重金属对富硒农作物的影响及防治研究现状

黄军根，王海娃，彭小强，姚豪颖叶

（1.南昌大学食品学院，南昌 330047；2.江西省质量和标准化研究院，南昌 330052）

1 简介

硒是人体必需的一种微量元素，适当摄入硒对维持身体健康、调节免疫功能、预防心血管疾病等具有重要作用[1]。39%～61%的中国居民每日膳食硒摄入量低于世界卫生组织/粮农组织推荐的硒营养摄入量（39 μg/day～61 μg/day），而缺硒会引发某些重要疾病[2]，如克山病和大骨节病。由于食用富硒农产品是补硒的重要途径之一，因此应大力发展富硒农业，推动富硒农产品生产开发。富硒农业是一种通过合理土壤管理、施用富硒肥料和种植富硒作物等措施提高农产品中硒含量的农业生产方式。科学利用富硒土壤并发展富硒农业，有利于提高农产品营养价值和质量，解决缺硒导致的各种健康问题，促进中国乡村振兴[3]。

随着我国社会经济发展及工业化水平的提高，由人类活动和工业生产引发的土壤重金属污染愈发严重。2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国约16.1%的耕地存在重金属污染。重金属污染会严重影响土壤生态价值、农业生产效益，以及随食物链循环威胁人类健康[4]，而实证研究表明富硒土壤中硒和重金属经常同时存在[5-7]。对福建大田[8]、陕西紫阳[9]和重庆江津[3]等多处典型富硒区调查研究发现，土壤硒含量与土壤重金属分布富集存在一定程度相关性；皖南某典型富硒土壤种得的水稻籽实重金属镉富集显著，镉超标率达34.88%[10]。可见，土壤硒含量丰富的同时，可能存在重金属污染问题，从而导致种植的作物重金属超标。重金属在土壤中迁移、富集与人类膳食营养安全状况密切相关，因此开展重金属对富硒农业影响及防治的研究具有重要意义。

2 重金属对富硒农作物的影响

2.1 重金属的来源和污染状况

目前，我国耕地受重金属污染情况较为严重，土壤重金属污染已成为限制国内农业经济发展的主要因素之一。根据我国土壤重金属污染问题现状，重金属污染来源[3,11]主要包括两方面：1）天然因素。重金属在自然界中广泛存在，包括地球内部的矿物、火山岩石、沉积物、大气沉降等。成土母质（土壤形成的原始物质）风化使重金属物质随着降水和地表水流动，发生物质转化、迁移，在土壤中积累。天然地质灾害也可能导致重金属污染，例如火山喷发过程中释放的大量铅、锌、铜等金属元素落到土壤和水体中会造成重金属污染。2）人为因素。火电、钢铁、水泥、建材等行业的高耗能工业活动（如燃烧化石燃料），会导致大量飞灰进入空气，并经大气沉降污染土壤；机械制造、化工、纺织行业的工业活动会产生锌和锑的重金属污染；交通运输业中的尾气排放会使铅污染加重；农业生产活动中施用含有镉的农药和不合理施用化肥，都会导致土壤镉的污染等。

大量研究表明，富硒土壤中重金属含量与硒存在显著或极显著相关性。中国富硒地区有湖北恩施、陕西安康、重庆江津、江西丰城、安徽贵池等，通过分析不同富硒地区土壤中硒和重金属的含量（见表1），依据 GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中农用地土壤污染风险筛选值的较严格项，发现湖北恩施、陕西安康、安徽贵池的镉元素含量高于该标准，说明这三地都存在镉污染情况，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，采取安全利用措施。

表1 不同富硒地区重金属污染状况

湖北恩施地区重金属镉、砷、铅、铬元素含量均值均超过当地背景值（0.34 mg/kg、11.16 mg/kg、28.96 mg/kg、87.6 mg/kg），对土壤存在潜在危害，其中重金属镉均值含量甚至达到了背景值的3.24 倍，说明镉污染严重[12]。陕西安康地区土壤中镉、汞的平均含量分别是当地土壤背景值（0.094 mg/kg、0.030 mg/kg）的4.15 倍和1.9 倍，且采样点点位超标率分别达到74%和73.5%，表明该地土壤存在重金属镉、汞污染[14]。

2.2 重金属对植物吸收硒的影响

从富硒地区重金属污染状况分析中发现，多数地区土壤的镉含量超标，重金属镉污染严重。而镉在土壤中主要以易被植物吸收的水溶态和离子态存在[20]，随镉浓度升高会显著抑制植物的生长、生理活动及其形态[21-22]。适量施硒能有效增加水稻籽粒中硒的积累，并能显著降低稻粒中镉的浓度[23]。盆栽实验发现，当土壤中硒的浓度在2.5 mg/kg 时，硒会抑制萝卜对镉的吸收，而当土壤硒浓度≥10 mg/kg 时，镉会抑制萝卜对硒的吸收[24]。此外，硒对部分重金属的影响有所不同，例如低外源硒浓度对黄精吸收汞表现协同作用，对黄精吸收砷、铅、镉表现为一定拮抗作用，但高外源硒浓度则正好相反；同时拮抗作用随浓度增高而增强，但达到一定硒浓度后黄精吸收硒能力下降而其重金属含量增加[25]。因此，通过施硒治理土壤重金属污染时，要明确特定硒浓度是否对某些重金属存在拮抗作用而对其他重金属表现为协同作用。

2.3 重金属对人体健康的影响

2.3.1 过量重金属对人体健康的危害

重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属，包括铜、铁、汞、铅、镉、铬等。其中部分元素属于人体必需微量元素，人体缺乏微量元素会威胁身体健康，而人体摄入过量必需元素也会对身体健康产生危害。过量重金属大多会对人体生物酶产生抑制作用，改变正常生物化学反应，造成人类生殖障碍、影响胚胎正常发育，以及威胁儿童和成人健康。无论是有益或有害的物质，人体对其摄入量都有一个耐受值，摄入量超过耐受值时会对身体健康造成严重威胁。

（1）镉的危害：镉主要通过空气吸入和胃肠吸收进人体内，通过生物放大和生物积累作用，会对肾脏、骨骼、生殖系统产生毒害损伤，并可影响儿童生长发育和智力发育，且有明显的致癌性[26]。

（2）汞的危害：汞污染对人体健康的影响可分为无机汞和有机汞两方面[27]。无机汞暴露可能导致肺损伤、肾脏损伤以及神经和心理异常，这些症状在停止暴露后是可逆的；有机汞主要造成人体神经毒性和肾脏损伤，引起末梢感觉错乱、视野收缩、运动性共济失调、听觉错乱等症状[28]，易在体内积留造成不可逆伤害。

（3）铅的危害：人体铅中毒的症状有贫血、烦躁、头痛、腹痛，以及记忆力和理解能力下降、反应时间延长等与神经系统相关的各种症状，例如铅脑病可能造成永久性病变[27]。孕妇容易受到铅的影响，过量接触铅会引起流产、死胎、畸胎等异常妊娠[29]。

（4）砷的危害：无机砷有剧毒[30]，人体大量摄入会使胃肠道、心血管和中枢神经系统严重紊乱，轻者出现溶血、肝肿大、黑色病变、多发性神经病和脑病，症状严重者甚至会导致死亡[27]。

（5）其他重金属的危害：铜、钒及其他重金属是导致人类生殖障碍的重要因素之一[29]。铜对精子有相对性毒害，在子宫中会干扰精子移动和受精卵着床，还会抑制子宫内膜细胞中酶活性影响生殖过程、干扰内膜细胞对其他微量元素的吸收和代谢。钒及其化合物会引起男性的性腺毒性而影响生殖能力[31]。

2.3.2 富硒作物中硒和重金属含量及安全性评价

通过对不同富硒地区土壤重金属含量情况的研究[3,12-18]，可知多数富硒地区的镉污染较为明显。根据GB/T 22499—2008《富硒稻谷》，大米中硒含量在0.04 mg/kg～0.30 mg/kg 之间的稻谷为富硒稻谷；根据GB 2762—2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》，稻米中镉的限量为0.2 mg/kg。对川南某地富硒稻米中重金属元素分析发现[32]，研究区稻米硒含量为0.059 mg/kg～0.248 mg/kg，所有样品均符合富硒稻谷的标准，但镉含量为0.062 mg/kg～0.440 mg/kg，54%的样品镉含量超过GB 2762—2022 限量要求。由于食物中缺锌会提高镉摄入量[33]，对镉进行安全性评价时还应关注Cd/Zn指标（食品健康临界值Cd/Zn=0.015）。研究区样品Cd/Zn 为0.000～0.016，其中22%的样品超过临界值，明显高于国内市场超标率10%，说明研究区稻米镉污染较严重[32]。镉超标大米流入市场会严重威胁食品安全，消费者不慎食用会对身体造成伤害甚至导致不可逆的肾损伤，各地应充分重视镉污染的潜在危害及其防治。

2.3.3 土壤及作物重金属安全风险评价方法

（1）土壤重金属综合风险评价

根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》及相关规定，并结合食用农产品协同检测结果，对土壤环境质量等级与综合风险程度进行划定，详见表2。

表2 土壤环境质量等级划分与风险评价

（2）作物重金属安全性评价

作物超标系数（Ri）可以反应作物中单因子污染物含量超标程度，其计算公式为：

其中Ri——作物元素超标系数；Ccropi——作物重金属含量；Cstdi——作物重金属限量值（参照GB 2762——2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》）。

根据Ri 的检测与计算结果，对作物质量等级及风险程度进行划分，详见表3。

表3 作物质量等级划分及风险评价[34]

（3）土壤重金属潜在生态风险评价

科学家通过沉积学原理提出了评价重金属污染和生态风险的方法[35]，即可采用潜在风险危害指数来评价土壤重金属潜在生态风险，其计算公式为：

其中RI——重金属综合潜在生态风险指数；Eri——土壤中单一重金属i 元素潜在生态危害指数；——土壤中重金属元素i 的毒性系数（镉、砷、铅、铬、铜、镍和锌相应的毒性系数分别为30、10、5、2、5、5 和1[36]）；Bi——重金属元素i 的评价标准（土壤背景值或GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中农用地土壤污染风险筛选值的较严格项）；Ci——土壤中重金属元素i 的实测含量。

土壤重金属潜在生态风险评价标准[37]，详见表4。

表4 土壤重金属潜在生态风险评价

3 防治土壤重金属污染措施

富硒土壤中铅、镉、汞、铬、铜等重金属元素浓度过高时会对土壤质量、生态环境和人体健康等方面产生严重不良影响，而土壤pH、土壤氧化还原电位、土壤有机质、土壤微生物等情况则会影响土壤重金属存在形态和有效性[38]。土壤pH 是影响土壤硒和镉有效性的重要因素之一，在一定pH 范围内，随着土壤pH 提高，土壤硒的有效性增加，而重金属镉的有效性降低[38]。在氧化条件下，硒常以硒酸盐形式存在，其有效性提高，而还原状态时硒则以硒化物、亚硒酸盐形态为主，其有效性降低[39-40]。土壤可溶态硒含量随有机质和黏粒含量增加而增大，土壤有机质对可交换态硒、有机态硒、残渣态硒含量均有积极作用[41]。有些土壤微生物具有产生挥发性硒，降解根际有机硒，以及还原亚硒酸产生元素硒等功能，可改变土壤硒的形态和浓度，还有些微生物本身吸收、代谢重金属，可减少土壤中重金属有效性和含量[38,42]。因此，可根据富硒土壤实际情况，采取一些有效措施防治土壤重金属污染。

3.1 农艺管理

农艺管理是指在农业生产中，通过科学管理措施，调节土壤、水分、养分等条件，提高作物生长发育和产量过程。

3.1.1 土壤改良剂

新型土壤改良剂（贝化石、木屑、鸡粪等）[43]、纳米沸石及其组配改良剂[44]、乙酸-蛋壳改性硅藻土[45]、复配土壤改良剂（聚丙烯酰胺、海泡石、堆肥污泥等）[46]等能降低土壤重金属有效性、调节土壤pH 值、增强土壤微生物活性、提高土壤有机质含量。将其应用于富硒土壤，能起到促进植物健康生长、防治重金属污染的作用。

3.1.2 水分管理

水分管理是指通过合理的灌溉、排水、保水等措施，调节土壤水分状况，促进植物生长和发育，降低重金属污染物在土壤中的有效性和迁移风险，促进土壤重金属的迁移和转化，从而实现重金属污染土壤修复。水分管理方式可通过多种机制对土壤硒施加影响，如使用含硒的灌溉水，增加土壤硒的积累；改变土壤理化性质（如pH 值），影响硒的有效性等[40]。

3.2 生物修复

生物修复是指利用微生物、植物、动物等生物体，通过种植、喂养、加入等方式，利用它们的吸附、富集、转化和降解能力，修复土壤重金属污染的一种方法。将其应用在富硒地区，能在一定程度上修复存在重金属污染的土壤。

3.2.1 微生物修复

土壤中的真菌、细菌和放线菌等能通过生物代谢改变土壤中重金属的形态，降低重金属毒性[47]。真菌中丛生菌根真菌、黑曲霉、类酵母、木霉属、出芽短梗霉、球囊霉、腐木真菌、树脂枝孢与青霉属等可以吸附土壤中重金属离子，细菌中链霉菌、芽孢杆菌、球菌、恶臭假单胞菌与弗兰克氏菌等能够修复土壤重金属污染[48-49]。

3.2.2 植物修复

植物修复技术是利用植物在生长周期内参与一系列吸收、挥发、降解等作用来减少土壤中有害有毒物浓度的方法[50]。蜈蚣草、东南景天、菊花、甜高粱、大豆、竹类植物、黑麦草、向日葵、油菜等对不同重金属有不同程度的富集作用，不同植物的优势也各有不同，采用植物修复重金属土壤污染时应综合考虑各方面因素，因地制宜选择适宜植物[51]。因此，通过富硒土壤生产富硒作物时，应根据土壤情况、不同作物对重金属元素和硒元素富集能力情况等选择适宜品种，以便于生产符合食品安全要求的农作物产品。

3.3 转基因方法

转基因方法是指通过转基因技术将特定的外源基因转入到植物中，使其能够更有效地吸收土壤重金属，或者降低对重金属的敏感性，从而减少或清除土壤中重金属的基因转移技术。常见的转基因植物有水稻、玉米、大豆等。MerA 和MerB 是参与细菌对汞离子解毒过程的两个基因，拟南芥、烟草、杨树、水稻、东方三叶杨等植物物种已经用这些基因进行了转化[52-54]。OsABCC1 是水稻中一个ABC 转运蛋白基因，编码的蛋白质是一种离子转运蛋白，能够从细胞内向细胞外或细胞外向细胞内转运多种物质（如重金属离子、药物、有机物等）[55]。qLCdG11 是水稻中的一个抗镉基因，能够降低水稻对镉的吸收和积累[56]。利用转基因技术，研发具有强富硒能力和强重金属抗性的富硒作物品种，可有效促进富硒农业发展。

4 结论和展望

如前文所述，已知中国大多数居民膳食普遍缺乏人体必需微量元素硒，缺硒会危害人体健康，食用富硒农产品是有效的补硒方法，利用富硒土壤资源发展富硒农业是生产富硒农产品的主要途径之一，但富硒土壤很可能存在重金属污染风险，土壤重金属可通过植物进入食物链，进而威胁人类健康。目前，关于重金属对富硒农作物及人体健康影响的研究已取得一定进展，陆续研发出了土壤及作物重金属安全风险评价方法、防治土壤重金属污染措施等，这为改善富硒土壤污染、促进富硒农业健康发展提供了一定的理论依据，有助于生产符合食品安全规范的富硒农产品，保障消费者膳食安全。