花生重金属富集特征及防控对策研究进展

2020-07-04刘璇张淑霞吴曼吴正锋戴华伟沈浦王才斌

山东农业科学 2020年3期

刘璇　张淑霞　吴曼　吴正锋　戴华伟　沈浦　王才斌　

摘要：重金属污染在土壤中具有长期、隐蔽和不可逆三性特点，花生是地下结实作物，对重金属的富集更为明显，明确花生重金属富集特征，探讨适宜的防控对策，对于生产安全优质花生，从而保障我国食用油安全以及增加出口创汇具有十分重要的意义。本文旨在探究花生重金属富集特征，对重金属防控机制及花生重金属防控措施进行了综述，提出物理、化学、生物等多种方法综合利用进行土壤重金属修复是花生重金属防控的有效途径，并对后续花生重金属的防控研究与应用进行了展望。

关键词：花生;重金属;富集;植物修复;土壤钝化

中图分类号：S565.2文献标识号：A文章编号：1001-4942（2020）03-0144-07

AbstractThree characteristics of long term， concealment and irreversibility displayed on heavy metal pollution. As an underground crop， the enrichment ability of heavy metal was higher for peanut （Arachis hypogaea L.）. Hence clarifying the enrichment characteristics and proper prevention and control measurements were very important for ensuring the food quality and safety and increasing the export earnings. In the paper， the peanut heavy metal enrichment characteristics were investigated， and the prevention and control mechanisms and measurements were comprehensively reviewed. Then the comprehensive utilization of physical， chemical and biological methods was put forward as a feasible way to prevent and control heavy metals in peanut. The future research and measurements for heavy metal prevention and control were prospected at last.

KeywordsPeanut; Heavy metals; Enrichment; Plant phytoremediation; Soil passivation

花生是我國重要的油料作物、经济作物之一，在保障食用油脂安全方面发挥重要作用。在过去40余年中，中国花生种植面积和总产量呈明显增长趋势，种植面积从1978年的176.8万公顷增至2017年的460.8万公顷，总产从237.7万吨增至1 709.2万吨，面积与产量均增加了数倍[1]。由于土壤背景值及农业生产中过于追求产量和效益，我国花生产区土壤和花生容易遭受重金属污染，致使花生品质下降，花生重金属超标情况时有发生，在一定程度上影响到花生及其制品的出口贸易[2]。花生是地下结实作物，除了根系具有吸收能力外，荚果也能吸收元素，花生对重金属的富集更为明显[3，4]。

目前我国农田最常见的重金属污染为镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、铜（Cu）、锌（Zn），其中以Cd污染较为严重。我国大多花生产区土壤Cd、Cr、Pb等重金属含量符合农业部绿色食品产地土壤环境的质量标准，而花生样品超标情况却时有发生[5，6]。有研究表明，一些地区土壤重金属含量达到中等污染水平以上[7，8]。一般来说，花生重金属污染现象与土壤重金属及田间管理密切相关，由于生产过程管控不当，如农田污水灌溉，重金属农药、肥料的不合理使用，容易对花生生产及食品安全造成不利影响[9]。

随着农产品安全性日益受到广泛关注，弄清花生重金属富集特征，探讨适宜的防控对策，对于生产安全优质花生，保障我国食用油安全以及增加出口创汇，具有十分重要的意义。本文旨在探究花生重金属富集特征，并对其防控机制进行综合论述，为建立最有效的花生重金属防控措施提供理论和实践依据。

1花生重金属的富集特征

1.1花生对土壤重金属的吸收特征

花生对土壤重金属的吸收能力常常高于一般大田作物。与其它作物的不同，除了具有较为发达的主根系能够吸收耕层以下的土壤养分以外，花生荚果位于地下，可通过荚果吸收土壤重金属，从而在一定程度上增强了花生吸收重金属的能力，使得花生籽仁内的重金属含量极易超标[4]，即使在土壤环境重金属未超出农业部绿色食品产地土壤环境的质量标准的情况下，其籽仁中的重金属含量也可能超标[10]。有研究表明，当土壤中镉含量高于1.0 mg/kg时，花生籽仁中镉含量就会超过国家规定的质量标准[3]。

花生对土壤重金属的主要吸收时期与其它作物不同。对水稻来说，镉胁迫主要在前期和中期造成影响，在生育中后期（抽穗以后），其对水稻生长基本不产生影响。但对于花生，镉的富集及毒害作用不仅发生在前期的营养生长时期，还对花生的生殖生长造成严重不良影响，易引起有效针果数量减少、果针发育受抑制、花生籽仁不饱满等。此外，花生对土壤重金属的吸收还受土壤类型及性质的影响，如棕壤条件下籽实Cd含量和生物富集量高于潮土，棕壤的pH值更低，土壤中H+也更多。H+可将固定在土壤中的Cd2+交换出来，土壤中有效态Cd也更多，因而花生籽仁中Cd含量也更高[11]。

1.2花生对重金属的积累与分配规律

重金属积累在籽仁中的方式主要有两种，一种是通过根系吸收再分配，花生植株通过根系吸收重金属，转运到茎叶，再由茎叶运输到籽粒中，进入籽粒后，重金属被固定，不再向其它器官转移，这是花生重金属的主要积累方式。此方式的重金属吸收途径主要是质外体途径和共质体途径。其中质外体途径的重金属离子通过扩散作用进入细胞，其动力来源于细胞内外的浓度差，属于不消耗能量的被动运输;共质体途徑重金属离子则通过其它离子的载体蛋白进入细胞，属于需要消耗能量的主动运输。另一种途径是荚果直接吸收，这也是花生籽仁中钙和锌的主要吸收方式，但对于重金属的运输，此途径贡献相对较小，最多占重金属总来源的11%左右[12]。

花生植株各器官对于同一重金属的富集能力有所差异，通常情况下吸收器官>同化器官和输导器官>繁殖器官，其中花生根的吸收能力最强，体内积累的Cd2+有50%以上是通过根系吸收，其次为叶、茎、壳、籽实[13]。此外，花生同一器官对于不同重金属的富集量也有所差异。根系和果壳对不同重金属的富集能力均为：Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，茎叶和籽仁则为：Zn>Cu>Pb>Cr>Cd。从重金属富集量的角度来看，花生植株对Cu和Zn的平均生物富集量最大，其次为Pb和Cr，Cd最少[14]。但由于花生产地环境中重金属的含量不同以及食品安全标准对于花生各种重金属限量标准不同，Cd是花生籽仁中最容易超标也是最需要关注的重金属。

对于花生籽仁的不同成分及部位来说，其重金属分配也有所差异。现有的研究结果已证实，花生蛋白质中的重金属含量远远高于脂肪。对于重金属镉，花生籽实脂肪中镉占全镉不足1%，而蛋白质镉占全镉的50%以上，这是因为镉主要与蛋白质发生络合[10]。镉对巯基有很强的亲合力，而蛋白质中含有大量硫基，另外蛋白质部分侧链也对镉亲合，镉主要络合于蛋白质。有研究表明在一定镉浓度范围内，花生籽实蛋白质含量与土壤镉含量间达极显著正相关，这是镉诱导生物体内产生了诱导蛋白质所造成的[15]。这一特性不利于花生的食品用途，但是对于油用影响较小。红衣是花生籽实中最容易富集镉的部位，但由于红衣的相对质量小因此红衣中镉的浓度较高，而子叶中镉总量较高[16]，而这两者均为蛋白质含量较高的部位，这也说明镉易与花生籽实中的蛋白质相结合。花生中镉主要分布于籽仁细胞壁，细胞器和可溶部分相对较少，这是因为细胞壁含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，还含有吸收固定重金属的阳离子交换位点，这对重金属有着极强的亲和力而被固定于细胞壁中[17]。

1.3不同品种花生的重金属积累差异

花生对重金属的富集量和转运能力差异是造成花生籽仁含量高低的主要原因[18]。花生品种不同，其对重金属的富集与转运能力也就不同。不同花生品种植株根系中Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的富集量均存在显著性差异（P<0.05）[14]，这可能是受到基因型控制的结果[19]，部分基因型可使花生籽仁重金属富集能力下降，而且重金属对花生脂肪和蛋白质含量的影响也因品种不同而各异。相同镉处理下，不同品种花生脂肪和蛋白质受土壤中镉含量的影响程度不同[10]，因为生物体在受到镉污染时，自身产生特异蛋白质来减轻镉的危害，但当镉浓度过高时，生物体内的自身防御系统受到严重迫害，体内的蛋白质含量反而降低[20]，这对筛选重金属胁迫能力强的花生品种有重要意义。

2花生中重金属的防控机制

2.1土壤重金属的钝化机制

重金属钝化就是指通过对土壤施入某些改良剂，使土壤中的重金属由有效态转化为难以被植物吸收的沉淀态、结合态等。常见的土壤重金属钝化方式包括施入碱性物质、铁盐类钝化剂或有机改良剂，此外也有部分植物根际分泌物也有固定重金属的作用。碱性物质的施入能够提高土壤pH值，一方面增加了土壤中的OH-，使重金属形成氢氧化物沉淀从而降低其有效性，以减少植株吸收[4];另一方面，溶液中H+浓度降低导致其竞争作用减弱，有机质、锰氧化物等与重金属结合能力增强，降低了重金属的有效性，加强了土壤中重金属的沉淀与吸附作用，从而能显著降低土壤中重金属的生物活性[21]。如常用的碱性物质石灰能够将土壤pH值从4.54提高到5.74，并改变污染土壤中各形态重金属的质量分数，使水溶态和交换吸附态重金属别降低59.83%和32.13%，效果较为显著[22]。

有机改良剂中的多种官能团能够吸附重金属，形成化学性质稳定的络合物，从而降低重金属的活性，减轻植物的毒性作用[23]。土壤中镉的有效态绝大部分来源于水溶态，而有机硫化物结合态和残渣态相对较为稳定。相同外源镉施用条件下，随着有机改良剂如生物炭施入量的增加，土壤中水溶态镉含量呈降低趋势，而碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机硫化物结合态和残渣态镉的含量却表现为上升趋势，这降低了植株根系对镉的吸收，减轻了镉的毒害作用[24]。

2.2作物重金属的阻隔机制

重金属阻隔机制主要是通过施加一些外源物质如刺激素、阻隔剂等，使植物吸收重金属能力下降，或者植物自身的基因型导致植物对于重金属的吸收能力较低，从而减少植株体内重金属富集。目前已发现硅、硒和锌可有效降低镉、砷的积累，铁、锰、硫和植物调节剂也具有类似的调节功能。其主要阻隔机理为：对于镉吸收基因OsNramp5、镉转运基因OsLCT1以及镉解毒基因OsHMA3，硅的施入可抑制镉吸收、转运基因的表达，促进解毒基因的表达。大量镉因此滞留在细胞液泡，并通过共沉淀作用固定在细胞壁，从而阻隔植株对于镉的吸收与转运。硅也可以抑制硅转运蛋白OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6的表达，从而降低对砷的吸收与转运[25]。也有研究表明，喷施硅质叶面阻隔剂能够使Cd由活性态向惰性态转化，抑制豆芽对培养液中Cd的吸收，且对豆芽根部与茎部Cd积累的抑制效果最为显著[26]。另外，作物吸收硅后，形成硅化细胞，可提高植物细胞壁强度，降低细胞膜透性，从而降低作物Cd吸收量。对于花生来说，其食用部位主要位于地下，通过阻隔作用将重金属固定于地上部，是降低籽仁重金属含量的有效途径。

在一定的施用水平下，某些酸性物质也能抑制植物对重金属Cd的吸收。低分子有机酸（柠檬酸、苹果酸）能够抑制Cd由根向小麦幼苗地上部的转运，降低小麦Cd含量，并且抑制作用随有机酸施入量增加而增强。ABA也可使水稻幼苗根与地上部、不结球白菜地上部Cd积累量降低[27]。此外，某些特定植物分泌物也可使重金属处于螯合态从而减少吸收，如在缺铁条件下花生与小麦间作时，小麦分泌的麦根酸类物质可螯合土壤中的Cd，以減少花生对重金属的吸收。Kudo等[28]也曾得出推论，植物根系释放的PS能够使根系周围的非可溶态Cd的移动性增加，却不能将Cd以PS-Cd络合物的形式转移到植物根系细胞中。

2.3外源物质的竞吸机制

外源物质的竞吸机制是通过施加与重金属离子化学性质相似的竞吸物质，使其与重金属离子发生拮抗，导致根系更多吸收竞吸物质，以减少重金属离子的吸入量。在控制花生籽仁重金属富集中，常用的竞吸物质包括钙、硅、硒、硫等。施用Ca2+的作用机理为Ca2+通过植物细胞表面受体蛋白CaM上的钙结合位点进入细胞，而Cd2+的离子半径与Ca2+的离子半径接近且电荷相同，因此可通过与Ca2+竞争CaM上的结合位点取代Ca2+，并影响钙泵的正常运作，通过钙泵而进入细胞内部[29]。相反地，增加土壤中Ca2+的浓度，其与Cd2+的拮抗作用就会加强，Ca2+就更容易竞争到CaM上的结合位点，导致植株对Ca2+的吸收量增加，Cd2+的吸收量减少，最终降低Cd在花生籽仁的富集量。此外，重金属离子也可通过竞争通道蛋白进入植株体内。如镉、砷分别可通过竞争钙、硅通道进入细胞[25，30]。因此，提高土壤中钙、硅的浓度是减少植株重金属富集的有效手段。在高浓度钙、硅环境下，植株对Cd2+、As（Ⅲ）吸收因拮抗作用受到抑制，最终导致植株体内重金属富集量减少。此外，硒和硫也已证明对重金属的竞争吸附有显著效果[27，31]。

2.4生物修复机制

常用的生物修复主要是植物修复和微生物修复。其中植物修复是利用超富集植物（其对重金属元素的积累达干重的1%～5%）根系吸收土壤中重金属并将其转移、贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，离地处理的重金属土壤修复技术。超积累植物根系能分泌特殊有机物，或其根毛直接从土壤颗粒上交换吸附重金属，促进土壤重金属元素的溶解和吸收。吸附在根表或根毛皮层上的重金属离子可通过质外体或共质体途径进入根细胞，大部分金属离子通过专一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细胞，该过程为一个消耗能量的主动过程，非必需的重金属可与必需金属竞争膜转运蛋白，以离子形式或金属螯合态进入根细胞[32]。一般具有以下特征的植物较为理想：土壤中污染物浓度较低的情况下也可以多量吸收和积累;对污染物具有较高的耐性、富集能力或促进分解的能力;对多种污染物同时具有较好的修复能力;生长快、生物量大、耐病虫害、容易栽培种植与管理;收获后通过有效利用（如制造生物燃料、作为观赏花卉等）产生高附加值的经济效益[33]。

微生物修复是指利用耐重金属能力强，且能够大量吸收固定重金属的微生物进行重金属污染土壤的修复。目前已发现的可用于重金属修复的菌株有XF菌、菌株1JN2等。XF菌是一株从污染土壤中分离出的能高度抗镉和吸附镉的菌株，其原理是被XF菌吸收土壤中Cd并固定于菌体内，菌体会随着灌溉水或降雨的下渗而向更深层的土壤移动，从而使耕层土壤中Cd含量显著降低。另外，XF菌主要在花生根际大量繁殖，在根部与土壤重金属间起到一定程度的隔离作用，从而降低了根对于重金属的吸收，也减少了花生籽仁重金属的富集[34]。另外，筛选出的一株植物内生菌1JN2也表现出显著耐镉能力及镉吸附能力，且活性显著高于植物根围细菌。该菌株能够逐渐适应镉胁迫压力，并具有良好的自我复原能力。菌株1JN2可能利用胞外多糖固定环境中的Cd2+，从而减少寄主植物对于Cd2+的吸收[35]。

3花生重金属防控措施

3.1加强监管

花生中镉的来源主要是土壤中的镉污染，而土壤中镉污染主要来自工业“三废”[9]。在农业生产中，污水灌溉成为导致土壤镉污染的一大原因。相关研究表明，矿区附近农田土地主要重金属污染输入途径为灌溉水[36]。此外公路旁植株籽粒中Cd可能的输入途径还有叶片对大气颗粒物中重金属的吸收和转运[37]。因此对花生重金属污染防控，要加强工农业污染监管，有效控制重金属污染物排放。对工业“三废”要严格按环保法的规定达标排放，对于工艺落后、污染严重、排放不达标的企业要强制整改、关停。同时加强农业投入品的管理，严禁使用重金属超标的肥料和农药，避免因施用量过大引入重金属污染。有关环境及农业部门必须加强管理，对主要花生种植区进行严格生态保护，杜绝工业污染，此外应大力推进实施清洁能源利用，大力发展生态循环农业工程，提高污水处理排放标准，提升再生水生产工艺，加大重金属清除的工艺指标要求等。强化尚未污染的土壤保护，严格监管并谨防重金属污染发生。

3.2良种选育

不同品种花生重金属富集能力不同，故筛选和定向培育低富集重金属的花生良种，是控制花生籽仁重金属富集量，提高花生品质的重要途径[18]。在现有的对于花生重金属富集能力的试验中，已有部分品种表现出优良的低重金属富集特性，如白沙1016[38]、鲁花9号[14]、D131、E133、KB054、XD011[19]、KA100[39]、大埔种、粤油45、恩平农家种[40]及品系冀花、豫花、泉花[41]为低Cd富集品种，花育22号为低Cu富集品种，丰花3号为低Zn富集品种[14]，可作为无公害花生品种进行推广种植，而粤油55、陵水客家扯子[40]及品系农大、湛油、合油[41]的镉富集能力较强，不适宜在重金属含量较高的土壤上种植。进一步研究花生对重金属的抗性和富集的遗传机制并进行遗传改良，培育低重金属富集能力的新品种，对于防治花生重金属污染具有重要意义。

3.3土壤改良

土壤改良的途径主要有改变土壤酸碱度、提升土壤有机质等。碱性物质的施入，可有效提高土壤pH值，从而钝化土壤重金属。常用的改良剂包括石灰、生物质炭、钙镁磷肥等。在单一钝化剂中，石灰钝化能力最强，对于Pb、Cu、Cd、Zn的钝化作用均显著;而磷肥仅对Pb效果最好。在多种钝化剂复合使用的情况下，以腐殖质+石灰的效果最好，这是因为腐殖质的施入可以令固定在土壤中的重金属受到活化，已被活化的重金属在石灰的钝化作用下可更大程度地向稳定性较高的可氧化态（有机结合态）和残渣态转化。且腐殖质+石灰的复配处理对Pb、Cu、Cd、Zn的钝化效果均优于单一石灰处理[42]。另外熟石灰+钙镁磷肥（1∶1）的搭配也已被证实能够缓解Cd、Cu和Pb污染对玉米生长的抑制[23]。生物质炭也是一种有效的重金属改良剂，施入生物质炭能够提高土壤pH值，从而使土壤中重金属离子得以固定[43]。添加生物炭的土壤中可交换态Zn、Cd、Pb、Cu分别降低0.15%～24.11%、1.22%～16.09%、0.47%～21.51%、3.05%～77.30%，且表现为随生物炭施用量的增加其降低程度增大[44]。对于成熟期的花生重金属富集也已证实有显著的抑制作用[45]。

3.4肥料调控

施肥是促进花生生长，提高花生产量的一个重要手段。如果肥料中含有较多的重金属，其对于花生籽仁的重金属含量也会有一定程度上的影响。在对全国各地市售常用肥料样品重金属含量调查结果发现，有机肥重金属污染最为严重，其次过磷酸钙，有机-无机复混肥也存在一定程度的重金属超标。相较于无机化肥，有机肥通常重金属超标更为严重[46-49]。其中有机肥和生物有机肥中的Cd、Hg对土壤污染程度最高，Hg对土壤污染达到了轻污染等级。微生物肥料中的Cd单因子污染指数为9.0，如施入到土壤中，对土壤的影响为重污染，达到严重污染水平。磷肥中的Cr对土壤污染程度比较高，Pi值为0.25[50]。所以，低重金属肥料的施用，对于土壤重金属含量至关重要，是花生重金属防控的有效途径。另外即使肥料样品中重金属元素的含量符合国家相应的限量标准，但由于花生对重金属的富集作用而产生的累积效应，也会造成花生籽仁重金属超标，此特性应当引起人们的重视[51]。

4研究与防控展望

根据目前国内外花生重金属研究现状及防控措施来看，未来花生重金属污染控制研究的主攻方向是：（1）从源头控制土壤重金属污染。对于未污染的农业用地，应严格控制肥料、农药的施用，避免由于过量施肥或重金属农残过高导致土壤污染。此外，應严格控制重金属排放，高污染的工业项目应远离居民区和农田，杜绝重金属污染范围的扩大。（2）重视低重金属富集能力花生品种的选育。低重金属富集花生品种的选育是重金属防控的重要手段之一。未来花生育种应在现有的低重金属富集花生品种的基础上进行，根据实际情况选育适应不同环境的花生品种，且在高产优质的基础上，具备更低的重金属富集能力。（3）重金属土壤污染综合治理。对于已经受到重金属污染的土壤，应在经济实用的基础上，将植物修复、微生物修复、化学修复和物理修复多种技术有机结合，综合治理，以达到成本更低廉，治理更高效的目的;同时对于已不适宜种植花生的污染土壤，应及时改变种植及土地利用方式等形式规避污染。（4）深入探究花生重金属富集及调控机制。目前国内外对于花生重金属的运输途径、富集转运及调控机制等方面的研究仍处于起步阶段，这涉及到土壤化学、土壤微生物学、植物生理学、植物生态学、分子生物学与基因工程等多个学科，因此，后续要统筹多个学科开展深入研究，在阐明机理的基础上，提出花生重金属的综合防控制措施。

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