机碳的比值、代谢商qCO2等指标的一系列变化［26～27］，而且使微生物群落结构发生显著改变［28］。

王丹丹等设置4个Cu浓度水平：0、100、200和400mg／kg，结果显示Cu污染对细菌、放线菌具有抑制作用，而对真菌没有影响［29］。细菌、真菌和放线菌的菌落数与有效铜、锌、镉、铅均有一定程度的负相关趋势，但其显著水平不尽相同［30］。

南京大学环境学院做了氯氰菊酯与铜复合污染对土壤微生物群落的影响，结果表明，低浓度的铜与高浓度的氯氰菊酯复合污染更能促进微生物量碳及土壤呼吸率的增加，微生物的群落结构也会受到明显影响。而两种污染物分别单独作用时，铜对微生物的胁迫更大［31］。

2.4 对土壤酶的影响以及与其他金属元素协同作用危害

有研究铜与锌、铜与银、铜与镉等对环境的联合毒害作用，发现他们多数有协同作用。杨红飞等对铜、锌污染对油菜生长和土壤酶活性的影响进行了研究。Cu处理使土壤酶活性受到显著影响。过氧化氢酶和磷酸酶活性随铜浓度的增加而降低；脲酶活性随Cu浓度的增加呈先增后降的趋势，Cu浓度为100mg／kg时，脲酶活性最大；蔗糖酶活性也表现为先增后降，当Cu浓度为300mg／kg时，蔗糖酶活性最大［32］。罗虹等研究了重金属镉、铜、镍复合污染对土壤酶活性的影响。结果显示，Cd、Cu、Ni复合污染对6种土壤酶活性的影响效应不同，较为复杂。6种土壤酶（脲酶、转化酶、蛋白酶、磷酸酶、H2O2酶和脱氢酶）活性与Cd、Cu、Ni复合污染之间均呈显著或极显著的相关关系，Cu对脲酶表现出极显著的抑制作用，对脱氢酶及蛋白酶表现出显著的抑制作用，对过氧化氢酶和转化酶的抑制作用不显著，对磷酸酶具有显著的激活作用［33］。王秀丽等研究了重金属铜、锌、镉、铅复合污染对土壤环境微生物群落的影响。结果细菌、真菌和放线菌的菌落数与有效铜、锌、镉、铅均有一定程度的负相关趋势，但其显著水平不尽相同［30］。

3 铜污染的防治措施

3.1 减少排放量

提高生产技术、制定严格的工业排放标准、土壤污染防治法等相关法规，并严格依法执行是减少污染物排放的关键所在；强化环保意识，加强土壤重金属污染的管理，以防止农药、化肥等的不合理使用造成的环境污染；提高生产技术，重视高效低毒低残留农药和生物农药的开发，转换金属的不同离子形式，从而以无毒形式排放，或者研究开发第二次利用；针对现在动物饲料中盲目地过量添加微量元素而造成污染，我们应加大宣传力度，普及相关知识，拟订完善无公害铜污染产品标准，并严格依法执行。从源头上阻止不符合标准的饲料进入市场，同时开发研制新铜源。改善饲料利用率，具有较高的生物利用率和安全性［34］。

3.2 筛选种植能富集铜元素的植物

采用植物修复技术治理土壤重金属污染具有治理效果的永久性、治理成本低廉和无二次污染等优点。自从1977年Brooks等首先提出hyper－accumulator（超积累植物）这一概念［35］，1983年 Chancy提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想以后，有关耐金属与超富集植物的研究逐渐增多［36］。迄今为止，已发现铜超积累植物24种，其中Aeolanthusbiformifolius含铜高达13 500μg／g，是当前已知的铜积累量最高的植物［37］。

剑麻可以生长的浓度下（1 000mg／kg），剑麻地上部铜含量高达181.37mg／kg，地下部277.41mg／kg。当铜浓度为2 000mg／kg，剑麻植株体内含铜量最高，剑麻与石灰联合应用对铜污染土壤的修复作用更好［38］。桐花树对高浓度Cu的修复效果明显，尤其是植物在初始适应高浓度时就出现的相当明显的修复作用［39］。自然种群中存在着对重金属耐性较强的植物，虽然其体内重金属含量尚达不到超富集植物体的定义，但其重金属迁移总量仍是可观的，这部分植物对重金属污染地的修复作用亦是不可忽视的。

3.3 养殖能富集铜元素的动物

蚯蚓对污染土壤铜有较强的富集能力，在Cu 200mg／kg处理培养21d后，蚯蚓肠道的铜浓度是土壤环境铜浓度的2.65倍，铜富集总量达到最高值0.674mg每10条。这对于探讨蚯蚓在铜污染土壤的适应机理，提高其对污染土壤的修复能力有重要意义。

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