蔬菜對重金屬鎘富集研究進展

張 帆，謝玲玲，彌寶彬，戴雄澤,，劉 峰,

（1.湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省農業(yè)科學院蔬菜研究所，湖南 長沙 410125）

蔬菜對重金屬鎘富集研究進展

張 帆1，謝玲玲2，彌寶彬2，戴雄澤1,2，劉 峰1,2

（1.湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省農業(yè)科學院蔬菜研究所，湖南 長沙 410125）

針對蔬菜受鎘污染嚴重的問題，就各類蔬菜對重金屬鎘的富集能力以及土壤因子對蔬菜富集鎘的影響等研究做了綜述，并對今后如何加強重金屬污染的防治做出了展望。

蔬菜；土壤；重金屬；鎘；富集

蔬菜是人類生活中必不可少的食物，能提供人體所需的重要營養(yǎng)物質。隨著生活質量的提高，人們更加注重食品安全問題，而隨著城鎮(zhèn)化的深入和工業(yè)化的迅猛發(fā)展，土壤環(huán)境質量普遍較差，存在各種重金屬污染，其中鎘污染最為突出[1]。鎘是最具毒害的重金屬之一，嚴重損害菜田土壤質量，鎘能夠通過土壤在蔬菜中累積，借助食物鏈潛入人體，降低人體免疫力，造成慢性中毒。因此必須積極采取有效的措施降低蔬菜對鎘的吸收與富集，提高蔬菜的品質和質量，使人們的健康得到保障[2]。目前國內已有較多關于蔬菜對鎘富集的報道[3]，對大眾深入了解蔬菜對重金屬鎘的富集規(guī)律，合理策劃蔬菜種植布局，生產綠色無公害蔬菜產品具有重要的指導作用。

1 蔬菜對重金屬鎘的富集

1.1 不同種類蔬菜對重金屬鎘富集量的差異

大量研究表明，重金屬在不同種類蔬菜中的富集能力有顯著差異[4-6]。歐陽喜輝等[7]通過研究北京市大型蔬菜試驗基地中不同種類蔬菜對重金屬鎘的富集規(guī)律發(fā)現(xiàn)，果菜類蔬菜吸收鎘的能力較葉菜類弱，因此葉菜類蔬菜中鎘的富集量較高，然而與前兩者相比，油菜對鎘的富集能力最強。蔬菜對鎘富集能力的強弱順序為：葉菜類＞根莖類＞瓜果類[8]。在相同環(huán)境狀態(tài)下，不同蔬菜對鎘富集能力的順序為：青菜＞蘿卜＞萵苣＞四季豆＞黃瓜＞番茄，青菜對鎘的富集能力顯著高于其他菜類，番茄則明顯低于其他菜類，兩者存在很大差異[9]。賈相岳[10]的研究表明，菠菜、生菜和油菜對鎘的富集也存在一定差異，它們的富集能力為：菠菜＞生菜＞油菜，當土壤中存在低含量的鎘時，能夠促進這3種蔬菜生長，高含量的鎘則抑制蔬菜的生長，降低其產量。芹菜、萵筍和菜薹屬莖菜類，在相同的土壤環(huán)境條件下，莖部可食部分鎘的含量順序為：芹菜＞萵筍＞菜薹；當土壤中鎘的含量分別為0.43和3.00 mg/kg時，不論在種間還是種內，3種蔬菜的莖葉部分鎘的含量差異十分顯著，且鎘處于低含量時，菜薹的產量和品質也為最優(yōu)[11]。不同種類的蔬菜生長周期、植株形狀及其高矮都有明顯差異，而且每種蔬菜都會有其生物學特性和生理學機制，因此不同種類的蔬菜對重金屬的富集能力不同。

1.2 同類蔬菜不同品種對重金屬鎘富集量的差異

張海波[12]研究8個不同品種辣椒對重金屬鎘的富集效應，結果顯示，鎘元素主要在辣椒的幼苗根部積累，而且在這8個品種的辣椒中，PE39和PE4對鎘的富集能力最強，PE37和PE5對鎘的富集能力最弱。據前人對綠豐（敏感品種）和春豐（耐鎘品種）2個甘藍品種耐鎘性質的研究發(fā)現(xiàn)，以20 μmol/L的鎘溶液處理這2個品種的甘藍時，根部的生長均受到抑制，且植物的干重都顯著降低；其中鎘元素主要分布在植株的地下部分，鎘在綠豐葉中的累積量高于春豐，在根系的累積量顯著低于春豐[13]。狄光娟[14]研究了揚州白芹、無錫水芹、宜興水芹和常熟白芹4個品種的芹菜對重金屬鎘的富集情況，除揚州白芹外，其他3個芹菜品種對鎘的富集系數(shù)均超過1，芹菜體內較易富集鎘，但其遷移率相對較小，因此，鎘主要集中在地下部分。同種蔬菜不同品種的基因型不同，表現(xiàn)的性狀會有顯著差異，不同品種之間從種子萌發(fā)到植株生長的周期也會不同，導致不同品種蔬菜對鎘的富集效應存在相應差異。

1.3 蔬菜不同器官對重金屬鎘富集的差異

蔬菜根系吸收營養(yǎng)物質時也吸收了大量重金屬。研究發(fā)現(xiàn)，植物的根吸收重金屬離子后，會轉運至植株的其他器官，重金屬離子在植物體內的轉運速度直接影響了其在各個器官的分布[15]。重金屬鎘在大白菜、番茄、茄子、馬鈴薯與蘿卜這幾種蔬菜各器官中的累積效應差異顯著，番茄、大白菜和馬鈴薯各器官對鎘的富集能力最強的是根，莖葉次之，最弱的是塊莖和果實；蘿卜和茄子各器官中鎘富集量最大的是莖葉，根次之[16]。菠菜各部位對重金屬鎘的富集效應也有很大差異，葉片、根最強，莖較弱[17]。樓根林等[18]研究了幾種蔬菜對重金屬鎘的富集規(guī)律，結果表明，供試蔬菜品種對鎘的富集能力最強的器官一般為根部，葉次之，莖最弱，豇豆的豆莢和青椒的果實中鎘的富集量低于其他器官。蔬菜根部吸收重金屬鎘，然后轉運至其他器官，離根部較近的器官鎘含量高，離根部較遠的器官鎘含量較低，但在特殊情況下，蔬菜也會從大氣中吸收重金屬鎘，導致葉和果實的鎘富集量高于根莖。

1.4 重金屬鎘富集對蔬菜的生理影響

鎘不是植物生長所必需的元素，且有劇毒，高濃度的鎘會影響植物的生長發(fā)育，通常表現(xiàn)為：根部發(fā)黑腐爛，葉片蔫黃，植株生長發(fā)育遲緩，影響其經濟品質和產量。研究表明，當植物吸收鎘后，大部分會在液泡中累積或附著在細胞壁上[19]。溫天彩[20]研究了鎘在蘿卜中富集的細胞學機制，結果顯示，蘿卜結構組織的破壞程度與鎘濃度呈正相關。鎘含量的增加對蘿卜細胞的超微結構影響顯著，細胞壁變厚，細胞質和細胞壁會逐漸分離，而且會有一部分出現(xiàn)斷裂；細胞核褶皺縮小，最后核仁分解；線粒體嵴減少直至斷裂。從細胞水平來看，鎘先聚集在細胞壁上，隨即轉運到液泡中。李德明[21]的研究表明，低含量的鎘對小白菜的生長起促進作用，對蘇州青的作用更顯著；而高含量的鎘對其地上部的生長有明顯的抑制作用，對根部的影響較弱，相對于小白菜，鎘能夠較大幅度地降低蘇州青的葉綠素含量。鎘能改變蔬菜的超微結構，當蔬菜富集鎘之后，幾乎所有的細胞器都會改變原來的狀態(tài)，導致蔬菜中葉綠素的含量降低，阻礙光合作用，各種酶活性降低甚至失活。

2 土壤因素對蔬菜重金屬鎘富集的影響

2.1 土壤酸化

土壤pH值屬于土壤的理化性質，能夠影響其環(huán)境狀況，進而影響蔬菜對土壤重金屬的吸收和富集。近年來，酸雨現(xiàn)象頻頻發(fā)生，酸雨能使土壤酸化，導致其pH值降低，因而對作物造成直接損害，酸化后的土壤增加重金屬離子的遷移速率，導致作物對重金屬的富集能力加強。酸雨還能影響作物體內重金屬的活性，使作物的抗性變弱，降低其存活率[22]。據前人對模擬酸雨情況下菠菜與生菜體內鎘含量變化的研究顯示，菠菜與生菜在單一酸雨的處理下，其體內鎘含量隨著pH值的減小而增加，兩者呈良好負相關[23]。王小蒙等[24]研究發(fā)現(xiàn)，以相同鎘濃度處理莧菜，土壤pH值對其影響顯著，當pH值低于7.5時，莧菜重金屬含量會隨著pH值的上升而降低。過低的pH值能夠使土壤中物質改變其生理結構，同時也促進了非交換態(tài)的鎘向交換態(tài)的鎘的轉化，從而增加了重金屬離子的遷移率，提高其進入蔬菜的幾率，最終導致蔬菜對鎘的富集能力增加。

2.2 土壤微生物

微生物在土壤中所占比例較小，但能通過去甲基化、氧化還原與甲基化等反應將重金屬轉化，使重金屬在土壤中的存在形態(tài)發(fā)生改變，從而降低或消除重金屬對土壤的毒性，同時也減少了重金屬在作物體內的富集。據研究，一些土壤微生物群體能夠在作物根系形成菌根，它是一種根—菌共存體，幾乎與自然界所有的陸生維管植物的根系都能形成共生互利的關系，并大大促進了作物對土壤重要礦物質的利用率，增強作物抗性，使作物在土壤重金屬污染的情況下仍能正常生長[25]。在玉米體內接種根菌能夠使其植物量增加為原來的6.79倍，鎘在地上部分的累積量下降了53.9%，但鎘在根系的累積量增加，據此得出結論，根菌的侵染使重金屬鎘富集在根系，從而抑制其向其他部位的遷移，增加了植物對重金屬鎘的耐受能力[26]。土壤微生物并不會直接減少作物對鎘的富集，它能與根系結合并分泌各種激素，縮短作物的生長期，提高免疫力，從而提高對重金屬鎘的抗性，使其在鎘污染的情況下仍能保證優(yōu)良的質量和產量。

2.3 土壤有機質

農田土壤有機物中一般無重金屬元素，但重金屬元素能與土壤有機物發(fā)生化學反應，生成相應的絡合物與螯合物，因此土壤有機質影響重金屬在土壤中的累積、轉運和遷移，進而影響蔬菜對重金屬的富集[27]。當土壤中施用大量有機肥時，會增加土壤有機質含量，導致土壤中有效態(tài)鎘的含量明顯降低，施用有機肥還可以使處于交換態(tài)的鎘向可還原態(tài)與可氧化態(tài)的鎘轉化。大量有機物以絡合、螯合和吸附的方式增加重金屬的輸入量，而且一些分解后的有機物具有還原性，還可以生成CdS等沉淀，使土壤中有效鎘的含量再次降低[28]。殘渣態(tài)與無機結合態(tài)是鎘元素在土壤中的主要存在形式，當在土壤中施入一定量的豬糞（有機肥）時，會使鎘主要以交換態(tài)和可溶態(tài)的形式存在[29]。宮長修[30]研究了在稻草、綠肥等有機肥處理下青菜中鎘的含量，結果表明，綠肥和稻草都能使鎘在青菜地上可食部分的含量降低，但是綠肥對其影響相對較小。土壤有機質主要來自有機肥，有機質的增加間接阻礙了鎘在蔬菜中的富集，因為它能通過化反應改變鎘在土壤中的存在狀態(tài)，降低鎘的遷移率。

2.4 土壤類型

土壤的各種理化性質與微生物特性會隨著其利用形式的不同而產生一系列差異，影響重金屬元素在土壤中的轉運與累積，進而影響作物對重金屬元素的富集效應。據前人對旱坡麥地、溫室大棚蔬菜地、柑橘果園、旱坡菜地、林地和水稻田這6種土壤類型的研究發(fā)現(xiàn)，以同一鎘濃度處理這些土壤，鎘元素在土壤中的累積量由高到低為：溫室大棚蔬菜地＞柑橘果園＞旱坡麥地＞水稻田＞旱坡菜地＞林地。鎘元素在水稻田、林地和旱麥地的含量屬于輕度污染，而在溫室大棚菜地、柑橘果園與旱菜地中的含量已造成中度生態(tài)污染[31]。土壤類型不同，土壤中各種物質的生理機制也不相同，因此鎘在各種類型土壤中的累積量也不相同，這些差異就會波動重金屬鎘在植物體內的富集效應。

2.5 土壤重金屬鎘的含量

土壤中累積的重金屬鎘會增加其在蔬菜體內富集的幾率，因此蔬菜中重金屬鎘的含量與土壤中重金屬鎘的含量有著很大關系。陳紅亮等[32]研究了貴州省遵義縣蔬菜基地的白菜、辣椒、西紅柿和菠菜等幾種蔬菜，結果發(fā)現(xiàn)，這幾種蔬菜體內鎘元素的含量均未超出國家食品標準，白菜、辣椒與西紅柿的鎘富集量隨著土壤中鎘含量的增加而增加，兩者呈正相關趨勢，菠菜對鎘的富集量與土壤中鎘含量呈顯著正相關。鄧祿軍等[33]研究了土壤鎘含量與馬鈴薯塊莖鎘含量的關系，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯塊莖中鎘富集量在0.01水平上隨著土壤鎘濃度的增加而明顯增加，以40 mg/kg的鎘濃度處理土壤時，馬鈴薯塊莖中鎘富集量最高，平均每株達0.01 mg。生菜、油菜和菠菜這3種蔬菜中鎘含量均與土壤中相對應鎘含量呈顯著正相關，油菜與生菜的相關系數(shù)均為0.997 7，菠菜相對較高，為0.999 2。蔬菜中的鎘主要來自土壤，通常，蔬菜鎘富集量都會隨著土壤鎘含量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢。

3 展 望

我國重金屬污染嚴重，且其污染范圍廣、無法被降解、不可逆、持續(xù)時間長，現(xiàn)有4種治理方法，分別為農業(yè)治理、化學治理、工程治理和生物治理。農業(yè)治理和生物治理方法耗費少，簡單易行，缺點是治理周期漫長且改善效果不明顯；化學治理方法耗費比前者稍高，治理效果一般，而且容易污染反彈；工業(yè)治理方法比較徹底且不易污染反彈，但是耗費高，且操作復雜，這些方法都不太理想。不同的蔬菜品種對重金屬的累積、轉運和吸收的特性不同，可以利用這一特征改善蔬菜中重金屬的污染。早在多年前就有人提出并研究了低富集量重金屬蔬菜品種的培育，現(xiàn)國內外也有許多關于這方面的研究，但是并沒有取得突破性的進展，一方面是因為沒有對實驗結果進行相應地鑒定和重復操作；另一方面是因為沒有對典型試驗蔬菜品種進行遺傳特性的深入研究，所以無法全面掌握其遺傳特性與生理學機制。因此可以研究不同蔬菜品種在不同發(fā)育期對重金屬鎘富集的差異，并探索這些差異的來源及其生物學特性，為今后選擇和培育出對重金屬吸收量少以及在體內富集量少的優(yōu)良蔬菜品打下基礎。隨著生物遺傳學與基因工程的快速發(fā)展，抗重金屬污染基因的研究與提取已受到科研工作者的廣泛關注，目前已有對抗重金屬污染基因的克隆試驗，為了能更好地借助基因工程技術改善蔬菜對重金屬富集能力，應著重對抗污染基因的定位、分離、克隆及其結構特點進行研究。

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（責任編輯：肖彥資）

Research Progress on Heavy Metal Cadmium Enrichment in Vegetables

ZHANG Fan1，XIE Lin-lin2，MI Bao-bin2，DAI Xiong-ze1,2，LIU Feng1,2
（1. College of Longping, Graduate School of Hunan University, Changsha 410125,PRC; 2. Institute of Vegetable, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, PRC）

In view of the serious pollution of vegetables by cadmium, this paper reviewed the research on the bioaccumulation ability of heavy metals in vegetables and the effects of soil factors on the enrichment of cadmium in vegetables, it also prospected how to strengthen the prevention and control of heavy metal pollution in the future.

vegetables; soil; heavy metals; cadmium; enrichment

S63

：A

：1006-060X（2017）07-0127-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.035

2017-05-11

張 帆（1993-），女，河南封丘縣人，碩士研究生，主要從事蔬菜重金屬研究。

劉 峰