趙國強，盛曉磊

(1.陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

1 引言

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，現(xiàn)有種植面積146.1萬hm2。近年來，隨著工業(yè)化和城市化快速發(fā)展，我國土壤環(huán)境安全問題日益嚴重。大氣沉降、污灌、污泥農(nóng)用等因素使鎘污染土壤面積不斷增加，根據(jù)我國現(xiàn)行的《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》統(tǒng)計，目前我國鎘污染的土壤面積已達20萬km2，占總耕地面積的1/6。鎘是生物非必需的、毒性較強的重金屬元素，在環(huán)境中移動性大，容易通過食物鏈的富集作用危及人類健康。國內(nèi)外通過飲食途徑攝入鎘對人體造成危害的研究較多，在國家《食品中污染物限量標準》中明確規(guī)定各類食品鎘限量指標來提高食品安全性、保護人體健康，但標準中并未涉及煙草產(chǎn)品。煙草是鎘富集植物，吸收的鎘主要積累于葉片中，張艷玲等[1]對全國各煙區(qū)煙葉重金屬調(diào)查發(fā)現(xiàn)煙葉鎘平均含量為2.95 mg/kg，最大值達19.35 mg/kg。由于鎘的燃燒點低于其他重金屬元素[2]，在吸煙時鎘向側(cè)流煙氣及煙氣粒相的轉(zhuǎn)移率最高，分別為79.77%、3.17%[3]，因此吸煙成為人體攝入鎘的又一重要途徑。有研究報道一個具有20年煙齡的吸煙者通過吸煙攝取鎘總量達61.2 mg，占飲食攝取的近40%[4]；每天吸40支香煙所吸收的鎘相當(dāng)于飲食攝取的2倍[5]。鎘的生物半衰期為13.6～23.5 年[6]，在體內(nèi)長期積累可引起人體器官不良效應(yīng)甚至引發(fā)癌變。因此，隨著人們健康意識的不斷提高，降低煙草鎘含量逐漸成為煙草和健康等領(lǐng)域關(guān)注的焦點。

2 煙草鎘有效性控制技術(shù)

2.1 土壤原位鈍化技術(shù)

原位鈍化即向土壤中添加鈍化劑改變鎘在土壤中的存在形態(tài)，降低鎘的生物有效性，進而減少煙草鎘吸收。根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)可分為無機鈍化劑和有機鈍化劑兩類。

2.1.1 無機鈍化劑

粘土礦物類。粘土礦物具有比表面積大，吸附性、離子交換性強等特征，當(dāng)污染物進入土壤后，可以吸附固定帶有相反電荷的離子和絡(luò)合物，使污染物的活性和擴散性大大減弱，從而抑制了污染物進入土壤—植物系統(tǒng)。胡鐘勝等[7]發(fā)現(xiàn)凹凸棒石可減少煙草各部位鎘含量，增加煙草生物量，提高產(chǎn)量。海泡石、膨潤土、蒙脫石等粘土礦物在土壤重金屬鎘污染修復(fù)中也有類似報道。我國粘土資源豐富，能夠為治理土壤重金屬污染提供豐富的粘土礦物材料，但從資源的角度分析是不利的，因此無害化處理的工業(yè)副產(chǎn)品(赤泥、飛灰、磷石膏和粉煤灰等)是比較理想的土壤原位鈍化劑[8]。赤泥作為分布較廣的工業(yè)副產(chǎn)品，它對鎘等重金屬具有很高的吸附容量，吸附固定的鎘在其表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯著降低重金屬的可交換態(tài)含量、遷移性和生物毒性[17]；丁瓊等[9]向鎘污染的石灰性土壤中加入赤泥后，顯著降低了豇豆對鎘的吸收。郝雙龍等[10]發(fā)現(xiàn)粉煤灰用量是土重8%時，粉煤灰對鎘污染土壤修復(fù)效果最好，土壤鎘由交換態(tài)向碳酸態(tài)和鐵錳氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，其浸提量較對照降低了71.61 %。

納米材料。隨著環(huán)境科學(xué)和材料科學(xué)的快速發(fā)展，納米材料因具有巨大的比表面積和微界面特征，成為污染環(huán)境修復(fù)中中的新熱點。通過向污染土壤加入納米顆?？商岣呶轿廴局亟饘匐x子能力，降低土壤中重金屬生物有效性。錢翌等[11]向鎘污染土壤加入5 %的納米羥基磷灰石，有效態(tài)鎘的含量降低了49 %。王萌[12]研究發(fā)現(xiàn)4種不同納米修復(fù)材料(羥基磷灰石、赤泥、Fe3O4、胡敏酸-Fe3O4)可顯著增加胡蘿卜植株生物量，降低植株Cd含量，且施用濃度越大植株Cd濃度降低越顯著。但納米材料制作工藝復(fù)雜、成本較高，目前多用于室內(nèi)探索階段。另外由于納米材料具有尺度超小、易擴散等特性可能會對環(huán)境造成二次污染進而危害人體健康，工程實踐應(yīng)用中需科學(xué)論證[13]。

2.1.2 有機鈍化劑

有機物料因具有特殊的功能團可以吸附、絡(luò)合土壤中交換態(tài)鎘，促使其向有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，進而降低了土壤鎘的有效性。Tejada[14]發(fā)現(xiàn)施用有機廢棄物可增加鎘吸附能力并提高土壤生物學(xué)指標。Mulligan等[15]向鎘鎳污染的砂土中加入鼠李糖脂表面活性劑后鎘吸附效率是清水處理的4倍，達73.2%。施加富含巰基的植物殘體鈍化劑如油菜秸稈和大蒜秸稈等較富含纖維素的禾本科秸稈，顯著降低了土壤鎘有效性，秸稈巰基化處理在控制成本條件下可以用于鎘污染的原位鈍化修復(fù)。秸稈富含有機官能團，能夠與重金屬形成具有一定穩(wěn)定程度的金屬有機絡(luò)合物，從而降低重金屬污染物的生物可利用性以及植物的吸收，另外油菜秸稈含有豐富的巰基化合物，可與鎘發(fā)生螯合作用，降低可交換態(tài)鎘的含量[16]。

2.1.3 有機無機聯(lián)合鈍化

目前，利用工農(nóng)業(yè)廢棄物作為鈍化劑來進行土壤污染的鈍化修復(fù)研究報道增多，同時，在單獨施用發(fā)揮其鈍化效果基礎(chǔ)上，嘗試有機無機鈍化劑聯(lián)合再輔以鋅肥處理將會獲得更為理想的控制效果。重金屬污染土壤中添加鈍化劑可顯著降低重金屬對鎘污染煙草的毒害作用，提高產(chǎn)量，赤泥、油菜秸稈、玉米秸稈及其組合并配施硫酸鋅可使煙葉增產(chǎn)7.0%～32.1%，經(jīng)濟效益提高6.6%～31.3%，且以赤泥油菜稈復(fù)合鈍化劑配施鋅肥效果最佳[25]。鋅作為一種與鎘有著相似地球化學(xué)行為的元素，在土壤-植物系統(tǒng)中互作機制研究報道表明施鋅可以抑制植物對鎘的吸收，鋅肥與土壤改良劑配合使用降低植物鎘吸收效果更顯著。鎘鋅拮抗機制可能與Cd和Zn在根部具有共同吸收轉(zhuǎn)運蛋白ZIP和HMA4有關(guān)，鋅濃度增加抑制了鎘的吸收和轉(zhuǎn)運。

2.2 蒸騰抑制劑控制技術(shù)

目前蒸騰抑制劑主要用于抗旱節(jié)水農(nóng)業(yè)，蒸騰抑制劑施用可以調(diào)節(jié)氣孔運動，降低植物水分蒸散，提高水分利用效率[18，19]。植物根部從土壤中吸收鎘，在蒸騰拉力作用下，通過木質(zhì)部導(dǎo)管以集流形式運輸?shù)降厣喜扛髌鞴賉20]。進入木質(zhì)部的Cd可以通過自由離子態(tài)、無機絡(luò)合態(tài)(CdClx)及低分子有機酸絡(luò)合態(tài)(如檸檬酸絡(luò)合態(tài)等)進行運輸?shù)?。Vogeli-Lange等[21]發(fā)現(xiàn)黃花煙暴露在40 μM鎘溶液中培養(yǎng)3 h后在煙葉中檢測到鎘。孫仲秧等[22]通過加入脫落酸水培水稻，地上部的鎘含量和鎘毒害較對照明顯降低。錢海勝等[23]發(fā)現(xiàn)外源脫落酸處理顯著增加不結(jié)球白菜根系鎘含量，降低鎘向地上部轉(zhuǎn)運，而且不結(jié)球白菜地上部鎘含量占總鎘含量百分比與葉片蒸騰速率呈顯著正相關(guān)。具有拮抗作用的鋅，除在根吸收競爭吸收位點外，還可以競爭鎘木質(zhì)部運輸載體減少向地上部遷移[24]。煙草葉面積大，蒸騰作用強，因此外源噴施蒸騰抑制劑降低蒸騰作用，減少鎘向地上部遷移可能是控制煙草鎘有效性的又一途徑。但蒸騰抑制劑是逆境激素，使用不當(dāng)會影響植物生理代謝，影響煙草產(chǎn)量和品質(zhì)。

3 煙草鎘毒害控制技術(shù)

植物吸收積累鎘達到一定限度后，會產(chǎn)生毒害作用。植物鎘毒害主要變現(xiàn)在抑制生長，降低光合特性，抑制酶活性，干擾礦質(zhì)離子吸收,降低品質(zhì)。王樹會等研究發(fā)現(xiàn)低濃度鎘(1～8 mg/L)雖對發(fā)芽影響較小，但降低了種子活力，高濃度明顯抑制種子發(fā)芽。在煙草鎘急性毒性試驗中煙草根伸長量隨著鎘濃度升高受到明顯抑制。高家合等研究發(fā)現(xiàn)鎘會抑制煙株生長和水分吸收，且抑制強度雖鎘濃度升高而加強。結(jié)合葉片超微結(jié)構(gòu)進一步發(fā)現(xiàn)鎘濃度升高降低葉綠素含量，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)。目前，研究重金屬毒害多采用根伸長試驗，其具有簡單、快速、易表現(xiàn)、可量化等優(yōu)點。王學(xué)東等和李波等利用大麥根伸長試驗分別構(gòu)建了關(guān)于銅和鎳毒害的預(yù)測模型—生物配體模型，充分考慮重金屬離子存在狀態(tài)和環(huán)境介質(zhì)(K+,Na+,Mg2+,Ca2+,pH值)對生物毒害影響。鋅與鎘在根部存在相同的結(jié)合位點，鋅濃度增加能夠降低鎘毒性；煙草鎘含量與pH 值負相關(guān)，鎘含量增加可產(chǎn)生毒害，因此pH值影響煙草鎘毒害。雷麗萍等水培溶液pH值從4.52增加到8.1時，煙草根伸長的EC50增加了6.73 倍。根據(jù)生物配體模型理論pH值降低鎘毒害存在兩種機制：一改變鎘在溶液中的存在形態(tài)；二氫離子競爭鎘在根部的吸收位點。

4 展望及建議

煙草作為國內(nèi)主要的經(jīng)濟作物，其產(chǎn)量與人民的生活息息相關(guān)，而通過煙草進入人體的鎘污染嚴重影響著人類的健康。環(huán)境中鎘元素通過土壤污染轉(zhuǎn)移進入煙草，進而通過煙葉進入人體，在人體內(nèi)富集進而影響人類健康。通過物理、化學(xué)手段等技術(shù)控制鎘元素的污染遷移，將鎘污染元素吸附、固持在原有的土壤中，禁止其轉(zhuǎn)移、吸收。通過探討和研究其轉(zhuǎn)移的過程和機理，減少鎘污染元素的遷移轉(zhuǎn)化，為人類的健康幸福生活提供綠色途徑。盡管眾多科技工作者已從多方位多角度的研究來控制煙草中重金屬的含量，避免對人體造成的威脅和傷害，但還是希望從以下幾個方面作出努力。

4.1 建立健全的煙草環(huán)境保護和監(jiān)測體系

通過檢測檢測體系，避開重金屬污染區(qū)，特別是禁止在重金屬重度污染區(qū)域種植煙草，將煙草種植于無污染的區(qū)域，并設(shè)立長效監(jiān)測體系，合理劃分種植區(qū)域。

4.2 育種能力培養(yǎng)，改良煙草品種

通過遺傳育種、轉(zhuǎn)基因育種、生物技術(shù)等，培育并篩選不利于重金屬富集的煙草植株，從而減少或杜絕煙草對土壤重金屬的吸收。

4.3 科學(xué)制定施肥方案

不合理的以及不合格的肥料除了自身將重金屬污染物帶入土壤外，有可能將土壤原有的固結(jié)到土壤顆粒中的重金屬污染物激活從而造成煙草植株的吸收。通過科學(xué)合理的施肥，制定合理的施肥計劃，最大限度的減少由于肥料原因帶來的重金屬污染問題。

4.4 合理利用土壤改良和修復(fù)技術(shù)

通過培育種植有利于重金屬富集的植物去除土壤中的重金屬，或者通過增施有機肥等技術(shù)進行土壤改良，不斷培肥和改良土壤，減少土壤中重金屬的污染物含量，從源頭杜絕重金屬的污染。