蔬菜对重金属元素的吸收和积累研究进展

黄永东，黄永川，于官平，洪云菊，邹毓

（重庆市农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，重庆市九龙坡区，401329）

随着城市化、工业化进程的加快，环境污染日益加剧，工业“三废”、城市生活垃圾、污泥的排放，含重金属的农药、化肥的不合理使用，使水资源、农田土壤的重金属含量日益增高。蔬菜是人们日常生活中不可缺少的副食品，而菜地大多集中分布在城镇近郊，较易受到工业“三废”、交通工具、城市生活废弃物、肥料农药等重金属源的污染，并通过蔬菜影响人们健康[1,2]。20世纪80年代以来，国内外专家愈来愈重视环境中被生物吸收的污染物在生物体内累积和分布规律的研究。目前关于植物特别是蔬菜对重金属污染物的吸收以及重金属在蔬菜体内的累积和分布的研究为数不多，且研究涉及的蔬菜和重金属种类较少[3]。

菜地重金属污染的治理目标不仅是抑制重金属对蔬菜的毒害和提高蔬菜产量，更重要的是减少蔬菜对重金属元素的吸收，抑制重金属进入食物链。要实现这一目标，就必须了解蔬菜对土壤重金属元素吸收、运输和分配的规律及其机理。因此，全面掌握蔬菜对重金属的吸收与分配规律，合理进行蔬菜的生产布局，对发展绿色食品和无公害蔬菜，保障人类健康具有重要意义。

1 蔬菜对重金属的吸收与积累

1.1 不同蔬菜种类间的差异

大量研究表明，在相同环境条件下，不同蔬菜对重金属的富集程度不一样，但大多研究认为重金属在蔬菜内的累积量表现为叶菜类＞根菜类＞果菜类[4]。潘瑞炽等[5]研究结果表明，叶菜类蔬菜中以苋菜、小白菜的富集作用较强，甘蓝较弱。徐明飞等[6]研究表明，瓜类蔬菜对重金属砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg） 富集作用较弱；茄果类蔬菜对 As、Pb的积累较低，对Cd的积累较强；青菜和根茎类蔬菜对As，Pb和Cd的积累较强，且这2类蔬菜食用部分对As，Pb和Cd的累积量都与土壤中的重金属含量呈显著正相关。胡小玲等[7]对不同种类蔬菜重金属含量进行统计发现，叶菜类蔬菜重金属超标率最高，达24.6%，茄果类和豆类次之，根茎类蔬菜中重金属超标率含量较低。李泽琴等[8]研究发现，不同种类蔬菜对重金属的富集程度依次为，莴笋茎＞空心菜＞韭菜＞茄子＞西葫芦。江解增等[9]研究表明，在土壤Cd含量未超标的情况下，11份蔬菜样品中菠菜、芫荽和1份小白菜的Cd含量超标，其中芫荽的Cd含量超过无公害蔬菜国家标准的3倍。

茹淑华等[10]对叶菜类、果菜类和根菜类3类蔬菜富集重金属（Cu、Zn、Pb 和 Cd）的研究表明，不同重金属在不同种类蔬菜中的含量大小顺序不同，Cu：茄子＞菠菜＞黄瓜＞芫荽＞番茄、甘蓝＞青椒、芹菜＞尖椒＞白萝卜。Zn：菠菜＞芫荽＞青椒、黄瓜＞尖椒＞甘蓝＞番茄＞茄子＞白萝卜＞芹菜＞黄瓜；Pb：芫荽＞菠菜＞青椒＞尖椒＞甘蓝＞芹菜＞茄子＞白萝卜＞黄瓜＞番茄；Cd：菠菜＞甘蓝＞芹菜＞芫荽＞青椒＞番茄＞白萝卜＞茄子＞黄瓜＞尖椒。

此外，有研究表明，同一种蔬菜的不同基因型吸收重金属存在差异。如Michalik等[11]研究发现，胡萝卜肉质根吸收重金属的能力存在基因型差异。

1.2 蔬菜不同器官（部位）的差异

重金属从不同部位进入植株体，在蔬菜中具有不同的吸收积累量。直接进入器官中积累的量最多，离这个入口越远的器官，积累得就越少。所有的重金属元素都可以通过土壤进入植物根部，有些元素还可以通过空气被叶片吸收，如Pb、Hg、锌（Zn）等[12，13]。郑路等[14]认为生长在空气受到污染的环境中的蔬菜，其体内50%以上的Pb是由植株叶片从大气中吸收；叶面积大、叶面粗糙的蔬菜吸收铅的能力强，含量较高，而叶细窄、表面呈蜡质状的蔬菜铅含量低。Lindberg等[15]研究发现，植物叶片的汞含量比其他组织高，从而认为植物主要是通过叶片从大气中吸收汞。

很多研究结果表明，不同重金属在蔬菜的不同器官内积累分布有差异。李学德等[16]研究发现，菠菜Cd的积累量为叶片、根＞茎，而Cu的积累量依次为叶片＞根＞茎秆，Pb的积累量则依次为根＞茎＞叶片；青菜叶片中的铬（Cr）、Cd、Pb、铜（Cu）含量均高于茎。不同基因型甘蓝地上部分Cd含量为47～183 mg/kg，根系Cd含量为617～1 789 mg/kg，差异较大[17]。 楼根林等[18]对镉在成都壤土和几种蔬菜中累积规律的研究结果显示，供试蔬菜品种一般以根部吸收富集Cd的能力最强，而叶大于茎，萝卜则叶大于根，青椒果实和豇豆豆荚中Cd的残留量少于其他部位。周筝[4]研究表明，As进入番茄植株体后几乎全部累积到根和叶内，Hg几乎全部迁移到番茄叶中，而菜豆、青椒植株体内的Hg经迁移后几乎全部累积进入果实中。 迟爱民等[19]研究表明，Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的含量分布在番茄、青椒和豇豆3种蔬菜中均是叶＞根＞茎；As在番茄、青椒中是根＞叶＞茎；在豇豆中是根＞茎＞叶；Cr在3种蔬菜中的含量分布都是根＞叶。还有的研究发现蔬菜一般以根部吸收富集Cr的能力最强，而叶大于茎，萝卜则是叶大于根，青椒果实和豇豆豆荚中Cr的残留量少于其他部位[20]。多数重金属在蔬菜植株体内的累积分布类型可分为以下几种：A.根、叶＞茎、果；B.叶＞果、根、茎；C.果＞叶、根、茎；D.根～茎～叶～果，4 种类型多寡排序为：C＞B＞A＞D。 番茄中的 Cd、Cu、Zn，菜豆中的 Hg、Cu、Zn，青椒中的Hg均属于C类分布。

1.3 蔬菜不同品种间的差异

汪雅谷等[21]研究发现，同一种蔬菜吸收不同重金属的能力不同，富集元素的规律是Cd＞Zn、Cu＞Pb、Hg、As、Cr。 同一种蔬菜的不同基因型对重金属的吸收积累也存在差异。王松良等[22]通过研究发现，13种基因型不同的小白菜其茎叶Cd、Pb、As含量差别很大。在相同Cd浓度下，不同小白菜品种间Cd含量差异最高相差4.3倍，差异显著，且外界Cd浓度越高，品种间差异越大[23]。

1.4 单一污染和复合污染的差异

①单一污染 不同重金属元素在蔬菜体内迁移积累的特性因元素种类的不同而异。宋玉芳等[24]研究发现，铜、锌、铅、镉污染对白菜根伸长抑制率与土壤有机质和土壤氮含量呈显著负相关；但与土壤pH值和土壤钾含量的相关性不显著。李忠海等[25]的盆栽试验研究表明，重金属元素在土壤中向芹菜的迁移率顺序是Cd＞Zn＞Pb，Cd元素最易于被植物吸收。马兰等[26]通过水培芹菜研究表明，Cd、Zn单一污染下，茎叶中粗蛋白和元素P的含量没有显著变化，Cd在一定程度上促进了茎叶对K的吸收，而Zn抑制了茎叶对K的吸收。在Cd、Zn的高浓度处理下，茎叶对元素Fe的吸收都与对照呈显著差异，分别达到418.8 mg/kg和471.6 mg/kg，是对照值的1.3倍和1.5倍。

②复合污染 许多研究表明，在低浓度和高浓度下，重金属间的交互作用对蔬菜吸收的影响不同；同时重金属的交互作用在不同蔬菜中的表现也不同，当多种元素存在时，其交互作用更为复杂[27]。目前，复合污染不仅出现在污灌区的土壤，而且在城郊的菜田土壤上也普遍存在[28]。有研究表明，越南河内的农业土壤（种植水稻和蔬菜）中的重金属元素，Cr与镍（Ni）呈极显著相关，Zn 与 Cr、Ni也达极显著相关，Pb与Cr、Mn与Zn呈显著相关[29]。上海宝山区菜区土壤中 6 种重金属元素（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg）的相关性，都达到了极显著相关（P＜0.01）[30]。

在复合污染条件下，作物对某种重金属的吸收受到相伴重金属的影响[31～32]。一般来说，重金属元素之间的相互作用主要分为以下2种：协同作用和拮抗作用[33]。协同作用是指某一重金属元素的存在能促进另一重金属元素的吸收。铜锌在未超标时，在菜心可食部分是相互促进吸收的[34]。秦天才等[35]利用溶液培养方法研究重金属元素复合污染时发现，在含Cd的培养液中施入Pb后，加强了Cd对小白菜根系的生理生态效应，并且导致小白菜吸收更多的Fe。拮抗作用是指某一重金属元素的存在，能抑制另一重金属元素的吸收。韩美清等[36]研究表明，在 Pb、Cd、Cu、Zn共同胁迫的情况下，不利于 Pb元素向菠菜的地上部分转移运输。宋菲等[28]通过盆栽试验发现，土壤中Zn/Cd比值增大极显著地降低菠菜含Cd量，说明土壤中锌含量的增加降低菠菜对Cd的吸收量。这与 Oliver等[37]和 McLaughlin等[38]的研究结果一致，他们发现当Zn/Cd增大时，小麦和马铃薯吸收的Cd量会随之降低。但是Wong等[39]通过溶液培养试验发现，营养液中Cd含量在低浓度（0.1 mg/L）时，青菜吸收的锌量比对照高；而高浓度（＞1.0 mg/L）时，青菜吸收的锌量比对照低。有关研究还表明，当Zn、Cd、Cu混施时，Cd的存在促进了大豆叶片中Zn的积累，而Cu的存在则使Zn和Cd的浓度降低[40]。但是，应该注意的是，这些重金属元素之间的交互作用因植物种类而异。

1.5 重金属对蔬菜吸收积累的影响机理

张义贤[41]认为，较多的重金属进入蔬菜植株体后取代了某些酶和蛋白质行使其功能时所必需的特定元素，使其活性降低或变性，影响组织蛋白合成，降低光合作用和呼吸作用，伤害细胞膜系统，从而引起蔬菜生理代谢功能的紊乱，生长发育受阻甚至死亡。国外研究表明，蔬菜植株将土壤中的不溶态重金属活化，然后将活化的重金属从根系转运到地上部分，富集能力强的蔬菜植株对重金属的吸收和转运能力相对较强，因此不同的蔬菜中重金属的含量差异很大，同时由于土壤理化性质、根际、根系、植物重金属螯合态等因素的影响，各种蔬菜对同种重金属以及同种蔬菜对不同重金属的吸收累积均存在着差异[42]。

2 土壤因子对蔬菜重金属污染的影响

2.1 土壤pH值和氧化还原状况

土壤pH值是反映土壤状况的重要理化性质之一。几乎所有的研究报告都将土壤pH值列为影响植物对重金属吸收的最主要的土壤因素[43]。由于土壤胶体带负电荷，而绝大多数金属离子带正电荷，所以土壤pH值越低，重金属被解吸的越多，其活动性就越强，越容易往植物体内迁移[44]。Brown等[45]发现，降低污泥土壤的pH值会促进莴苣地上部分对Mn的吸收。廖凌[46]发现在通电和加入KCl处理的情况下，污泥的pH值降低，提高了野芋对Cu、Zn的吸收。胡霭堂[47]报道，随着土壤pH值的下降，Zn在土壤中的活性也随之增强，在叶菜（甘蓝）中的积累量也随之增加。

土壤氧化还原状态亦被认为是土壤中对重金属的溶解性和植物有效性影响最大的理化性质之一。氧化还原电位可直接改变重金属的氧化状态，从而影响溶解、吸附、解吸、沉淀和土壤中的其他相互作用[48]。土壤氧化还原状态对不同的重金属元素影响不同，在还原条件下，重金属和土壤中的S形成硫化物沉淀，降低蔬菜对其吸收；在氧化条件下，Fe、Mn 形成氧化物难于被蔬菜吸收，但 As、硒（Se）等易形成络合阴离子，其进入蔬菜的活性增强。

2.2 有机物和微生物

大量研究表明，有机质与重金属发生螯合会阻碍植物对重金属吸收，使重金属的活性降低[49]。Zhu等[50]研究了连续施用富含Cu的猪厩肥的土壤中Cu的有效性，结果表明施用猪厩肥显著提高了土壤有机质和土壤有效态Cu含量。张晓熹等[51]通过盆栽试验研究表明，施用石灰后，显著降低芥菜镉含量，提高芥菜产量。

土壤微生物对重金属的生物活性也有很重要的作用。微生物可通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部。同时，微生物也能与土壤中的其他组分竞争吸附重金属离子。Hartmann等[52]将菌根菌接种到蔬菜，降低了植物对重金属的吸收，Adriaensen等[53]研究认为，菌根菌增加了植物高度、植物生物量、总叶片数、根茎P浓度和固氮酶活性，同时降低了根茎As含量。需要指出的是，由于微生物群体的大小、种类和活力受土壤深度、通气状况及土壤类型的影响，所以稻田微生物对重金属元素的活化速度和范围可能也受以上几个因素的影响，但目前尚未见有关方面的报道。

2.3 土壤中的重金属含量

一般而言，土壤中重金属元素含量越高，重金属元素进入作物的机会越大。柳勇等[54]研究发现，菜心中重金属质量分数与其在土壤中的质量分数有一定的相关性，菜心中Pb、As的积累分别取决于土壤中Pb、As的质量分数。南海区平洲镇沙涌菜园土由于受电镀废水污染，Cu、Zn、Ni的含量分别为156.64，475.32，157.08 mg/kg，比对照土壤中高数倍，其上种植的菜心中 Cu、Zn、Ni含量分别为26.33，184.24，22.32 mg/kg， 分别比对照高 1.7 倍、2.0倍和13.7倍[55]。仝磊等[56]调查研究了苏州市常见的12种蔬菜及土壤，分析了蔬菜与土壤中重金属含量的相关性，结果表明，土壤中的Zn、Cu、Cd含量与多数蔬菜的含量呈显著的正相关，而Pb含量在多数蔬菜中均表现为与土壤含量无相关性。但是土壤中重金属含量的多少并不完全代表蔬菜吸收量的大小，这还与重金属元素的形态有关。土壤中Pb、Cd、Cu、Cr、Zn、Mn 等金属均以有效态和结合态2种形式存在。其中，有效态重金属能够直接被蔬菜作物吸收，而结合态不能。侯明等[57]采用盆栽试验研究土壤中Hg的形态变化，结果表明，种植蔬菜后的土壤Hg形态变化表现为水溶态和腐殖酸络合态明显减少，而强有机质结合态显著增加，随着外源Hg量的增加，土壤Hg形态由残渣态、强有机质结合态向交换态和碳酸盐铁锰氧化态转化，Hg的生物活性增强，蔬菜的生物量下降。除强有机质结合态和残渣态外，土壤中各形态Hg含量和总Hg量与蔬菜根、茎叶中Hg含量呈显著正相关。

2.4 土壤类型

不同土壤类型其有机质含量、孔隙度、酸碱度、酶活性、CEC等理化特性各异，直接影响重金属在土壤中的迁移与固定，从而影响蔬菜对其吸收与富集[58]。岳振华等[20]对湖南省长沙市、邵阳市等的灰菜园土、红菜园土、潮菜园土上重金属含量的研究结果表明，对重金属富集大小的顺序为灰菜园土＞红菜园土＞潮菜园土，说明3种土壤中灰菜园土对重金属的吸收和化学固定作用最强。

3 展望

对重金属污染土壤的治理方法包括物理措施、化学方法及生物技术，但这些方法在有效性、持久性及经济性方面难以达到预期效果[59]。利用农作物吸收、积累重金属能力的品种差异可以有效地防治重金属对蔬菜的污染。国内外已经有一些研究关注到农作物吸收和积累重金属的品种差异，早在1995年就已经有研究成果关注到重金属低量积累品种的培育问题。在澳大利亚，应用低量积累Cd的马铃薯品种已经成为一种降低从日粮中的Cd摄食量的农业实践活动[60]。但许多研究并未获得重金属低量积累品种；更重要的是，这些研究对试验结果欠缺进一步的重复验证和实质性的鉴定工作，也尚未开展相关的生物学基础研究，因而不了解典型品种的生物学特性及其遗传稳定性。因此，在今后的工作中应深入研究不同蔬菜品种对重金属的吸收和积累在时间（不同生育期）、空间（不同器官）上的变化，并探明这种差异和变化的遗传基础，以便选育和培育出对菜田重金属吸收量少及重金属在蔬菜体内积累量低的新品种。

随着分子生物学和基因工程技术的发展，目前越来越多的研究倾向于抗重金属污染基因的定位与克隆研究，目前已有相关研究从分子和基因水平研究植物抗重金属污染。Pence等[61]从Zn/Cd超富集植物遏兰菜中克隆到与Zn转运有关的ZNT1基因。随后,Assuncao等[62]从同种植物体内也克隆到该基因，同时还发现ZTP1和ZNT2。抗重金属基因的定位和克隆研究将为种质资源的改良以及生物体对重金属的适应性研究提供重要的技术手段。目前这方面的研究在蔬菜上的应用还比较少。今后应全面加强重金属离子在细胞内活动的研究，以便揭示蔬菜体内重金属迁移分配的本质。另一方面应加强相关基因的鉴定、分离、克隆、组织结构及其启动子活性研究，以便利用基因工程的方法改良蔬菜吸收、积累重金属的能力。

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