水生蔬菜重金属污染与防治研究进展

熊春晖，卢永恩，欧阳波，李汉霞

（华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室，武汉，430070）

水生蔬菜重金属污染与防治研究进展

熊春晖，卢永恩，欧阳波，李汉霞

（华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室，武汉，430070）

综述了重金属对水生蔬菜生长发育的影响和水生蔬菜重金属富集规律，并通过了解我国水生蔬菜重金属污染来源，提出了我国水生蔬菜产业化发展中预防和减少重金属污染的措施。

水生蔬菜；重金属；污染；防御措施

重金属是化学元素周期表中密度大于4.5 g/cm3的金属元素的统称，包括金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、锌（Zn）等以及类金属元素砷（As），共46种元素。而与环境污染相关的重金属元素主要是指Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As等生物毒性显著的元素，其次是指有一定毒性的一般重金属，如 Zn、Cu、Ni、Co、Sn 等。 其中，Pb、Cd、Hg、As和 Cr被称为重金属污染中的“五毒”[1]，它们并非动植物生长的必需元素，而可以通过食物链在机体内富集，直接或间接地为害人类的身体健康[2]。

水生蔬菜是指生长在淡水中、产品器官可作为蔬菜食用的维管束植物。我国水生蔬菜种类主要包括莲藕、茭白、慈姑、水芹、菱角、荸荠、芡实、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、鄱阳湖、太湖、巢湖、洪泽湖等大湖周围的分布尤为集中[3]。目前，我国水生蔬菜研究较多的是莲藕和茭白。莲藕是我国栽培面积最大的水生蔬菜，属睡莲科多年生宿根水生植物，分浅水藕（10～30 cm）和深水藕（30～60 cm）2个栽培品种，以地下匍匐茎和膨大根状茎作为蔬菜产品器官，主要分布在湖北、江苏、浙江、安徽、江西等长江中下游地区，而以湖北、江苏等省市种植面积最大；茭白是我国特有的蔬菜，以长江流域及以南地区分布最多，在浙江、江苏、上海等省市最为集中[4]。本文主要以这2种水生蔬菜为例，综述了重金属对水生蔬菜生长发育的影响及其在产品器官中的富集特征，并从重金属污染源出发，提出了解决水生蔬菜重金属污染的几项措施，以便了解水生蔬菜重金属污染的严重性，为解决我国重金属污染所引起的水生蔬菜产业滞怠问题提供参考。

1 重金属的毒性

1.1 Pb

Pb是一种具有神经毒性的重金属元素，它能够通过呼吸道、消化道等多种途径进入人体，并长期在人体内累积，超过一定累积量即对人体产生毒害作用。据联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）报道，人体每日对Pb的摄入量若超过5×10-2mg/kg即会受到伤害。Pb被认为是一种高毒性重金属元素，可对大脑、神经系统、红血球等产生毒性[5～8]。Pb在血液中可以以磷酸氢盐、蛋白复合物或Pb离子的形式随血液循环而迁移，除少量在肝、脾、肾等组织及红细胞中存留外，有90%～95%的Pb2+以较稳定的不溶性磷酸铅的形式储存于骨骼系统。Pb介导的中央神经系统的细胞毒性容易引起一定程度的血脑屏障，从而损伤人的学习能力[9]。人体内Pb含量的增加伴随着智力水平的下降，并引起一些严重的行为障碍[10]。

1.2 Cd

Cd是环境中最毒的金属元素之一，它的半衰期很长，可长期潜伏在环境中，并随着时间延长在环境中慢慢积累。人体中Cd的主要来源是受Cd污染的食物和水的摄入，它可以通过食物链富集，最终影响人的身体健康。Cd在哺乳动物中的主要富集器官是肝脏和肾[11]。它能引起动物肝脏薄壁组织肿大、退化甚至细胞坏死[12～14]，以及肾小管功能紊乱，从而影响肾小球对有毒物质的过滤能力[15]。另外，Cd的毒性还可诱发肺肿胀、骨质疏松、大脑水肿、脑溢血、血脑屏障和高血压等疾病[15，16]。

1.3 Hg

Hg俗称水银，是一种可以以气态形式存在的金属，现已成为为害大众健康的主要金属元素之一。Hg首先被公众关注是由于20世纪60-70年代在日本发生的水俣病。水俣病是人吃了受甲基汞污染的鱼而引起的神经性中毒疾病，其先后导致千余人死亡，并造成大量婴儿患先天性麻痹痴呆症。Hg可由呼吸道、消化道或皮肤等途径进入人体，进而对肾脏、神经及胃肠道产生毒性[17]。在环境中，Hg主要以元素汞、无机汞和有机汞3种形式存在，不同形态的Hg进入人体的途径也不同。汞元素对人体的毒害一般有急性中毒和慢性中毒2种临床表现，急性Hg中毒常由呼吸道大量吸入Hg所致，易引发肾功能综合症、急性肾功能衰竭以及周围神经病和脑病，并伴随多种呼吸道和消化道临床反应，如胸闷、胸痛、恶心以及舌和口腔黏膜疼痛、充血、肿胀、溃疡等。但近10 a出现更多的是慢性Hg中毒，其会导致肾病综合症、周围神经病和中毒性脑病等，常表现蛋白尿或伴血尿、管型尿和肾功能损害，患病率达20.6%[18，19]。另外，一些神经学家推测，Hg暴露将影响孩童大脑的发育，容易诱发孤独症[20]，这种推测来自接种一种含Hg疫苗的临床观察，并且比例逐渐上升[21，22]。

1.4 As

As是一种类金属元素，在潮湿空气中易被氧化或升华成As2O3，俗称砒霜。As是一种致癌物质，已被国际癌症研究机构（IARC）确认为人类皮肤癌和肺癌致病物[23]，美国环保组织也将其列为头等有害物质[24]。As可诱使正常的干细胞癌变，诱发恶性肿瘤。流行病学家研究表明，长期饮用含As的水会增加癌症等多种疾病的发生频率[25]，如皮肤黑变病、手和脚的角化病以及肿块和节瘤的形成[26]。另外，As毒性还会引起发育畸形、神经和神经行为的异常、糖尿病、肝脏和肺的纤维化以及一些血液系统的疾病[27]。

在孟加拉国，井水As污染是一个严重的公共健康问题，由于大量廉价有机肥料和农药的使用，导致孟加拉国井水受到Cd和As的严重污染，并通过灌溉污染农作物[28]。

2 重金属对水生蔬菜生长发育的影响

重金属对水生植物能够产生明显的毒害作用[29]，主要表现在影响细胞膜透性、物质代谢、光合呼吸作用，改变运动器官的细微结构，降低光合速率和相关酶活性，使核酸组成发生变化、细胞体积缩小和生长受到抑制等[30]。Megateli等[31]研究发现，Cd胁迫明显抑制浮萍的生长，引起脯氨酸含量和D665/D665a（叶绿素/褐藻素比值）指数等一系列生理指标的变化。Song等[32]的研究结果表明，高浓度Cu2+、Cr3+等重金属胁迫下，空心莲子草的根冠比增加，总根长和总根面积都相应降低，K+、Ca+、Mg2+等营养元素的吸收也受到影响。

重金属污染不仅影响水生蔬菜的正常生长发育，对蔬菜品质和产量也会产生很大的影响。Pb胁迫下，茭白叶片可溶蛋白含量、保护酶活性、自顶叶起至第3片功能叶的叶面积、其叶绿素含量及净光合速率等均随Pb浓度升高先上升后下降，而脯氨酸含量则逐渐上升；低浓度Pb、Cd胁迫还能促进茭白株高和叶面积增加，但随胁迫浓度的增加而下降，且品种之间表现一定的差异性[33，34]；同时，Pb、Cd 单一或复合胁迫会增加茭白产品器官中总膳食纤维、不溶性膳食纤维以及粗纤维的含量，但降低可溶性膳食纤维含量[35]。 何舞等[36]对 Pb、Cd、Hg复合污染下蕹菜的生长状况进行了研究，结果表明，中低浓度重金属胁迫对蕹菜生长有利，但高浓度胁迫抑制蕹菜的生长，使蕹菜生长量降低、根茎短且易受病害影响。本研究组对Pb/Cd复合胁迫下莲藕生长发育状况及品质进行了研究，发现不同浓度的Pb/Cd复合胁迫对莲藕光合作用、呼吸作用及膜质氧化都会产生影响，且随着浓度的升高产量呈下降趋势。另外，黄凯丰等[37]研究发现，Pb2+、Cd2+胁迫能显著降低茭白叶片DNA提取量及DNA增色效应的程度。

3 水生蔬菜对重金属的吸收

水生植物具有发达的维管束组织，容易从生长的环境中吸收或转移重金属元素[38]。前人的研究表明，水生植物易吸收、转移和利用重金属元素，重金属主要富集在根部，其次是叶片和茎[38，39]。 Rai等[40]和 Dwivedi等[41]的调查结果也表明，水蕹（Ipomea aquqtica）蓄积重金属能力强，它1 g干物质最多可以蓄积Cu 62 μg，Mo 5 μg，Cr 13 μg，Cd 11 μg，As 0.05 μg。 菱 （Trapa bispinosa）是一年生浮叶水生植物，主根长约数尺，且深入到池塘淤泥中，能够在体内大量累积Pb和Cd，在Pb和Cd含量分别为0.11μg/mL和 0.71 μg/mL的水体中，菱体内Cd和Pb富集浓度可分别达到13.05 μg/g 和 87.75 μg/g[42]。

水生蔬菜不同器官对重金属元素的吸收不同，同一器官对不同元素的吸收能力也不同。黄凯丰等[43]用 Pb、Cd单一污染或复合污染处理茭白，Pb2+、Cd2+在茭白各器官中的累积顺序依次为根>短缩茎>叶>肉质茎。累积量在品种间也存在明显差异，其中，蒋墅茭对Pb2+的吸收强于葑红早，对Cd2+的吸收则相反。在莲藕中，本研究组的结果也表明，用不同浓度的Pb或Cd处理土壤，莲藕各器官中Pb或Cd的富集量存在差异，Pb的富集整体表现为匍匐茎>叶柄>藕>荷叶，而Cd的富集则表现为匍匐茎>荷叶>藕>叶柄[44]。水生蔬菜各器官重金属吸收受多种因素影响，如水环境中重金属浓度、重金属的有效性、水体富营态以及不同水生蔬菜对各重金属元素特有的富集特性等。

4 水生蔬菜重金属污染的空间分布

重金属，如 Pb、Cd、Hg、As、Cu 等，是重要的环境污染物，它们进入大气、水体、土壤等环境介质中，甚至在低浓度下就能对各种生物体产生毒害作用[45]。莲藕、茭白、慈姑、荸荠等水生蔬菜是生长在淡水中的水生植物，其发达的维管组织很容易从大气、水体以及淤泥沉积层吸收重金属元素。池塘和湖泊是我国水生蔬菜生长的重要环境载体和灌溉水来源，而随着城市化的发展，重金属污染对湖泊和池塘构成了严重的威胁[46]。

4.1 水体

我国是水资源受重金属污染比较严重的国家之一，江河湖库底质的污染率高达80.1%[47]。据调查，黄河、淮河、松花江、辽河等十大流域的重金属超标断面的污染程度均为超V类[48]。近年来，随着工农业的快速发展，大量重金属排入河流、湖泊和海洋等水体中，导致我国水体重金属污染事件不断出现。采矿、冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、造革、染料、农药、化肥等的使用是造成水体重金属含量超标的主要原因[49]。这些重金属对水生植物产生毒性，并能长久地富集在水体中，被植物吸收，并最终通过食物链在人体内富集。

4.2 沉积层

沉积物是湖泊水体污染物的最终蓄积库，记录了区域的污染历史，也记录了流域内人类活动的信息以及湖泊生态环境的演变过程[50～52]。人为活动（如采矿）使得河流、湖泊等水体或沉积层中积聚了大量的重金属元素，其中沉积层是最大的重金属存储场地以及污染来源，重金属元素以沉积层为载体，随着水体化学特征变化而变化，最终被环境中的水生生物（包括水生植物）吸收[38]。胡文勇等[53]对受污藕塘中生长的莲藕重金属富集特征进行研究发现，莲藕地下茎中重金属的富集与藕塘淤泥中重金属含量显著相关，且莲藕地下茎能够从淤泥中大量吸收Pb、Cd、Cr等重金属元素。

4.3 大气

近年来，大气颗粒物引起的环境污染受到广泛的关注。机动汽车废气的排放、化石燃料的燃烧、矿山的开采等均产生大量的大气颗粒物，而重金属是大气颗粒物的重要成分之一[54]。大气中的重金属能够通过大气沉降进入土壤和水体，然后对人体健康、植物和水生生物产生为害。章明奎等[55]研究铅锌矿区附近蔬菜重金属积累情况发现，大气沉降对大白菜地上部分Cd、Pb和Hg等重金属的积累有直接影响。秦莹等[56]对沈哈高速公路两侧土壤重金属污染进行调查发现，在距路肩0～320 m范围内，土壤中Cu、Pb、Zn总含量和有效态含量随着距离增加而呈降低的趋势。水生植物叶片有发达的通气组织，大气颗粒物中的重金属不仅可以通过土壤和水体被水生植物根系吸收，还可以直接被叶片吸收。其他植物也可因化肥、农药的使用而受到重金属污染[57，58]。在农业生产中，农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属的重要污染来源，如磷肥中含有较多的铜、镉、铅、镍等重金属[59]。另外，我国水生蔬菜已成为许多加工产品的原材料，食品添加剂等的使用以及加工设备本身也是重金属污染的来源。

5 水生蔬菜重金属污染防御和治理措施

近年来，我国水生蔬菜种植面积逐渐扩大。以湖北汉川为例，水生蔬菜作为汉川市蔬菜生产的一大特色种类，全市26个乡中，水生蔬菜种植面积667 hm2以上的就有4个，在67 hm2以上的有5个，已经形成了集种植、收购、加工和销售为一体的产业化格局，产品远销韩国、日本等东南亚国家及台湾省，仅2006年，出口腌渍藕 600 t，藕粉 260 t，保鲜藕 210 t，年出口总值32万美元[60]。随着我国水生蔬菜产业的发展，水生蔬菜种植面临着工业化、城市化带来的环境污染以及无公害产业化发展的矛盾，特别是我国加入世界贸易组织（WTO）后，贸易壁垒对我国水生蔬菜出口提出了更高的要求。

水生蔬菜因独特的形态结构及生长环境，相比陆生植物而言，更容易受到重金属的污染。要解决重金属污染所带来的水生蔬菜产业滞怠问题，必须首先从源头上切断重金属污染的可能性，以防御和治理相结合的方式来解决我国水生蔬菜生产链中的重金属污染问题。

①科学规划水生蔬菜产业区域，合理布局，把水生蔬菜大型种植区移至专属农业规范区，避免在矿区、交通干线、重工业区等重金属污染严重的地区进行产业布局。

②强化水生蔬菜生产和产品加工标准。应明令限制或禁止劣质农药、化肥等的使用，并对水生蔬菜生产环境进行标准化监测；在水生蔬菜产品深加工过程中，清洁整个生产流水线，禁止有害食品添加剂的使用。

③选育新品种。培育能够抵御重金属污染的水生蔬菜品种，或使重金属转移至水生蔬菜非产品器官。

④加强环境管理和监测，及时排除污染源。

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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

国家公益性行业（农业）科研专项项目（200903017）；现代农业产业技术体系建设专项（Nycytx-35-gw02）

熊春晖（1986-），男，在读研究生，主要从事水生蔬菜（芋、茭白）重金属累积特性研究以及我国芋、茭白主产区安全性调查等工作，电话：18071042266，E-mail：xchh_1020@163.com

李汉霞（1958-），女，通信作者，教授，主要从事蔬菜生理及植物生物技术研究，电话：13971175291，E-mail：hxli@mail.hzau.edu.cn

2012-07-01