综述：环境潜在重金属的综合评述：持久性、生物累积性、生态毒理学与农业影响

《Ecological Frontiers》：A comprehensive review on potential heavy metals in the environment: Persistence, bioaccumulation, ecotoxicology, and agricultural impacts

本综述系统探讨了潜在重金属（Pb, Cd, Hg, As等）的环境行为与风险，涵盖其持久性、生物累积/放大效应及生态毒理机制（如氧化应激、DNA损伤）。文章重点评估了物理（电动力学修复EKR）、化学（原位化学稳定化ISCS）和生物（植物修复、微生物修复）等修复技术的效能与局限，并强调了将环境管理与农业实践相结合，以应对重金属对生态系统和食品安全（如作物吸收Cd、As）的长期威胁，呼吁采取跨学科综合治理策略。

　　

环境潜在重金属的综合评述：持久性、生物累积性、生态毒理学与农业影响

摘要

重金属污染因其毒性、持久性和生物累积潜力，对环境和作物系统构成广泛而严重的风险。本综述探讨了潜在重金属的来源、其在环境中的归宿与迁移，以及生态毒理效应，旨在理解其土壤吸附潜力及进入食物网的途径。文章进一步评估并比较了化学淋洗、原位稳定化、热脱附、植物修复和微生物修复等 remediation 技术的机制、效能和局限性，强调了旨在提高修复效率的最新研究和技术发展。综述呼吁采用可持续农业实践、长期环境监测和严格监管，以确保环境保护和食品安全，并得出结论：采取整体和跨学科的方法对于有效减轻重金属污染、保护生态系统和人类健康至关重要。

1. 引言

重金属污染已成为21世纪最具挑战性的环境危害之一。与有机污染物不同，重金属不会降解，反而会在沉积物和生物系统中长期存留，造成持续暴露。其威胁源于化学惰性、可转化为多种有毒形态以及生物累积和食物链传递的能力。重金属污染源分为自然源（如火山喷发、岩石风化）和人为源（如采矿、冶炼、化石燃料燃烧、化肥农药过度使用）。值得注意的是，一些元素（如Cu、Zn、Ni）是必需微量元素，但超过生理阈值时会破坏代谢过程；而另一些（如Pb、Cd、Hg、As）则完全有毒。新兴金属（如Tl、Pd、Sb）即使在低浓度下也具有毒性，需引起关注。

2. 材料与方法

通过检索Google Scholar、PubMed、Web of Science和Scopus等数据库（2002-2025年），共初步获取1150篇文献。关键词包括“重金属”、“金属污染”、“生物累积”、“生态毒理学”、“土壤污染”、“水污染”和“金属的农业影响”。纳入标准侧重于与重金属持久性、生物累积、生态毒理效应及农业影响相关的同行评审期刊文章。

3. 重金属的分类与环境特性

重金属在环境行为和毒性方面差异显著。常见的环境污染物包括铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)等。其环境行为受pH、氧化还原电位、溶解度和化学形态等关键物理化学性质控制。例如，低pH下金属溶解度增加，易于淋溶；Cr(VI)的毒性远高于Cr(III)；甲基汞的生物可利用性高于元素/无机汞。金属通过根系和叶面吸收进入植物，其在植物体内的积累和转运模式因元素和植物物种而异。

4. 环境持久性与迁移性

重金属对土壤、沉积物和生物表面的高亲和力及其不可生物降解性，使其成为持久性污染源。其迁移性受吸附-解吸过程以及土壤pH、有机质、粘土含量等因素控制。例如，铅、镉和砷能与腐殖质络合并强烈吸附在矿物表面，限制短期迁移。但在酸性条件或盐度升高等情况下，金属流动性会增加。水生植物如凤眼莲(Eichhornia crassipes)和大薸(Pistia stratiotes)可通过生物吸附改善水质。

5. 生物累积与生物放大

生物累积是污染物从环境和饮食中在生物体内逐渐增加的过程，而生物放大则是指污染物浓度沿食物链从低营养级向高营养级增加的过程。这使得土壤、沉积物或水中的微量污染能在顶级捕食者和人体内累积至有毒水平。重金属通过根系吸收和叶面沉积进入食物网。研究表明，水稻中Cu、Zn、Pb约有23-47%来自大气沉降，而As则主要通过根系吸收。生菜和黑麦草中Pb的积累也以叶面吸收为主。鱼类等水生生物同样会累积重金属，如镉在滤食性生物中富集程度高，并存在致癌风险。气候变化还会影响汞在北极食物网中的流动。

6. 生态毒理效应

6.1. 分子和细胞水平的毒性机制

在细胞和分子水平，重金属如Cd、Pb、Hg会与蛋白质的巯基结合，抑制细胞呼吸和抗氧化防御的关键酶。它们还诱导产生活性氧(ROS)，导致氧化应激，引发脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤，最终导致细胞坏死或凋亡。Cd暴露导致的ROS过量产生会压倒细胞抗氧化防御机制（如谷胱甘肽、超氧化物歧化酶），导致线粒体功能障碍并促进凋亡通路。重金属还能激活NF-κB和MAPK等信号通路，引发炎症反应。

6.2. 对微生物群落、水生生物、植物和动物的影响

重金属污染会严重影响生态系统中各类生物群落的结构和功能。Cd、Pb、Hg会降低微生物多样性，影响土壤肥力、有机质分解和固氮作用等重要过程。水生生物（如鱼类、无脊椎动物）对重金属毒性敏感，暴露会导致死亡、生长抑制、繁殖受损和行为改变。污染物通过生物放大在食物链中传递，对高阶捕食者构成威胁。重金属还会改变动物的生理和行为。

6.3. 慢性与急性暴露

急性暴露指短期高浓度接触毒物，导致立即的生理损伤和死亡。慢性暴露指长期低水平接触污染物，可能不会立即产生可观察效应，但会随时间推移产生累积性影响，如干扰繁殖、生长、行为和免疫防御。慢性暴露还可能诱导表观遗传改变和基因表达谱变化，影响后代健康。

6.4. 联合毒性与协同效应

环境中通常存在重金属与其他污染物的复杂混合物，其联合毒性可能产生协同作用（毒性大于各组分之和）或拮抗作用。例如，Cd和Pb联合暴露在某些生物中诱导的氧化应激和免疫抑制比单独暴露更强。As、Hg、Cr的混合物能显著增强DNA损伤和氧化应激。

7. 潜在重金属的农业影响

7.1. 农业土壤中的潜在重金属污染

农业土壤重金属污染主要源于工业排放、农药化肥、污水灌溉和污泥处置。污染物如Cd、Pb、As、Hg、Cr在土壤中逐渐积累。研究表明，农村家庭固体燃料燃烧产生的颗粒物(PM)中含有K、Ca、Cr、Mn、Zn、Hg等金属，与人体氧化和炎症生物标志物相关。PM_2.5结合金属的肺沉积和生物可及性对儿童和成人构成健康风险，Cd具有潜在致癌性。工业废水灌溉等农业活动导致稻田土壤和稻米中Pb、Cd含量升高。

7.2. 作物吸收及向可食用部位的转运

作物对重金属的吸收取决于土壤中金属的有效性，受土壤pH、有机质和金属形态控制。根系吸收后，金属可转运至茎、叶、果实和籽粒。不同植物和金属物种的转运能力差异很大。研究发现，某些地区水稻和蔬菜中Ni、Cu、As、Pb、Mn含量超标，转移因子显示As和Mn的吸收率较高。污水灌溉蔬菜中Pb、Cd、Mn等浓度常超过安全限值，健康风险指数升高。叶面吸收也是重要途径，尤其在交通繁忙或工业区。

7.3. 对食品安全和人类健康的影响

食用受重金属污染的作物会对全球食品安全和人类健康构成严重风险。有毒金属如Cd、Pb、As、Hg通过饮食摄入，导致长期暴露和相关健康危害。这些金属不可降解且能在体内生物累积，即使在低浓度下也可能产生毒性效应。研究表明，某些地区稻米As含量超标，菠菜Pb含量远超WHO限值。长期通过食物接触Pb可能导致儿童神经系统问题。重金属暴露与神经障碍、心血管疾病、肾病和癌症等多种健康问题相关。

7.4. 土壤退化与肥力丧失

重金属污染超过一定水平会干扰土壤生化过程，降低微生物多样性，阻碍养分循环，从而导致土壤退化和肥力丧失。例如，Cd和Pb污染会降低土壤酶活性，Cr污染土壤的氮磷保持能力下降，影响小麦生长和产量。重金属污染还会增加土壤容重，降低孔隙度，限制水分入渗和根系伸展。

8. 农田土壤潜在重金属污染的修复技术

修复策略主要分为三类：降低重金属总浓度、降低其迁移性和生物有效性、以及控制其在食物链中的转移。主要修复方法包括物理、化学和生物方法。

8.1. 物理修复技术

8.1.1. 电动力学修复(EKR)

电动力学修复是一种有前景的原位技术，利用低电压电流通过插入土壤的电极，通过电迁移、电渗析等过程将污染离子吸引至电极处。该技术尤其适用于低渗透性土壤。研究探索了使用可生物降解的络合剂（如海藻酸钠、壳聚糖）来增强Cu²⁺和Zn²⁺的去除。基于硫化纳米零价铁(S-nZVI)的三维EKR系统能有效还原和固定Cr(VI)。EKR与植物修复（如高羊茅和小麦）结合可增强污染土壤中Pb的积累。

8.1.2. 热脱附技术

热脱附通过加热污染土壤（通常90-560°C）使挥发性污染物挥发分离，然后通过冷凝或热氧化捕获处理。该技术适用于石油烃、多环芳烃(PAHs)等有机污染物。研究表明，温度升高和处理时间延长能提高效率，而水分和有机质会降低效率。在200-300°C下处理20分钟可去除93%以上的芘。

8.2. 化学修复技术

8.2.1. 化学淋洗法

化学淋洗通过使用化学试剂（如螯合剂、淋洗剂、表面活性剂）与污染物反应形成可溶性复合物，然后用水或其他溶剂将其从土壤中洗脱。可生物降解的淋洗剂（如柠檬酸、EDDS）因其低毒性和低残留而日益受到青睐。该方法效率高、处理时间短，但需注意避免 mobilized 污染物迁移至周边环境或地下水。化学淋洗与植物修复或电动力学技术联用是新兴的环保高效方案。

8.2.2. 原位化学稳定化(ISCS)

ISCS通过向土壤中添加化学改良剂（如石灰、磷酸盐、粉煤灰、活性炭、粘土矿物），通过吸附、沉淀、络合或离子交换等作用，降低污染物的毒性、移动性和生物有效性，而不将其从土壤中移除。例如，磷酸盐可将Pb转化为高度稳定、不溶的磷氯铅矿。ISCS优点包括对土地干扰小、成本相对较低，但需长期监测以确保稳定性。

8.3. 生物修复技术

8.3.1. 植物修复

植物修复利用特定植物吸收、积累、转化或稳定土壤中的污染物，是一种成本低、环境友好的可持续技术。机制包括植物提取、植物稳定、植物降解等。例如，湿地松和杜鹃花能有效积累Cd，青冈栎和枫香树积累Mn，泡桐积累Zn。悬铃木和构树可用于Pb修复，珊瑚树、梧桐和刺槐则对Cd有较好吸收效果。植物修复优点明显，但存在修复速度慢、受气候和土壤条件限制等缺点。

8.3.2. 微生物修复

微生物修复利用细菌、真菌、藻类等微生物通过酶促降解、生物吸附、生物累积和生物矿化等过程降解、转化或固定污染物。其效果受温度、pH、溶解氧、营养物等因素影响。例如，芽孢杆菌和假单胞菌的混合菌群可在好氧条件下降解石油烃。黑曲霉能有效吸附Pb和Cd，降低其生物有效性和毒性。

9. 未来展望

未来需关注新兴污染物与重金属的相互作用。现有修复技术在规模化、成本和长期可行性方面仍面临挑战。纳米材料、电动力学等方法实验室效率高，但能耗、成本和不稳定性限制其现场应用。植物修复和微生物修复成本低、环境友好，但速度慢且受环境条件制约。混合修复方法有望平衡效率、经济性和生态友好性。长期监测、传感器技术、大数据分析对于适应性管理至关重要。有效的法规框架、资金机制和公众意识也是成功修复的关键。

10. 结论

重金属在环境中持久存在，可进入食物网，对生态系统和人类健康产生长期影响。化学淋洗、原位稳定化、热脱附、植物修复和微生物修复等技术各有优缺点，需根据具体情况选择。整合环境与农业管理、实施长期监测、加强监管以及采取跨学科的整体方法，对于减轻重金属污染、保障农业可持续性、保护生态系统和人类健康至关重要。