Cd和Pb在水芹菜中的累积及其与营养元素的关系

方妍，张萌萌，孙瑞莲

山东大学环境研究院，山东 青岛 266237

0 前言

水生蔬菜是指生长在淡水中、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、水芋、豆瓣菜、水雍菜12种，多利用低洼水田、浅水湖荡、河湾、池塘等淡水水面栽培[1]。近年来，随着工农业生产的快速发展，大量废弃物的不合理排放，我国江河流域普遍遭到污染，且呈发展趋势，大量重金属排入河流、湖泊等水体中，导致我国水体重金属污染事件不断出现。作为水生蔬菜生长的重要环境载体和灌溉水来源，水体的重金属污染使得水生蔬菜重金属污染问题日益严峻[2]。

李书幻等通过汇总国内近 20年与蔬菜重金属污染相关的文献发现，镉(Cd)和铅(Pb)是我国蔬菜最主要的两种重金属污染物[3]。这两类重金属均具有很强的生物毒性，可导致植株形态、生理生化及结构上发生改变，并通过食物链在机体内富集，对人体产生毒害作用。相比陆生植物而言，水生蔬菜因独特的形态结构及生产环境，更容易受到重金属的污染。而不同种类的蔬菜由于外部形态及内部结构不同，其重金属元素的积累量差异较大，叶菜类蔬菜比根茎类和果实类蔬菜更易被重金属污染[4-6]。本研究选择污染严重的Cd、Pb两种重金属元素，以叶类水生蔬菜水芹菜为研究对象，分别研究不同Cd、Pb水平对水芹菜生长、重金属及营养元素含量的影响，旨在评价其耐性及食用安全性，为控制重金属对水生蔬菜的污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水芹菜幼苗购自济南植物园育苗基地，选取长势良好、大小一致、株高12 cm左右的幼苗作为供试材料，培养容器为高25 cm，直径22 cm的聚乙烯盆，固定基质为沙子(采自黄河济南段，过0.5 cm筛，自来水冲洗后使用)，厚度为15 cm，在距桶底部5 cm处安置水阀，用于排水。Cd2+浓度为 0，0.01，0.02，0.2 mg·L-1，以 CdCl2·2.5H2O 的形式加入，Pb2+浓度为 0，0.02，0.1，0.2，2 mg·L-1，以(CH3COO)2Pb ·3H2O 的形式加入。营养液按叶菜标准配制，其成分(单位 mg·L-1):Ca(NO3)2·4H2O 472，KNO3267，NH4NO353，KH2PO4100，K2SO4116，MgSO4·7H2O 246，Na2Fe-EDTA 30，H3BO32.86，MnSO4·4H2O 2.13，ZnSO4·7H2O 0.22，CuSO4·5H2O 0.08，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02。

1.2 试验设计

试验于山东大学人工湿地试验基地进行。试验时间选在 4—6月。植物栽种密度为每盆 15株，每一处理重复三次，水力停留时间为7 d，每次投加量1.5 L，定时补足各桶因自然蒸发和植物生理作用所损失的水量。定植42 d后收获，将水芹菜分为根、茎、叶和叶柄，自来水冲洗后用去离子水洗净，称其鲜重及进行叶绿素含量分析，其余植株烘干、磨细后用于其它化学分析。

1.3 测定方法

叶绿素含量采用丙酮提取法，单位以 mg·g-1FW表示[7]；植物消化采用 HNO3- HClO4方法[8]，Cd、Pb以及营养元素的含量用等离子体发射光谱法(ICP)测定，同时用标准样(西红柿叶，ESP21，中国环境监测总站)进行质量控制，结果以干重(DW)表示。

1.4 数据分析

采用 Excell 2000及 SPSS 19.0进行数据处理，数据为平均值±标准差，利用 LSD法进行多重比较，利用Pearson相关对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同Cd、Pb水平对水芹菜生物量的影响

从表1可以看出，水芹菜的生物量随着Cd处理浓度的增加，呈现升高的变化趋势。从方差分析结果来看，除0.01 mg·L-1Cd处理下水芹菜叶片、叶柄、茎生物量与对照无显著差异(P＞0.05)外，其余 Cd处理均能明显提高水芹菜地上部生物量(P＜0.05)，根部生物量略有不同，仅0.2 mg·L-1Cd处理能明显提高根鲜重，其余处理与对照均无显著差异。当Cd处理为 0.2 mg·L-1时，地上部和根部生物量最大，叶、叶柄、茎鲜重分别为对照的1.4倍、1.7倍、1.4倍，根部鲜重为对照的1.3倍，表明一定浓度范围的Cd有促进水芹菜生长的作用。

表1 不同Cd、Pb水平对水芹菜生物量的影响Table 1 Effects of different Cd and Pb levels on the biomass in Oenanthe javanica g·plant-1

除0.1 mg·L-1Pb处理下水芹菜叶片、0.2 mg·L-1Pb处理下茎部生物量与与对照相比无显著差异外，其余 Pb处理均能明显提高水芹菜地上部生物量(P＜0.05)。根部生物量则不同，Pb处理下水芹菜根鲜重虽略有增加，但各处理与对照间均无显著差异。总体来说，0.2 mg·L-1Pb 处理时，水芹菜叶片及叶柄生物量最大，分别为对照的 1.4 倍、1.4 倍，0.02 mg·L-1Pb处理时，茎部生物量最大，为对照的 1.2倍，比较而言，试验浓度范围内Pb对水芹菜生长的促进作用略低于Cd。

2.2 不同Cd、Pb水平对水芹菜叶绿素含量的影响

由表2可知，在不同Cd浓度处理下，水芹菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素a+b含量、a/b比值变化基本保持平稳，与对照相比均无显著差异(P＞0.05)，表明试验浓度范围内 Cd处理对水芹菜叶绿素的生物合成不产生明显影响。

与Cd处理不同，Pb处理下水芹菜叶绿素含量变化各异。总体来说，除0.02 mg·L-1Pb处理下水芹菜类胡萝卜素含量明显低于对照外(P＜0.05)，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量及其余处理下类胡萝卜素含量与对照相比均无显著差异(P＞0.05)。对 a/b比值而言，除0.2 mg·L-1Pb处理明显降低了水芹菜a/b值外，其余各处理与对照之间均无显著差异。

2.3 不同Cd、Pb水平对水芹菜Cd、Pb含量的影响

从表 3可以看出，水芹菜各组织中 Cd含量随Cd处理浓度的增加而增加，0.01 mg·L-1Cd处理下水芹菜叶片、叶柄、茎及根部 Cd含量分别为对照的35.7倍、34.8倍、40.5倍及 49.8倍，表明轻微 Cd污染水质即能引起水芹菜体内Cd积累，0.02 mg·L-1Cd处理下除叶柄外，其余各组织 Cd含量与 0.01 mg·L-1Cd 处理间均无显著差异(P＞0.05)，0.2 mg·L-1Cd处理时，水芹菜各组织 Cd含量最高，叶片、叶柄、茎及根部Cd含量分别为对照的44.1倍、61.6倍、83.0倍及321.6倍。Cd在水芹菜不同组织中的积累情况为: 根＞茎＞叶柄＞叶。

1013 Application of RAPID software in predicting prognosis of acute ischemic stroke patients with endovascular treatment

与Cd处理相似，水芹菜各组织中Pb含量亦随Pb处理浓度的增加而增加，0.02 mg·L-1Pb处理下水芹菜叶片、叶柄、茎及根部 Pb含量分别为对照的1.9倍、2.0倍、3.0倍及 2.0倍，除 0.02 mg·L-1和0.1 mg·L-1Pb处理下根系Pb含量与对照无显著差异外(P＞0.05)，其余各组织 Pb含量均比对照有明显提高，2 mg·L-1Pb 处理时，水芹菜各组织 Pb 含量最高，叶片、叶柄、茎及根部Pb含量分别为对照的6.3倍、6.3倍、8.1倍及53.4倍。Pb在水芹菜不同组织中的积累情况为: 根＞叶＞叶柄＞茎。

表2 不同Cd、Pb水平对水芹菜叶绿素含量的影响Table 2 Leaf chlorophyll content of Oenanthe javanica grown in different Cd and Pb treatments mg·g-1 FW

不同 Cd、Pb处理下水芹菜的富集系数和转运系数如表4所示。随Cd、Pb浓度的升高，水芹菜不同组织Cd和Pb富集系数均呈下降趋势，在Cd处理系列中，Cd在水芹菜不同组织中的富集系数顺序为:根＞茎＞叶柄＞叶，而在Pb处理系列中，Pb在水芹菜不同组织中的富集系数顺序为: 根＞叶＞叶柄＞茎。就转运系数而言，相同Cd浓度下，Cd在水芹菜茎中的转运系数要高于叶和叶柄；而在Pb处理系列中，Pb在水芹菜茎中的转运系数要低于叶和叶柄。综合分析，Cd和Pb在水芹菜根系的富集能力远远大于地上部，其根系富集系数可达地上部的十倍甚至几十倍，表明水芹菜根系积累的重金属不能有效的转移到地上部。总体来说，水芹菜对Cd的富集能力远远强于Pb，并且Cd向地上部转移的能力亦大于Pb，同等浓度下，水芹菜更易造成Cd积累。

表3 不同Cd、Pb处理下水芹菜体内重金属含量Table 3 Cd and Pb content in the tissues of Oenanthe javanica grown in different treatments mg·kg-1 DW

表4 不同Cd、Pb处理下水芹菜各组织富集系数和转运系数Table 4 Cd and Pb accumulation and transportation factors in the tissues of Oenanthe javanica grown in different treatments

2.4 不同Cd、Pb水平对水芹菜地上部营养元素含量的影响

从表5可知，Cd对水芹菜各组织中营养元素含量的影响各异。Cd处理降低了水芹菜叶片对 Cu、Fe、Zn 的吸收，但差异不显著(P＞0.05)，相反，Cd 处理提高了水芹菜叶片对Ca、Mg、Mn的吸收，其中叶片Ca含量在0.2 mg·L-1Cd处理下显著提高，而其它处理与对照相比差异不显著，Mg含量在三种 Cd浓度处理下均与对照差异显著(P＜0.05)，与Mg不同，Mn含量在各处理下与对照相比均无显著差异。与其它元素不同，水芹菜叶片P含量随Cd浓度的增加呈先上升后下降的趋势，但各处理与对照之间均无显著差异。

对于叶柄而言，随Cd浓度的增加，水芹菜叶柄中Cu、P、Mn含量均呈现先上升后下降的趋势，其中 Cu、P含量在各处理与对照之间均无显著差异，Mn含量在0.01 mg·L-1Cd处理下显著提高(P＜0.05)。0.02 mg·L-1Cd处理显著提高了水芹菜叶柄对Mg、Fe、Ca的吸收，在其它处理下三种元素含量也有增加，但差异不显著。同样，0.02 mg·L-1Cd 处理显著提高了叶柄对Zn的吸收，但在其它处理下Zn含量略有下降，差异不显著。

Cd处理提高了水芹菜茎部对Zn、Cu、Ca、Mg的吸收，其中 0.01 mg·L-1Cd处理下 Zn含量最高，Cu、Ca、Mg三种元素含量在0.02 mg·L-1Cd处理下显著提高，四种元素在其它处理下与对照相比均无显著差异。0.01 mg·L-1和 0.02 mg·L-1Cd 处理可以显著提高水芹菜茎部Mn含量，与Mn不同，0.02 mg·L-1Cd处理明显降低了水芹菜茎部 Fe含量，而其它处理与对照相比差异不显著。与其它元素不同，茎部P含量随Cd浓度的增加变化幅度较小，各处理与对照之间均无显著差异。

在Cd处理系列中，大多数营养元素在水芹菜不同组织中的积累情况为: 叶、叶柄＞茎。

表5 Cd对水芹菜营养元素含量的影响Table 5 Concentrations of nutrients in Oenanthe javanica under Cd exposure

Pb处理提高了水芹菜叶柄对Fe、Mn、Ca的吸收，其中 Fe含量在 0.1 mg·L-1Pb处理下显著提高(P＜0.05)，Mn 含量在 0.2 mg·L-1和 2 mg·L-1Pb 处理下显著提高，Ca含量除 2 mg·L-1Pb处理外，其它处理均比对照显著提高。相反，Pb处理降低了水芹菜叶片对 Zn 的吸收，但仅 0.02 mg·L-1和 0.1 mg·L-1Pb处理下Zn含量明显低于对照，其它处理与对照相比差异不显著。与 Zn不同，水芹菜叶柄 Cu、Mg、P含量在各处理与对照之间均无显著差异(P＞0.05)。Pb处理降低了水芹菜茎对Fe的吸收，仅0.2 mg·L-1和2 mg·L-1Pb处理下Fe含量明显低于对照，其它处理与对照相比差异不显著。与Fe不同，茎部P则在0.02 mg·L-1Pb处理下其含量明显低于对照，其它处理与对照相比差异不显著。除0.02 mg·L-1Pb处理下 Mn含量与对照无显著差异外，其它处理均能提高水芹菜茎对Mn的吸收(P＜0.05)。对Cu、Ca、Mg、Zn四种元素而言，Pb处理不能明显改变其含量(P＞0.05)。

表6 Pb对水芹菜营养元素含量的影响Table 6 Concentrations of nutrients in Oenanthe javanica under Pb exposure

与 Cd处理相似，在 Pb处理系列中，大多数营养元素在水芹菜不同组织中的积累情况亦为: 叶、叶柄＞茎。

2.5 水芹菜地上部Cd、Pb含量与营养元素含量的相关性

植物对 Cd、Pb吸收会影响其对其它营养元素的吸收。表7为不同营养元素与Cd、Pb之间的相关系数。对Cd而言，水芹菜叶片中Cd与Mg、Ca之间均呈极显著正相关(P＜0.01)，叶柄中 Cd与 Mg之间呈显著正相关(P＜0.05)，除此以外，与其它元素没有相关性。Pb则不同，叶片中 Pb与Cu、Zn、Fe、Mn、Ca之间呈显著或极显著正相关，叶柄中Pb与Mn呈极显著正相关，茎中Pb与Mn亦呈极显著正相关，与Zn呈显著相关，与Fe呈极显著负相关。

表7 水芹菜地上部Cd、Pb含量与各营养元素含量之间的相关性Table 7 Correlation between Cd, Pb and nutrient elements content in shoots of Oenanthe javanica

3 讨论

我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Cd和Pb的III类标准值分别为≤0.005 mg·L-1和≤0.05 mg·L-1，Ⅴ类标准值分别为≤0.01 mg·L-1和≤0.1 mg·L-1。我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)第一类污染物中总 Cd和 Pb的最高允许排放浓度为 0.01 mg·L-1和 0.1 mg·L-1。考虑到目前我国水环境污染现状严峻，许多地区地表水存在Cd、Pb超标现象且超标断面大多为劣V 类[9-11]，本次试验中，Cd 浓度范围设置为 0.01—0.2 mg·L-1，Pb浓度范围为0.02—2 mg·L-1。研究发现浓度范围内Cd、Pb处理对水芹菜未造成明显的毒害作用，水芹菜叶绿素含量与对照无显著差异，试验期间水芹菜亦未出现明显失绿症状，相反，Cd、Pb处理对其生长还具有一定的促进作用。以往许多研究表明低浓度 Cd、Pb对蔬菜生长具有一定促进作用[12-15]。Patra等把这种现象解释为低浓度重金属对植物有积极的 “刺激” 作用，但这种刺激作用受到浓度的限制[16]。

水芹菜对Cd的富集能力高于Pb，并且Cd向地上部转移的能力亦大于 Pb，这与其它许多植物相一致[17-20]。虽然Cd在水芹菜根系的富集能力远远大于地上部，当 Cd 浓度为 0.01 mg·L-1时，水芹菜地上部可食用部位的 Cd含量依然超出国家食品卫生限量标准(0.2 mg·kg-1，GB2762—2017)约 1 倍，表明环境中较低浓度的Cd即可引起水芹菜Cd超标，对人体健康构成威胁。另外，水芹菜体内的Cd累积量随培养液中Cd浓度的增加而显著增加，因此，环境中的Cd量是决定水芹菜体内Cd含量的重要因子。与Cd不同，当Pb浓度为0.2 mg·L-1时，水芹菜可食用部位的Pb含量依然在国家食品卫生限量标准以内(0.3 mg·kg-1，GB2762—2017)。总体来说，水芹菜在较大的 Cd、Pb吸收量下仍能保持良好的生长状态，说明在持续污染下，水芹菜不安全隐患在增加但又不易表现。结果表明，水芹菜不适宜种植在Cd污染水域，即便是轻微污染，也会造成可食用部位 Cd的大量积累，相反，一定浓度范围内的Pb不易引起水芹菜可食部位Pb超标。植物对环境中Cd、Pb的吸收及在植株体内的分布随不同植物种类、品种及同一品种的不同器官而不同，植株吸收的Cd、Pb大部分积累在根中，极少部分转运到地上部[20-23]，本试验也得到了类似结果，水芹菜根部Cd、Pb含量明显高于茎叶等部位，因此在有重金属污染风险的水体中不宜种植根部作为常规食用部位的植物，程斌等通过研究也得出相似的结论[24]。在自然界中，污染物很少单独存在于某一环境中，多具伴随性和综合性。肖旭峰等研究表明，Cd2+、Pb2+复合胁迫对芹菜的影响均大于Cd2+、Pb2+单一胁迫，说明二者具有协同作用[43]。王昕等发现，Cd可降低水芹根部对Pb的吸收从而减少对根的毒害，而在地上部分表现为协同作用[44]。本文研究了单一污染条件下 Cd2+、Pb2+在水芹菜中的累积，对于两者复合污染或与其他重金属多重污染对水芹菜的影响仍需要进一步研究。

作为水生植物的一种，有研究表明水芹菜对水体中的COD、N、P有去除作用[25-27]，对重金属也具有良好的吸收积累效应[23，28-29]。因此，水芹菜常用于人工湿地系统来净化水体。以往在利用生态工程治理和净化污染水体的推广应用和研究中，人们大多是利用水生植物或水培陆生植物来净化水体，达到去除污染物的目的，然而，植物残体的二次污染和资源化问题一直是影响生态工程推广应用的主要问题。近些年来，国内有关学者相继开展了利用水生经济植物净化污染水体的生态工程研究，从而实现经济效益和环境效益的“双赢”[27，30-31]。但是，把水生蔬菜作为人工湿地植物可能会存在食品安全问题，如何在保证水生植物净化水体的同时，保障水生蔬菜产品质量安全和产量等，是需要解决的一个重要问题。本研究结果表明，水芹菜不适宜种植在Cd污染水域，即便是轻微污染，也会造成可食用部位Cd的大量积累。但可考虑通过建立合理的植物套种模式，将水芹菜安排在后段，在前段选择吸收快、蓄积量高、生物量大的植物，构筑Cd吸收植物屏障，定期收割水芹菜，缩短茎叶等可食部位对Cd的吸收时间，应该可以提高水芹菜的食用安全性，有关这方面的研究可待进一步研究。

各种重金属元素在生物体内的需求量和毒性是不同的，一些重金属元素是生命正常生理代谢所必不可少的，如 Cu、Zn，若超过一定量可能对生物体产生毒害或负面影响，另外一些重金属元素，如Cd、Pb等是生命非必需微量元素，往往具有很强的生物毒性，不仅会影响植物的生长发育，也可通过食物链对人类及其他动物的健康产生影响。水芹菜叶片中 Cd与 Mg之间呈极显著正相关，叶柄中与Mg之间呈显著正相关(P＜0.05)，说明水芹菜对 Cd吸收的同时也促进了其对 Mg 的吸收，这与方晓航等对白菜的研究结果相一致[32]。Jiang等发现印度芥菜随着地上部Cd含量的增加，Mg含量也有增加的趋势[33]。不同的是，于方明等的研究结果表明Cd处理降低了小白菜对Cu、Ca、Fe、Mg的吸收[34]。对Pb处理而言，Pb加速了水芹菜地上部各组织对Mn的吸收，促进了叶片对 Cu、Zn、Fe、Ca的吸收，在促进茎对Zn吸收的同时抑制了其对Fe的吸收。陈艳芳研究发现[35]，苋菜茎叶对Pb的吸收与营养元素Ca、Fe、Mn、Zn的累积呈极显著正相关，Pb与这几种元素的吸收是协同吸收关系，这与本研究结果相一致。

本研究中值得一提的是水芹菜叶片对 Cd、Pb的吸收均能促进其对Ca的吸收。彭伟正等的研究也表明Cd可以促进黄瓜对Ca的吸收并向嫩叶和果实运转[36]。张娟研究表明高浓度 Cd对蕹菜根茎叶中Ca的转移有明显的促进作用，蕹菜中 Ca的含量也随土壤中 Cd含量的增加而增加[37]。陈艳在不同苋菜品种对重金属累积差异性研究中发现，同等外源条件下苋菜品种中可食部分吸收重金属 Cd、Pb含量与营养元素Ca存在极显著正相关关系，表明Cd、Pb的转运与 Ca存在着非常密切的关系，有必要对Cd、Pb的吸收累积过程是否通过Ca通道并且是否为主动运输做更深一步研究[38]。陈国梁等对沉水植物的研究则表明 Cd、Pb在植物体中的富集会影响其对 Ca的吸收[39]，这可能是因为沉水植物对 Cd、Pb的吸收转运机制与 Ca存在较大的差异，沉水植物对元素的吸收转运、细胞结构等方面与非沉水植物之间亦存在较大的差异[40]。Ca作为植物体内的第二信使，在细胞代谢过程中起调节作用[41]，非沉水植物在受到重金属胁迫时可能通过增加 Ca 吸收来缓解重金属对植物的毒害效应[37，42]。

4 结论

(1) Cd、Pb处理对水芹菜的生长具有一定的促进作用，Cd、Pb浓度范围内水芹菜叶绿素含量与对照基本上无显著差异。Cd、Pb在水芹菜根系的富集能力大于地上部，相比较而言，水芹菜对Cd的富集能力大于 Pb，并且 Cd向地上部转移的能力亦大于Pb。水芹菜在较大的 Cd、Pb吸收量下仍能保持良好的生长状态，表明水芹菜不适宜种植在Cd污染水域，即便是轻微污染，也会造成可食用部位Cd的大量积累，相反，一定浓度范围内的Pb不易引起水芹菜可食部位Pb超标。

(2) Cd、Pb处理影响了水芹菜营养元素的吸收。水芹菜叶片、叶柄中Cd与Mg之间呈极显著正相关或显著正相关，说明水芹菜对Cd吸收的同时也促进了其对Mg 的吸收。Pb加速了水芹菜地上部各组织对 Mn 的吸收，促进了叶片对 Cu、Zn、Fe 的吸收，在促进茎对Zn吸收的同时抑制了其对Fe的吸收。水芹菜叶片Cd和Pb与Ca之间均呈极显著正相关，表明水芹菜叶片对Cd、Pb的吸收均能促进其对Ca的吸收。