蔬菜對重金屬元素的吸收和積累研究進(jìn)展

黃永東，黃永川，于官平，洪云菊，鄒毓

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，重慶市九龍坡區(qū)，401329）

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染日益加劇，工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾、污泥的排放，含重金屬的農(nóng)藥、化肥的不合理使用，使水資源、農(nóng)田土壤的重金屬含量日益增高。蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚母笔称?，而菜地大多集中分布在城?zhèn)近郊，較易受到工業(yè)“三廢”、交通工具、城市生活廢棄物、肥料農(nóng)藥等重金屬源的污染，并通過蔬菜影響人們健康[1,2]。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外專家愈來愈重視環(huán)境中被生物吸收的污染物在生物體內(nèi)累積和分布規(guī)律的研究。目前關(guān)于植物特別是蔬菜對重金屬污染物的吸收以及重金屬在蔬菜體內(nèi)的累積和分布的研究為數(shù)不多，且研究涉及的蔬菜和重金屬種類較少[3]。

菜地重金屬污染的治理目標(biāo)不僅是抑制重金屬對蔬菜的毒害和提高蔬菜產(chǎn)量，更重要的是減少蔬菜對重金屬元素的吸收，抑制重金屬進(jìn)入食物鏈。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須了解蔬菜對土壤重金屬元素吸收、運輸和分配的規(guī)律及其機(jī)理。因此，全面掌握蔬菜對重金屬的吸收與分配規(guī)律，合理進(jìn)行蔬菜的生產(chǎn)布局，對發(fā)展綠色食品和無公害蔬菜，保障人類健康具有重要意義。

1 蔬菜對重金屬的吸收與積累

1.1 不同蔬菜種類間的差異

大量研究表明，在相同環(huán)境條件下，不同蔬菜對重金屬的富集程度不一樣，但大多研究認(rèn)為重金屬在蔬菜內(nèi)的累積量表現(xiàn)為葉菜類＞根菜類＞果菜類[4]。潘瑞熾等[5]研究結(jié)果表明，葉菜類蔬菜中以莧菜、小白菜的富集作用較強(qiáng)，甘藍(lán)較弱。徐明飛等[6]研究表明，瓜類蔬菜對重金屬砷（As）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg） 富集作用較弱；茄果類蔬菜對 As、Pb的積累較低，對Cd的積累較強(qiáng)；青菜和根莖類蔬菜對As，Pb和Cd的積累較強(qiáng)，且這2類蔬菜食用部分對As，Pb和Cd的累積量都與土壤中的重金屬含量呈顯著正相關(guān)。胡小玲等[7]對不同種類蔬菜重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，葉菜類蔬菜重金屬超標(biāo)率最高，達(dá)24.6%，茄果類和豆類次之，根莖類蔬菜中重金屬超標(biāo)率含量較低。李澤琴等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同種類蔬菜對重金屬的富集程度依次為，萵筍莖＞空心菜＞韭菜＞茄子＞西葫蘆。江解增等[9]研究表明，在土壤Cd含量未超標(biāo)的情況下，11份蔬菜樣品中菠菜、芫荽和1份小白菜的Cd含量超標(biāo)，其中芫荽的Cd含量超過無公害蔬菜國家標(biāo)準(zhǔn)的3倍。

茹淑華等[10]對葉菜類、果菜類和根菜類3類蔬菜富集重金屬（Cu、Zn、Pb 和 Cd）的研究表明，不同重金屬在不同種類蔬菜中的含量大小順序不同，Cu：茄子＞菠菜＞黃瓜＞芫荽＞番茄、甘藍(lán)＞青椒、芹菜＞尖椒＞白蘿卜。Zn：菠菜＞芫荽＞青椒、黃瓜＞尖椒＞甘藍(lán)＞番茄＞茄子＞白蘿卜＞芹菜＞黃瓜；Pb：芫荽＞菠菜＞青椒＞尖椒＞甘藍(lán)＞芹菜＞茄子＞白蘿卜＞黃瓜＞番茄；Cd：菠菜＞甘藍(lán)＞芹菜＞芫荽＞青椒＞番茄＞白蘿卜＞茄子＞黃瓜＞尖椒。

此外，有研究表明，同一種蔬菜的不同基因型吸收重金屬存在差異。如Michalik等[11]研究發(fā)現(xiàn)，胡蘿卜肉質(zhì)根吸收重金屬的能力存在基因型差異。

1.2 蔬菜不同器官（部位）的差異

重金屬從不同部位進(jìn)入植株體，在蔬菜中具有不同的吸收積累量。直接進(jìn)入器官中積累的量最多，離這個入口越遠(yuǎn)的器官，積累得就越少。所有的重金屬元素都可以通過土壤進(jìn)入植物根部，有些元素還可以通過空氣被葉片吸收，如Pb、Hg、鋅（Zn）等[12，13]。鄭路等[14]認(rèn)為生長在空氣受到污染的環(huán)境中的蔬菜，其體內(nèi)50%以上的Pb是由植株葉片從大氣中吸收；葉面積大、葉面粗糙的蔬菜吸收鉛的能力強(qiáng)，含量較高，而葉細(xì)窄、表面呈蠟質(zhì)狀的蔬菜鉛含量低。Lindberg等[15]研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片的汞含量比其他組織高，從而認(rèn)為植物主要是通過葉片從大氣中吸收汞。

很多研究結(jié)果表明，不同重金屬在蔬菜的不同器官內(nèi)積累分布有差異。李學(xué)德等[16]研究發(fā)現(xiàn)，菠菜Cd的積累量為葉片、根＞莖，而Cu的積累量依次為葉片＞根＞莖稈，Pb的積累量則依次為根＞莖＞葉片；青菜葉片中的鉻（Cr）、Cd、Pb、銅（Cu）含量均高于莖。不同基因型甘藍(lán)地上部分Cd含量為47～183 mg/kg，根系Cd含量為617～1 789 mg/kg，差異較大[17]。 樓根林等[18]對鎘在成都壤土和幾種蔬菜中累積規(guī)律的研究結(jié)果顯示，供試蔬菜品種一般以根部吸收富集Cd的能力最強(qiáng)，而葉大于莖，蘿卜則葉大于根，青椒果實和豇豆豆莢中Cd的殘留量少于其他部位。周箏[4]研究表明，As進(jìn)入番茄植株體后幾乎全部累積到根和葉內(nèi)，Hg幾乎全部遷移到番茄葉中，而菜豆、青椒植株體內(nèi)的Hg經(jīng)遷移后幾乎全部累積進(jìn)入果實中。 遲愛民等[19]研究表明，Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的含量分布在番茄、青椒和豇豆3種蔬菜中均是葉＞根＞莖；As在番茄、青椒中是根＞葉＞莖；在豇豆中是根＞莖＞葉；Cr在3種蔬菜中的含量分布都是根＞葉。還有的研究發(fā)現(xiàn)蔬菜一般以根部吸收富集Cr的能力最強(qiáng)，而葉大于莖，蘿卜則是葉大于根，青椒果實和豇豆豆莢中Cr的殘留量少于其他部位[20]。多數(shù)重金屬在蔬菜植株體內(nèi)的累積分布類型可分為以下幾種：A.根、葉＞莖、果；B.葉＞果、根、莖；C.果＞葉、根、莖；D.根～莖～葉～果，4 種類型多寡排序為：C＞B＞A＞D。 番茄中的 Cd、Cu、Zn，菜豆中的 Hg、Cu、Zn，青椒中的Hg均屬于C類分布。

1.3 蔬菜不同品種間的差異

汪雅谷等[21]研究發(fā)現(xiàn)，同一種蔬菜吸收不同重金屬的能力不同，富集元素的規(guī)律是Cd＞Zn、Cu＞Pb、Hg、As、Cr。 同一種蔬菜的不同基因型對重金屬的吸收積累也存在差異。王松良等[22]通過研究發(fā)現(xiàn)，13種基因型不同的小白菜其莖葉Cd、Pb、As含量差別很大。在相同Cd濃度下，不同小白菜品種間Cd含量差異最高相差4.3倍，差異顯著，且外界Cd濃度越高，品種間差異越大[23]。

1.4 單一污染和復(fù)合污染的差異

①單一污染 不同重金屬元素在蔬菜體內(nèi)遷移積累的特性因元素種類的不同而異。宋玉芳等[24]研究發(fā)現(xiàn)，銅、鋅、鉛、鎘污染對白菜根伸長抑制率與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；但與土壤pH值和土壤鉀含量的相關(guān)性不顯著。李忠海等[25]的盆栽試驗研究表明，重金屬元素在土壤中向芹菜的遷移率順序是Cd＞Zn＞Pb，Cd元素最易于被植物吸收。馬蘭等[26]通過水培芹菜研究表明，Cd、Zn單一污染下，莖葉中粗蛋白和元素P的含量沒有顯著變化，Cd在一定程度上促進(jìn)了莖葉對K的吸收，而Zn抑制了莖葉對K的吸收。在Cd、Zn的高濃度處理下，莖葉對元素Fe的吸收都與對照呈顯著差異，分別達(dá)到418.8 mg/kg和471.6 mg/kg，是對照值的1.3倍和1.5倍。

②復(fù)合污染 許多研究表明，在低濃度和高濃度下，重金屬間的交互作用對蔬菜吸收的影響不同；同時重金屬的交互作用在不同蔬菜中的表現(xiàn)也不同，當(dāng)多種元素存在時，其交互作用更為復(fù)雜[27]。目前，復(fù)合污染不僅出現(xiàn)在污灌區(qū)的土壤，而且在城郊的菜田土壤上也普遍存在[28]。有研究表明，越南河內(nèi)的農(nóng)業(yè)土壤（種植水稻和蔬菜）中的重金屬元素，Cr與鎳（Ni）呈極顯著相關(guān)，Zn 與 Cr、Ni也達(dá)極顯著相關(guān)，Pb與Cr、Mn與Zn呈顯著相關(guān)[29]。上海寶山區(qū)菜區(qū)土壤中 6 種重金屬元素（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg）的相關(guān)性，都達(dá)到了極顯著相關(guān)（P＜0.01）[30]。

在復(fù)合污染條件下，作物對某種重金屬的吸收受到相伴重金屬的影響[31～32]。一般來說，重金屬元素之間的相互作用主要分為以下2種：協(xié)同作用和拮抗作用[33]。協(xié)同作用是指某一重金屬元素的存在能促進(jìn)另一重金屬元素的吸收。銅鋅在未超標(biāo)時，在菜心可食部分是相互促進(jìn)吸收的[34]。秦天才等[35]利用溶液培養(yǎng)方法研究重金屬元素復(fù)合污染時發(fā)現(xiàn)，在含Cd的培養(yǎng)液中施入Pb后，加強(qiáng)了Cd對小白菜根系的生理生態(tài)效應(yīng)，并且導(dǎo)致小白菜吸收更多的Fe。拮抗作用是指某一重金屬元素的存在，能抑制另一重金屬元素的吸收。韓美清等[36]研究表明，在 Pb、Cd、Cu、Zn共同脅迫的情況下，不利于 Pb元素向菠菜的地上部分轉(zhuǎn)移運輸。宋菲等[28]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，土壤中Zn/Cd比值增大極顯著地降低菠菜含Cd量，說明土壤中鋅含量的增加降低菠菜對Cd的吸收量。這與 Oliver等[37]和 McLaughlin等[38]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)Zn/Cd增大時，小麥和馬鈴薯吸收的Cd量會隨之降低。但是Wong等[39]通過溶液培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液中Cd含量在低濃度（0.1 mg/L）時，青菜吸收的鋅量比對照高；而高濃度（＞1.0 mg/L）時，青菜吸收的鋅量比對照低。有關(guān)研究還表明，當(dāng)Zn、Cd、Cu混施時，Cd的存在促進(jìn)了大豆葉片中Zn的積累，而Cu的存在則使Zn和Cd的濃度降低[40]。但是，應(yīng)該注意的是，這些重金屬元素之間的交互作用因植物種類而異。

1.5 重金屬對蔬菜吸收積累的影響機(jī)理

張義賢[41]認(rèn)為，較多的重金屬進(jìn)入蔬菜植株體后取代了某些酶和蛋白質(zhì)行使其功能時所必需的特定元素，使其活性降低或變性，影響組織蛋白合成，降低光合作用和呼吸作用，傷害細(xì)胞膜系統(tǒng)，從而引起蔬菜生理代謝功能的紊亂，生長發(fā)育受阻甚至死亡。國外研究表明，蔬菜植株將土壤中的不溶態(tài)重金屬活化，然后將活化的重金屬從根系轉(zhuǎn)運到地上部分，富集能力強(qiáng)的蔬菜植株對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運能力相對較強(qiáng)，因此不同的蔬菜中重金屬的含量差異很大，同時由于土壤理化性質(zhì)、根際、根系、植物重金屬螯合態(tài)等因素的影響，各種蔬菜對同種重金屬以及同種蔬菜對不同重金屬的吸收累積均存在著差異[42]。

2 土壤因子對蔬菜重金屬污染的影響

2.1 土壤pH值和氧化還原狀況

土壤pH值是反映土壤狀況的重要理化性質(zhì)之一。幾乎所有的研究報告都將土壤pH值列為影響植物對重金屬吸收的最主要的土壤因素[43]。由于土壤膠體帶負(fù)電荷，而絕大多數(shù)金屬離子帶正電荷，所以土壤pH值越低，重金屬被解吸的越多，其活動性就越強(qiáng)，越容易往植物體內(nèi)遷移[44]。Brown等[45]發(fā)現(xiàn)，降低污泥土壤的pH值會促進(jìn)萵苣地上部分對Mn的吸收。廖凌[46]發(fā)現(xiàn)在通電和加入KCl處理的情況下，污泥的pH值降低，提高了野芋對Cu、Zn的吸收。胡靄堂[47]報道，隨著土壤pH值的下降，Zn在土壤中的活性也隨之增強(qiáng)，在葉菜（甘藍(lán)）中的積累量也隨之增加。

土壤氧化還原狀態(tài)亦被認(rèn)為是土壤中對重金屬的溶解性和植物有效性影響最大的理化性質(zhì)之一。氧化還原電位可直接改變重金屬的氧化狀態(tài)，從而影響溶解、吸附、解吸、沉淀和土壤中的其他相互作用[48]。土壤氧化還原狀態(tài)對不同的重金屬元素影響不同，在還原條件下，重金屬和土壤中的S形成硫化物沉淀，降低蔬菜對其吸收；在氧化條件下，F(xiàn)e、Mn 形成氧化物難于被蔬菜吸收，但 As、硒（Se）等易形成絡(luò)合陰離子，其進(jìn)入蔬菜的活性增強(qiáng)。

2.2 有機(jī)物和微生物

大量研究表明，有機(jī)質(zhì)與重金屬發(fā)生螯合會阻礙植物對重金屬吸收，使重金屬的活性降低[49]。Zhu等[50]研究了連續(xù)施用富含Cu的豬廄肥的土壤中Cu的有效性，結(jié)果表明施用豬廄肥顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有效態(tài)Cu含量。張曉熹等[51]通過盆栽試驗研究表明，施用石灰后，顯著降低芥菜鎘含量，提高芥菜產(chǎn)量。

土壤微生物對重金屬的生物活性也有很重要的作用。微生物可通過帶電荷的細(xì)胞表面吸附重金屬離子，或通過攝取必要的營養(yǎng)元素主動吸收重金屬離子，將重金屬離子富集在細(xì)胞表面或內(nèi)部。同時，微生物也能與土壤中的其他組分競爭吸附重金屬離子。Hartmann等[52]將菌根菌接種到蔬菜，降低了植物對重金屬的吸收，Adriaensen等[53]研究認(rèn)為，菌根菌增加了植物高度、植物生物量、總?cè)~片數(shù)、根莖P濃度和固氮酶活性，同時降低了根莖As含量。需要指出的是，由于微生物群體的大小、種類和活力受土壤深度、通氣狀況及土壤類型的影響，所以稻田微生物對重金屬元素的活化速度和范圍可能也受以上幾個因素的影響，但目前尚未見有關(guān)方面的報道。

2.3 土壤中的重金屬含量

一般而言，土壤中重金屬元素含量越高，重金屬元素進(jìn)入作物的機(jī)會越大。柳勇等[54]研究發(fā)現(xiàn)，菜心中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的相關(guān)性，菜心中Pb、As的積累分別取決于土壤中Pb、As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。南海區(qū)平洲鎮(zhèn)沙涌菜園土由于受電鍍廢水污染，Cu、Zn、Ni的含量分別為156.64，475.32，157.08 mg/kg，比對照土壤中高數(shù)倍，其上種植的菜心中 Cu、Zn、Ni含量分別為26.33，184.24，22.32 mg/kg， 分別比對照高 1.7 倍、2.0倍和13.7倍[55]。仝磊等[56]調(diào)查研究了蘇州市常見的12種蔬菜及土壤，分析了蔬菜與土壤中重金屬含量的相關(guān)性，結(jié)果表明，土壤中的Zn、Cu、Cd含量與多數(shù)蔬菜的含量呈顯著的正相關(guān)，而Pb含量在多數(shù)蔬菜中均表現(xiàn)為與土壤含量無相關(guān)性。但是土壤中重金屬含量的多少并不完全代表蔬菜吸收量的大小，這還與重金屬元素的形態(tài)有關(guān)。土壤中Pb、Cd、Cu、Cr、Zn、Mn 等金屬均以有效態(tài)和結(jié)合態(tài)2種形式存在。其中，有效態(tài)重金屬能夠直接被蔬菜作物吸收，而結(jié)合態(tài)不能。侯明等[57]采用盆栽試驗研究土壤中Hg的形態(tài)變化，結(jié)果表明，種植蔬菜后的土壤Hg形態(tài)變化表現(xiàn)為水溶態(tài)和腐殖酸絡(luò)合態(tài)明顯減少，而強(qiáng)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)顯著增加，隨著外源Hg量的增加，土壤Hg形態(tài)由殘渣態(tài)、強(qiáng)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)向交換態(tài)和碳酸鹽鐵錳氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，Hg的生物活性增強(qiáng)，蔬菜的生物量下降。除強(qiáng)有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)外，土壤中各形態(tài)Hg含量和總Hg量與蔬菜根、莖葉中Hg含量呈顯著正相關(guān)。

2.4 土壤類型

不同土壤類型其有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、酸堿度、酶活性、CEC等理化特性各異，直接影響重金屬在土壤中的遷移與固定，從而影響蔬菜對其吸收與富集[58]。岳振華等[20]對湖南省長沙市、邵陽市等的灰菜園土、紅菜園土、潮菜園土上重金屬含量的研究結(jié)果表明，對重金屬富集大小的順序為灰菜園土＞紅菜園土＞潮菜園土，說明3種土壤中灰菜園土對重金屬的吸收和化學(xué)固定作用最強(qiáng)。

3 展望

對重金屬污染土壤的治理方法包括物理措施、化學(xué)方法及生物技術(shù)，但這些方法在有效性、持久性及經(jīng)濟(jì)性方面難以達(dá)到預(yù)期效果[59]。利用農(nóng)作物吸收、積累重金屬能力的品種差異可以有效地防治重金屬對蔬菜的污染。國內(nèi)外已經(jīng)有一些研究關(guān)注到農(nóng)作物吸收和積累重金屬的品種差異，早在1995年就已經(jīng)有研究成果關(guān)注到重金屬低量積累品種的培育問題。在澳大利亞，應(yīng)用低量積累Cd的馬鈴薯品種已經(jīng)成為一種降低從日糧中的Cd攝食量的農(nóng)業(yè)實踐活動[60]。但許多研究并未獲得重金屬低量積累品種；更重要的是，這些研究對試驗結(jié)果欠缺進(jìn)一步的重復(fù)驗證和實質(zhì)性的鑒定工作，也尚未開展相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)研究，因而不了解典型品種的生物學(xué)特性及其遺傳穩(wěn)定性。因此，在今后的工作中應(yīng)深入研究不同蔬菜品種對重金屬的吸收和積累在時間（不同生育期）、空間（不同器官）上的變化，并探明這種差異和變化的遺傳基礎(chǔ)，以便選育和培育出對菜田重金屬吸收量少及重金屬在蔬菜體內(nèi)積累量低的新品種。

隨著分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的研究傾向于抗重金屬污染基因的定位與克隆研究，目前已有相關(guān)研究從分子和基因水平研究植物抗重金屬污染。Pence等[61]從Zn/Cd超富集植物遏蘭菜中克隆到與Zn轉(zhuǎn)運有關(guān)的ZNT1基因。隨后,Assuncao等[62]從同種植物體內(nèi)也克隆到該基因，同時還發(fā)現(xiàn)ZTP1和ZNT2?？怪亟饘倩虻亩ㄎ缓涂寺⊙芯繉榉N質(zhì)資源的改良以及生物體對重金屬的適應(yīng)性研究提供重要的技術(shù)手段。目前這方面的研究在蔬菜上的應(yīng)用還比較少。今后應(yīng)全面加強(qiáng)重金屬離子在細(xì)胞內(nèi)活動的研究，以便揭示蔬菜體內(nèi)重金屬遷移分配的本質(zhì)。另一方面應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)基因的鑒定、分離、克隆、組織結(jié)構(gòu)及其啟動子活性研究，以便利用基因工程的方法改良蔬菜吸收、積累重金屬的能力。

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