蔬菜对重金属镉富集研究进展

张 帆，谢玲玲，弥宝彬，戴雄泽,，刘 峰,

（1.湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院蔬菜研究所，湖南 长沙 410125）

蔬菜对重金属镉富集研究进展

张 帆1，谢玲玲2，弥宝彬2，戴雄泽1,2，刘 峰1,2

（1.湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院蔬菜研究所，湖南 长沙 410125）

针对蔬菜受镉污染严重的问题，就各类蔬菜对重金属镉的富集能力以及土壤因子对蔬菜富集镉的影响等研究做了综述，并对今后如何加强重金属污染的防治做出了展望。

蔬菜；土壤；重金属；镉；富集

蔬菜是人类生活中必不可少的食物，能提供人体所需的重要营养物质。随着生活质量的提高，人们更加注重食品安全问题，而随着城镇化的深入和工业化的迅猛发展，土壤环境质量普遍较差，存在各种重金属污染，其中镉污染最为突出[1]。镉是最具毒害的重金属之一，严重损害菜田土壤质量，镉能够通过土壤在蔬菜中累积，借助食物链潜入人体，降低人体免疫力，造成慢性中毒。因此必须积极采取有效的措施降低蔬菜对镉的吸收与富集，提高蔬菜的品质和质量，使人们的健康得到保障[2]。目前国内已有较多关于蔬菜对镉富集的报道[3]，对大众深入了解蔬菜对重金属镉的富集规律，合理策划蔬菜种植布局，生产绿色无公害蔬菜产品具有重要的指导作用。

1 蔬菜对重金属镉的富集

1.1 不同种类蔬菜对重金属镉富集量的差异

大量研究表明，重金属在不同种类蔬菜中的富集能力有显著差异[4-6]。欧阳喜辉等[7]通过研究北京市大型蔬菜试验基地中不同种类蔬菜对重金属镉的富集规律发现，果菜类蔬菜吸收镉的能力较叶菜类弱，因此叶菜类蔬菜中镉的富集量较高，然而与前两者相比，油菜对镉的富集能力最强。蔬菜对镉富集能力的强弱顺序为：叶菜类＞根茎类＞瓜果类[8]。在相同环境状态下，不同蔬菜对镉富集能力的顺序为：青菜＞萝卜＞莴苣＞四季豆＞黄瓜＞番茄，青菜对镉的富集能力显著高于其他菜类，番茄则明显低于其他菜类，两者存在很大差异[9]。贾相岳[10]的研究表明，菠菜、生菜和油菜对镉的富集也存在一定差异，它们的富集能力为：菠菜＞生菜＞油菜，当土壤中存在低含量的镉时，能够促进这3种蔬菜生长，高含量的镉则抑制蔬菜的生长，降低其产量。芹菜、莴笋和菜薹属茎菜类，在相同的土壤环境条件下，茎部可食部分镉的含量顺序为：芹菜＞莴笋＞菜薹；当土壤中镉的含量分别为0.43和3.00 mg/kg时，不论在种间还是种内，3种蔬菜的茎叶部分镉的含量差异十分显著，且镉处于低含量时，菜薹的产量和品质也为最优[11]。不同种类的蔬菜生长周期、植株形状及其高矮都有明显差异，而且每种蔬菜都会有其生物学特性和生理学机制，因此不同种类的蔬菜对重金属的富集能力不同。

1.2 同类蔬菜不同品种对重金属镉富集量的差异

张海波[12]研究8个不同品种辣椒对重金属镉的富集效应，结果显示，镉元素主要在辣椒的幼苗根部积累，而且在这8个品种的辣椒中，PE39和PE4对镉的富集能力最强，PE37和PE5对镉的富集能力最弱。据前人对绿丰（敏感品种）和春丰（耐镉品种）2个甘蓝品种耐镉性质的研究发现，以20 μmol/L的镉溶液处理这2个品种的甘蓝时，根部的生长均受到抑制，且植物的干重都显著降低；其中镉元素主要分布在植株的地下部分，镉在绿丰叶中的累积量高于春丰，在根系的累积量显著低于春丰[13]。狄光娟[14]研究了扬州白芹、无锡水芹、宜兴水芹和常熟白芹4个品种的芹菜对重金属镉的富集情况，除扬州白芹外，其他3个芹菜品种对镉的富集系数均超过1，芹菜体内较易富集镉，但其迁移率相对较小，因此，镉主要集中在地下部分。同种蔬菜不同品种的基因型不同，表现的性状会有显著差异，不同品种之间从种子萌发到植株生长的周期也会不同，导致不同品种蔬菜对镉的富集效应存在相应差异。

1.3 蔬菜不同器官对重金属镉富集的差异

蔬菜根系吸收营养物质时也吸收了大量重金属。研究发现，植物的根吸收重金属离子后，会转运至植株的其他器官，重金属离子在植物体内的转运速度直接影响了其在各个器官的分布[15]。重金属镉在大白菜、番茄、茄子、马铃薯与萝卜这几种蔬菜各器官中的累积效应差异显著，番茄、大白菜和马铃薯各器官对镉的富集能力最强的是根，茎叶次之，最弱的是块茎和果实；萝卜和茄子各器官中镉富集量最大的是茎叶，根次之[16]。菠菜各部位对重金属镉的富集效应也有很大差异，叶片、根最强，茎较弱[17]。楼根林等[18]研究了几种蔬菜对重金属镉的富集规律，结果表明，供试蔬菜品种对镉的富集能力最强的器官一般为根部，叶次之，茎最弱，豇豆的豆荚和青椒的果实中镉的富集量低于其他器官。蔬菜根部吸收重金属镉，然后转运至其他器官，离根部较近的器官镉含量高，离根部较远的器官镉含量较低，但在特殊情况下，蔬菜也会从大气中吸收重金属镉，导致叶和果实的镉富集量高于根茎。

1.4 重金属镉富集对蔬菜的生理影响

镉不是植物生长所必需的元素，且有剧毒，高浓度的镉会影响植物的生长发育，通常表现为：根部发黑腐烂，叶片蔫黄，植株生长发育迟缓，影响其经济品质和产量。研究表明，当植物吸收镉后，大部分会在液泡中累积或附着在细胞壁上[19]。温天彩[20]研究了镉在萝卜中富集的细胞学机制，结果显示，萝卜结构组织的破坏程度与镉浓度呈正相关。镉含量的增加对萝卜细胞的超微结构影响显著，细胞壁变厚，细胞质和细胞壁会逐渐分离，而且会有一部分出现断裂；细胞核褶皱缩小，最后核仁分解；线粒体嵴减少直至断裂。从细胞水平来看，镉先聚集在细胞壁上，随即转运到液泡中。李德明[21]的研究表明，低含量的镉对小白菜的生长起促进作用，对苏州青的作用更显著；而高含量的镉对其地上部的生长有明显的抑制作用，对根部的影响较弱，相对于小白菜，镉能够较大幅度地降低苏州青的叶绿素含量。镉能改变蔬菜的超微结构，当蔬菜富集镉之后，几乎所有的细胞器都会改变原来的状态，导致蔬菜中叶绿素的含量降低，阻碍光合作用，各种酶活性降低甚至失活。

2 土壤因素对蔬菜重金属镉富集的影响

2.1 土壤酸化

土壤pH值属于土壤的理化性质，能够影响其环境状况，进而影响蔬菜对土壤重金属的吸收和富集。近年来，酸雨现象频频发生，酸雨能使土壤酸化，导致其pH值降低，因而对作物造成直接损害，酸化后的土壤增加重金属离子的迁移速率，导致作物对重金属的富集能力加强。酸雨还能影响作物体内重金属的活性，使作物的抗性变弱，降低其存活率[22]。据前人对模拟酸雨情况下菠菜与生菜体内镉含量变化的研究显示，菠菜与生菜在单一酸雨的处理下，其体内镉含量随着pH值的减小而增加，两者呈良好负相关[23]。王小蒙等[24]研究发现，以相同镉浓度处理苋菜，土壤pH值对其影响显著，当pH值低于7.5时，苋菜重金属含量会随着pH值的上升而降低。过低的pH值能够使土壤中物质改变其生理结构，同时也促进了非交换态的镉向交换态的镉的转化，从而增加了重金属离子的迁移率，提高其进入蔬菜的几率，最终导致蔬菜对镉的富集能力增加。

2.2 土壤微生物

微生物在土壤中所占比例较小，但能通过去甲基化、氧化还原与甲基化等反应将重金属转化，使重金属在土壤中的存在形态发生改变，从而降低或消除重金属对土壤的毒性，同时也减少了重金属在作物体内的富集。据研究，一些土壤微生物群体能够在作物根系形成菌根，它是一种根—菌共存体，几乎与自然界所有的陆生维管植物的根系都能形成共生互利的关系，并大大促进了作物对土壤重要矿物质的利用率，增强作物抗性，使作物在土壤重金属污染的情况下仍能正常生长[25]。在玉米体内接种根菌能够使其植物量增加为原来的6.79倍，镉在地上部分的累积量下降了53.9%，但镉在根系的累积量增加，据此得出结论，根菌的侵染使重金属镉富集在根系，从而抑制其向其他部位的迁移，增加了植物对重金属镉的耐受能力[26]。土壤微生物并不会直接减少作物对镉的富集，它能与根系结合并分泌各种激素，缩短作物的生长期，提高免疫力，从而提高对重金属镉的抗性，使其在镉污染的情况下仍能保证优良的质量和产量。

2.3 土壤有机质

农田土壤有机物中一般无重金属元素，但重金属元素能与土壤有机物发生化学反应，生成相应的络合物与螯合物，因此土壤有机质影响重金属在土壤中的累积、转运和迁移，进而影响蔬菜对重金属的富集[27]。当土壤中施用大量有机肥时，会增加土壤有机质含量，导致土壤中有效态镉的含量明显降低，施用有机肥还可以使处于交换态的镉向可还原态与可氧化态的镉转化。大量有机物以络合、螯合和吸附的方式增加重金属的输入量，而且一些分解后的有机物具有还原性，还可以生成CdS等沉淀，使土壤中有效镉的含量再次降低[28]。残渣态与无机结合态是镉元素在土壤中的主要存在形式，当在土壤中施入一定量的猪粪（有机肥）时，会使镉主要以交换态和可溶态的形式存在[29]。宫长修[30]研究了在稻草、绿肥等有机肥处理下青菜中镉的含量，结果表明，绿肥和稻草都能使镉在青菜地上可食部分的含量降低，但是绿肥对其影响相对较小。土壤有机质主要来自有机肥，有机质的增加间接阻碍了镉在蔬菜中的富集，因为它能通过化反应改变镉在土壤中的存在状态，降低镉的迁移率。

2.4 土壤类型

土壤的各种理化性质与微生物特性会随着其利用形式的不同而产生一系列差异，影响重金属元素在土壤中的转运与累积，进而影响作物对重金属元素的富集效应。据前人对旱坡麦地、温室大棚蔬菜地、柑橘果园、旱坡菜地、林地和水稻田这6种土壤类型的研究发现，以同一镉浓度处理这些土壤，镉元素在土壤中的累积量由高到低为：温室大棚蔬菜地＞柑橘果园＞旱坡麦地＞水稻田＞旱坡菜地＞林地。镉元素在水稻田、林地和旱麦地的含量属于轻度污染，而在温室大棚菜地、柑橘果园与旱菜地中的含量已造成中度生态污染[31]。土壤类型不同，土壤中各种物质的生理机制也不相同，因此镉在各种类型土壤中的累积量也不相同，这些差异就会波动重金属镉在植物体内的富集效应。

2.5 土壤重金属镉的含量

土壤中累积的重金属镉会增加其在蔬菜体内富集的几率，因此蔬菜中重金属镉的含量与土壤中重金属镉的含量有着很大关系。陈红亮等[32]研究了贵州省遵义县蔬菜基地的白菜、辣椒、西红柿和菠菜等几种蔬菜，结果发现，这几种蔬菜体内镉元素的含量均未超出国家食品标准，白菜、辣椒与西红柿的镉富集量随着土壤中镉含量的增加而增加，两者呈正相关趋势，菠菜对镉的富集量与土壤中镉含量呈显著正相关。邓禄军等[33]研究了土壤镉含量与马铃薯块茎镉含量的关系，发现马铃薯块茎中镉富集量在0.01水平上随着土壤镉浓度的增加而明显增加，以40 mg/kg的镉浓度处理土壤时，马铃薯块茎中镉富集量最高，平均每株达0.01 mg。生菜、油菜和菠菜这3种蔬菜中镉含量均与土壤中相对应镉含量呈显著正相关，油菜与生菜的相关系数均为0.997 7，菠菜相对较高，为0.999 2。蔬菜中的镉主要来自土壤，通常，蔬菜镉富集量都会随着土壤镉含量的增加而呈现增加的趋势。

3 展 望

我国重金属污染严重，且其污染范围广、无法被降解、不可逆、持续时间长，现有4种治理方法，分别为农业治理、化学治理、工程治理和生物治理。农业治理和生物治理方法耗费少，简单易行，缺点是治理周期漫长且改善效果不明显；化学治理方法耗费比前者稍高，治理效果一般，而且容易污染反弹；工业治理方法比较彻底且不易污染反弹，但是耗费高，且操作复杂，这些方法都不太理想。不同的蔬菜品种对重金属的累积、转运和吸收的特性不同，可以利用这一特征改善蔬菜中重金属的污染。早在多年前就有人提出并研究了低富集量重金属蔬菜品种的培育，现国内外也有许多关于这方面的研究，但是并没有取得突破性的进展，一方面是因为没有对实验结果进行相应地鉴定和重复操作；另一方面是因为没有对典型试验蔬菜品种进行遗传特性的深入研究，所以无法全面掌握其遗传特性与生理学机制。因此可以研究不同蔬菜品种在不同发育期对重金属镉富集的差异，并探索这些差异的来源及其生物学特性，为今后选择和培育出对重金属吸收量少以及在体内富集量少的优良蔬菜品打下基础。随着生物遗传学与基因工程的快速发展，抗重金属污染基因的研究与提取已受到科研工作者的广泛关注，目前已有对抗重金属污染基因的克隆试验，为了能更好地借助基因工程技术改善蔬菜对重金属富集能力，应着重对抗污染基因的定位、分离、克隆及其结构特点进行研究。

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（责任编辑：肖彦资）

Research Progress on Heavy Metal Cadmium Enrichment in Vegetables

ZHANG Fan1，XIE Lin-lin2，MI Bao-bin2，DAI Xiong-ze1,2，LIU Feng1,2
（1. College of Longping, Graduate School of Hunan University, Changsha 410125,PRC; 2. Institute of Vegetable, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, PRC）

In view of the serious pollution of vegetables by cadmium, this paper reviewed the research on the bioaccumulation ability of heavy metals in vegetables and the effects of soil factors on the enrichment of cadmium in vegetables, it also prospected how to strengthen the prevention and control of heavy metal pollution in the future.

vegetables; soil; heavy metals; cadmium; enrichment

S63

：A

：1006-060X（2017）07-0127-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.035

2017-05-11

张 帆（1993-），女，河南封丘县人，硕士研究生，主要从事蔬菜重金属研究。

刘 峰