水芹对重金属的吸收累积及其应用研究进展

李富荣 ，王琳清 ，李文英，吴志超 ，王旭 *

1. 广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所，广东 广州 510640；

2. 仲恺农业工程学院资源与环境学院，广东 广州 510225；

3. 农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东 广州 510640；4. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所，广东 广州 510640

近年来，随着工业化、城市化进程的不断推进，废水、废气、废渣等“三废”恣意排放造成的土壤和水体环境污染问题日益严重，对中国农业生产环境质量安全带来极大的威胁（Yao et al.，2012；Sharda et al.，2021）。其中，重金属作为土壤和水体污染物的主要成分，具有隐蔽性、累积性和不可逆转性，可通过多种途径进入食物链并在人体内不断蓄积，严重影响人类身体健康和生命安全（Liu et al.，2020；Li et al.，2021）。因此，减少土壤和水环境中的重金属污染，进行农田土壤和水环境重金属污染修复是保障中国农业安全生产迫切需要解决的问题之一，也是实现乡村振兴和现代农业高质量发展的紧迫任务之一（Wei et al.，2021；吕凯等，2017）。

在现有的诸多重金属污染修复技术中，植物修复技术被认为兼具美化环境、治理成本低、能产生经济价值、适用性广且易操作的优点，而被广泛应用（Deng et al.，2021）。目前利用植物进行重金属污染修复的研究主要分两个方向：一是利用对农田土壤或水体环境中重金属有较强吸收、萃取能力的超富集植物，将重金属从环境中去除或降低其含量，达到环境污染修复的效果；二是利用对土壤或水体环境中重金属胁迫有较强耐性而吸收能力较低的低累积植物（特别是农作物）进行种植，实现控制重金属污染风险的同时保障农作物安全生产的效果（魏玉媛等，2020；Yu et al.，2021）。因此，寻找和筛选具备相应重金属修复能力的植物是植物修复技术发展应用的重要基础（Yu et al.，2019）。

水芹（Oenanthe javanica (Bl.) DC.）是伞形科水芹属的多年生草本植物，又名水英、小叶芹、水芹菜、野芹菜等，在中国中部和南部地区有广泛分布，是一种常见的水生蔬菜，常以其嫩茎叶为食用部分。其营养价值丰富，富含多种维生素、矿物质等人体必需的营养成分，同时具有清热解毒、清洁血液、降低血压、宣肺利湿等功效（唐明明等，2019；王华君，2019）。水芹喜湿润环境，适宜在湖泊、河沟、沼泽、水田旁等地生长，具有根系发达、适应性强、生长迅速、易扦插繁殖、个体生物量大等特点（王方园等，2020）。该植物具有较为发达的通气组织，须根繁茂，对养殖业废水有一定的净化和治理作用，是植物修复的潜在优良品种。近年来，不少研究表明，水芹对水体重金属污染有很好的修复效果，并开展了相关研究。本文将从水芹对重金属的吸收累积效应、耐性机制及其应用等方面进行综述，为进一步研究和利用水芹进行重金属污染修复提供科学参考依据。

1 水芹对不同重金属元素的吸收特性

重金属能通过植物生长的水体和土壤等环境进入其体内，并通过食物链危害人类健康，而植物对重金属的吸收能力与重金属的元素种类和污染程度有关（Li et al.，2019）。对水芹而言，其对不同重金属元素的吸收具有明显的选择性，不同重金属元素在水芹体内的富集特性存在差异。杨晓秋等（2005）收集多个野生水芹样品，分析其对土壤中不同重金属元素的富集系数后发现，水芹对 Zn的富集能力最强，其次是Cu、Cd、Pb。赵云青（2019）在矿区周边污染菜地采集多种蔬菜样品后发现，水芹对重金属Cd、Pb、Cu的富集系数显著高于其他蔬菜。韩承华（2017）通过不同重金属浓度处理下的营养液栽培实验证明，随Cd、Pb、Cu、Zn处理浓度的升高其在水芹中的含量逐渐增加。

在研究不同重金属元素对水芹的影响方面，有关重金属Cd的研究相对较多。因Cd在环境中移动性大、毒性持久且危害极大，被列于重金属“五毒”（Cd、As、Hg、Pb、Cr）之首（Nordberg，2009）。Cd作为目前中国农田土壤重金属污染的主要污染物之一，其在土壤中的有效态占比较高，活性较强，极易被植物吸收而污染食物链，从而危及人体健康（Wu et al.，2018）。狄广娟（2013）模拟4种不同浓度的Cd污染土壤，研究3种不同水分管理模式下4个水芹品种（无锡水芹、扬州白芹、常熟白芹、宜兴水芹）的Cd累积特性和品种间Cd累积差异，结果表明，4种水芹品种除扬州白芹外，富集系数都大于1.0，说明水芹对Cd有较强的吸收能力，但转运系数较小，吸收的Cd大多累积在根部。陈银萍等（2019）研究了不同人工湿地基质中水芹等水生植物对废水中Cd的净化效果发现，水芹地上部分富集量显著高于灯芯草（Juncus effuses L.）和水葫芦（Eichhornia crassipes (Mart.) Solme），其对Cd转运能力较强，转运系数超过 1，这可能与不同基质中水芹的富集量存在显著差异有关，其在偏中性基质中的富集量显著高于碱性基质。

水芹对其他重金属元素的吸收积累特性也受到研究者的关注。代杰等（2012）通过研究不同浓度Pb胁迫下水芹的生理特性和对Pb的富集特性，发现水芹对低浓度 Pb胁迫有一定的耐性，且有较高的富集量。王昕（2015）研究桐城水芹对Cd、Pb的富集特性发现，随着Cd、Pb浓度的增大，水芹根中富集系数逐渐增大。尚素微等（2014）调查了浙江省 8个地区水芹等 3种野菜分析其重金属含量，发现其Cd、Pb含量都很高，且水芹Hg含量高于荠菜（Capsella bursa-pastoris (L.) Medic.）、马兰（Aster indicus L.）。韩旭（2017）研究发现，在2 mg·L−1Hg 和 4 mg·L−1As处理下，水芹的整株 Hg、As生物量富集量（以干质量计）可达112.67、136.36 mg·kg−1，且 2 mg·L−1As 处理下水芹的富集系数达到1.98；而与睡莲（Nymphaea tetragona Georgi）、水鳖（Hydrocharis dubia (Bl.) Backer）、铜钱草（Hydrocotyle vulgaris L.）这3种水生植物相比，其在对Mn和As的富集系数和生物量富集系数方面均表现出更好的优势。另外，水芹还对废水中的银（Ag）和金（Au）也有较好的富集效果（戴全裕等，1990，1998，皮宇等，1991）。其中，水芹根、茎、叶对Ag的72 h富集量（以干质量计）可达1040、50、259 mg·kg−1，72 h净化率可达 90.91%，是净化能力较强的水生植物种类（戴全裕等，1990）；在1.0 mg·L−1的Au处理下，对Au的5天净化率可达99.2%（戴全裕等，1998）。

2 水芹对复合重金属污染的吸收特性

目前环境中的重金属污染多表现为几种重金属元素的复合污染，且植物体内各微量元素对其生理代谢功能的影响往往存在交互作用，使得复合污染下Cd与其他元素对植物的毒害效应与单一Cd污染时存在一定差异（Zhang et al.，2013；李富荣等，2015）。因此，不少研究在探讨水芹对 Cd的吸收累积特性的同时也研究了其与其他重金属元素的复合效应。如王昕（2015）利用不同浓度组合的Cd、Pb复合污染土壤的盆栽试验结果发现，在Cd单一污染下，水芹的株高、平均根长、单株鲜物质量随Cd浓度的增加而呈现先增加后降低趋势，而在单一Pb污染和Cd、Pb复合污染处理下，上述各项指标均随重金属浓度的升高而逐渐下降；在重金属吸收特性方面，水芹各器官中Cd、Pb含量均随该元素浓度的增加而呈上升趋势；Cd、Pb元素间存在明显的交互作用，对水芹重金属吸收起到协同作用，即同一Pb浓度下，随Cd浓度增加而Pb含量逐渐增加，且差异显著。铀（U）作为一种放射性元素对植物细胞具有很强的化学毒性（孙静等，2018）。姚天月等（2016）发现，U对水芹的株高和茎粗的抑制作用显著大于Cd，而Cd、U元素间存在协同效应，其复合处理浓度越高，对水芹生长的抑制作用越强。龙瑞（2014）对比常见水生植物伊乐藻（Elodea canadensis Michx.）和水芹在Cd、Mn复合胁迫情况下根际酶的敏感程度发现，在Cd、Mn复合胁迫下，当Cd、Mn浓度较低时，Mn对Cd的毒害有一定的缓解作用；当Cd、Mn浓度较高时，Mn对Cd的毒害有一定的加强作用；且水芹对Cd、Mn胁迫的抗性较伊乐藻强。

3 水芹不同器官对重金属的吸收积累特性

植物对重金属的吸收累积主要通过3种方式：吸附在根系外围；转运至植物根系内部；通过根系向地上部转运（An et al.，2011；Sreekumar et al.，2020）。通常植物根部接触土壤或水体环境中的重金属更多，且根表皮和皮层的质外体连续体易于重金属的渗透，因此，重金属必须先被吸收到根细胞的共质体中，才能通过运输进入木质部，再由木质部运输到茎叶中（Krzeslowska et al.，2016）。诸多研究表明，水芹对重金属的吸收累积主要存在于根部，但不同器官的表现与元素种类和水芹品种有关。如张静等（2015）采用浮床无基质栽培养方式培养水芹，发现随着Cd浓度增加，水芹根部的Cd吸收效率和转运效率都逐渐提高，而Cd主要富集在水芹的根部。方妍等（2020）采用小型湿地模拟实验研究发现，随Cd、Pb处理浓度的增加，水芹各器官中Cd、Pb含量相应增加；而Cd在不同器官的累积量大小为根＞茎＞叶柄＞叶，Pb的累积量大小为根＞叶＞叶柄＞茎；且水芹对 Cd的富集能力大于Pb，向地上部转移的能力也大于 Pb。华大春等（2013）用不同浓度的Cd来处理鄂水芹1号，得出Cd在水芹各个器官中分布情况均为根＞叶柄 (含茎)＞叶片；当土壤 Cd 质量分数为 2.0 mg·kg−1时，根中Cd含量达到最高12.74 mg·kg−1（以干质量计），为叶片中 Cd含量的 15.54倍。狄广娟（2013）发现，无锡水芹、常熟白芹、宜兴水芹对Cd的富集系数都大于1.0，而吸收的Cd大都累积在根部。

各重金属元素在水芹不同部位中的富集能力差异可能还与重金属元素的环境来源有关。如唐夏军等（2019）通过检测猪场沼液和水芹不同部位重金属含量发现，水芹菜根中Cu、Mn、Zn和Cd的含量显著高于茎和叶，叶中的 Pb含量显著高于根和茎。而周化斌等（2002）在金华市郊对水芹及其产地土壤重金属含量调查发现，仅Mn含量在叶中的含量远高于根部，Cd、Cr、Cu、Zn和Pb均以根中最高。在太湖地区不同地点的野生水芹对重金属的吸收和积累特性调查发现，Fe、Zn、Mn元素主要存在于水芹根部，而茎叶中含量较少（谢荣秀等，2011）。总的来说，水芹根部对各重金属元素的吸收累积大多强于茎、叶等地上部分。水芹作为一种以茎叶为食用部位的水生蔬菜，这一特性将为中轻度重金属污染环境中筛选适宜的农作物品种进行植物修复的同时保障农作物安全生产提供了较好的品种资源。

4 不同栽培模式对水芹重金属吸收累积特性的影响

水芹作为一种适应力强且能生长于不同水分环境条件的植物，为研究不同栽培模式（水作和旱作）下重金属吸收累积特性提供了很好的材料（Xu et al.，2018；李富荣等，2017）。通常，不同栽培方式下土壤中水分含量、pH值、有机质等土壤理化特性会发生变化，从而影响重金属的生物有效性及其在植物-水-土壤系统中的迁移转化规律（Zheng et al.，2010；张燕等，2021）。其中，土壤的水分状况会显著影响土壤重金属不同形态的再分配，如淹水处理下土壤中重金属倾向于从交换态和碳酸盐结合态等易提取态转变为铁锰结合态和有机质结合态等更稳定的形态（Zheng et al.，2010）。而当排水造成氧化淋溶环境时，硫化物易氧化成硫酸引起pH降低，从而使Cd等重金属元素释放出来，易被植物根系吸收（Arao et al.，2009；纪雄辉等，2007）。因此，可通过水分管理调控重金属在植物体内的累积效应（Hu et al.，2013；Liu et al.，2019）。研究不同栽培模式对水芹的影响发现，不同栽培模式下水芹生长特性差异较大，对重金属的吸收累积能力也有所区别。狄广娟（2013）通过模拟不同镉污染程度的种植土壤，研究了不同水分处理对江苏地区4个水芹品种的Cd吸收累积特性发现，全育期淹水处理能有效降低其对Cd的累积，湿润栽培（旱作）将会增加水芹中Cd累积风险。

不同重金属元素在水芹中的吸收累积特性对不同栽培模式的响应也不一样。Liu et al.（2019）以水芹为研究对象，用微区X射线荧光分析研究根际铁膜对不同栽培条件下（淹水和旱生）的植物Pb吸收影响发现，水芹在淹水条件下比旱生条件下能累积更多Pb，且表现出更高的转运系数；在淹水条件下的水芹，其根际铁膜和植物表皮含Fe最多，而根维管结构中含 Pb最多，但对旱生条件下的水芹而言，Fe与Pb的分布规律一致。这主要与不同栽培条件下土壤中 Pb的化学形态不同有关，淹水条件的根际铁膜和腐殖酸增加促进了水芹对 Pb的吸收累积（Stewart et al.，2015；Shen et al.，2017）。因此，为降低水芹对 Pb的富集风险进入食物链，应采用旱地栽培模式避免在易形成根际铁膜和高腐殖质的土壤中种植（Liu et al.，2019）。陈源高等（2006）对旱生和废水水培条件下的水芹稀土元素吸收进行对比发现，经水培后的水芹稀土元素含量明显高于水中的含量，对水中稀土元素有很强的富集能力；在土壤中稀土元素含量高于水培环境中稀土元素含量的情况下，水培蔬菜中的稀土元素含量仍可以达到甚至远超过旱生蔬菜中的含量。因此，在利用水芹进行植物修复时，可结合重金属污染元素种类选择适宜的栽培模式调控措施达到环境修复的目的。

5 水芹对重金属胁迫的耐性机理

农田土壤或水体环境中浓度过高的重金属污染胁迫往往会造成植物生长发育受阻，产量降低和品质下降；但部分植物能在重金属污染环境中能形成一定的耐性机制和避性机制，产生较强的抗重金属毒害能力和富集能力（Kováčik et al.，2017；Bhatti et al.，2018；Hattab et al.，2019）。水芹在不同重金属污染胁迫下表现出较强的胁迫耐受性。对重金属Cd胁迫下的水芹细胞超微结构、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、根系活力等指标进行测定后发现，当水培溶液Cd质量浓度达2 mg·L−1时，根部细胞逐渐失去原有基本形态，胞浆内容物密度增大，细胞壁部分出现断裂，而叶绿素总量、叶绿素a和可溶性蛋白总体呈下降趋势（张静等，2015）。另外，Cd胁迫条件下，水芹的抗氧化酶活性和植物络合素含量持续升高，二者在缓解低浓度Cd胁迫时具有协同作用（韩承华，2017）。

代杰等（2012）对水芹Pb耐性的研究表明，低浓度 Pb胁迫能促进叶绿素合成酶活性，使叶绿素稍微升高，但随 Pb浓度增加，水芹叶绿素合成酶活性受抑制而使叶绿素含量下降；水芹体内POD和CAT活性随Pb浓度增加呈稍微升高又迅速下降的变化趋势；在超过植物自身修复能力后，抗氧化酶活性下降，MDA含量迅速增加，这与韩承华（2017）研究水芹对Pb、Cu、Zn的胁迫响应以及王方园等（2020）研究水芹对As、Hg的胁迫响应规律一致。随着水培营养液中Pb、Cu、Zn浓度的升高，水芹的抗氧化酶活性先升高后降低，植物络合素含量不断升高，可能在低浓度时抗氧化酶活性和植物络合素在缓解重金属胁迫具有协同作用，而在高浓度时，植物络合素对重金属的络合作用对缓解重金属胁迫具有重要作用（韩承华，2017）。王方园等（2020）的研究发现，由于水芹自身的抵抗机制，在短期受As、Hg刺激时，由于进入细胞的有毒金属离子会与金属结合蛋白相结合，从而缓解重金属对叶绿体结构的损害，加速叶绿素的合成；但长时间胁迫会破坏细胞内解毒物质，从而抑制叶绿素的合成酶活性。另外，不同As、Hg处理下，水芹叶片中SOD和POD活性整体呈先升后降的趋势；而随As、Hg浓度增加和胁迫时间的延长，植物细胞内过氧化物大量积累，使细胞内的多糖、蛋白质和核酸等大分子受到损害而引起膜脂过氧化，因此 MDA含量大体呈增长趋势（An et al.，2019；蒙敏等，2017）。可见，水芹主要通过提高抗氧化酶活性和植物络合素等富含巯基物质来消除活性氧物质的胁迫，从而提高其对重金属胁迫的耐受性。

6 水芹在重金属污染修复中的应用

随着近年来中国对重金属污染问题的日益重视，植物修复技术因投资少、能耗少、对环境扰动小、可资源化利用等多种明显优势使其在水体和土壤污染修复中的应用愈发受到重视（施沁璇等，2018；Panda et al.，2020）。在具有修复能力的水生蔬菜中，水芹具有发达根系、去污能力强、适应范围广、易存活的特点，能实现生态价值、经济价值、景观价值的结合，因而被很好地应用到人工湿地环境修复中（童宁等，2013）。但不同人工湿地基质对植物的重金属修复效果的影响存在差异（冀泽华等，2016；Dan et al.，2017）。陈银萍等（2019）利用粉煤灰基质、传统河砂基质及混合基质与水芹、灯芯草、水葫芦搭配构建的小型人工湿地系统探讨其对Cd的净化效果，结果表明，水芹地上部分Cd富集量显著高于灯芯草和水葫芦，且表示出较好的Cd转运能力；而水芹在偏中性基质中的 Cd富集能力高于碱性基质。水芹在水产养殖废水治理方面也明显的治理效果和较好的应用，主要采用水芹-水产品种养结合模式（如浮排水芹-泥鳅模式、水芹-小龙虾模式、水芹-鲫鱼模式等），相关技术和产业应用在江苏省探索和实践较多，不但可以修复环境，也可以带来一定的经济价值（刘义满等，2020）。陶玲等（2020）在池塘养殖尾水的漂浮湿地上种植空心菜和水芹，测得两种蔬菜可食用部分Pb、Cd、Cu、Hg、As和Cr等含量均低于食品安全国家标准限量值，可供安全食用的同时亦起到净化水体的作用。

另外，电镀废水中重金属超标问题严重，利用水生植物进行电镀废水绿色修复研究也受到关注（Chitraprabha et al.，2018；Puspito et al.，2021）。张志敏等（2017）将水芹等5种水生植物用于电镀废水中的重金属修复，不同植物对重金属的净化效果因重金属的类型不同而净化能力有所差异，其中水芹对重金属Cr、Zn、Mn的净化效果比较好，且其生长未受抑制。张晓斌等（2016）采用模拟生态浮床方法，结合植物生长和净化效率综合评价了水芹等 9种水生植物对电镀废水中重金属的净化能力，结果表明，凤眼莲（Eichhornia crassipes (Mart.)Solme）、水芹最适合于用生态浮床的方法对电镀废水中重金属进行净化。李星（2008）通过水培法模拟电镀废水试验，发现水芹等4种水生植物在低、中浓度废水中的较好的逆境耐性，其中水芹、石菖蒲（Acorus gramineus Soland.）对 Cr、Zn、Fe、Mn、Ni、Cu等重金属的吸收量最大。且水芹具耐低温特性，在冬季电镀废水净化修复中具有更好的优势，能有效避免人工湿地处理系统在冬季出现植物枯萎死亡或生长休眠而导致净化功能下降的现象。

7 前景与展望

综合来看，水芹对水体和土壤中的多种重金属元素有较强的吸收累积能力，是进行植物修复的潜在优势植物，其修复效果具体受元素种类、污染来源、环境因素、栽培模式等方面的影响。目前对水芹在重金属污染修复中的应用已开展相关研究并取得一定的效果，但尚未有大规模应用于环境修复中。在未来的研究工作中可针对以下几点进一步开展：

（1）深入开展水芹对重金属吸收累积的机理研究。尤其是其分子机制鲜少见有相关报道，相关研究的开展对开发和利用转基因技术增强水芹对重金属的耐性和富集能力有重要意义；

（2）加强农艺调控措施与水芹修复技术的结合。考虑通过结合适宜的土壤调理剂、根际微生物、生物炭等复合材料，或水肥调控等农艺措施，辅助调控水芹对土壤或水体重金属的吸收，通过强化水芹对环境中重金属的去除效率和降低可食部分重金属含量，使水芹充分发挥其生态价值和经济价值。

（3）加快水芹用于重金属污染修复的相关标准研究与制订。随着水芹在重金属污染修复中的研究和技术开发更加深入与成熟，应对水芹在重金属污染修复过程中涉及的各个环境进行细化和规范，加快相关标准的研究与制订，促进水芹重金属修复技术在实际应用中的规范使用和规模化示范推广。