茶樹(shù)對(duì)重金屬的積累及調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

邰孟雅，丁旭歡，姬 偉，楊麗瑩，趙睿涵，翟夜雨，黃五星*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州 450002；2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000；3.河南省煙草公司平頂山市公司，河南平頂山 467000）

茶樹(shù)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在部分地區(qū)同煙草一樣作為扶貧產(chǎn)業(yè)意義重大。茶葉在中國(guó)的受眾范圍較廣，自古就有開(kāi)門七件事（柴米油鹽醬醋茶）之說(shuō)，雖然茶排在最后一位，但也稱得上生活必需品。因此，茶葉安全與人們的生活息息相關(guān)。我國(guó)茶葉年產(chǎn)量巨大。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021 年全國(guó)茶葉產(chǎn)量高達(dá)316.4 萬(wàn)t，比2020 年增加23 萬(wàn)t，首次突破300萬(wàn)t大關(guān)。同時(shí)茶葉出口量也位居世界前列，因此茶葉安全不容忽視。近年來(lái)茶園的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，重金屬污染便是其中之一。

重金屬是植物生長(zhǎng)發(fā)育非必需的元素，因其難以被降解而具有生物毒性。在植物生產(chǎn)中，重金屬污染不僅會(huì)影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可能通過(guò)食物鏈對(duì)人類健康造成威脅。重金屬一般以緩慢的形式持續(xù)在人體內(nèi)富集，以慢性中毒最為多見(jiàn)[1]。目前在茶樹(shù)中研究最多的重金屬有鉛、鎘、砷和汞等。有研究表明，安徽、福建和貴州等地茶葉的鉛污染相對(duì)較為嚴(yán)重[2]。開(kāi)展茶樹(shù)對(duì)重金屬的積累規(guī)律和調(diào)控機(jī)制的研究，對(duì)減少乃至防止茶葉生長(zhǎng)、加工等環(huán)節(jié)的重金屬污染具有重要意義。近年來(lái)相關(guān)研究已有大量成果，本文就茶樹(shù)對(duì)重金屬的積累和調(diào)控方面進(jìn)行綜述，旨在為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)安全茶葉提供一定參考。

1 茶樹(shù)概述

1.1 生長(zhǎng)特性

茶樹(shù)是一種多年生常綠木本植物。茶樹(shù)和大多數(shù)植物一樣有營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官，繁殖方式包括有性繁殖和無(wú)性繁殖。茶樹(shù)的種植可以直接播種茶籽，也可以采用茶苗移栽的方式。直接播種相較于移栽而言更為簡(jiǎn)單方便、成活率高，但個(gè)體差異大，長(zhǎng)勢(shì)一致性差，成苗后原料品質(zhì)的一致性不如后者。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，目前新建茶園多為移栽的無(wú)性系扦插良種茶苗。移栽茶苗時(shí)應(yīng)注意選擇適宜的天氣進(jìn)行，覆土澆水到位才能提高移栽的成活率。旱季種后1 周應(yīng)每天澆水1 次，以后依次減少。澆水應(yīng)在每天下午或傍晚進(jìn)行，雨天要注意做好排水工作。

茶樹(shù)喜溫濕氣候，生長(zhǎng)適宜溫度在23 ℃左右。影響茶樹(shù)種植的因素很多，包括海拔、地形、土壤、溫濕度和光照等。隨著海拔的升高，溫、濕度等條件均發(fā)生明顯變化，在一定程度上可以促進(jìn)茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育。還有研究表明，低海拔地區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)含量較低，通氣透水性能不好，因此茶樹(shù)多種在山上[3]。

1.2 利用價(jià)值

茶樹(shù)的根、莖、葉、芽、花和種子都有其獨(dú)特的價(jià)值。茶樹(shù)葉子是收獲和利用的對(duì)象，按葉片大小可將茶樹(shù)分為小葉、中葉、大葉和特大葉四類。茶樹(shù)的葉片是常綠的，同一時(shí)期老葉和新葉并存，新生芽葉是成品茶制作的原料。茶葉不僅口感好、味道濃韻，而且有一定的保健作用。在歷代的本草類醫(yī)書(shū)中，均提到茶葉具有潤(rùn)肺化痰、利尿、清神、消食、解膩等功效。茶葉可以清熱降火、祛風(fēng)解暑，還能解毒止瀉[4]。

茶葉之所以具備多重功效，皆因其所蘊(yùn)含的成分，其中茶多酚是茶葉中的主要抗氧化物質(zhì)。茶樹(shù)花中抗氧化類物質(zhì)的含量也較高，可替代茶葉作為原料進(jìn)行多酚類物質(zhì)的提取。茶樹(shù)種子可以榨油，木料可以用于雕刻。茶樹(shù)根還可以用于心臟病和心律不齊等疾病的治療[5]。茶樹(shù)精油具有一定的消毒殺菌效果，不僅可以凈化空氣，在美容產(chǎn)品方面也有較多的應(yīng)用[6]。

2 茶樹(shù)對(duì)重金屬的吸收積累

重金屬可累積于茶樹(shù)的根、莖和葉等各個(gè)部位，積累規(guī)律受多種因素影響。一方面，不同地區(qū)的土壤性質(zhì)、生態(tài)條件、施肥方式等因素存在差異；另一方面，同一地區(qū)茶樹(shù)的不同品種、部位、季節(jié)及茶葉的不同嫩度等都會(huì)影響其對(duì)重金屬的積累。另外重金屬種類不同，吸收積累機(jī)制也不盡相同。

2.1 不同品種茶樹(shù)對(duì)重金屬的積累

不同品種的茶樹(shù)，由于遺傳因素等方面的差異，對(duì)重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的能力略有不同。胡波等以鐵觀音、福鼎大白、水仙和金萱4 個(gè)茶樹(shù)品種為試驗(yàn)材料，研究茶葉對(duì)土壤重金屬的富集情況，結(jié)果表明4 個(gè)茶樹(shù)品種對(duì)鉛、鉻、鎘、汞和砷等富集能力的排序各不相同，其中鐵觀音對(duì)上述所有金屬元素的富集系數(shù)均為最高[7]。秦玉燕等通過(guò)分析金牡丹、福鼎大毫等10個(gè)茶葉品種的葉片對(duì)汞、砷等的富集能力[8]，也得到不同排序結(jié)果。

2.2 茶樹(shù)不同部位對(duì)重金屬的積累

茶樹(shù)總體來(lái)說(shuō)可分為地上和地下兩部分，地下部分主要指根系，地上部分包括枝干、成熟葉片和新梢等。楊柳等的研究表明，試驗(yàn)所用的9 個(gè)主栽茶樹(shù)品種，無(wú)論是對(duì)照組還是鎘處理組，茶樹(shù)不同部位對(duì)鎘的積累量排序均為根系＞枝干＞成熟葉片＞新梢，自下而上依次減少[9]。陳玉真等從福建省8個(gè)代表性茶園取樣，不同樣點(diǎn)茶樹(shù)各部位對(duì)鉛的積累情況總體表現(xiàn)為根＞莖＞葉[10]。也有研究表明，汞在茶樹(shù)根中含量最高，其次積累量從大到小依次為老葉、樹(shù)皮、新葉和枝干[11]。重金屬主要在茶樹(shù)根中積累，少部分被轉(zhuǎn)移至地上部，因此茶樹(shù)根部更容易受到重金屬的毒害。

2.3 不同季節(jié)茶樹(shù)對(duì)重金屬的積累

在春、夏和秋季3 個(gè)季節(jié)，重金屬在茶樹(shù)中的積累有所差異。向素雯通過(guò)對(duì)春季和夏季湖南省東北部茶葉的分析，發(fā)現(xiàn)茶樹(shù)莖和老葉中鉛、鎘含量均為夏季高于春季，在新梢中則相反[12]。戴斯佳研究了春、夏和秋季湖南省9個(gè)主栽茶樹(shù)品種對(duì)鉛、鎘、汞及砷的積累量，結(jié)果顯示鎘和砷含量從春季到秋季逐漸增加，汞含量逐漸減少，而砷含量與季節(jié)變化關(guān)系較小[13]。

3 茶樹(shù)對(duì)重金屬脅迫的調(diào)控機(jī)制

在重金屬脅迫下，茶樹(shù)形成了一系列調(diào)控機(jī)制以維持自身正常的生理功能。總的來(lái)說(shuō)，茶樹(shù)對(duì)重金屬的調(diào)控包括外部和內(nèi)部機(jī)制兩個(gè)方面。

3.1 外部機(jī)制

土壤環(huán)境與茶樹(shù)對(duì)重金屬的吸收密切相關(guān)。土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地等因素都會(huì)對(duì)重金屬的生物有效性產(chǎn)生影響[14]。在所有土壤因素中，pH對(duì)重金屬的遷移能力影響最大，重金屬的生物有效性隨土壤酸度的增加而增加。茶樹(shù)根系分泌物一方面可通過(guò)提高土壤pH 降低重金屬的遷移能力，另一方面分泌物自身也能與重金屬絡(luò)合，從而減少茶樹(shù)對(duì)重金屬的吸收。此外，還可以促進(jìn)茶樹(shù)根部細(xì)胞對(duì)重金屬離子的外排，降低植株體內(nèi)尤其是茶葉中的重金屬含量。茶樹(shù)也可以將重金屬?gòu)哪廴~轉(zhuǎn)移至老葉，加速老葉脫落帶走部分重金屬，從而提高茶葉安全性。

3.2 內(nèi)部機(jī)制

3.2.1 細(xì)胞壁固存和液泡區(qū)隔化

細(xì)胞壁和液泡在茶樹(shù)應(yīng)對(duì)重金屬脅迫中發(fā)揮著重要作用，二者都是通過(guò)降低體內(nèi)重金屬的生物有效性來(lái)減輕脅迫傷害[15]。植物細(xì)胞壁不僅與細(xì)胞伸長(zhǎng)、擴(kuò)大等過(guò)程密切相關(guān)，還有助于植物對(duì)逆境脅迫作出響應(yīng)[16]。細(xì)胞壁是植物細(xì)胞的重要組成部分，主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等。茶樹(shù)細(xì)胞壁組分中的基團(tuán)結(jié)構(gòu)及周圍的金屬離子等都對(duì)重金屬有一定的絡(luò)合作用，從而將其固定在細(xì)胞壁中，減少重金屬的運(yùn)移[17]。區(qū)隔化可以將重金屬限制在液泡內(nèi)，阻止其接觸細(xì)胞器和其他代謝過(guò)程進(jìn)而影響茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育。在茶樹(shù)細(xì)胞中，重金屬可以被直接轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡，也可以先由配基與重金屬形成絡(luò)合物，再轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡儲(chǔ)存。

3.2.2 螯合作用

螯合作用主要指重金屬與植物體內(nèi)的有機(jī)酸、金屬硫蛋白、植物螯合肽等成分基團(tuán)進(jìn)行配位，通過(guò)螯合反應(yīng)形成穩(wěn)定螯合物。螯合反應(yīng)可以改變重金屬的形態(tài)，從而降低其在植物體內(nèi)的毒性[18]。重金屬超積累植物中往往具有更高含量的螯合劑[19]。谷胱甘肽是植物合成金屬螯合肽的重要原料。據(jù)王海賓的研究，茶樹(shù)在受到金屬銅和鎘脅迫時(shí)，其體內(nèi)可誘導(dǎo)谷胱甘肽的合成與再生，進(jìn)而提高茶樹(shù)對(duì)重金屬的耐受性[20]。

3.2.3 抗氧化系統(tǒng)

植物抗氧化系統(tǒng)包括酶抗氧化系統(tǒng)和非酶抗氧化系統(tǒng)兩種，主要有超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、還原型谷胱甘肽和抗壞血酸等[21]。正常環(huán)境下生長(zhǎng)的植物，其體內(nèi)活性氧水平較低。而重金屬脅迫的一個(gè)重要表現(xiàn)，就是打破植物體內(nèi)的氧化還原平衡。茶樹(shù)在受到重金屬威脅時(shí)，其體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)便會(huì)通過(guò)各種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)活性氧的清除、抑制膜脂過(guò)氧化和修復(fù)損傷的DNA等，從而降低過(guò)氧化脅迫對(duì)自身的傷害。

4 重金屬污染的防治措施

從茶園選址開(kāi)始，到茶樹(shù)栽培及茶葉的加工包裝等所有過(guò)程都有可能造成重金屬污染。因此需要關(guān)注茶葉生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從源頭抓起，最大程度做到預(yù)防和控制。

4.1 茶園選址

對(duì)于重金屬污染應(yīng)以預(yù)防為主，因此選擇適宜的種植環(huán)境是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶葉的前提。在茶葉采收加工之前，重金屬來(lái)源主要有2 個(gè)方面，即土壤污染和大氣沉降[22]。土壤重金屬污染既與自然因素有關(guān)，也受施化肥、農(nóng)藥及生活用水等人類活動(dòng)的影響。大氣污染則主要來(lái)自于人類活動(dòng)，比如汽車尾氣、工業(yè)燃料燃燒等。通過(guò)對(duì)龍井茶中的鉛進(jìn)行同位素示蹤，發(fā)現(xiàn)除土壤因素外，汽車尾氣對(duì)其貢獻(xiàn)最大[23]。近居民區(qū)采摘的茶葉重金屬含量也明顯較高。因此，茶園基地的選擇應(yīng)符合農(nóng)業(yè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確土壤的背景信息，包括坡度、pH和排灌條件等；其次要考慮茶園附近的生態(tài)環(huán)境，遠(yuǎn)離公路、居民區(qū)和工廠等污染源，遵守《農(nóng)田灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，盡最大可能避免重金屬污染。

4.2 改善土壤環(huán)境

土壤重金屬是茶葉中重金屬污染的主要來(lái)源，健康的土壤環(huán)境是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶葉的基礎(chǔ)[24]。一般來(lái)說(shuō)，土壤中的重金屬并不會(huì)被茶樹(shù)過(guò)多吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)至茶葉，但土壤酸化會(huì)使游離態(tài)重金屬增加，進(jìn)而促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)其的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。同時(shí)重金屬的遷移率還受土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物活動(dòng)等因素的影響。因此改善茶樹(shù)生長(zhǎng)的土壤環(huán)境可在一定程度上減輕重金屬對(duì)茶葉的污染。生物炭因其疏松多孔的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積對(duì)重金屬具有良好的吸附作用，同時(shí)可以有效改良土壤性質(zhì)，為微生物活動(dòng)創(chuàng)造適宜的環(huán)境[25]。此外，還可以選擇植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)等來(lái)改良茶樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境，提高茶葉的安全性。

4.3 改進(jìn)農(nóng)藝措施

茶樹(shù)的健壯生長(zhǎng)離不開(kāi)科學(xué)的管理。茶園農(nóng)藝措施主要包括澆水、施肥、打藥、間作、培土和修剪等。污水是茶園土壤重金屬的主要來(lái)源之一，應(yīng)嚴(yán)禁使用含有重金屬的廢水進(jìn)行灌溉。其次對(duì)于肥料和農(nóng)藥的使用要適當(dāng)。據(jù)孔樟良等的研究，施化肥的茶葉鎘含量高于施用有機(jī)肥，而施有機(jī)肥的汞、鋅、銅含量又高于施化肥[26]。

4.4 添加外源物質(zhì)

適當(dāng)使用外源植物激素也可以在一定程度上調(diào)節(jié)茶樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育，幫助其抵御重金屬的脅迫傷害。有研究表明，外源添加生長(zhǎng)素和乙烯在促進(jìn)小麥生長(zhǎng)的同時(shí)還可以減少小麥植株對(duì)重金屬鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[27]。適當(dāng)濃度的外源水楊酸也可以增強(qiáng)孔雀草抵御鎘脅迫的能力，保護(hù)光合系統(tǒng)中葉綠素的合成，提高抗氧化酶活性[28]。脫落酸是植物內(nèi)源激素的一種，在重金屬脅迫下植物體內(nèi)的脫落酸含量升高，進(jìn)而引發(fā)下游的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控。周琳等發(fā)現(xiàn)低濃度外源脫落酸對(duì)提高茶苗抗逆性效果明顯[29]。

4.5 控制加工過(guò)程

茶葉采摘的方式可分為手摘和機(jī)械采摘2 種。由于茶園地形的復(fù)雜性及優(yōu)質(zhì)茶葉的高標(biāo)準(zhǔn)，目前手工采摘仍然是主要方式。茶葉采摘完成也并不是重金屬防治的結(jié)束，炒制和包裝過(guò)程同樣需要嚴(yán)格把關(guān)。茶葉炒制也有人工炒茶和機(jī)器炒茶之分。在使用機(jī)械設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意鉛黃銅和鋁合金等材料不應(yīng)被用來(lái)制造制茶的機(jī)器。在設(shè)備使用過(guò)程中，應(yīng)使用無(wú)鉛汽油燃料，避免燃燒時(shí)排放的氣體造成成品茶葉的鉛污染[30]。除此之外，還應(yīng)當(dāng)注意加工場(chǎng)所的環(huán)境，盡可能降低外源重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期飲用重金屬超標(biāo)的茶水，無(wú)疑會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響。但因只有積累到一定量才會(huì)表現(xiàn)出毒性，往往會(huì)被人們忽視。茶葉除了用于泡茶外，還是制作茶粉的原料，可被人們直接食用，故而需要提高警惕，加強(qiáng)茶葉生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管?？筛鶕?jù)茶葉的重金屬浸出率，選擇科學(xué)的飲茶方式。

盡量不在重金屬污染的土壤種植茶樹(shù)，如果必須要種可以根據(jù)茶樹(shù)的不同品種對(duì)重金屬的吸收累積差異，選擇合適的品種種植。根據(jù)不同季節(jié)茶樹(shù)對(duì)重金屬積累量的差異選擇合適的時(shí)機(jī)采摘，降低茶葉中的重金屬含量。

重金屬實(shí)驗(yàn)多采用水培或盆栽的方式進(jìn)行研究，這與土壤的復(fù)雜環(huán)境仍存在一定差距。同時(shí)也只代表了由單一金屬脅迫導(dǎo)致的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中重金屬往往以復(fù)合污染的形式存在。土壤中多種金屬共存對(duì)金屬毒性也有較大影響，根據(jù)相對(duì)濃度和其他性質(zhì)的不同，可能具有協(xié)同或拮抗的作用。另外茶樹(shù)和重金屬之間分子水平的機(jī)制也是未來(lái)研究的方向。