烟草重金属污染及其防控措施研究进展

曾德武，李 帆，赵建武，朱开林，裴晓东



烟草重金属污染及其防控措施研究进展

曾德武，李 帆，赵建武，朱开林，裴晓东

（长沙市烟草公司浏阳市分公司，湖南 浏阳 410300）

探讨了重金属污染对烟草生长发育、烟叶品质、生理代谢及细胞结构等方面的影响，阐述了烟草对重金属的转运及分布规律，并对防控修复措施及未来研究方向提出了建议。

重金属；污染；烟草；生长；烟叶；品质；防控措施

烟草作为一种重要的经济作物，其品质提高、无公害生产一直是烟草行业研究的重点[1-2]。重金属含量过高的烟草植株，不仅其生长发育和产量会受到较大影响，烟叶品质也会明显降低[3-5]，对吸烟人群健康造成更大威胁。随着人们对“吸烟与健康”的日益关注，烟叶安全性问题越来越受重视，其中烟草与重金属的关系研究已成为国内外烟草研究的热点之一[6-7]。目前研究较多的重金属，主要包括重金属元素汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）以及类金属元素砷（As）等[8-9]。近年来，众多科研工作者针对重金属对烟草生长、产量及品质的影响及如何降低烟草重金属含量等课题做了大量研究。基于此，我们在此系统阐述重金属影响烟草生长的作用机理，并提出防控措施，为烟草重金属防治提供一定的依据。

1 重金属对烟草生长和烟叶品质的影响及其作用机理

1.1 重金属对烟草表观形态及烟叶品质的影响

烟草吸收的重金属会直接影响植株体内的生理代谢过程，最终在烟草的表观形态上表现出来，主要表现为叶绿素含量、叶片数量、地上及地下部生物累积量降低等[10-13]。

在品质方面，烟草摄入过多重金属会影响烟叶的烟碱、还原糖及蛋白质含量[14-16]。烟碱含量是烟叶品质的一个重要指标，在一定范围内其含量增加有利于烟叶品质提高。Cd污染会降低烟叶烟碱含量，其可能原因是根合成烟碱途径或者烟碱向叶片转运过程受阻。另外，烟叶中可溶性糖对Cd、Pb的污染极为敏感，轻度污染就会导致其含量明显下降，这可能是由于叶绿体被破坏，光合作用受阻引起的[17]。重金属会导致烤烟烟叶中糖碱比和氮碱比升高，化学成分组成失衡，品质受到影响[18]。烟叶的氨基酸、蛋白质含量与烟草品质呈一定的负相关关系，含量过高会降低烟叶品质，燃吸时会产生苦涩、辛辣味。研究表明[19]，Cd的存在会提高烟叶蛋白质、氨基酸含量，烟叶品质有所下降。

1.2 重金属对烟草生理代谢及细胞结构的影响

陆宁等[20]采用盆栽试验研究了铬（Cr3+）浓度梯度对烤烟生长的影响，结果发现，烤烟植株的根系活力、叶片保护性酶活性随着铬浓度升高呈下降趋势，而根叶细胞膜透性及叶片丙二醛含量呈增加趋势，因此，高铬环境不仅影响正常的生理代谢过程，更会对其细胞产生毒害作用。曹毅等[21]发现，随着汞（Hg2+）浓度的增加，烤烟叶片保护酶活性、根叶细胞膜透性及根系活力下降，其中烤烟叶片过氧化氢酶（CAT）活性与汞浓度极显著负相关，可视为汞污染的特异性生理指示指标。叶片是植物进行光合作用的主要器官，其中叶绿体是光合作用的主要场所，很多研究表明，过量重金属会破坏烟草的光合系统，包括叶绿素含量降低、叶绿素a/b值减小等[22-23]。

重金属含量过高会干扰植物体内酶活性甚至完全失活，从而影响植株正常生理代谢过程。烟草活性氧酶清除系统主要包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等。研究表明，重金属会改变活性氧清除系统中酶的比例，植株体内内源活性氧的清除功能降低，致使O2、H2O2、OH-等基团的大量累积，影响细胞正常代谢活动甚至产生毒害作用[24]。POD-H2O2分解系统参与了叶绿素的降解，随着Cd浓度增加，POD活性相应增加，但叶绿素含量、叶绿素a/b值却减少[25]。SOD是减少氧自由基对细胞膜造成伤害的防护酶，在清除超氧自由基中扮演着极其重要的角色，当重金属过高产生的自由基超过了SOD的清除极限时，SOD酶活则会急剧下降[26]。此外，硝酸还原酶（NR）是氮代谢过程中关键酶，在烟草中其活性与烟叶烟碱含量呈正相关关系，重金属污染会显著影响烟叶硝酸还原酶的活性，影响烤烟的正常氮素代谢，从而影响烟草的产量和品质[27]。

过量的重金属摄入会导致植物细胞膜透性增大，细胞亚显微结构也会发生变化。相关研究结果表明，Cd污染导致叶肉细胞细胞核、叶绿体结构出现畸形，线粒体脊消失产生空泡化，细胞器膜结构破坏等[28]。Pb对烟叶细胞亚显微的危害程度要低于Cd，但其仍对Pb污染比较敏感，主要表现为物理伤害[29]。

1.3 非重金属-重金属及重金属联合作用对烟草的影响

自然界中单个重金属污染较少，主要表现为多种重金属联合作用。重金属联合作用又表现为非重金属-重金属作用、重金属交互作用，其结果表现为加强或减缓重金属对烟草的毒性，作用形式主要有协同作用、拮抗作用、加合作用等[30]。

1.3.1 非重金属-重金属元素对烟草生长的影响 在一定程度上，钙离子能够减缓镉对烟草植株的毒性，但对应地，钙离子可以增加镉胁迫环境下烟草植株中镉的积累[31]，可见，钙离子虽然增强了烟草对镉的适应能力，但却增加了镉吸收量，这是不利于烟草安全生产的。相对来讲，非金属元素-重金属元素联合作用对烟草生长的研究较少，在该方面有待深入研究。

1.3.2 重金属交互作用对烟草生长的影响 与单个重金属污染相比，重金属复合污染对烟草生长的抑制作用往往更为明显。米艳华等[32]研究表明，重金属复合污染会降低烤烟株高、叶片数及生物累积量，其生物产量减少幅度表现为：As+Cd+Pb > Cd+Pb > As+Pb > As+Cd > As > Pb > Cd。谭光群等[33]发现，土壤Zn含量处于较低水平时，Pb-Zn联合作用导致烟草地上部Pb累积量增加，而在土壤Zn含量较高时，烟草各部位Pb含量显著降低。烟叶吸收的镉随土壤锌含量增高有所下降，两者表现为较强的拮抗作用[34]。

土壤中的Pb、As对Cd在烟株中的积累表现为协同作用，土壤中的Cd对Pb在烟株中表现为拮抗作用，而As和Pb在土壤中为沉淀钝化作用。烤烟植株中的As、Cd含量分别与土壤中的As、Cd含量呈显著或极显著相关，而烟株体内的Pb含量除与土壤中的Pb含量呈极显著相关外，还与土壤中的As含量呈显著相关[33]。

2 烟草重金属污染源及其吸收、转运和分布

2.1 烟草重金属的污染情况及影响因素

烟草对Cd富集能力较强，其次为Hg，而对Pb、Cr、As的富集能力相对较弱[32]。郎思曼等[35]也报道，镉和铅很可能是当前我国烤烟叶中主要的重金属元素。与其他重金属相比，镉污染在土壤中更为普遍，这可能是由于镉较强的迁移能力、生物有效性所决定的。萧蕴英等[36]报道，每支香烟中的汞、镉分别以纳克、微克计量单位来计算的，镉在香烟中含量要大于汞。

李玉美等[37]测定了贵州省4个主要烟区土壤和烟草重金属（Cd、Hg、As、Pb）含量，结果发现各地土壤和烟叶中Cd含量普遍较高，其他3种重金属在土壤和烟草中有一定累积但未超标。研究表明，烟叶镉含量与土壤镉含量有着直接关系[38]，而铅在土壤中主要以凝结状态存在，植物根系吸收较少，其主要通过叶片从大气吸收。铅在植株中的含量以叶最高，其次是根茎类、果类。食品中铅含量调查显示，公路两侧作物铅含量远高于远离公路的作物，说明大气中的铅含量与农作物铅含量直接相关。

与未污染地区相比，污染地区重金属总量、各形态含量特别是可吸收态部分均明显增加[39]。植物可吸收的重金属只占土壤重金属极少部分，其含量与土壤理化环境关系密切。就地域而言，南方烟叶的重金属含量普遍高于北方，这可能是由于酸性土壤下重金属溶解性较高，导致植物可吸收有效态重金属较多所导致的[40]。不同类型土壤重金属含量及有效性又有所差异，杨欣等[41]发现，外源铅、镉在水稻土、红壤中交换态含量、移动性及生物有效性要高于褐土和黄壤，这可能与各类型土壤的pH有关。在土壤因素中，烟叶重金属含量与交换性重金属，有机质呈正相关关系，与土壤pH呈负相关[35]。砷在土壤中以无机态存在，主要有As3+和As5+两种价态，而As3+是有毒的，土壤中氧化还原电位的变化会影响这两种形态的含量[42]。

2.2 重金属在烟草植株中累积分配

烟叶中重金属含量随烟株生长降低，累积量则呈“S”形曲线增加。烟草植株不同部位重金属累积量有所不同。Pb、Cr、As在各烟草器官的分配规律为根系＞叶＞茎[43]，Hg为根＞茎＞叶[44]，Cd则表现为叶＞茎＞根，说明镉在烟株内具有很强的转移能力。不同重金属在烟草体内转移能力不同，Cd在烟株中的迁移能力大于As和Pb。吴玉萍等[45]研究也发现，烟株吸收的Cd大多转运至地上部，其中80%以上分布在烟叶中，只有少部分累积于根部。

在烟叶中，Pb、As、Hg、Cr含量为下部叶＞中部叶＞上部叶[46]，Cd则表现为上部叶＞中部叶＞下部叶[47]，由此说明相比于其他重金属，Cd在烟株体内移动性较高，这也解释了烟草易富集镉的原因。刘芳等[48]研究表明，重金属在较低浓度时，烟叶重金属残留量表现出下部叶＞中部叶＞上部叶的规律，随重金属复合处理浓度升高，上部烟叶重金属残留比例增大，中部烟叶其比例逐渐减少，下部烟叶其比例基本不变。

3 烟草重金属污染防控修复措施

烟草重金属防治方法较多，大体上可分为从源头上控制、重金属活性改良两方面。从源头上控制重金属，主要是加强对有机肥、烟草专用肥等常用肥料的重金属监测力度，合理控制农药施用量，这对降低烟叶重金属残留至关重要。磷肥的施入会增加土壤中重金属的含量，其对主要重金属的贡献率甚至达50% 以上[49]；烟草专用肥则含有较多的是Cr和As；饼肥则是Cu和Zn的主要携带者；天然硫酸钾镁肥和磷肥中Cd含量相对较高[50]。因此有必要加强肥料中重金属含量的监控。另一方面，科研工作者也曾试图通过品种筛选来控制烟叶重金属含量，但效果不是很好，通过现代生物手段来减少烟草对重金属的吸收将是以后重要的一个研究热点。研究发现，将金属硫蛋白基因转入烟草获得转基因烟株，叶片中的Cd含量显著降低[51]。

施用改良剂是降低土壤重金属污染的一种有效手段，分为无机和有机改良剂，主要通过离子交换、吸附、表面络合和沉淀作用，降低重金属有效性，减少作物对重金属的吸收[52]。无机改良剂主要包括石灰、熟石灰、磷肥、粘土矿物等，有机改良剂则以有机肥料为主，如猪粪、麦秆、稻草等。石灰和熟石灰属碱性无机改良剂，可以明显提高土壤pH值从而降低其生物有效性，另一方面形成的碳酸钙可以钝化重金属。许多研究表明，磷肥及磷矿石能有效降低重金属的生物有效性；粘土矿物（凹凸棒土）可降低土壤中植物可利用态的重金属含量，还能促进烟草产量的提高。

有机物质在土壤重金属污染修复中也得到了广泛的应用，研究表明，有机物料可以改变土壤理化性状，如提高土壤CEC和缓冲性能、改变土壤氧化还原特性，增加重金属的吸附、沉淀和固定，减少植物对重金属的吸收。另一方面，有机物中含较多腐殖酸，可与重金属离子形成稳定性较强的腐殖酸-重金属离子络合物，降低其生物有效性。骨粉和活性碳可以增加土壤胶体对镉的吸附能力，降低其有效性，减少烤烟对镉的吸收[53]。

合理农艺措施也有助于降低烟草重金属含量，如打顶、套种、施肥等。陈庆园等[54]研究发现，初花打顶可明显降低中下部烟叶Cd、Pb和Cr的含量。通过施用钙肥和锌肥可以降低烟草对Cd的吸收，施入硫酸钾肥可以降低土壤Pb的有效性，降低烟叶含Pb量[55]。使用硅肥能够抑制烟草对镉及砷的吸收，其作用机理包括提高土壤对重金属的固定作用，提高细胞壁硅质化阻止重金属侵入及与重金属在细胞壁形成沉淀[56]。

4 研究展望

近几年来，烟草行业对烟草重金属污染及防治的重视程度越来越大，尽管关于重金属对烟草的影响相关研究较多，但仍有很多领域有待于更深入的研究。

（1）加强重金属-烟草的生理及分子水平研究，目前，重金属对烟草生长的影响已经做了大量研究，但重金属影响烟草生长及品质的生理机制研究得相对较少；另外，重金属胁迫对烟草相关基因表达的影响研究甚少，找出对重金属响应的特异性基因，研究其功能，对于了解其作用机制具有重大意义。

（2）目前来讲，几种重金属联合作用对烟草生长的影响研究较多，多数重金属胁迫作用往往会加剧其毒性。其他元素-重金属元素对烟草生长的研究相对较少，从已有知识来看，它们间的相互作用并不一定会加剧重金属的毒性。因此，研究其他元素-重金属对烟草生长的影响具有积极的意义。

（3）目前，烟草重金属防治措施较多，多种防治措施并用才能取得一定的效果。从转基因角度来控制烟草重金属污染不失为一种新的方向，就目前而言，转基因技术在烟草上的研究较多，但缺乏系统性，而且对重金属响应的特异基因还没有找出来，研究起来相对比较困难。随着分子生物学技术的发展，从转基因的角度来控制烟草重金属污染问题将是一大研究热点。

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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，硕士，主要从事烟草栽培及病虫害防治研究。E-mail：zengdewu0831@sina.com

2013-10-08