蕹菜吸收和積累Cd和Pb能力的品種間差異*

辛俊亮，黃白飛，楊中藝，袁劍剛，母養(yǎng)秀

(1.中山大學(xué)有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275；2.湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程系，湖南 衡陽(yáng) 421002)

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展，每年有大量的重金屬污染物排放，使得農(nóng)田土壤污染面積不斷擴(kuò)大。近年來，農(nóng)業(yè)部通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)24個(gè)省(市)的城郊、污灌區(qū)、工礦企業(yè)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較迅速地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染地區(qū)中，有60.6 萬 hm2的農(nóng)田生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品污染物含量超標(biāo)，約占調(diào)查總面積的20%；其中重金屬超標(biāo)的面積約占污染物超標(biāo)總面積的80%以上，尤其是鎘、鉛、汞、銅及其復(fù)合污染最為突出[1]。

在污染環(huán)境的諸多重金屬中Cd和Pb受到的關(guān)注程度最高，因?yàn)镃d容易被作物吸收，并通過食物鏈威脅人類健康[2]，而Pb由于其用途廣泛，污染最迅速[3]。盡管國(guó)內(nèi)外開展了大量重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)研究[4]，但是修復(fù)過程耗時(shí)長(zhǎng)，花費(fèi)高，很難在發(fā)展中國(guó)家施行。尤其像中國(guó)人口眾多，食物生產(chǎn)壓力大，不可能大規(guī)模地進(jìn)行土地休耕而用于污染修復(fù)，且大量農(nóng)田尚未進(jìn)行重金屬污染調(diào)查，許多受重金屬輕度污染的農(nóng)田仍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。針對(duì)這種情況，有研究者提出應(yīng)用污染對(duì)策品種(pollution-safe cultivar, PSC)能夠有效降低農(nóng)作物可食部位的重金屬含量[5]。這個(gè)概念的提出是建立在農(nóng)作物品種間吸收積累重金屬存在差異的基礎(chǔ)上，在水稻OryzasativaL.[5-6]、番茄Lycopersiconesculentum[7]、大白菜BrassicapekinensisL.[3]、長(zhǎng)豇豆Vignaunguiculatasubsp.sesquipedalisL.和蕹菜IpomoeaaquaticaForsk.等農(nóng)作物中已有報(bào)道[8-10]。

事實(shí)上，農(nóng)田受鎘鉛復(fù)合污染的情況普遍存在[8]。因此，具有應(yīng)用價(jià)值的農(nóng)作物PSC應(yīng)該能同時(shí)低量積累Cd和Pb，即Cd+Pb-PSC。但目前涉及兩種或兩種以上重金屬的PSC篩選研究極為有限，已發(fā)表的研究論文僅見于長(zhǎng)豇豆[8]，作為極易受重金屬污染的葉菜來說尚未見報(bào)道。

本研究是在Wang等[9]篩選蕹菜Cd-PSC研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大Cd-PSC的品種篩選，同時(shí)進(jìn)行Pb-PSC的篩選，定量研究了蕹菜品種在Cd積累和Pb積累方面的相關(guān)性，試圖篩選符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的蕹菜Cd+Pb-PSC，為應(yīng)用PSC策略降低蕹菜受土壤Cd和Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)提供可行性依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤來自廣東省鶴山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田，土壤經(jīng)風(fēng)干、壓碎后過5 mm篩，備用。該土壤pH值為5.68，有機(jī)質(zhì)含量w=1.84%，全氮、速效磷和速效鉀含量分別為1.3 g·kg-1、61.0 mg·kg-1和185.7 mg·kg-1。總Cd和總Pb含量分別為0.15 和32.4 mg·kg-1,低于《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 332-2006)中規(guī)定的最大限值(Cd和Pb分別為0.3和50 mg·kg-1, pH<6.5)，適于種植食用農(nóng)作物，在本試驗(yàn)中作為對(duì)照土壤(CK)。根據(jù)以往的研究結(jié)果，本研究Cd污染土壤的設(shè)計(jì)Cd濃度為0.6 mg·kg-1，配制方法為對(duì)照土壤與陳年Cd污染土壤(30個(gè)月前混入Cd(NO3)2溶液，并曾在10個(gè)月前種植過油菜，總Cd含量為0.98 mg·kg-1)混合(質(zhì)量比1∶1)而成，Pb污染土壤設(shè)計(jì)Pb濃度為100 mg·kg-1，配制方法為在對(duì)照土壤中添加Pb(CH3COO)2溶液并充分混合。將配制好的土壤置于溫室，澆水，平衡2周后，再次混勻，測(cè)得Cd土中總Cd含量為0.59 mg·kg-1，Pb土中總Pb含量為111.4 mg·kg-1，均超過了HJ 332-2006規(guī)定的最大限值，屬于受Cd和Pb污染的土壤，不適合種植食用農(nóng)產(chǎn)品。

供試蕹菜品種共15個(gè)，其中有9個(gè)是經(jīng)Wang等[9]鑒定的Cd-PSC，所有品種的名稱及縮寫見表1。

表1 15個(gè)供試蕹菜品種

1.2 研究方法

試驗(yàn)于2007年6月在廣東省鶴山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所溫室內(nèi)進(jìn)行。設(shè)置了對(duì)照、Cd脅迫和Pb脅迫3個(gè)處理，對(duì)照條件下的蕹菜只用來測(cè)定莖葉生物量，Cd、Pb脅迫下的蕹菜則測(cè)定莖葉Cd、Pb含量和生物量。試驗(yàn)前將準(zhǔn)備好的土壤分別裝入口徑18 cm，高15 cm的塑料盆中，每盆裝土2.5 kg，每處理均設(shè)計(jì)3次重復(fù)。Cd脅迫下共種植6個(gè)品種(YQ、TBL、TGK、TWZ、BGJ和GBD)，Pb脅迫下共種植15個(gè)品種，有6個(gè)品種與Cd脅迫下種植的品種相同，其余9個(gè)均是Wang等[9]研究中獲得的Cd-PSC。每盆播種子8粒，于發(fā)芽后1周內(nèi)間苗至每盆4株，按生長(zhǎng)需要適時(shí)澆水。發(fā)芽后第15天施肥，每盆施復(fù)合肥(m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15)3 g。

本研究關(guān)注的是土壤-植物-人類系統(tǒng)中重金屬的轉(zhuǎn)移途徑。因此，只采集蕹菜的可食部位—莖葉，第一茬和第二茬分別在發(fā)芽后第30天和第60天進(jìn)行采集。所有樣本經(jīng)自來水充分洗凈后，再用去離子水沖洗3次，晾干后稱鮮質(zhì)量，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量后再粉碎樣品。稱取0.2 g粉碎樣品用微波消解儀(MDS-6，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)消解，消解試劑為5 mLφ=65%的HNO3和1.5 mLφ=30%的H2O2。消解液Cd含量用原子吸收儀(Hitachi Z-5300，日本)測(cè)定，并采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(GBW-07605)進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

為了便于比較供試蕹菜品種對(duì)Cd或Pb脅迫的反應(yīng)，采用脅迫響應(yīng)生物量(Biomass Response to Stress, BRS)[8]作指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

其中B脅迫和B對(duì)照分別表示Cd(或Pb)脅迫和對(duì)照下蕹菜品種莖葉生物量第一茬的平均值與第二茬的平均值之和(以干質(zhì)量計(jì)算)。

蕹菜莖葉重金屬含量的安全性評(píng)價(jià)采用國(guó)際食品法典委員會(huì)(CAC)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中葉菜Cd和Pb含量的最大限值分別為0.2和0.3 mg·kg-1(以鮮質(zhì)量計(jì)算)。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS11.0統(tǒng)計(jì)軟件，圖形繪制采用Excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd、Pb脅迫對(duì)蕹菜莖葉生物量的影響

無論在Cd、Pb脅迫處理下還是在對(duì)照條件下，供試蕹菜品種的莖葉生物量均隨著品種而變化(表2)。

表2 供試蕹菜品種在對(duì)照和Cd、Pb脅迫下的莖葉生物量(干質(zhì)量，g)

在Cd脅迫下，供試的6個(gè)蕹菜品種莖葉生物量的平均值為5.77 g，而在對(duì)照下，6個(gè)品種的莖葉生物量平均值為5.23 g，總體上與Cd脅迫下無顯著差異(P>0.05)。但是，除TGK外，其余5個(gè)品種的莖葉生物量均在Cd脅迫下高于在對(duì)照條件下，其中BGJ和GBD兩個(gè)品種差異顯著(P<0.05)，而品種TGK在Cd脅迫下的莖葉生物量低于對(duì)照(BRS<0)，但差異不顯著(P>0.05)(圖1)。由此可見，本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的Cd脅迫濃度并沒有引起蕹菜莖葉生物量的顯著下降，相反促進(jìn)了大部分品種莖葉生物量的增加，說明蕹菜對(duì)土壤Cd脅迫有一定的耐性。這一特性可能掩蓋土壤受污染的情況，僅從莖葉生物量來判斷，生產(chǎn)者很難發(fā)現(xiàn)土壤中存在的Cd污染問題，從而增加蕹菜受Cd污染的風(fēng)險(xiǎn)。

在Pb脅迫下，供試的15個(gè)蕹菜品種莖葉生物量的平均值為5.79 g，而在對(duì)照下，15個(gè)品種莖葉生物量的平均值為4.87 g，顯著低于Pb脅迫下的平均值(P<0.05)。除1個(gè)品種外，其余14個(gè)品種的BRS值均呈正值(圖1)，其中，QGL、TGK、GDB、GBD和T306的BRS值大于25%，且這5個(gè)品種在Pb脅迫下的莖葉生物量顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)高于對(duì)照。只有TBL在Pb脅迫下的莖葉生物量低于對(duì)照，但差異不顯著(P>0.05)。Pb污染土壤中，Pb含量達(dá)111.4 mg·kg-1，是對(duì)照土壤的近3.5倍，但并未引起蕹菜莖葉生物量的顯著下降，相反促進(jìn)了幾乎所有品種莖葉生物量的增加。這表明，蕹菜對(duì)土壤Pb脅迫也有一定耐性。這一特性同樣可能增加蕹菜受Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 供試蕹菜品種的相對(duì)生物量

2.2 Cd、Pb脅迫下蕹菜莖葉Cd和Pb含量的品種間差異

圖2和圖3分別給出了以鮮重為基礎(chǔ)的各供試蕹菜品種莖葉Cd和Pb的含量。在Cd污染土壤中，供試6個(gè)品種的第一茬和第二茬莖葉Cd含量范圍分別是0.108～0.239 mg·kg-1和0.104～0.207 mg·kg-1，且方差分析結(jié)果表明，品種間差異都達(dá)到極顯著(P< 0.01)。從兩茬的結(jié)果來看，品種YQ、BGJ、TWZ和GBD的莖葉Cd含量均未超出CAC標(biāo)準(zhǔn)，可以看作典型的Cd-PSC；TBL均超出了CAC標(biāo)準(zhǔn)，可以看作典型的non-Cd-PSC；經(jīng)t檢驗(yàn)，TGK兩茬莖葉Cd含量差異不顯著(P> 0.05)，但是用CAC標(biāo)準(zhǔn)衡量，該品種在第二茬出現(xiàn)超標(biāo)的情況，因此，從食品安全角度考慮，該品種應(yīng)歸于non-Cd-PSC。相關(guān)分析結(jié)果表明，兩茬莖葉Cd含量的相關(guān)系數(shù)為0.865 (n=6)，在P<0.05水平上有顯著意義(圖4a)。Wang等[9]的研究結(jié)果也顯示供試的30個(gè)蕹菜品種兩茬莖葉Cd含量顯著相關(guān)。這說明蕹菜對(duì)Cd的吸收積累特性是一個(gè)受基因控制且比較穩(wěn)定的性狀。

圖2 Cd脅迫下供試蕹菜品種的莖葉Cd含量

圖3 Pb脅迫下供試蕹菜品種的莖葉Pb含量

圖4 供試蕹菜品種第一茬與第二茬莖葉Cd(a)、Pb(b)含量相關(guān)性

在Pb脅迫下，供試15個(gè)品種的第一茬和第二茬莖葉Pb含量范圍分別是0.177～0.523和0.187～0.457 mg·kg-1，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，品種間差異均極顯著(P< 0.01)。品種YQ、T306、QZL和BGJ兩茬的莖葉Pb含量均未超出CAC標(biāo)準(zhǔn)，可以看作典型的Pb-PSC，而YQ和BGJ同時(shí)又是Cd-PSC，因此，這兩個(gè)品種可以看作Cd+Pb-PSC；DYB的第一茬莖葉Pb含量超出了CAC標(biāo)準(zhǔn)，第二茬則未超出，兩茬表現(xiàn)不一致；其余10個(gè)品種的兩茬莖葉Pb含量均超出了CAC標(biāo)準(zhǔn)，因此可以看作典型的non-Pb-PSC。從兩茬莖葉Pb含量的相關(guān)性來看(圖4b)，相關(guān)系數(shù)r= 0.660 (n=15)，在P<0.01水平上有極顯著意義。這一結(jié)果說明蕹菜莖葉吸收積累Pb的特性也是一個(gè)比較穩(wěn)定的性狀，可能也是受基因控制的。

根據(jù)Wang等[9]的研究結(jié)果，品種T306和QZL可以看作Cd-PSC。因此，結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果，共有YQ、T306、QZL和BGJ等4個(gè)品種被鑒定為Cd+Pb- PSC。

3 討 論

3.1 蕹菜對(duì)Cd和Pb的耐性

本研究的結(jié)果不僅證明了蕹菜是比較容易吸收積累重金屬Cd和Pb的農(nóng)作物，在受污染或污染情況不明的農(nóng)田土壤中種植蕹菜的風(fēng)險(xiǎn)將很大，而且還發(fā)現(xiàn)無論在Cd還是Pb脅迫下，所有供試蕹菜品種的莖葉生物量均未顯著降低，部分品種的莖葉生物量甚至顯著增加。由此可見，蕹菜對(duì)Cd和Pb的毒害作用有一定的耐性，所以即便蕹菜種植在Cd和Pb污染的土壤上，生產(chǎn)者也不能根據(jù)產(chǎn)量變化特征來判斷蕹菜是否受到Cd和Pb的污染，這顯然會(huì)增加蕹菜產(chǎn)品受Cd和Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，相似的現(xiàn)象還存在于其他作物中，如番茄[11]、玉米[12]、水稻[5]等，這可能與植物對(duì)低重金屬脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)有關(guān)[13]。

3.2 選育Cd+Pb-PSC的意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)受鎘、鉛等重金屬污染的耕地面積已近2 000 萬hm2，約占總耕地面積的1/5[14]。由于人口壓力較大，這些受污染的農(nóng)田仍有許多在用于農(nóng)作物生產(chǎn)。例如，沈陽(yáng)市近郊蔬菜重金屬檢驗(yàn)結(jié)果表明，大白菜Pb超標(biāo)率為100%，Cd超標(biāo)率為58.3%；黃瓜、番茄、菜豆中Cd、Pb含量也均有不同程度超標(biāo)[15]。如果這些受污染的農(nóng)田用于修復(fù)，那么在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將不能用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，況且對(duì)于那些污染情況不明的農(nóng)田土壤來說，則很難有針對(duì)性地開展修復(fù)工作。因此，為降低農(nóng)作物受土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，PSC的應(yīng)用具有明顯的價(jià)值。

農(nóng)田土壤受Cd、Pb復(fù)合污染的情況普遍存在[8，10]，然而蕹菜又很容易受到土壤Cd、Pb的污染[10]。值得注意的是，本研究中篩選到了既是Cd-PSC同時(shí)又是Pb-PSC的4個(gè)蕹菜品種。如果能證明這4個(gè)品種是Cd+Pb-PSC的話，那么種植在受Cd、Pb復(fù)合污染或污染情況不明的農(nóng)田中將會(huì)有效降低蕹菜受Cd、Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)。這將對(duì)保證蕹菜產(chǎn)品安全有重要意義。

3.3 蕹菜Cd+Pb-PSC選育的可行性及今后的研究方向

在本試驗(yàn)中，土壤Cd含量達(dá)到了0.59 mg·kg-1(接近HJ 332-2006最大限值的2倍)，供試蕹菜品種中約有1/3品種第一茬和第二茬莖葉Cd含量超過了CAC標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)土壤Pb含量達(dá)到111.4 mg·kg-1(略超過HJ 332-2006最大限值的2倍)時(shí)，15個(gè)供試蕹菜品種中兩茬莖葉Pb含量均未超過CAC標(biāo)準(zhǔn)的品種只有4個(gè)。因此，蕹菜Cd-PSC并不一定同時(shí)是Pb-PSC，且在受Cd和Pb污染的土壤上種植蕹菜，一旦品種選擇不當(dāng)，將會(huì)增加蕹菜產(chǎn)品受Cd和Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)。

有研究表明，選擇可食部位Cd積累能力較低的Cd-PSC是降低農(nóng)作物受Cd污染風(fēng)險(xiǎn)的有效策略[16]。本研究結(jié)果表明，對(duì)于蕹菜來說，現(xiàn)有常用品種中不僅存在著Cd-PSC，而且存在著Pb-PSC，比如本研究中品種YQ、T306、QZL和BGJ第一茬和第二茬莖葉Cd、Pb含量都在CAC標(biāo)準(zhǔn)的最高限值以下，而且第一茬與第二茬的莖葉Cd、Pb含量之間是顯著相關(guān)的，說明Cd和Pb積累模式在不同生長(zhǎng)時(shí)期是可重復(fù)的。進(jìn)一步的研究還證實(shí)了在單一污染條件下同時(shí)具有Cd和Pb低積累能力的品種(如YQ和BGJ)在復(fù)合污染條件下也表現(xiàn)出對(duì)兩種金屬的同時(shí)低積累特征[10]，屬于Cd+Pb-PSC。由此推測(cè)，供試蕹菜品種中存在的既是Cd-PSC又是Pb-PSC的品種也有可能屬于Cd+Pb-PSC。上述研究結(jié)果為未來開展Cd+Pb-PSC育種的可行性提供了試驗(yàn)生物學(xué)依據(jù)。

然而，PSC策略并不是解決農(nóng)田土壤重金屬污染問題的萬能鑰匙，嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管和土壤污染普查對(duì)于確保食品安全來說是必不可少的。土壤改良，比如向土壤中添加石灰和有機(jī)物料[17]，也應(yīng)該與PSC策略一起實(shí)施來減少土壤重金屬對(duì)食物鏈的污染，確保食品安全。

從本次試驗(yàn)的結(jié)果來看，不同蕹菜品種對(duì)Cd、Pb吸收積累的能力有很大差異。結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的關(guān)于大白菜[3]、水稻[5]和長(zhǎng)豇豆[8]等研究結(jié)果，可以得出這樣的結(jié)論：農(nóng)作物對(duì)Cd和Pb的吸收積累量是一種可遺傳的性狀，具有明顯的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，這是選育PSC的重要基礎(chǔ)。關(guān)于農(nóng)作物PSC的培育，目前在硬質(zhì)小麥、馬鈴薯等農(nóng)作物均已取得成功[16]。但是，為了培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物PSC，建立PSC育種這一新的育種技術(shù)架構(gòu)，目前仍有許多研究工作需要開展，包括農(nóng)作物低量積累Cd和Pb的機(jī)理以及遺傳特性的研究，比如對(duì)食用部位Cd、Pb含量性狀進(jìn)行群體遺傳分析、QTL定位等，這將為論證不同作物PSC育種的可行性和方法奠定理論基礎(chǔ)。

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