铅污染对动植物危害综述

铅污染对动植物危害综述

周正庆

（南京大学化学化工学院，江苏南京 210009）

摘要：文章说明了重金属铅污染的来源，主要是铅的开采、冶炼和精炼，工业“三废”，蓄电池，汽油添加剂，含铅肥料等，分析了铅在环境中的分布、铅对动植物健康影响的最新研究进展，特别包括对海洋生物的影响的研究，综述了重金属铅污染对动植物的危害。

关键词：铅污染；来源；动植物；海洋生物

一、引言

铅及其化合物都有毒，会造成大气、土壤、水体的污染，是对动植物影响较大的重金属元素之一。铅在地壳中的含量为0．0 016％，在火成岩或变质岩中的含量为0．001％一0．002％，未受污染的南极土壤为0．001％，可作为表层土壤中铅的自然本底值。自然环境中铅的本底值较低，而当今人们铅摄入量及铅负荷升高，主要是人为因素造成的环境污染。据估计，自古以来铅的消耗总量几乎没有超过30Mt，而目前铅的消耗每年大约为5Mt。铅金属形成的盐少部分是溶解于水的，大部分是微溶或不溶于水的，当水中的铅质量浓度超过0.1mg/L时对人体、渔业和农业灌溉都会产生危害。在海洋中，铅污染成了海洋重金属污染中的一种重要金属，与铜、镉等金属相比，铅更容易被某些海洋生物所累积，并对生物造成不同程度的伤害，因而也成为当前威胁海洋食品安全的重要因素。

铅是一种顽固的污染物，一旦从地壳深层循环进入地球表层后，就不会降解，形成永久性的污染。造成环境污染的铅，有1/4可被人类回收利用，剩余的3/4以不同形式滞留在大气、土壤、水域中，对人和动物的健康造成威胁。土壤铅污染在中国许多城市普遍存在，而且部分地区较为严重。2006年10月,国际环保组织Blacksmith In—stitute对非政府机构和国际环保团体提出的300多个地区进行了长达7年的研究分析后，评出的世界十大污染城市中，有4个城市是直接与铅污染有关的。中国铅产量目前居世界第3位，其中精炼铅年产量超过40．7万吨。加上从20世纪90年代以来，中国城市机动车数量剧增，汽油消耗大量增加，导致环境铅污染问题日趋严重。同时，铅也是日常生活和活动环境中常见的污染物之一，是一种重要的工业毒物和不可降解的环境污染物，可长期蓄积在环境中，对人体及动物产生毒性作用，铅一旦进入人体，半衰期为20年。铅等重金属进入海洋环境后，主要发生生物迁移—转化、化学转化、沉积物吸附—解吸、悬浮颗粒物吸附—解吸及相伴随的沉降等过程，并由此使海水得到净化。重金属的毒性很大程度上取决于其形态(如游离态、有机结合态、颗粒物的结合态等)分布,而不同海域海水中铅的存在形态是有较大区别[1]。

近年来随经济建设加速，铅污染更为严重，2005年太原市出现铅污染迹象的地区已达56％。此外，环境中铅的分布呈现越靠近地面浓度越高的规律。在距地面lM以内时，含量很高，而儿童的呼吸带正好处于这一段空气，同时儿童生长发育的特点决定了其吸铅多、排铅少，世界卫生组织(WHO)研究表明，儿童通过内脏摄取的铅是成年人的4～5倍，认为环境中对儿童威胁最大的就是铅。

二、重金属铅污染的来源

（一）铝的开采、冶炼和精炼

铅的物理化学性质如延展性和对腐蚀的抵抗性从古代就为人们所知，人类开采、冶炼铅已经有8 000年的历史。铅的开采、冶炼和精练过程会对周围大气和土壤有很大影响，排出的重金属颗粒大小为0.001—100μm，烟气颗粒为0.01～2μm,靠近冶炼厂的表层土壤,其铅含量为1 000mg/kg。

（二）工业“三废”

生产和使用铅及含铅化合物的工厂排放的废气、废水、废渣可造成环境污染，进而造成

食品污染。环境中某些微生物可将无机铅转变成毒性更大的有机铅。当前世界许多地区，特别是工业发达的城市，大气中含铅已达极高水平。欧洲的大气含铅量为0.055×10—0.34

?6?633×10g／m，日本大气含铅平均值为O.2×1010g/m，我国北京市1980年大气含铅量平均

?63值为0.56×10g/m。我国一些地区对土壤中铅的含量进行过调查研究，结果是：北京18.78mg/kg、华南地区26.47mg／kg、长江三峡库区20.51mg/kg、上海23.0mg/kg、南京24.8mg/kg、重庆22.2mg/kg。 （三）蓄电池

1859年，法国物理学家Gaston Plante发现当一个铅氧化物和铅金属电极浸入硫酸电解液时，产生电能，而且以后还可以再充电。之后，这个技术不断成熟。1889年铅酸电池投入商业生产。随着机动车的发展，电池市场在20世纪发展很快，最终消耗了世界铅产量的75％左右。铅酸电池在机动车中用于启动、照明和点火。不采用安全有效的措施对铅酸电池进行回收处理，势必造成资源浪费和环境污染。 （四）汽油添加剂

四乙基铅[Pb(C2H5)4]生产予1921年，它在常温下呈液体，沸点为200摄氏度，有抗震性能。它作为一种汽油添加剂，用于解决高温时高压发动机运行的爆震音问题。故排出的尾气中含有大量的铅，造成公路干线附近的铅污染。四乙基铅在20世纪50年代后达到生产顶峰。另外，它的毒性比无机铅的毒性大100倍。 （五）含铅肥料

氮、钾肥料中重金属含量较低，而磷肥中含有较多的有害重金属。磷肥不同于氮肥，它的生产原料是磷矿石，成分不像由合成氨制造氮肥那样单纯，往往含有一定量的重金属，其中铬、铅、砷元素含量较高。农田施入磷肥将这些有害物质带入土壤环境，对作物产生危害。而且这些有害物质在土壤一植物系统中积累、迁移和转化，进入食物链，对人体健康造成危害。

（六）其他

另外，含铅农药(如砷酸铅)的使用、污水灌溉、垃圾农用以及铝合金、马口铁、陶瓷及搪瓷等材料制成的食品容器和食具的使用等都会造成环境污染 [2] 。

?6三、重金属铅污染对生物的危害

（一）铅在土壤中的迁移转化及危害 土壤中的铅主要以Pb(OH)2、PbCO3、Pb3(PO4)2 等难溶形式存在, 在土壤溶液中可溶性铅含量极低,进人土壤中的铅主要积累在土壤表层. 土壤中的铅较容易被有机质和翻土矿物所吸附, 其吸附强度与有机质含量呈正相关。

土壤pH值对铅在土壤中的存在形态影响较大,当土壤呈酸性时,土壤中固定的铅,尤其是PbCO3容易释放出来, 使土壤中水溶性铅含量增加,可促进土壤中铅的迁移。作物从土壤中吸收的铅主要是吸收土壤溶液中的Pb2+,作物吸收的铅绝大部分积累于根部, 而向茎叶、籽实中迁移的量很少铅在植物组织中的累积可导致氧化过程、光合过程和脂肪代谢过程强度减弱. 另一方面, 铅可使水的吸收量减少, 耗氧量增大, 阻碍植物生长, 甚至引起植物死亡。当动物食用含铅3mg/kg(按干重计) 的饲料时, 在其组织中就会有铅积累铅毒害影响在反当动物上表现最为严重, 因为铅长时间停留在胃内, 从而提高其吸收率。因此,对于动物和人来说,铅是一种危害很大的蓄积性有毒元素[3]。 （二）铅对陆地植物造成的危害 铅是植物的非必需元素，当他与植物接触后就会对植物产生一定的毒害作用，轻则使植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑制，重则导致植物死亡。当铅进入植物体时，由于质膜是有机体与外界环境的界面，所以首先受到铅的毒害嘲。铅离子还可以通过质膜进入细胞，影响细胞内一系列生理生化过程，使新陈代谢紊乱。例如，在铅胁迫下，光合系统

和一些光合酶的活性以及叶绿素的合成受到影响，甚至叶绿体的结构遭到破坏，导致植物的光合作用降低；铅又能损伤线粒体的结构，抑制根系多种脱氢酶等其它呼吸酶的活性，干扰植物的呼吸作用；通过与蛋白质上一SH基团结合而破坏蛋白质结构，影响蛋白质活性，干扰N素代谢；铅能造成植物体内SOD、POD、CAT等3种酶活性比的不平衡，引起生理生化过程紊乱，并最终导致植物的伤害；铅与带负电荷的核酸结合引起染色体畸变、降低DNA和RNA活性，干扰核酸代谢；铅还能通过拮抗作用导致植物体内元素失调，造成营养胁迫，间接地影响植物的生长发育。

以上是铅在细胞水平和分子水平上对植物的影响，在个体水平上，铅对作物根系的影响较为显著，能降低细胞的有丝分裂速度，阻碍根系的生成。在高浓度铅处理下，植物种子萌发率、胚根长度及胚芽长度显著降低，重者出现胚根组织坏死。以不同浓度的铅处理水培的玉米和大豆，随着铅浓度的增加，植株高度、叶数、生物量及产量均下降。土壤高浓度铅延缓水稻生长，推迟成熟，导致减产。铅不仅影响作物的产量和品质，并且可以通过食物链影响动物和人类的健康。德国铅和锌冶炼厂周围5km之内吃草的马和牛发生铅中毒，动物消瘦，关节肿胀并疼痛，有的喉返神经(支配声带的神经)麻痹，动物有特殊的马嘶声和马喘鸣症，并伴随有呼吸短促。中国鲎的卵径发育大小随铅离子浓度的增加而减小，胚胎孵化率随着水体中铅离子浓度的提高而下降，铅离子浓度提高至1.6mg/L时，胚胎致畸率高达50％[4]。 （三）环境铅污染的实验动物研究 1.铅的神经毒性

铅对神经发育的毒性作用一直是各国学者研究的焦点。铅可以通过大脑屏障，并且蓄积在脑组织中的各个分区中，通过引起神经传导介质儿茶酚胺代谢的紊乱，干扰神经介质——y氨基异丁酸作用，抑制胆碱脂酶活性，导致乙酰胆碱含量增高，影响神经传导，从而造成智力、记忆力、神经行为的障碍。

关于铅诱导的神经毒性机制，有研究发现，体外培养的大鼠神经细胞存活率随染铅剂量的增高和作用时间的延长而逐渐下降，呈现明显的剂量与时间效应关系，同时，随着铅剂量的增加，神经细胞核呈新月形，染色质浓缩，出现凋亡小体，甚至核碎裂，且细胞凋亡率随染毒剂量的增加而逐渐升高。经进一步证实，一定的铅浓度范围对发育期小鼠脑皮质中的ERK表达产生较明显的影响，影响程度与铅浓度有关。铅对ERK的影响在发育后期比发育前期影响更大。

2.铅的生殖毒性

有研究表明，环境铅暴露与人类生殖有关联，暴露人群存在生殖缺陷和染色体异常。另有研究发现，血液铅与精子铅的残留浓度有极显著的相关性。铅会明显的造成精子数及精子活动力的降低，并会引发反应性物质的升高，造成精卵穿透效率的明显降低。研究证实，铅不仅对生殖过程的各个环节产生直接毒害作用，而且还影响性激素的合成及下丘脑一垂体一性腺轴的调节功能。据报道，随着血铅水平的升高，铅作业工人的精液量、精子总数、活精子数、精子活力和精液中锌、磷酸、柠檬酸的含量逐渐减少，精子形态畸变增多，提示铅对性腺、睾丸具有直接毒性作用。铅对雄性生殖毒性的作用机制是多方面的，其可直接损害生殖细胞，导致精子异常；引起睾丸和附睾组织的病理学改变，妨碍生精功能；作用于下丘脑一垂体一性腺轴，使其反馈功能发生障碍，引起内分泌失调；铅作为一种诱变剂，导致生殖细胞染色体畸变，并引起遗传效应。有研究表明，铅对幼龄大鼠生殖功能损伤尤为严重，可降低睾丸脏器系数和附睾脏器系数，使精子密度和精子活率下降，畸形率升高，可降低血清睾酮浓度，6周龄和12周龄时可使卵泡刺激素下降。同时，发现氟对环境中的铅有吸附作用，而氟对铅有颉颃作用。

3.铅的免疫毒性

近年来，随着免疫毒理学的兴起和发展，众多学者对铅的免疫毒性越来越关注，以流行

病学调查居多。孙鹂等用石墨炉原子吸收光谱法对217名学龄前儿童进行血铅浓度筛查，用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测不同血铅水平的学龄前儿童体内免疫球蛋白IgE的变化，发现铅中毒能刺激学龄前儿童IgE的产生。随后用流式细胞仪检测不同血铅水平对学龄前儿童淋巴细胞免疫表型CD3+、CD4+、CD8+、CDl9+、CD56+的影响。结果表明，低水平铅暴露对学龄前儿童淋巴细胞免疫表型CD3+、CD4+具有不利影响。用同样方法对917名学龄前儿童进行铅测定，根据血铅水平设立高铅组和低铅组(对照组)，分别对这两组儿童用免疫比浊法进行免疫球蛋白IgA、IgG、IgM以及补体C3和C4测定，结果显示，高铅组的IgA、lgG及补体C3水平低于对照组。将120只幼年小鼠分成6组，分别给予含有不同剂量的铅饲料喂养8周，分析铅暴露后小鼠T细胞亚群CD4+、CD8+的分布，并测定小鼠脾脏体重指数。结果显示，各组小鼠血铅水平随铅暴露剂量升高而升高，CD4+减少,CD4+／CD8+降低，并随各组血铅浓度的升高而减少；各组脾脏体重指数与对照组比较差异显著。研究结果表明，低铅暴露增强了Th2型细胞反应，高铅暴露则导致Th1和Th2细胞的不平衡活化。通过体外培养的骨髓细胞，证实铅具有使抗原特异性T细胞向Th2细胞分化的能力。

铅对机体的体液及细胞免疫功能均有一定的毒性作用，但这些作用还了解得不十分深刻，由于免疫系统是极为复杂而不可分割的整体，因此还需要进一步从细胞、分子水平上进行深入研究以探讨其内在的联系和机制。[5] （四）对海洋生物的影响

海水中铅对海洋生物的影响海洋有害重金属对海洋生物具有累积和放大的生态毒性效应，并能降低初级生产力，拟制生物化学活动，对海洋生态系统和环境质量具有多层次影响。目前有关海洋中铅对海洋生物的影响主要集中在生物生长、蓄积排放规律及对某些参与免疫相关酶的影响方面。

1. 铅对海洋藻类毒性及生长的影响

铅等重金属对藻类生长、发育、细胞形态结构、繁殖等影响的研究国内外已有很多报道。早在1979年，Rivkin就指出在铅质量浓度0.05～10mg/L中生长的骨条藻，其生长率、最高产量和细胞呼吸作用均有不同程度的下降；相反．细胞体积和每个细胞的光合作用强度增加。铅等重金属对浮游植物的生长能够产生明显的毒性作用，研究发现铜对颗粒直链藻(、钝脆杆藻、铜绿微囊藻的生物毒性大于铅；铜和铅对钝脆杆藻的生物毒性大于另外2种藻。通过试验发现，东海原甲藻分别在低浓度的铜、铅、锌和镉污染状态下，生长未受到影响，表现为一定的耐受性，而浓度较高时，其生长受到明显抑制，毒性效应随重金属浓度的升高而增大，毒性效应依次为镉>锌>铅>铜。但不同微藻对Pb等重金属的耐受性不同，如重金属

3

对于钙质角毛藻的毒性效应为Cu2+>Cd2+>Zn2+>Pb2+。高质量浓度的Pb2+(≥2000μg/dm )对赤潮异弯藻、旋链角毛藻，中肋骨条藻、三角褐指藻、海洋原甲藻、裸甲藻、亚心型扁藻和

3

青岛大扁藻8种浮游植物的生长普遍存在拟制作用，而较低质量浓度的Pb2+(≤100μg/dm )则易促进赤潮异弯藻、旋链角毛藻、三角褐指藻、中肋骨条藻、青岛大扁藻和亚心型扁藻的生长，最佳的促进生长质量浓度分别为1991、2523、101、1448、627、509μg/dm ，但对于海洋原甲藻、裸甲藻的生长没有明显的影响，毒性效应强弱主要取决于藻类细胞壁的各种生物配位基，这些配位基能使重金属通过物理吸附和化学配合反应沉积到藻细胞表面和内部，

3

表现出一定的亲和性。一般认为，与藻类亲和性强的重金属离子抑制藻类生长的毒性越强。事实上，海洋重金属对藻类等生物体的影响往往是多种金属联合作用的综合结果，这种联合作用的效应一般分为4种类型：拮抗作用、协同作用、相加作用、致敏作用。

2. 铅对海洋动物毒性效应研究

有关铅对海洋动物的毒性研究，国内外已有较多报道，主要是针对海洋铅污染对贝类、鱼类和其他较低等动物致死率或对其个体发育过程的影响。

研究重金属对褶牡蛎胚胎及幼体发育的毒性效应时发现，铅离子对胚胎的半致死质量浓

3