杜俊杰，李 娜，吳永寧，周啟星

（1.山西師范大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004；2.國家食品安全風險評估中心衛(wèi)生部食品安全風險評估重點實驗室，北京100021；3.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室/天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點實驗室，天津 300071）

作為人類日常飲食必需食物的蔬菜含有大量礦物質(zhì)、維生素等營養(yǎng)成分，是人體平衡膳食的重要組成成分。隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，土壤環(huán)境污染問題日趨嚴重。土壤是污染物的主要匯集地和最終歸宿，化肥和農(nóng)藥的使用以及采礦業(yè)和化工業(yè)產(chǎn)生的“三廢”等都會直接或間接地造成土壤重金屬污染[1]。蔬菜可以通過根系積累和葉片外表面吸收積累重金屬元素，其中，土壤重金屬污染是造成蔬菜中重金屬元素超標的最重要因素[2]。更為嚴重的是，重金屬元素可以通過食物鏈進入人體，并在人體內(nèi)長期積累，從而對人類的健康造成嚴重威脅[3]。

雖然有機農(nóng)業(yè)可以避開重金屬污染的土壤，但就全球而言，若不開辟新的耕地，有機農(nóng)業(yè)仍舊無法滿足人類對食物的需求[4]。我國原環(huán)境保護部和原國土資源部2014年4月發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[5]中指出我國耕地主要的重金屬污染物為鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）和鉛（Pb）等，這些重金屬不能在水中分解，一旦進入人體毒性會放大。蔬菜若長期受到重金屬污染則會對人體產(chǎn)生危害[6-7]。我國人均耕地面積短缺[8]，因此將大面積中輕度污染的農(nóng)田停止農(nóng)作，進行長期的高成本修復(fù)還不現(xiàn)實。如果無法有效地在短時間內(nèi)將重金屬從土壤中移走，同時又要避免蔬菜中的重金屬對人體造成傷害，那么篩選重金屬低積累型蔬菜進行種植就非常必要[9]。

自然界中蔬菜作物種類繁多，不同種類蔬菜對重金屬元素的吸收富集有明顯差異，即使同種蔬菜的不同品種對重金屬元素的吸收積累能力也有不同[10-11]。針對這些差異，人們可以實現(xiàn)對重金屬低積累蔬菜的篩選，并在重金屬中輕度污染的地區(qū)種植，以此保證蔬菜產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。

1 蔬菜對重金屬積累的種間差異

現(xiàn)有的大量研究分析了不同地區(qū)蔬菜中重金屬的含量，充分證實蔬菜對重金屬的積累存在種間差異，見表1。

首先，蔬菜對不同重金屬元素的富集能力不同。Hu等[12]對我國黃海沿岸120個大棚蔬菜樣品可食部分的Cd、As、Hg、Pb、Cu和Zn 6種元素的濃度測定分析后發(fā)現(xiàn)，不同蔬菜對重金屬的吸收能力有所不同，菠菜（Spinacia oleraceaL.）中 Cd、Hg、Cu、Zn含量最高；芹菜（Apium graveolensL.）中 As含量最高；番茄（Lycopersicon esculentum）中Pb含有最高，而As和Hg含量最低；在黃瓜（Cucumis sativusL.）、茄子（Solanum melongenaL.）和辣椒（Capsicum annuumL.）中，6種重金屬元素的含量都較低。Gan等[13]研究蔬菜中重金屬積累量的影響因素時發(fā)現(xiàn)，在廣西壯族自治區(qū)的相同種植條件下，葉菜類蔬菜中Zn、Cd和Pb含量明顯高于絲瓜。陳永等[10]采集南京市郊區(qū)蔬菜基地64個蔬菜樣品，檢驗后發(fā)現(xiàn)，蔬菜對Cd、Pb、As、Hg和Zn的富集能力規(guī)律表現(xiàn)為葉菜類＞根莖類＞茄果類。楊暉等[14]在云南省麗水市周邊的蔬菜基地采集了5類7種蔬菜作為研究對象，其對重金屬元素的積累結(jié)果與陳永等[10]的研究結(jié)果相似，表現(xiàn)為葉菜類＞花菜類＞根莖類＞茄果類。姚春霞等[15]對上海市浦東新區(qū)14種蔬菜中Cr、Cd、Hg和As的富集含量進行了分析，研究結(jié)果也證實了葉菜類蔬菜相比于其他蔬菜更容易積累重金屬。在眾多種蔬菜中，葉菜類在我國種植面積最廣、品種最多、消費量最大，但也最易受重金屬污染。

其次，對于同屬葉菜的不同種蔬菜，其對重金屬的積累能力也會因蔬菜種間差異等影響而不盡相同。文典[16]在研究珠三角地區(qū)葉菜類的重金屬積累特征時發(fā)現(xiàn)，青菜（Brassica chinensisL.）和菜心（Brassica parachinensisL.）對不同重金屬的吸收積累能力均表現(xiàn)為Cd＞Cr＞As＞Pb。楊慶娥等[17]研究發(fā)現(xiàn)，河北省邯鄲市周邊生產(chǎn)的大白菜（Brassica pekinensisL.）對重金屬的富集能力表現(xiàn)為Zn＞Pb＞Cu＞Cd。因此，在某種重金屬元素污染程度高的地區(qū)，應(yīng)盡量避免種植對該種元素積累能力強的蔬菜，以降低蔬菜的污染風險。

我國土壤污染狀況調(diào)查顯示，在眾多重金屬元素中，Cd的點位超標率最高為7%[5]，同時大量研究發(fā)現(xiàn)，Cd易被蔬菜所吸收，其生物毒性和化學(xué)毒性都很強，所以，全國范圍內(nèi)Cd對蔬菜的污染最為嚴重[18]。Yang等[19]通過盆栽試驗研究了28種蔬菜對Cd的積累特點，根據(jù)實驗結(jié)果歸納Cd積累量依次為葉菜類＞茄果類＞根菜類＞瓜菜類＞豆類。Yang等[20]通過盆栽試驗和田間試驗研究6種蔬菜對Cd的積累，發(fā)現(xiàn)可食部分的Cd含量表現(xiàn)為青菜＞韭菜（Allium tuberosumRottl.ex Spr.）＞胡蘿卜（Daucus carotavar.sativa DC.）＞蘿卜（Raphanus sativusL.）＞番茄＞黃瓜。歐陽喜輝等[21]分析了北京市蔬菜生產(chǎn)基地220個蔬菜樣品（包括16種蔬菜），發(fā)現(xiàn)葉菜類對Cd的吸收能力強于果菜類，其中吸收能力最強的是油菜（Brassica napusL.）。顯而易見，葉菜類蔬菜對Cd的積累能力最強。因此，在Cd污染嚴重的地區(qū)應(yīng)盡量避免葉菜類的種植；如若種植葉菜時也要著重檢測Cd對蔬菜的污染。

表1 不同種蔬菜對重金屬的積累差異Table 1 The vegetable variation in accumulation of heavy metals among species

2 蔬菜對重金屬積累的種內(nèi)差異及低積累品種的篩選

蔬菜對重金屬的積累不僅存在種間差異，同時存在種內(nèi)差異，即同種（Species）蔬菜的不同品種（Cultivars）或不同基因型（Genotypes）對重金屬的積累能力不盡相同[25]。Wang等[26]通過盆栽試驗研究了13種（共39個品種）葉菜積累重金屬的特點，所試葉菜Cd含量的種內(nèi)差異均明顯大于種間差異。有研究專門檢驗了28個萵苣（Lactuca sativaL.）品種對Cd的積累差異，所試土壤Cd濃度分別為0.129、0.352、1.253 mg·kg-1，所試品種地上部分Cd含量最大差距分別為5.2、4.8、4.8倍[27]。還有研究人員以29個莧菜（Amaranthusspp.）品種為研究對象，證明莧菜對Cd的積累特性是基因型依賴的[28]。因此，通過充分挖掘蔬菜自身的遺傳潛力，篩選出低積累重金屬的蔬菜品種，對重金屬污染土壤的蔬菜安全生產(chǎn)，保障人類健康具有重要的意義[29]。目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍認為通過篩選低積累蔬菜來降低其對重金屬的富集是可行的。依賴于蔬菜對重金屬積累能力的種內(nèi)差異，現(xiàn)已篩選出多個低積累品種，見表2。

低積累蔬菜品種（Low accumulation vegetable cultivars）是近年來才出現(xiàn)的概念，目前尚沒有統(tǒng)一的篩選標準，但有關(guān)研究都遵循一個共同的基礎(chǔ)，即該品種即便種植于污染環(huán)境中，其可食部位積累的特定污染物含量仍低于食品衛(wèi)生標準，可以滿足安全食用和消費。Yu等[30]提出“污染預(yù)防品種（Pollution-safe cultivars，PSCs）”來概括低積累蔬菜品種，并以可食部位特定污染物的含量作為篩選標準。Wang等[31]認為“Cd低 積 累 品 種（Low-Cd-accumulating cultivar，LCAC）”的篩選標準包括:（1）種植在中、輕度污染土壤，其可食部位Cd含量不得超過國家或國際的食品安全衛(wèi)生標準；（2）種植在中、輕度污染土壤，能夠耐受Cd的毒性，其地上部生物量不會下降。劉維濤等[25，32]和Zhi等[33]都認為低積累蔬菜的篩選標準應(yīng)包括4個方面:（1）可食部位特定污染物的含量低于有關(guān)標準；（2）富集系數(shù)（Bioaccumulation factor，BF）＜1；（3）轉(zhuǎn)運系數(shù)（Translocation factor，TF）＜1；（4）能夠耐受污染物的毒性，其地上部生物量不會下降。以上篩選標準的底線都在于保證食品安全，目前所有篩選到的低積累蔬菜品種都只適于輕度或中度污染的土壤，而不適于高度污染的土壤。

表2 常見的重金屬低積累蔬菜品種Table 2 The common vegetable cultivars with low heavy metal accumulation

篩選低積累蔬菜的常用方法是盆栽試驗，在潔凈土壤中人工添加重金屬標準物作為污染土壤或直接采集污染場地的土壤。Zhang等[27]通過盆栽試驗從27個芹菜（Apium graveolensL.）品種中篩選出了1個“Cd+Pb”低積累品種。Qiu等[11]從31個菜心品種中篩選得到6個Cd低積累品種。除此以外，通過盆栽試驗篩選得到的Cd低積累蔬菜還有青菜、芥藍（Brassica alboglabraL.H.Bailey）、蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）、番茄、茄子、蘿卜等[31，34-39]。雖然人為在土壤中加入重金屬標準物能夠使其濃度達到污染的狀態(tài)，但重金屬元素在自然污染場地的存在形態(tài)卻難以模擬。另外，自然環(huán)境與人工盆栽條件相比更為復(fù)雜和難以控制，盆栽試驗的結(jié)論會與野外自然環(huán)境的實驗結(jié)論有所差距，有些時候甚至會相互矛盾[25]。有研究發(fā)現(xiàn)蔬菜在盆栽試驗條件下對Cd的富集系數(shù)遠高于大田試驗。鑒于此，研究人員在盆栽試驗的基礎(chǔ)上，又結(jié)合田間試驗進行驗證篩選。例如:Liu等[32，40]通過盆栽試驗初篩，然后又選擇重金屬污染的農(nóng)田進行田間試驗，進一步驗證其低積累特性，通過此方法共篩選出3個Pb低積累大白菜品種和2個Cd低積累大白菜品種；Wang等[31]和Chen等[41]用以上方法分別從35個和50個品種中篩選得到2個和3個低積累青菜品種。

3 蔬菜不同器官對重金屬的積累差異

蔬菜的不同組織吸收積累重金屬的能力不同，所以重金屬在其不同器官的積累量也不同。重金屬離子通過土壤進入蔬菜根系后，首先在根系中積累，隨后部分離子被轉(zhuǎn)移到其他器官。由于轉(zhuǎn)運系數(shù)的不同造成蔬菜的各個器官重金屬含量的不同，一般規(guī)律為吸收器官＞輸導(dǎo)器官、同化器官＞繁殖器官[44]。袁列江等[45]采集并檢測了湘江長沙段3種葉菜（雪里紅、紅菜苔、青菜）不同器官重金屬的含量，結(jié)果證明所檢蔬菜根系中Zn、Cu、Pb和Cd的含量均高于同種蔬菜莖葉中相應(yīng)的含量。楊暉等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)，所試葉菜（油冬菜、大白菜、卷心菜）和果菜（番茄）的器官對重金屬的富集能力表現(xiàn)為根＞葉、莖＞果實；根菜類的蘿卜對重金屬的積累能力表現(xiàn)為葉＞根。王曉芳等[46]的研究結(jié)果驗證了蘿卜葉片Pb和As的平均含量是根的10倍。吳琦等[47]研究了土壤類型對蕹菜各器官積累重金屬能力的影響，結(jié)果表明，生長條件雖然可以改變蔬菜對重金屬的絕對積累量，但各器官對重金屬元素的積累規(guī)律不受影響?，F(xiàn)今隨著食品原料精深加工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對食品原料的食用方式越來越多樣化，農(nóng)產(chǎn)品食用部位也在延伸和擴展。因而在污染地區(qū)種植低積累蔬菜時，除了保證蔬菜常規(guī)食用部位重金屬含量符合食品衛(wèi)生標準外，還應(yīng)兼顧蔬菜不同器官對重金屬的富集特點，確保潛在食用部位的食用安全性，保障人體健康。

4 蔬菜對重金屬積累差異的機制

4.1 蔬菜根系對重金屬的響應(yīng)差異

植物根系是重金屬進入植物的門戶，蔬菜根系的形態(tài)和生理活性等都會影響蔬菜對重金屬的吸收[48]。研究發(fā)現(xiàn)，與高積累蔬菜品種相比，低積累品種的總根長更短、根尖數(shù)更少、細根比例（直徑＜0.2 mm）更低、根表面積和根體積都更小。這些根部形態(tài)學(xué)響應(yīng)可能對減少重金屬從根部向地上部分轉(zhuǎn)移發(fā)揮著重要作用[39，49-50]。對于土壤重金屬的暴露，作為一種防御機制，植物根系能分泌電解質(zhì)、糖類、有機酸、氨基酸、酶及其他次級代謝產(chǎn)物來改變影響重金屬的生物有效性[51]。在相同污染條件下，不同蔬菜品種根系分泌的一些小分子有機酸不同，這些有機酸可能對蔬菜的重金屬積累差異起到重要的作用。Xin等[52]研究了不同品種辣椒的根系分泌物，在相同Cd暴露條件下，與高積累品種相比，低積累品種根部分泌的酒石酸較少，草酸和乙酸卻比較多。Wang等[53]研究發(fā)現(xiàn)，Cd低積累大白菜品種根部分泌較多的檸檬酸和草酸，這有助于其根部積累較多的Cd，而地上部分積累較少的Cd。

4.2 重金屬在蔬菜體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和分配差異

與根系對重金屬的吸收相比，蔬菜可食部位積累的差異更大程度上取決于重金屬在蔬菜體內(nèi)轉(zhuǎn)運和分配的差異[54]。Bezerril Fontenele等[55]研究發(fā)現(xiàn)不同品種的豇豆（Vigna unguiculataL.Walp.）在Pb轉(zhuǎn)運、積累過程中存在差異，低積累品種在根部積累Pb較多，而高積累品種在葉部積累Pb較多。還有研究證明，不同辣椒品種果實中Cd含量的差異歸因于從根部向地上部分轉(zhuǎn)運能力和從莖葉向果實轉(zhuǎn)運能力的差異，而不是根部提取能力的差異[52，56]。

蔬菜根系吸收重金屬后通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運至莖部，再通過木質(zhì)部和韌皮部從莖部轉(zhuǎn)運至可食部位，低積累品種通過將吸收的重金屬區(qū)隔在根部，限制其轉(zhuǎn)移到地上部分[35，57]。經(jīng)研究分析，與辣椒的高積累品種相比，低積累品種根部亞細胞結(jié)構(gòu)的Cd濃度較高，莖葉部和果實亞細胞結(jié)構(gòu)的Cd濃度均較低。而且，果實部分細胞壁中的Cd和溶解態(tài)Cd的濃度均低于高積累品種[58]。Xue等[59]和Wang等[60]分別以青菜和豆瓣菜（Nasturtium officinaleL.R.Br.）為例，發(fā)現(xiàn)將Cd轉(zhuǎn)變成不溶性的磷酸鹽、果膠酸鹽或者蛋白質(zhì)復(fù)合物的形式可能是低積累蔬菜品種抑制Cd移動的重要途徑，這可能是不同品種Cd積累存在差異的重要原因。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)芥藍低積累品種的根部液泡中Cd濃度明顯高于高積累品種[34]。所以，低積累品種可以通過根部沉淀和區(qū)隔化，將根部吸收的重金屬區(qū)隔在對植物必需的細胞過程無損害或損害最小的區(qū)域，既不影響作物的正常生長，也限制了重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移[25]。

4.3 分子生物學(xué)機制

遺傳學(xué)研究表明，植物低積累重金屬的性狀具有較高的可遺傳性?，F(xiàn)階段，與植物低積累重金屬相關(guān)的基因研究主要集中于糧食作物。Dasgupta等[54]發(fā)現(xiàn)水稻（Oryza sativa）第6條染色體上有一個耐As基因AsTol，主要參與對As的低積累。也有研究發(fā)現(xiàn)磷轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達與植物對As（Ⅴ）的提取量相關(guān)[61]。Ishikawa等[62]的研究表明水稻低積累Cd的數(shù)量性狀位點（QTLs）分別位于第3、6、8條染色體上。Takahashi等[63]研究發(fā)現(xiàn)水稻金屬轉(zhuǎn)運蛋白基因（OsNRAMP1）在高積累品種根部的表達水平明顯高于低積累品種，參與根部對Cd的提取。也有研究認為Os-NRAMP5才是水稻根部提取Cd的重要參與基因[64]。水稻在根部重金屬ATP酶（OsHMA3）的參與下將提取的Cd區(qū)隔在液泡，限制其向地上部運輸[65]。

目前，專門針對蔬菜低積累重金屬相關(guān)的基因也有少部分的研究。有研究通過基因表達分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)，作為對 Pb脅迫的響應(yīng)，“CAT2”和“APX2”在豇豆低積累品種體內(nèi)高度表達，而“CAT1”、“APX1”和“APX2”在高積累品種體內(nèi)高度表達[55]。Nramp3和NRT1.8都是與Cd提取有關(guān)的基因，Wang等[66]研究發(fā)現(xiàn)，這兩個基因在大白菜高積累品種根部表達量明顯高于低積累品種。另外，Zhou等[67]通過轉(zhuǎn)錄組比較分析，研究了青菜不同品種對Cd脅迫的響應(yīng)，對于高積累品種，細胞壁生物合成反應(yīng)和谷胱甘肽（Gluta-thione，GSH）新陳代謝均參與抗Cd過程；而DNA修復(fù)反應(yīng)和脫落酸信號傳遞過程則在低積累品種抗Cd過程中起著重要作用。此外，包括“PDR8”在內(nèi)的與Cd外流相關(guān)的基因在低積累品種體內(nèi)高度表達，而包括“YSL1”在內(nèi)的參與Cd運輸?shù)幕蛟诟叻e累品種體內(nèi)高度表達。He等[68]通過差異蛋白質(zhì)組學(xué)比較研究了莧菜不同品種對Cd積累的響應(yīng)，也證明了GSH的新陳代謝在高積累品種體內(nèi)增強，促進Cd由根部向地上部轉(zhuǎn)移。但是，Liang等[69]的研究發(fā)現(xiàn)，S元素（Na2SO4）通過增加GSH和植物螯合肽（Phytochelatins，PCs）的合成降低了Cd從青菜根部向地上部的運輸。所以，Cd從蔬菜根部向地上部的轉(zhuǎn)運與GSH的關(guān)系仍有待進一步研究。

5 問題及展望

我國人均耕地面積不足，土壤重金屬污染問題又日益突顯，由此引發(fā)的蔬菜重金屬超標及其對人類食品安全威脅日趨嚴重。如何有效利用中、輕度重金屬污染土壤進行蔬菜的安全生產(chǎn)值得關(guān)注。篩選重金屬低積累蔬菜進行種植為解決以上問題提供了一條有效途徑，但該項工作目前仍存在一些不足之處，有待更深入的研究。

低積累蔬菜的概念和篩選準則尚不統(tǒng)一。首先，污染預(yù)防品種、排異植物和低積累品種等詞匯都用來表示“種植于污染環(huán)境中，其可食部位積累的特定污染物含量低于食品衛(wèi)生標準的蔬菜品種”，沒有形成統(tǒng)一的命名。其次，篩選標準不一致，有的研究只考量可食部分的重金屬含量，有的研究還考量了富集系數(shù)（BF）、轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）和耐受能力等標準。例如，所有研究都提到，“低積累蔬菜只適用于中、輕度的污染土壤種植”，“中度”和“輕度”的具體污染濃度并不確切和統(tǒng)一。Wang等[31]綜合相關(guān)文獻中我國蔬菜用地土壤Cd污染的數(shù)據(jù)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）的污染等級劃分情況，提出“輕度”Cd污染為 0.3～0.6 mg·kg-1，“中度”為0.6～1.0 mg·kg-1，超過1.0 mg·kg-1為“高度”污染。而也有研究以污染物含量超過評價標準的倍數(shù)作為劃分標準，以0.3 mg·kg-1作為Cd污染臨界值為例，“輕微”污染為0.3～0.6 mg·kg-1，“輕度”污染為 0.6～0.9 mg·kg-1，“中度”污染為 0.9～1.5 mg·kg-1，超過 1.5 mg·kg-1為“重度”污染[5]。所以，低積累蔬菜的概念和篩選準則仍需要研究人員更多的研究和探討。另外，目前研究最多的是Cd低積累蔬菜，我國耕地的As、Hg和Pb等重金屬污染均比較嚴重，針對這些污染元素的低積累蔬菜的篩選和研究工作仍然不足。

蔬菜根系和土壤環(huán)境因素的交互作用研究欠缺。蔬菜對重金屬的吸收和積累特性是基因型依賴的，但是土壤類型、土壤酸堿度、重金屬的生物有效性、土壤有機質(zhì)含量和陽離子交換量等因素也影響重金屬的積累量[13,24]。例如，不同品種的大蔥（Allium f i stulosumL.）對 Cd 和營養(yǎng)元素（P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn）的積累具有協(xié)同效應(yīng)[70]；土壤P元素顯著影響不同品種的青菜和菠菜對Cd的積累量[31，71]。但這些研究還遠不夠，其他土壤因素對蔬菜積累重金屬的影響研究仍然很少，而且，這些因素的效力不是獨立作用，也并不是簡單的加減，而應(yīng)該是具有一定作用方向的矢量，需要更加系統(tǒng)的研究。

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，土壤污染不僅面臨嚴重化，而且趨向復(fù)雜化，包括不同重金屬元素構(gòu)成的復(fù)合污染，以及重金屬和持久性有機污染物構(gòu)成的復(fù)合污染等。復(fù)合污染問題已成為土壤污染的一個主要特征和未來發(fā)展趨勢。目前，絕大多數(shù)篩選到的低積累品種只針對單一重金屬，是否能夠耐受復(fù)合污染的脅迫，對其他污染物具有低積累還是高積累的特性，都還需要更多的研究去揭示。另外，蔬菜低積累特性的機理研究仍不夠深入，例如，同一基因型蔬菜的不同部位重金屬積累量不同的原因還不明確，需要更進一步的研究。