重金屬污染對(duì)葡萄生化及安全品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

孫葉芳，楊萌，聞秀娟，馮瑤，馬倩倩，李兆君*

（1. 紹興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江紹興 212000；2. 浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州 313000；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081）

采礦、污水灌溉、施肥等人類活動(dòng)及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展引起的重金屬污染問題日益嚴(yán)重[1]。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)用地受重金屬污染的面積大約有2500萬 hm2，占耕地總面積的16.1%[2-3]。土壤重金屬污染因其隱蔽性、滯后性等特點(diǎn)，其危害的嚴(yán)重性很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在自然條件下，土壤中的重金屬難以降解[4-5]。我國(guó)是鮮食葡萄生產(chǎn)第一大國(guó)，2018年葡萄種植面積已超過87.5萬 hm2，在產(chǎn)量和面積上分別居世界第一位和第二位[6-8]。目前，我國(guó)葡萄種植集中在新疆地區(qū)、吉林以長(zhǎng)白山為核心的產(chǎn)區(qū)、黃土高原地區(qū)、環(huán)渤海灣地區(qū)、黃河中下游地區(qū)、南方地區(qū)和西南地區(qū)等7個(gè)栽培區(qū)[9]，葡萄生產(chǎn)正在朝著資源稟賦優(yōu)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、比較效益高和出口潛力大的區(qū)域發(fā)展[10]。葡萄霉菌病是葡萄的重要病害，而含銅殺菌劑是防治霉菌病的重要抑制劑[11]。波爾多液是國(guó)內(nèi)外果園使用歷史久、頻率高、用量大的含銅殺菌劑，有可能會(huì)導(dǎo)致葡萄園土壤中銅（Cu）的逐步累積[12]。同時(shí)，葡萄栽培過程施用高銅畜禽糞便和化肥，也給土壤帶來重金屬污染，如法國(guó)葡萄園土壤中全銅含量達(dá)到100～1000 mg/kg[13]。而我國(guó)湖南長(zhǎng)株潭地區(qū)由于有色金屬豐富，葡萄園土壤中存在鎘（Cd）和汞（Hg）等重金屬嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象[14-15]。重金屬在土壤中的大量積累不僅污染環(huán)境，而且影響葡萄樹的生理生化指標(biāo)，降低葡萄果實(shí)品質(zhì)，還將通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅人體健康[16]。

重金屬對(duì)葡萄的生理生化及安全品質(zhì)的研究已有報(bào)道，但對(duì)這方面研究卻鮮有系統(tǒng)性的綜合分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)重金屬對(duì)葡萄生理生化及安全品質(zhì)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，為通過重金屬修復(fù)技術(shù)來緩解其毒害、保障葡萄果實(shí)安全的研究提供理論依據(jù)。

1 重金屬脅迫對(duì)葡萄生理生化指標(biāo)的影響

1.1 重金屬脅迫對(duì)葡萄生理指標(biāo)的影響

當(dāng)重金屬在植株體內(nèi)積累后就會(huì)抑制根和莖的生長(zhǎng)，不僅導(dǎo)致葉片卷曲，還會(huì)進(jìn)一步影響氮和鐵等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，產(chǎn)生氧化脅迫，損害植物光合元件，抑制光合作用，從而影響葡萄植株的各項(xiàng)生理指標(biāo)[17-20]。

1.1.1 重金屬脅迫對(duì)葡萄葉片光合作用的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要光合色素，過量的重金屬將對(duì)葉綠素產(chǎn)生脅迫，從而影響光合作用，葉綠素含量變化可用以表征逆境脅迫下植物的損害程度[21]。研究表明，葡萄葉片中葉綠素含量與Cd2+濃度呈負(fù)相關(guān)[15]。重金屬對(duì)葡萄葉片中葉綠素含量的影響因葡萄品種而不同，在10 mg/kg Cd處理下，‘溫克’‘夏黑’和刺葡萄葉片的葉綠素含量相比未經(jīng)Cd處理分別下降63.4%、59.1%和75.0%[18]。此外，郭亮等[15]研究表明，在重金屬Cd脅迫下，葡萄葉片中葉綠素a所受影響大于葉綠素b。管虹[22]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基中Cu2+濃度高于10 mg/L 時(shí)，Cu2+對(duì)葡萄試管苗起抑制作用，葉綠素總量相比對(duì)照下降[22]。劉眾杰認(rèn)為，在15 mg/L的硫酸銅（CuSO4）處理時(shí)，葡萄的凈光合速率顯著下降，而CuSO4＋檸檬酸（CA）和CuSO4＋人工螯合劑EDTA處理使CuSO4更容易被植物吸收，導(dǎo)致葉片中葉綠素降解更快[23]。關(guān)利平[24]試驗(yàn)表明，隨著Cu脅迫的增加，‘澤香’‘玫瑰香’葡萄根系活力呈顯著下降趨勢(shì)，而電導(dǎo)率和丙二醛（MDA）含量顯著上升。‘巨峰’葡萄葉片的總呼吸速率隨著氯化鎘（CdCl2）濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，0～1 mmol/L CdCl2顯著增加葉片ATP含量的累積，而隨著CdCl2濃度的升高葉片ATP含量急劇下降，且其含量與對(duì)照無顯著差異。‘巨峰’葉片的熒光強(qiáng)度、超微弱發(fā)光強(qiáng)度均隨著Cd濃度的上升呈拋物線狀態(tài)，而葉片的磷光強(qiáng)度則隨著Cd2+濃度的上升而升高[25]。

1.1.2 重金屬脅迫對(duì)葡萄葉片抗氧化反應(yīng)的影響

重金屬破壞細(xì)胞膜脂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致膜脂過氧化，爆發(fā)大量的活性氧化物（ROS），過量的ROS會(huì)對(duì)植物組織細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重傷害[26]。植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)會(huì)自發(fā)地清除過多的ROS，這個(gè)系統(tǒng)包括過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等酶類[27]，這些酶活性的變化均可反應(yīng)植物所受重金屬毒害的程度。丙二醛含量的變化則能反應(yīng)植物細(xì)胞膜脂過氧化程度，通常也被用作逆境條件下膜脂過氧化的指標(biāo)[28]。抗氧化酶是植物細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分，SOD是植物體內(nèi)第一個(gè)清除活性氧的關(guān)鍵酶，在有機(jī)體活性氧代謝中處于重要地位，它將O2·-歧化為H2O2，生成的H2O2可通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)（ASA-GSH）來清除，還可通過CAT和POD的降解來清除[29]。這些保護(hù)酶系統(tǒng)能保護(hù)細(xì)胞免受損傷，而一旦ROS積累過多，加速膜脂的過氧化作用，將對(duì)植物細(xì)胞造成傷害，引起植物一系列生理生化紊亂，嚴(yán)重的將致植物死亡[22]。重金屬對(duì)植物的抗氧化物影響因植物種類而異，見表1。

管虹[22]發(fā)現(xiàn)，在葡萄組培苗處理15 d時(shí)，隨著Cu2+濃度的增加，葡萄葉片POD活性上升，POD活性與Cu2+濃度呈極顯著相關(guān)；同時(shí)表明，在培養(yǎng)基中添加5 mg/L的Cu2+時(shí)，葡萄葉片CAT活性均不受影響。但在培養(yǎng)基中添加大于10 mg/L的Cu2+時(shí)，隨著Cu2+濃度增加，CAT活性顯著上升，且品種間無顯著差異；5 mg/L的CuSO4處理試管苗葉片中MDA的含量與對(duì)照相比有所下降，但隨著Cu2+濃度增加到10 mg/L和15 mg/L，試管苗葉片中MDA含量上升，且兩者呈極顯著相關(guān)。重金屬脅迫對(duì)抗氧化物的影響因葡萄品種和部位不同而不同，在Cd脅迫條件下，‘夏黑’葉片的POD、CAT、SOD、MDA都有所増強(qiáng)，表現(xiàn)出拋物線的趨勢(shì)，在一定范圍內(nèi)濃度越高活性越強(qiáng)，而刺葡萄和‘溫克’葉片的POD、MDA、SOD、CAT均與Cd2+濃度呈正相關(guān)[15]；‘澤香’葡萄根系中MDA的含量隨著根系CdCl2濃度的增加而增加，當(dāng)CdCl2達(dá)到0.1 mmol/L及以上時(shí)，根系MDA含量顯著高于對(duì)照[25]。不同濃度Cd脅迫下葉片MDA含量均顯著高于對(duì)照，且‘金手指’葡萄葉片MDA含量上升幅度較大，200 mg/kg Cd處理是對(duì)照的201%[24]?！薹濉咸讶~片中MDA的含量隨根系CdCl2濃度的增加而增加，當(dāng)CdCl2達(dá)到0.5 mmol/L及以上時(shí)，葉片MDA含量顯著高于對(duì)照[25]。

1.1.3 重金屬脅迫對(duì)葡萄葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響

葉綠體是植物光合作用的場(chǎng)所，作為植物的能量工廠，其對(duì)重金屬脅迫較為敏感。過量的重金屬會(huì)影響植物韌皮部的運(yùn)輸，損害細(xì)胞膜的滲透性，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。長(zhǎng)期重金屬脅迫將會(huì)破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)[34-35]，降解葉綠素和光合膜多肽組分，使光化學(xué)活性下降[36]，同時(shí)通過抑制光合速率影響植物的正常光合作用[37]。Cd脅迫處理的植物，造成細(xì)胞本身和細(xì)胞間隙縮小，葉面積減小，葉綠體結(jié)構(gòu)退化，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)巨大的脂質(zhì)小球，葉綠體片層結(jié)構(gòu)瓦解[38]。研究表明，Cd脅迫時(shí)，葡萄的葉綠體結(jié)構(gòu)、葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)等均受到影響，‘夏黑’葡萄在Cd脅迫下，葉綠體膜遭破壞，內(nèi)部出現(xiàn)空泡，類囊體膜疏松，甚至消失，淀粉粒增多，高濃度Cd脅迫造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞；‘溫克’葡萄在10.0 mg/kg Cd處理時(shí)，基粒排列無序，類囊體膜結(jié)構(gòu)松散，葉綠體內(nèi)部出現(xiàn)空泡，葉綠體膜受損，甚至葉綠體發(fā)生解體造成葉綠體基質(zhì)連成一體；刺葡萄在Cd脅迫下，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變薄且不完整，葉綠體變形、變小，體內(nèi)基質(zhì)減少，膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，基粒和類囊體膜排列松散，出現(xiàn)空泡，淀粉粒增多[15]。隨著Cu2+濃度增加，葡萄試管苗受Cu2+脅迫加重，葉片細(xì)胞膜受到破壞，膜透性增大[22]。

表1 重金屬對(duì)植物的抗氧化物的影響Table 1 Effects of heavy metals on plant antioxidants

1.2 重金屬脅迫對(duì)葡萄生化指標(biāo)的影響

過量的銅會(huì)導(dǎo)致植株堿基突變、膜脂過氧化、蛋白質(zhì)的損傷和DNA鏈的斷裂[39]，同時(shí)還會(huì)降低硝酸還原酶活性，增加脯氨酸含量[40-41]，導(dǎo)致植物代謝紊亂，甚至死亡。CuSO4處理后，葡萄的根、莖和葉中VvCTR1基因的表達(dá)量均上升，說明Cu2+已通過導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)街参锏母鱾€(gè)器官[23]。Cd能導(dǎo)致催化酶的代謝紊亂和氨基酸蛋白的失活[42]，抑制H+-ATPase和質(zhì)膜Ca2+-ATPase活性，且隨著脅迫濃度增加，質(zhì)膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性呈先升高后降低[43-44]。Cd2+光系統(tǒng)II抑制劑和葉綠體的2,6-二氯靛酚鈉光還原活性降低，可變熒光受抑制[45]。當(dāng)CdCl2濃度為0.05、0.5、1 mmol/L時(shí)，‘巨峰’葡萄葉片硝酸還原酶活性分別為對(duì)照的110%、10%和118%，即當(dāng)受到外源CdCl2處理時(shí)，‘巨峰’葡萄葉片一氧化氮合酶活性表現(xiàn)隨CdCl2濃度先升高、后降低又升高的變化趨勢(shì)[25]。銅鎘脅迫會(huì)導(dǎo)致可溶性蛋白[46]、還原性谷胱甘肽、抗壞血酸含量下降[31]、細(xì)胞電解質(zhì)滲透率、脯氨酸及MDA含量升高[37]，脂肪酸種類及相對(duì)含量變化明顯[47]?？傊亟饘倜{迫加劇最終將導(dǎo)致酶的表達(dá)被抑制，或者產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄后或翻譯后修飾障礙[48]。

2 重金屬污染對(duì)葡萄安全品質(zhì)的影響

2.1 重金屬對(duì)葡萄品質(zhì)的影響

土壤中重金屬被葡萄根系吸收后，大部分的重金屬會(huì)被截留在根系的細(xì)胞壁和液泡中，少量的重金屬會(huì)通過導(dǎo)管從根系向地上部轉(zhuǎn)移，累積在葡萄枝蔓和葉片中，土壤中的重金屬被層層阻截或固定之后，移動(dòng)性大大降低[49]。葡萄的根、莖、葉、果實(shí)等器官中重金屬含量可反映葡萄對(duì)重金屬的吸收能力和重金屬在植物體內(nèi)的分布特征[50]，如從表2可以看出，不同重金屬在葡萄中的積累和分布有所不同?？偟膩碚f，葡萄中的重金屬主要富集在根、莖和葉中，其次為果實(shí)。同時(shí)葡萄植株對(duì)重金屬吸收能力又因重金屬自身特性及植物品種而異，從表3可以看出，‘戶太8號(hào)’‘巨玫瑰’‘紅寶石無核’‘紫珍香’等葡萄品種主要富集重金屬Cd、Pb和鉻（Cr），‘巨玫瑰’葡萄除了富集這3種重金屬外，還富集重金屬Hg，而目前市場(chǎng)上比較受歡迎的‘玫瑰香’葡萄則偏向?qū)χ亟饘黉\（Zn）富集。

表2 重金屬在葡萄不同部位的積累情況Table 2 Accumulation of heavy metals in different parts of grape

郭亮[15]研究發(fā)現(xiàn)，Cd在葡萄的地下部分以及營(yíng)養(yǎng)器官中分布較高，而且葡萄的根和枝條對(duì)于Cd表現(xiàn)出一定的富集作用，葡萄根系和枝條的Cd富集系數(shù)為果實(shí)的數(shù)十倍之高。葡萄果實(shí)中Hg質(zhì)量比隨Hg含量增加而顯著增加[53]。富集在果實(shí)中的重金屬通過影響果實(shí)中的多糖、維生素、天然色素以及酚類物質(zhì)，最終影響葡萄的品質(zhì)。

2.2 不同國(guó)家和地區(qū)葡萄重金屬污染物安全限量標(biāo)準(zhǔn)

葡萄種植管理中用到的農(nóng)藥和化肥均可能引起重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，如在防治葡萄霉菌病時(shí)會(huì)用到含銅殺菌劑，在防治枯頂病時(shí)會(huì)用到含亞砷酸鈉農(nóng)藥[54]，同時(shí)磷肥的施入也帶來了Cd污染風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，重金屬能在葡萄果實(shí)中進(jìn)行積累[15,55]，從而通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)健康構(gòu)成威脅。鑒于此，不同國(guó)家、地區(qū)和組織的葡萄質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)各不相同，表4列舉了部分國(guó)家、地區(qū)和組織制定的葡萄重金屬安全限量值。從表4可以看出，除澳大利亞和國(guó)際食品法典委員會(huì)只列出Pb這一重金屬的污染限量值外，其他國(guó)家和地區(qū)則列出了Pb和Cd的限量值，而我國(guó)葡萄中Pb的限量標(biāo)準(zhǔn)較其他國(guó)家和地區(qū)較為寬松，為這些國(guó)家和地區(qū)的2倍，Cd與其他國(guó)家和地區(qū)限量值一致，均為0.05 mg/kg。

3 葡萄園重金屬污染治理措施

我國(guó)葡萄園重金屬污染時(shí)有發(fā)現(xiàn)，潘佳穎 等[56]研究賀蘭山東麓葡萄主產(chǎn)區(qū)土壤重金屬后，發(fā)現(xiàn)Cu、Cr和鎳（Ni）達(dá)到輕度污染水平。湯民等[57]研究發(fā)現(xiàn)，重慶金果園中葡萄受到Cd的污染。楊玉等[58]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)沙、株洲葡萄觀光采摘園土壤重金屬按綠色食品土壤標(biāo)準(zhǔn)衡量，只有17%達(dá)標(biāo)，而中度和重度果園污染高達(dá)33%。魏靜等[59]發(fā)現(xiàn)，河北省張宣葡萄種植區(qū)主要表現(xiàn)為Cd、Cu超標(biāo)。針對(duì)葡萄園土壤重金屬污染，可采取以下措施進(jìn)行治理。

表3 不同品種葡萄對(duì)重金屬的富集Table 3 Enrichment of heavy metals in different grape varieties

3.1 施用含硅材料

含硅修復(fù)材料屬于無機(jī)類鈍化穩(wěn)定性材料，常用的含硅材料有硅肥、硅藻土、硅酸鹽、沸石等，在重金屬污染土壤中，施入水淬渣硅肥與鋼渣硅肥，可顯著降低葡萄葉片中砷（As）、Cd和Cr含量[60]。當(dāng)土壤pH在2～9時(shí)，硅以單硅酸（H4SiO4）形態(tài)存在，單硅酸是植物吸收硅的主要形態(tài)[61]。硅肥能降低土壤重金屬有效性，原因在于：①硅酸根離子與土壤中重金屬離子形成硅酸鹽沉淀，將游離態(tài)的重金屬離子固定于土壤中，抑制了重金屬在土壤-植株系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移、吸收[62]；②含硅材料的施入，提高了土壤pH值[63]，增強(qiáng)土壤的吸持能力。

表4 不同國(guó)家和地區(qū)葡萄重金屬及污染物安全限量標(biāo)準(zhǔn)[55]Table 4 Safety limit standards for heavy metals and pollutants in grapes of different countries and regions

3.2 施用有機(jī)物質(zhì)

有機(jī)物質(zhì)如有機(jī)肥、腐植酸和秸稈等已被廣泛用于土壤重金屬污染修復(fù)中。在土壤Hg污染下，施用有機(jī)肥的葡萄各器官Hg含量均低于未施肥處理[53]。這說明當(dāng)土壤中施入有機(jī)物質(zhì)時(shí)，有機(jī)質(zhì)將改變土壤中重金屬的遷移性，其作用機(jī)理為：①有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生陰離子，這些陰離子與鋁鐵氫氧化物中的OH-發(fā)生配位交換反應(yīng)，土壤溶液中OH-增加，pH升高，土壤溶液中的游離態(tài)重金屬與OH-生成沉淀，降低了重金屬的活性，從而減少向葡萄植株進(jìn)行遷移的能力[64]；②有機(jī)物質(zhì)中富含羧基、羥基、羰基和氨基等官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能與金屬離子生成金屬-有機(jī)絡(luò)合物[65]，阻止了重金屬向植株進(jìn)行遷移。

因此，在重金屬污染的葡萄園，采用施加含硅物質(zhì)和有機(jī)肥的措施，一方面改善土壤養(yǎng)分，提高產(chǎn)量；另一方面緩解和減輕葡萄園重金屬毒害，保障果實(shí)的品質(zhì)。