重金属污染对葡萄生化及安全品质影响的研究进展

孙叶芳，杨萌，闻秀娟，冯瑶，马倩倩，李兆君*

（1. 绍兴市农业科学研究院，浙江绍兴 212000；2. 浙江农林大学环境与资源学院，浙江杭州 313000；3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081）

采矿、污水灌溉、施肥等人类活动及工农业的快速发展引起的重金属污染问题日益严重[1]。目前，我国农业用地受重金属污染的面积大约有2500万 hm2，占耕地总面积的16.1%[2-3]。土壤重金属污染因其隐蔽性、滞后性等特点，其危害的严重性很难被及时发现。在自然条件下，土壤中的重金属难以降解[4-5]。我国是鲜食葡萄生产第一大国，2018年葡萄种植面积已超过87.5万 hm2，在产量和面积上分别居世界第一位和第二位[6-8]。目前，我国葡萄种植集中在新疆地区、吉林以长白山为核心的产区、黄土高原地区、环渤海湾地区、黄河中下游地区、南方地区和西南地区等7个栽培区[9]，葡萄生产正在朝着资源禀赋优、产业基础好、比较效益高和出口潜力大的区域发展[10]。葡萄霉菌病是葡萄的重要病害，而含铜杀菌剂是防治霉菌病的重要抑制剂[11]。波尔多液是国内外果园使用历史久、频率高、用量大的含铜杀菌剂，有可能会导致葡萄园土壤中铜（Cu）的逐步累积[12]。同时，葡萄栽培过程施用高铜畜禽粪便和化肥，也给土壤带来重金属污染，如法国葡萄园土壤中全铜含量达到100～1000 mg/kg[13]。而我国湖南长株潭地区由于有色金属丰富，葡萄园土壤中存在镉（Cd）和汞（Hg）等重金属严重超标现象[14-15]。重金属在土壤中的大量积累不仅污染环境，而且影响葡萄树的生理生化指标，降低葡萄果实品质，还将通过食物链进入人体，威胁人体健康[16]。

重金属对葡萄的生理生化及安全品质的研究已有报道，但对这方面研究却鲜有系统性的综合分析，对国内外有关重金属对葡萄生理生化及安全品质的最新研究进展进行了归纳总结，为通过重金属修复技术来缓解其毒害、保障葡萄果实安全的研究提供理论依据。

1 重金属胁迫对葡萄生理生化指标的影响

1.1 重金属胁迫对葡萄生理指标的影响

当重金属在植株体内积累后就会抑制根和茎的生长，不仅导致叶片卷曲，还会进一步影响氮和铁等营养元素的吸收，产生氧化胁迫，损害植物光合元件，抑制光合作用，从而影响葡萄植株的各项生理指标[17-20]。

1.1.1 重金属胁迫对葡萄叶片光合作用的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要光合色素，过量的重金属将对叶绿素产生胁迫，从而影响光合作用，叶绿素含量变化可用以表征逆境胁迫下植物的损害程度[21]。研究表明，葡萄叶片中叶绿素含量与Cd2+浓度呈负相关[15]。重金属对葡萄叶片中叶绿素含量的影响因葡萄品种而不同，在10 mg/kg Cd处理下，‘温克’‘夏黑’和刺葡萄叶片的叶绿素含量相比未经Cd处理分别下降63.4%、59.1%和75.0%[18]。此外，郭亮等[15]研究表明，在重金属Cd胁迫下，葡萄叶片中叶绿素a所受影响大于叶绿素b。管虹[22]发现，当培养基中Cu2+浓度高于10 mg/L 时，Cu2+对葡萄试管苗起抑制作用，叶绿素总量相比对照下降[22]。刘众杰认为，在15 mg/L的硫酸铜（CuSO4）处理时，葡萄的净光合速率显著下降，而CuSO4＋柠檬酸（CA）和CuSO4＋人工螯合剂EDTA处理使CuSO4更容易被植物吸收，导致叶片中叶绿素降解更快[23]。关利平[24]试验表明，随着Cu胁迫的增加，‘泽香’‘玫瑰香’葡萄根系活力呈显著下降趋势，而电导率和丙二醛（MDA）含量显著上升。‘巨峰’葡萄叶片的总呼吸速率随着氯化镉（CdCl2）浓度的升高呈现先升高后降低的趋势，0～1 mmol/L CdCl2显著增加叶片ATP含量的累积，而随着CdCl2浓度的升高叶片ATP含量急剧下降，且其含量与对照无显著差异。‘巨峰’叶片的荧光强度、超微弱发光强度均随着Cd浓度的上升呈抛物线状态，而叶片的磷光强度则随着Cd2+浓度的上升而升高[25]。

1.1.2 重金属胁迫对葡萄叶片抗氧化反应的影响

重金属破坏细胞膜脂结构的稳定性，导致膜脂过氧化，爆发大量的活性氧化物（ROS），过量的ROS会对植物组织细胞产生严重伤害[26]。植物体内的抗氧化系统会自发地清除过多的ROS，这个系统包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等酶类[27]，这些酶活性的变化均可反应植物所受重金属毒害的程度。丙二醛含量的变化则能反应植物细胞膜脂过氧化程度，通常也被用作逆境条件下膜脂过氧化的指标[28]。抗氧化酶是植物细胞抗氧化系统的重要组成部分，SOD是植物体内第一个清除活性氧的关键酶，在有机体活性氧代谢中处于重要地位，它将O2·-歧化为H2O2，生成的H2O2可通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环（ASA-GSH）来清除，还可通过CAT和POD的降解来清除[29]。这些保护酶系统能保护细胞免受损伤，而一旦ROS积累过多，加速膜脂的过氧化作用，将对植物细胞造成伤害，引起植物一系列生理生化紊乱，严重的将致植物死亡[22]。重金属对植物的抗氧化物影响因植物种类而异，见表1。

管虹[22]发现，在葡萄组培苗处理15 d时，随着Cu2+浓度的增加，葡萄叶片POD活性上升，POD活性与Cu2+浓度呈极显著相关；同时表明，在培养基中添加5 mg/L的Cu2+时，葡萄叶片CAT活性均不受影响。但在培养基中添加大于10 mg/L的Cu2+时，随着Cu2+浓度增加，CAT活性显著上升，且品种间无显著差异；5 mg/L的CuSO4处理试管苗叶片中MDA的含量与对照相比有所下降，但随着Cu2+浓度增加到10 mg/L和15 mg/L，试管苗叶片中MDA含量上升，且两者呈极显著相关。重金属胁迫对抗氧化物的影响因葡萄品种和部位不同而不同，在Cd胁迫条件下，‘夏黑’叶片的POD、CAT、SOD、MDA都有所増强，表现出抛物线的趋势，在一定范围内浓度越高活性越强，而刺葡萄和‘温克’叶片的POD、MDA、SOD、CAT均与Cd2+浓度呈正相关[15]；‘泽香’葡萄根系中MDA的含量随着根系CdCl2浓度的增加而增加，当CdCl2达到0.1 mmol/L及以上时，根系MDA含量显著高于对照[25]。不同浓度Cd胁迫下叶片MDA含量均显著高于对照，且‘金手指’葡萄叶片MDA含量上升幅度较大，200 mg/kg Cd处理是对照的201%[24]。‘巨峰’葡萄叶片中MDA的含量随根系CdCl2浓度的增加而增加，当CdCl2达到0.5 mmol/L及以上时，叶片MDA含量显著高于对照[25]。

1.1.3 重金属胁迫对葡萄叶片细胞结构的影响

叶绿体是植物光合作用的场所，作为植物的能量工厂，其对重金属胁迫较为敏感。过量的重金属会影响植物韧皮部的运输，损害细胞膜的渗透性，进而影响植物生长发育。长期重金属胁迫将会破坏叶绿体的结构[34-35]，降解叶绿素和光合膜多肽组分，使光化学活性下降[36]，同时通过抑制光合速率影响植物的正常光合作用[37]。Cd胁迫处理的植物，造成细胞本身和细胞间隙缩小，叶面积减小，叶绿体结构退化，细胞内出现巨大的脂质小球，叶绿体片层结构瓦解[38]。研究表明，Cd胁迫时，葡萄的叶绿体结构、叶肉细胞结构等均受到影响，‘夏黑’葡萄在Cd胁迫下，叶绿体膜遭破坏，内部出现空泡，类囊体膜疏松，甚至消失，淀粉粒增多，高浓度Cd胁迫造成细胞膜结构破坏；‘温克’葡萄在10.0 mg/kg Cd处理时，基粒排列无序，类囊体膜结构松散，叶绿体内部出现空泡，叶绿体膜受损，甚至叶绿体发生解体造成叶绿体基质连成一体；刺葡萄在Cd胁迫下，细胞膜结构变薄且不完整，叶绿体变形、变小，体内基质减少，膜结构遭到破坏，基粒和类囊体膜排列松散，出现空泡，淀粉粒增多[15]。随着Cu2+浓度增加，葡萄试管苗受Cu2+胁迫加重，叶片细胞膜受到破坏，膜透性增大[22]。

表1 重金属对植物的抗氧化物的影响Table 1 Effects of heavy metals on plant antioxidants

1.2 重金属胁迫对葡萄生化指标的影响

过量的铜会导致植株碱基突变、膜脂过氧化、蛋白质的损伤和DNA链的断裂[39]，同时还会降低硝酸还原酶活性，增加脯氨酸含量[40-41]，导致植物代谢紊乱，甚至死亡。CuSO4处理后，葡萄的根、茎和叶中VvCTR1基因的表达量均上升，说明Cu2+已通过导管运输到植物的各个器官[23]。Cd能导致催化酶的代谢紊乱和氨基酸蛋白的失活[42]，抑制H+-ATPase和质膜Ca2+-ATPase活性，且随着胁迫浓度增加，质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性呈先升高后降低[43-44]。Cd2+光系统II抑制剂和叶绿体的2,6-二氯靛酚钠光还原活性降低，可变荧光受抑制[45]。当CdCl2浓度为0.05、0.5、1 mmol/L时，‘巨峰’葡萄叶片硝酸还原酶活性分别为对照的110%、10%和118%，即当受到外源CdCl2处理时，‘巨峰’葡萄叶片一氧化氮合酶活性表现随CdCl2浓度先升高、后降低又升高的变化趋势[25]。铜镉胁迫会导致可溶性蛋白[46]、还原性谷胱甘肽、抗坏血酸含量下降[31]、细胞电解质渗透率、脯氨酸及MDA含量升高[37]，脂肪酸种类及相对含量变化明显[47]。总之，重金属胁迫加剧最终将导致酶的表达被抑制，或者产生转录后或翻译后修饰障碍[48]。

2 重金属污染对葡萄安全品质的影响

2.1 重金属对葡萄品质的影响

土壤中重金属被葡萄根系吸收后，大部分的重金属会被截留在根系的细胞壁和液泡中，少量的重金属会通过导管从根系向地上部转移，累积在葡萄枝蔓和叶片中，土壤中的重金属被层层阻截或固定之后，移动性大大降低[49]。葡萄的根、茎、叶、果实等器官中重金属含量可反映葡萄对重金属的吸收能力和重金属在植物体内的分布特征[50]，如从表2可以看出，不同重金属在葡萄中的积累和分布有所不同。总的来说，葡萄中的重金属主要富集在根、茎和叶中，其次为果实。同时葡萄植株对重金属吸收能力又因重金属自身特性及植物品种而异，从表3可以看出，‘户太8号’‘巨玫瑰’‘红宝石无核’‘紫珍香’等葡萄品种主要富集重金属Cd、Pb和铬（Cr），‘巨玫瑰’葡萄除了富集这3种重金属外，还富集重金属Hg，而目前市场上比较受欢迎的‘玫瑰香’葡萄则偏向对重金属锌（Zn）富集。

表2 重金属在葡萄不同部位的积累情况Table 2 Accumulation of heavy metals in different parts of grape

郭亮[15]研究发现，Cd在葡萄的地下部分以及营养器官中分布较高，而且葡萄的根和枝条对于Cd表现出一定的富集作用，葡萄根系和枝条的Cd富集系数为果实的数十倍之高。葡萄果实中Hg质量比随Hg含量增加而显著增加[53]。富集在果实中的重金属通过影响果实中的多糖、维生素、天然色素以及酚类物质，最终影响葡萄的品质。

2.2 不同国家和地区葡萄重金属污染物安全限量标准

葡萄种植管理中用到的农药和化肥均可能引起重金属污染风险，如在防治葡萄霉菌病时会用到含铜杀菌剂，在防治枯顶病时会用到含亚砷酸钠农药[54]，同时磷肥的施入也带来了Cd污染风险。研究表明，重金属能在葡萄果实中进行积累[15,55]，从而通过食物链进入人体，对健康构成威胁。鉴于此，不同国家、地区和组织的葡萄质量安全标准各不相同，表4列举了部分国家、地区和组织制定的葡萄重金属安全限量值。从表4可以看出，除澳大利亚和国际食品法典委员会只列出Pb这一重金属的污染限量值外，其他国家和地区则列出了Pb和Cd的限量值，而我国葡萄中Pb的限量标准较其他国家和地区较为宽松，为这些国家和地区的2倍，Cd与其他国家和地区限量值一致，均为0.05 mg/kg。

3 葡萄园重金属污染治理措施

我国葡萄园重金属污染时有发现，潘佳颖 等[56]研究贺兰山东麓葡萄主产区土壤重金属后，发现Cu、Cr和镍（Ni）达到轻度污染水平。汤民等[57]研究发现，重庆金果园中葡萄受到Cd的污染。杨玉等[58]调查发现，长沙、株洲葡萄观光采摘园土壤重金属按绿色食品土壤标准衡量，只有17%达标，而中度和重度果园污染高达33%。魏静等[59]发现，河北省张宣葡萄种植区主要表现为Cd、Cu超标。针对葡萄园土壤重金属污染，可采取以下措施进行治理。

表3 不同品种葡萄对重金属的富集Table 3 Enrichment of heavy metals in different grape varieties

3.1 施用含硅材料

含硅修复材料属于无机类钝化稳定性材料，常用的含硅材料有硅肥、硅藻土、硅酸盐、沸石等，在重金属污染土壤中，施入水淬渣硅肥与钢渣硅肥，可显著降低葡萄叶片中砷（As）、Cd和Cr含量[60]。当土壤pH在2～9时，硅以单硅酸（H4SiO4）形态存在，单硅酸是植物吸收硅的主要形态[61]。硅肥能降低土壤重金属有效性，原因在于：①硅酸根离子与土壤中重金属离子形成硅酸盐沉淀，将游离态的重金属离子固定于土壤中，抑制了重金属在土壤-植株系统中的转移、吸收[62]；②含硅材料的施入，提高了土壤pH值[63]，增强土壤的吸持能力。

表4 不同国家和地区葡萄重金属及污染物安全限量标准[55]Table 4 Safety limit standards for heavy metals and pollutants in grapes of different countries and regions

3.2 施用有机物质

有机物质如有机肥、腐植酸和秸秆等已被广泛用于土壤重金属污染修复中。在土壤Hg污染下，施用有机肥的葡萄各器官Hg含量均低于未施肥处理[53]。这说明当土壤中施入有机物质时，有机质将改变土壤中重金属的迁移性，其作用机理为：①有机物质分解产生阴离子，这些阴离子与铝铁氢氧化物中的OH-发生配位交换反应，土壤溶液中OH-增加，pH升高，土壤溶液中的游离态重金属与OH-生成沉淀，降低了重金属的活性，从而减少向葡萄植株进行迁移的能力[64]；②有机物质中富含羧基、羟基、羰基和氨基等官能团，这些官能团能与金属离子生成金属-有机络合物[65]，阻止了重金属向植株进行迁移。

因此，在重金属污染的葡萄园，采用施加含硅物质和有机肥的措施，一方面改善土壤养分，提高产量；另一方面缓解和减轻葡萄园重金属毒害，保障果实的品质。