水生蔬菜重金屬污染與防治研究進(jìn)展

熊春暉，盧永恩，歐陽波，李漢霞

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，武漢，430070）

水生蔬菜重金屬污染與防治研究進(jìn)展

熊春暉，盧永恩，歐陽波，李漢霞

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，武漢，430070）

綜述了重金屬對水生蔬菜生長發(fā)育的影響和水生蔬菜重金屬富集規(guī)律，并通過了解我國水生蔬菜重金屬污染來源，提出了我國水生蔬菜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中預(yù)防和減少重金屬污染的措施。

水生蔬菜；重金屬；污染；防御措施

重金屬是化學(xué)元素周期表中密度大于4.5 g/cm3的金屬元素的統(tǒng)稱，包括金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鋅（Zn）等以及類金屬元素砷（As），共46種元素。而與環(huán)境污染相關(guān)的重金屬元素主要是指Hg、Cd、Pb、Cr以及類金屬As等生物毒性顯著的元素，其次是指有一定毒性的一般重金屬，如 Zn、Cu、Ni、Co、Sn 等。 其中，Pb、Cd、Hg、As和 Cr被稱為重金屬污染中的“五毒”[1]，它們并非動植物生長的必需元素，而可以通過食物鏈在機(jī)體內(nèi)富集，直接或間接地為害人類的身體健康[2]。

水生蔬菜是指生長在淡水中、產(chǎn)品器官可作為蔬菜食用的維管束植物。我國水生蔬菜種類主要包括蓮藕、茭白、慈姑、水芹、菱角、荸薺、芡實、蒲菜、莼菜、豆瓣菜、水芋和水蕹菜，在大部分省市均有分布，而洞庭湖、鄱陽湖、太湖、巢湖、洪澤湖等大湖周圍的分布尤為集中[3]。目前，我國水生蔬菜研究較多的是蓮藕和茭白。蓮藕是我國栽培面積最大的水生蔬菜，屬睡蓮科多年生宿根水生植物，分淺水藕（10～30 cm）和深水藕（30～60 cm）2個栽培品種，以地下匍匐莖和膨大根狀莖作為蔬菜產(chǎn)品器官，主要分布在湖北、江蘇、浙江、安徽、江西等長江中下游地區(qū)，而以湖北、江蘇等省市種植面積最大；茭白是我國特有的蔬菜，以長江流域及以南地區(qū)分布最多，在浙江、江蘇、上海等省市最為集中[4]。本文主要以這2種水生蔬菜為例，綜述了重金屬對水生蔬菜生長發(fā)育的影響及其在產(chǎn)品器官中的富集特征，并從重金屬污染源出發(fā)，提出了解決水生蔬菜重金屬污染的幾項措施，以便了解水生蔬菜重金屬污染的嚴(yán)重性，為解決我國重金屬污染所引起的水生蔬菜產(chǎn)業(yè)滯怠問題提供參考。

1 重金屬的毒性

1.1 Pb

Pb是一種具有神經(jīng)毒性的重金屬元素，它能夠通過呼吸道、消化道等多種途徑進(jìn)入人體，并長期在人體內(nèi)累積，超過一定累積量即對人體產(chǎn)生毒害作用。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）報道，人體每日對Pb的攝入量若超過5×10-2mg/kg即會受到傷害。Pb被認(rèn)為是一種高毒性重金屬元素，可對大腦、神經(jīng)系統(tǒng)、紅血球等產(chǎn)生毒性[5～8]。Pb在血液中可以以磷酸氫鹽、蛋白復(fù)合物或Pb離子的形式隨血液循環(huán)而遷移，除少量在肝、脾、腎等組織及紅細(xì)胞中存留外，有90%～95%的Pb2+以較穩(wěn)定的不溶性磷酸鉛的形式儲存于骨骼系統(tǒng)。Pb介導(dǎo)的中央神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞毒性容易引起一定程度的血腦屏障，從而損傷人的學(xué)習(xí)能力[9]。人體內(nèi)Pb含量的增加伴隨著智力水平的下降，并引起一些嚴(yán)重的行為障礙[10]。

1.2 Cd

Cd是環(huán)境中最毒的金屬元素之一，它的半衰期很長，可長期潛伏在環(huán)境中，并隨著時間延長在環(huán)境中慢慢積累。人體中Cd的主要來源是受Cd污染的食物和水的攝入，它可以通過食物鏈富集，最終影響人的身體健康。Cd在哺乳動物中的主要富集器官是肝臟和腎[11]。它能引起動物肝臟薄壁組織腫大、退化甚至細(xì)胞壞死[12～14]，以及腎小管功能紊亂，從而影響腎小球?qū)τ卸疚镔|(zhì)的過濾能力[15]。另外，Cd的毒性還可誘發(fā)肺腫脹、骨質(zhì)疏松、大腦水腫、腦溢血、血腦屏障和高血壓等疾病[15，16]。

1.3 Hg

Hg俗稱水銀，是一種可以以氣態(tài)形式存在的金屬，現(xiàn)已成為為害大眾健康的主要金屬元素之一。Hg首先被公眾關(guān)注是由于20世紀(jì)60-70年代在日本發(fā)生的水俁病。水俁病是人吃了受甲基汞污染的魚而引起的神經(jīng)性中毒疾病，其先后導(dǎo)致千余人死亡，并造成大量嬰兒患先天性麻痹癡呆癥。Hg可由呼吸道、消化道或皮膚等途徑進(jìn)入人體，進(jìn)而對腎臟、神經(jīng)及胃腸道產(chǎn)生毒性[17]。在環(huán)境中，Hg主要以元素汞、無機(jī)汞和有機(jī)汞3種形式存在，不同形態(tài)的Hg進(jìn)入人體的途徑也不同。汞元素對人體的毒害一般有急性中毒和慢性中毒2種臨床表現(xiàn)，急性Hg中毒常由呼吸道大量吸入Hg所致，易引發(fā)腎功能綜合癥、急性腎功能衰竭以及周圍神經(jīng)病和腦病，并伴隨多種呼吸道和消化道臨床反應(yīng)，如胸悶、胸痛、惡心以及舌和口腔黏膜疼痛、充血、腫脹、潰瘍等。但近10 a出現(xiàn)更多的是慢性Hg中毒，其會導(dǎo)致腎病綜合癥、周圍神經(jīng)病和中毒性腦病等，常表現(xiàn)蛋白尿或伴血尿、管型尿和腎功能損害，患病率達(dá)20.6%[18，19]。另外，一些神經(jīng)學(xué)家推測，Hg暴露將影響孩童大腦的發(fā)育，容易誘發(fā)孤獨(dú)癥[20]，這種推測來自接種一種含Hg疫苗的臨床觀察，并且比例逐漸上升[21，22]。

1.4 As

As是一種類金屬元素，在潮濕空氣中易被氧化或升華成As2O3，俗稱砒霜。As是一種致癌物質(zhì)，已被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）確認(rèn)為人類皮膚癌和肺癌致病物[23]，美國環(huán)保組織也將其列為頭等有害物質(zhì)[24]。As可誘使正常的干細(xì)胞癌變，誘發(fā)惡性腫瘤。流行病學(xué)家研究表明，長期飲用含As的水會增加癌癥等多種疾病的發(fā)生頻率[25]，如皮膚黑變病、手和腳的角化病以及腫塊和節(jié)瘤的形成[26]。另外，As毒性還會引起發(fā)育畸形、神經(jīng)和神經(jīng)行為的異常、糖尿病、肝臟和肺的纖維化以及一些血液系統(tǒng)的疾病[27]。

在孟加拉國，井水As污染是一個嚴(yán)重的公共健康問題，由于大量廉價有機(jī)肥料和農(nóng)藥的使用，導(dǎo)致孟加拉國井水受到Cd和As的嚴(yán)重污染，并通過灌溉污染農(nóng)作物[28]。

2 重金屬對水生蔬菜生長發(fā)育的影響

重金屬對水生植物能夠產(chǎn)生明顯的毒害作用[29]，主要表現(xiàn)在影響細(xì)胞膜透性、物質(zhì)代謝、光合呼吸作用，改變運(yùn)動器官的細(xì)微結(jié)構(gòu)，降低光合速率和相關(guān)酶活性，使核酸組成發(fā)生變化、細(xì)胞體積縮小和生長受到抑制等[30]。Megateli等[31]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫明顯抑制浮萍的生長，引起脯氨酸含量和D665/D665a（葉綠素/褐藻素比值）指數(shù)等一系列生理指標(biāo)的變化。Song等[32]的研究結(jié)果表明，高濃度Cu2+、Cr3+等重金屬脅迫下，空心蓮子草的根冠比增加，總根長和總根面積都相應(yīng)降低，K+、Ca+、Mg2+等營養(yǎng)元素的吸收也受到影響。

重金屬污染不僅影響水生蔬菜的正常生長發(fā)育，對蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量也會產(chǎn)生很大的影響。Pb脅迫下，茭白葉片可溶蛋白含量、保護(hù)酶活性、自頂葉起至第3片功能葉的葉面積、其葉綠素含量及凈光合速率等均隨Pb濃度升高先上升后下降，而脯氨酸含量則逐漸上升；低濃度Pb、Cd脅迫還能促進(jìn)茭白株高和葉面積增加，但隨脅迫濃度的增加而下降，且品種之間表現(xiàn)一定的差異性[33，34]；同時，Pb、Cd 單一或復(fù)合脅迫會增加茭白產(chǎn)品器官中總膳食纖維、不溶性膳食纖維以及粗纖維的含量，但降低可溶性膳食纖維含量[35]。 何舞等[36]對 Pb、Cd、Hg復(fù)合污染下蕹菜的生長狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，中低濃度重金屬脅迫對蕹菜生長有利，但高濃度脅迫抑制蕹菜的生長，使蕹菜生長量降低、根莖短且易受病害影響。本研究組對Pb/Cd復(fù)合脅迫下蓮藕生長發(fā)育狀況及品質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同濃度的Pb/Cd復(fù)合脅迫對蓮藕光合作用、呼吸作用及膜質(zhì)氧化都會產(chǎn)生影響，且隨著濃度的升高產(chǎn)量呈下降趨勢。另外，黃凱豐等[37]研究發(fā)現(xiàn)，Pb2+、Cd2+脅迫能顯著降低茭白葉片DNA提取量及DNA增色效應(yīng)的程度。

3 水生蔬菜對重金屬的吸收

水生植物具有發(fā)達(dá)的維管束組織，容易從生長的環(huán)境中吸收或轉(zhuǎn)移重金屬元素[38]。前人的研究表明，水生植物易吸收、轉(zhuǎn)移和利用重金屬元素，重金屬主要富集在根部，其次是葉片和莖[38，39]。 Rai等[40]和 Dwivedi等[41]的調(diào)查結(jié)果也表明，水蕹（Ipomea aquqtica）蓄積重金屬能力強(qiáng)，它1 g干物質(zhì)最多可以蓄積Cu 62 μg，Mo 5 μg，Cr 13 μg，Cd 11 μg，As 0.05 μg。 菱 （Trapa bispinosa）是一年生浮葉水生植物，主根長約數(shù)尺，且深入到池塘淤泥中，能夠在體內(nèi)大量累積Pb和Cd，在Pb和Cd含量分別為0.11μg/mL和 0.71 μg/mL的水體中，菱體內(nèi)Cd和Pb富集濃度可分別達(dá)到13.05 μg/g 和 87.75 μg/g[42]。

水生蔬菜不同器官對重金屬元素的吸收不同，同一器官對不同元素的吸收能力也不同。黃凱豐等[43]用 Pb、Cd單一污染或復(fù)合污染處理茭白，Pb2+、Cd2+在茭白各器官中的累積順序依次為根>短縮莖>葉>肉質(zhì)莖。累積量在品種間也存在明顯差異，其中，蔣墅茭對Pb2+的吸收強(qiáng)于葑紅早，對Cd2+的吸收則相反。在蓮藕中，本研究組的結(jié)果也表明，用不同濃度的Pb或Cd處理土壤，蓮藕各器官中Pb或Cd的富集量存在差異，Pb的富集整體表現(xiàn)為匍匐莖>葉柄>藕>荷葉，而Cd的富集則表現(xiàn)為匍匐莖>荷葉>藕>葉柄[44]。水生蔬菜各器官重金屬吸收受多種因素影響，如水環(huán)境中重金屬濃度、重金屬的有效性、水體富營態(tài)以及不同水生蔬菜對各重金屬元素特有的富集特性等。

4 水生蔬菜重金屬污染的空間分布

重金屬，如 Pb、Cd、Hg、As、Cu 等，是重要的環(huán)境污染物，它們進(jìn)入大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)中，甚至在低濃度下就能對各種生物體產(chǎn)生毒害作用[45]。蓮藕、茭白、慈姑、荸薺等水生蔬菜是生長在淡水中的水生植物，其發(fā)達(dá)的維管組織很容易從大氣、水體以及淤泥沉積層吸收重金屬元素。池塘和湖泊是我國水生蔬菜生長的重要環(huán)境載體和灌溉水來源，而隨著城市化的發(fā)展，重金屬污染對湖泊和池塘構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[46]。

4.1 水體

我國是水資源受重金屬污染比較嚴(yán)重的國家之一，江河湖庫底質(zhì)的污染率高達(dá)80.1%[47]。據(jù)調(diào)查，黃河、淮河、松花江、遼河等十大流域的重金屬超標(biāo)斷面的污染程度均為超V類[48]。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量重金屬排入河流、湖泊和海洋等水體中，導(dǎo)致我國水體重金屬污染事件不斷出現(xiàn)。采礦、冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、造革、染料、農(nóng)藥、化肥等的使用是造成水體重金屬含量超標(biāo)的主要原因[49]。這些重金屬對水生植物產(chǎn)生毒性，并能長久地富集在水體中，被植物吸收，并最終通過食物鏈在人體內(nèi)富集。

4.2 沉積層

沉積物是湖泊水體污染物的最終蓄積庫，記錄了區(qū)域的污染歷史，也記錄了流域內(nèi)人類活動的信息以及湖泊生態(tài)環(huán)境的演變過程[50～52]。人為活動（如采礦）使得河流、湖泊等水體或沉積層中積聚了大量的重金屬元素，其中沉積層是最大的重金屬存儲場地以及污染來源，重金屬元素以沉積層為載體，隨著水體化學(xué)特征變化而變化，最終被環(huán)境中的水生生物（包括水生植物）吸收[38]。胡文勇等[53]對受污藕塘中生長的蓮藕重金屬富集特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，蓮藕地下莖中重金屬的富集與藕塘淤泥中重金屬含量顯著相關(guān)，且蓮藕地下莖能夠從淤泥中大量吸收Pb、Cd、Cr等重金屬元素。

4.3 大氣

近年來，大氣顆粒物引起的環(huán)境污染受到廣泛的關(guān)注。機(jī)動汽車廢氣的排放、化石燃料的燃燒、礦山的開采等均產(chǎn)生大量的大氣顆粒物，而重金屬是大氣顆粒物的重要成分之一[54]。大氣中的重金屬能夠通過大氣沉降進(jìn)入土壤和水體，然后對人體健康、植物和水生生物產(chǎn)生為害。章明奎等[55]研究鉛鋅礦區(qū)附近蔬菜重金屬積累情況發(fā)現(xiàn)，大氣沉降對大白菜地上部分Cd、Pb和Hg等重金屬的積累有直接影響。秦瑩等[56]對沈哈高速公路兩側(cè)土壤重金屬污染進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在距路肩0～320 m范圍內(nèi)，土壤中Cu、Pb、Zn總含量和有效態(tài)含量隨著距離增加而呈降低的趨勢。水生植物葉片有發(fā)達(dá)的通氣組織，大氣顆粒物中的重金屬不僅可以通過土壤和水體被水生植物根系吸收，還可以直接被葉片吸收。其他植物也可因化肥、農(nóng)藥的使用而受到重金屬污染[57，58]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥、劣質(zhì)化肥等的不合理使用是重金屬的重要污染來源，如磷肥中含有較多的銅、鎘、鉛、鎳等重金屬[59]。另外，我國水生蔬菜已成為許多加工產(chǎn)品的原材料，食品添加劑等的使用以及加工設(shè)備本身也是重金屬污染的來源。

5 水生蔬菜重金屬污染防御和治理措施

近年來，我國水生蔬菜種植面積逐漸擴(kuò)大。以湖北漢川為例，水生蔬菜作為漢川市蔬菜生產(chǎn)的一大特色種類，全市26個鄉(xiāng)中，水生蔬菜種植面積667 hm2以上的就有4個，在67 hm2以上的有5個，已經(jīng)形成了集種植、收購、加工和銷售為一體的產(chǎn)業(yè)化格局，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷韓國、日本等東南亞國家及臺灣省，僅2006年，出口腌漬藕 600 t，藕粉 260 t，保鮮藕 210 t，年出口總值32萬美元[60]。隨著我國水生蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水生蔬菜種植面臨著工業(yè)化、城市化帶來的環(huán)境污染以及無公害產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的矛盾，特別是我國加入世界貿(mào)易組織（WTO）后，貿(mào)易壁壘對我國水生蔬菜出口提出了更高的要求。

水生蔬菜因獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生長環(huán)境，相比陸生植物而言，更容易受到重金屬的污染。要解決重金屬污染所帶來的水生蔬菜產(chǎn)業(yè)滯怠問題，必須首先從源頭上切斷重金屬污染的可能性，以防御和治理相結(jié)合的方式來解決我國水生蔬菜生產(chǎn)鏈中的重金屬污染問題。

①科學(xué)規(guī)劃水生蔬菜產(chǎn)業(yè)區(qū)域，合理布局，把水生蔬菜大型種植區(qū)移至專屬農(nóng)業(yè)規(guī)范區(qū)，避免在礦區(qū)、交通干線、重工業(yè)區(qū)等重金屬污染嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局。

②強(qiáng)化水生蔬菜生產(chǎn)和產(chǎn)品加工標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)明令限制或禁止劣質(zhì)農(nóng)藥、化肥等的使用，并對水生蔬菜生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測；在水生蔬菜產(chǎn)品深加工過程中，清潔整個生產(chǎn)流水線，禁止有害食品添加劑的使用。

③選育新品種。培育能夠抵御重金屬污染的水生蔬菜品種，或使重金屬轉(zhuǎn)移至水生蔬菜非產(chǎn)品器官。

④加強(qiáng)環(huán)境管理和監(jiān)測，及時排除污染源。

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Research Progress on Pollution and Prevention of Heavy Metals in Aquatic Vegetables

XIONG Chunhui,LU Yong'en,OUYANG Bo,LI Hanxia
(Educational Ministry Key Laboratory of Horticultural Plant Biology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070)

The paper summarized the effects of heavy metals on the growth and development of aquatic vegetables and the accumulation characteristics of heavy metals in aquatic vegetables,and analyzed the pollution sources of heavy metals in the production of aquatic vegetables,and then proposed the measures to prevent or reduce the heavy metal pollution in the industrialized development of aquatic vegetables.

Aquatic vegetables;Heavy metals;Pollution;Preventive measures

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.16.001

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項項目（200903017）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（Nycytx-35-gw02）

熊春暉（1986-），男，在讀研究生，主要從事水生蔬菜（芋、茭白）重金屬累積特性研究以及我國芋、茭白主產(chǎn)區(qū)安全性調(diào)查等工作，電話：18071042266，E-mail：xchh_1020@163.com

李漢霞（1958-），女，通信作者，教授，主要從事蔬菜生理及植物生物技術(shù)研究，電話：13971175291，E-mail：hxli@mail.hzau.edu.cn

2012-07-01