周曉妤，龔玉蓮，曾碧健，謝 婕，張玉華，林采玲，陳梓桐，甘苑嫻，黃麗莎

(廣東第二師范學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，廣東 廣州 510303)

1 引言

2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》公布全國(guó)土壤總的超標(biāo)率達(dá) 16.1%，主要為重金屬等無(wú)機(jī)污染，高達(dá)82.8%[1]。土壤是蔬菜吸收積累重金屬的重要來(lái)源[2]。利用生物方法降低土壤重金屬含量以及篩選重金屬低積累植物保障食品安全的研究備受關(guān)注[3，4]。

十字花科植物種類(lèi)多樣，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，是蔬菜類(lèi)中的一大類(lèi)[5]。芥菜(Brassicajuncea(L.)Czernet Coss)是十字花科(Cryuciferac)蕓苔屬(Brassica)的一年生草本植物，其根莖葉均可食用。芥菜種類(lèi)眾多，根可做成榨菜，葉和莖可做蔬菜食用，其中葉用芥菜食用最廣泛[6]。研究發(fā)現(xiàn)芥菜吸收積累重金屬的能力較強(qiáng)，其中印度芥菜最強(qiáng)[7]。因此研究芥菜吸收積累重金屬，對(duì)控制重金屬對(duì)芥菜的危害、利用芥菜降低土壤重金屬含量均具有重要意義。本文就近年來(lái)芥菜吸收積累土壤重金屬的研究進(jìn)行綜述。

2 芥菜對(duì)重金屬的吸收積累特性

2.1 芥菜不同品種吸收積累重金屬的特性

不同種或品種的植物吸收積累重金屬存在差異[8]。表1列出了19個(gè)芥菜品種吸收積累Cd的情況，結(jié)果顯示不同芥菜品種吸收積累Cd存在差異。比較地上部Cd含量可見(jiàn)，19個(gè)芥菜品種均大于0.2 mg/kg(國(guó)家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn))，其中印度芥菜品種超標(biāo)高達(dá)幾十倍；比較地下部Cd含量可見(jiàn)，除了四季甜客家芥、特選大坪埔大肉包心芥菜、優(yōu)選益豐芥菜、嫩香白皮棒菜外，芥菜品種均大于0.1mg/kg(國(guó)家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn))，其中印度芥菜品種超標(biāo)高達(dá)幾十倍以上。比較Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可見(jiàn)，19個(gè)芥菜品種中特大寬邦全包青菜、特選大葉芥菜、扁哈大肉芥和全部印度芥菜品種均小于1.00，其余9個(gè)芥菜品種均大于1.00。不同品種芥菜的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異較大。印度芥菜品種總體上吸收積累Cd較多，屬于Cd超積累植物[9～12]。

表2列出了10個(gè)芥菜品種對(duì)Zn的吸收積累情況，比較地上部Zn含量可見(jiàn)3個(gè)芥菜品種均小于20 mg/kg(國(guó)家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn))，印度芥菜品種均大于20 mg/kg；比較地下部Zn含量可見(jiàn)3個(gè)芥菜品種均小于20 mg/kg，印度芥菜品種均大于20 mg/kg。上述10個(gè)芥菜品種不屬于Zn超積累植物[13]。

2.2 芥菜不同部位吸收積累土壤重金屬的差異

植物體的不同部位吸收積累重金屬存在差異[14]。

(1)地上部位對(duì)重金屬的積累低于根部。楊卓等[9]發(fā)現(xiàn) 7個(gè)不同品種印度芥菜對(duì)Cd、Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1.00(表1)。郭艷杰[15]研究發(fā)現(xiàn)7個(gè)不同濃度處理下印度芥菜對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1.00。鄒素敏[8]報(bào)道扁哈大肉芥菜和水東燈籠甜脆芥菜對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.0546、0.0445。郭瞻宇等[11]發(fā)現(xiàn)包心芥菜、抗熱四季OK客家甜芥和特選大葉芥菜對(duì)Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1.00(表1)。

(2)地上部位對(duì)重金屬的積累高于根部。陳院華等[10]研究的9個(gè)芥菜品種，除了特大寬邦全包青以外，對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1.00，最高為四季甜客家芥，達(dá)9.34(表1)。研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜對(duì)Cs的吸收積累與Cs質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，且地上部位吸收積累Cs比根部多。在現(xiàn)蕾期，當(dāng)Cs濃度達(dá)到25mg/kg時(shí)，Cs的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為63.03；當(dāng)Cs濃度達(dá)到100 mg/kg時(shí)，Cs的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到最高，為151.78[16]。

2.3 芥菜吸收積累不同重金屬的特性

芥菜吸收積累不同重金屬的特性存在差異。

(1)多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)芥菜吸收積累Cd 的能力最強(qiáng)，其次是Zn、Cu、Ni、Cr，最低為 Pb[17]。何江華等[18]研究發(fā)現(xiàn)，芥菜Cd 的富集系數(shù)為0.1343，Cr的富集系數(shù)為0.0011，Pb的富集系數(shù)為0.0016?？苁總サ萚12]研究發(fā)現(xiàn)，扁哈大肉芥Cd 的富集系數(shù)為2.56，Cu的富集系數(shù)為0.312，Pb的富集系數(shù)為0.184。而康紅等[7]研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜Cd 的富集系數(shù)為4.606，Zn的富集系數(shù)為2.660；Pb的富集系數(shù)為0.819。

表1 不同芥菜品種對(duì)Cd的吸收積累

表2 不同芥菜品種對(duì)Zn的吸收積累

(2)芥菜吸收積累重金屬受到重金屬濃度的影響。張騰等[19]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cd質(zhì)量濃度為50μmol/L，芥菜Cd含量達(dá)到 308.2μg/g；當(dāng)Cd質(zhì)量濃度為100μmol/L，芥菜Cd含量達(dá)到 681.4μg/g?？导t等[7]研究印度芥菜對(duì)Pb、Zn、Cd吸收積累情況，發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)應(yīng)重金屬濃度升高，Pb、Zn、Cd均對(duì)相應(yīng)重金屬吸收積累也增加。且地下部位增加趨勢(shì)最明顯。楊俊等[20]研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜吸收積累Pb 、As與Pb 、As質(zhì)量濃度呈倒U型，當(dāng)Pb 濃度為1600mg/kg，As濃度為200 mg/kg時(shí)，對(duì)Pb 、As的吸收積累達(dá)到最高值。

3 芥菜吸收積累重金屬的機(jī)理研究

3.1 吸收轉(zhuǎn)運(yùn)生理機(jī)制

植物吸收重金屬有兩種途徑。一是通過(guò)植物葉片吸收累積大氣環(huán)境中的重金屬氣溶膠[21]；二是植物根部吸收重金屬可通過(guò)非共質(zhì)體(質(zhì)外體)和共質(zhì)體途徑[22]，接著將重金屬由木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到導(dǎo)管再到莖葉。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白影響金屬離子向木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而導(dǎo)致莖葉部和根部的重金屬分布情況不同[23]。鄒素敏[8]研究?jī)煞N不同Cd積累品種的根部和地上部吸收轉(zhuǎn)運(yùn)情況，發(fā)現(xiàn)水東燈籠甜脆芥可利用根部細(xì)胞壁來(lái)吸附、固定Cd，以減少根部Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)；此外根部分泌物3(甲基-2-氧丁酸的減少，可減少根部Cd的吸收，從而達(dá)到降低根部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的可能性。

3.2 酶歧化反應(yīng)機(jī)理

超氧化物歧化酶(SOD)是一種存在生物體內(nèi)的抗氧化金屬酶，能夠催化超氧陰離子自由基歧化生成氧和過(guò)氧化氫，在機(jī)體氧化與抗氧化平衡中產(chǎn)生影響[24]。郭瞻宇等[11]研究發(fā)現(xiàn)包心芥菜地上部和根部Cd 含量是特選大葉芥菜的3.1倍和2.5倍(表1)。特選大葉芥菜低于包心芥菜SOD活性。體內(nèi)活性氧自由基能通過(guò)細(xì)胞膜膜脂過(guò)氧化作用來(lái)影響細(xì)胞膜的完整性，SOD能降低其損害作用進(jìn)而增強(qiáng)吸收重金屬。這樣的植物在降低土壤重金屬含量中具有應(yīng)用前景。

3.3 分子機(jī)理

植物對(duì)Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和固定過(guò)程受到多種重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)家族基因相互作用。重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)家族基因表達(dá)后可啟動(dòng)有害重金屬轉(zhuǎn)移到液泡內(nèi)被消化或者排出細(xì)胞外起到保護(hù)作用，目前已發(fā)現(xiàn)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)家族基因有ABC型轉(zhuǎn)運(yùn)器(AYP-Binding Cassette)、NRAMP家族(Natural Resistance-Associated Macrophage Proteins)、P型ATP酶、ZIP家族(Zinc and Iron Regulted Franspoeter Proteins)和CAX轉(zhuǎn)運(yùn)器(H+/cationexchanger)等[25,26]。黃婷等[27]通過(guò)對(duì)芥菜轉(zhuǎn)錄組基因測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)根和葉中均存在基因表達(dá)，但基因表達(dá)豐富度不同。其中信號(hào)傳遞機(jī)制中基因表達(dá)最多，而增強(qiáng)基因表達(dá)的基因較少。郎明林等[28]利用反Northern，mRNA差異顯示技術(shù)研究印度芥菜耐性分子機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)6個(gè)功能域明確的重金屬脅迫特異表達(dá)或增強(qiáng)表達(dá)的基因，它們分別歸屬于 ARnA / RD家族、Ras家族、No家族、 Hydorl家族，即dh-C家族、Transposa se-22家族和1個(gè)CH3激素響應(yīng)的啟動(dòng)。這些不同家族的眾多基因在重金屬脅迫下如何調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)完成芥菜吸收重金屬的相關(guān)機(jī)理有待深入研究。

3.4 根際機(jī)理

羅春玲[29]發(fā)現(xiàn)芥菜根系內(nèi)皮層細(xì)胞及中柱細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性受到重金屬濃度影響，過(guò)量的Pb處理對(duì)芥菜根系伸長(zhǎng)具有抑制作用。印度芥菜根系自身能夠釋放質(zhì)子和有機(jī)酸，導(dǎo)致根際酸化，pH值降低，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)[30,31]。袁金瑋等[32]報(bào)道土壤中的微生物具有分泌 IAA、ACC 脫氨酶、溶磷、固氮、解鉀和產(chǎn)鐵載體等能力，可影響植物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因而引起污染土壤中重金屬的遷移與釋放的改變。吳勝春等[33]研究發(fā)現(xiàn)在土壤中添加Zn時(shí)，印度芥菜土壤中微生物數(shù)量改變不明顯，當(dāng)再添加Cd時(shí)土壤中細(xì)菌數(shù)量明顯下降；而單加Cu時(shí)，土壤中細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。Cd導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量下降的原因可能在于Cd抑制微生物利用生物量氮從而影響細(xì)菌的新陳代謝[34]。安鳳秋[35]認(rèn)為過(guò)氧化氫酶的活性和微生物的生長(zhǎng)繁殖受到重金屬濃度高低的影響，從而導(dǎo)致微生物數(shù)量發(fā)生改變。

4 添加劑對(duì)芥菜積累重金屬的影響

施加外源添加劑可影響芥菜吸收積累重金屬，這對(duì)進(jìn)一步強(qiáng)化超富集型芥菜的重金屬去除效率，以及進(jìn)一步降低食用型芥菜吸收積累重金屬都具有重要的意義。

4.1 肥料

李轉(zhuǎn)玲等[36]研究發(fā)現(xiàn)水肥可使芥菜的生物量、Cd質(zhì)量比、根部Cd含量和地上部Cd含量均升高，Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)隨肥料增加而下降，但并不顯著。而倘若增加灌水，則肥料對(duì)芥菜吸收Cd的影響有所增加。原因在于肥料可改變土壤酸堿性質(zhì)而增加土壤重金屬有效態(tài)轉(zhuǎn)變。另外，根部吸收重金屬、地上部轉(zhuǎn)移和積累重金屬受到抗氧化系統(tǒng)影響，而增加灌溉頻率能增強(qiáng)該系統(tǒng)功能[37]。毛曉月[37]報(bào)道芥菜吸收Pb、Cd、Cr、As 4種重金屬受到沼液質(zhì)量濃度的影響，在沼液施用范圍91667～108333kg/Am2時(shí)，達(dá)到最低值。其作用主要是通過(guò)改變土壤酸堿性質(zhì)而降低土壤重金屬有效態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而降低對(duì)重金屬吸收[38]。

4.2 生物表面活性劑

芥菜吸收積累重金屬可受到生物表面活性劑的影響。呂華[39]研究發(fā)現(xiàn)芥菜地上部、地下部和籽實(shí)Cd 和Pb 含量均隨著表面活性劑鼠李糖脂和皂角苷濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在芥菜體內(nèi)根部最多，其次為地上部、籽實(shí)。地上部吸收Cd 和 Pb明顯少于地下部。重金屬交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)受到生物表面活性劑影響，金屬離子可以與生物表面活性劑皂角苷發(fā)生絡(luò)合發(fā)應(yīng)或通過(guò)與其他金屬的架橋作用而使其更易轉(zhuǎn)移到皂角苷溶液相中，從而使重金屬的可交換態(tài)減少，促進(jìn)芥菜吸收積累重金屬[40,41]。

4.3 螯合劑

祝方[42]、陳立[43]等研究發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)螯合劑影響芥菜型油菜吸收積累土壤Cd的能力。EDTA施用量為3 mmol/kg時(shí)，去除效果最好，達(dá)74.5%，原因在于重金屬可交換態(tài)數(shù)量最多而有利吸收。因此，在強(qiáng)化芥菜型油菜吸收積累土壤Cd上具有應(yīng)用前景。而EDDS和OA對(duì)Cd形態(tài)分布的影響差異不明顯。植物吸收積累重金屬受到螯合劑影響。主要原因分為兩個(gè)方面：一是螯合劑能提高土壤酸性，改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)植物根系吸收重金屬。二是螯合劑能與重金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使重金屬轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)，改變重金屬的化學(xué)形態(tài)，增加土壤重金屬有效態(tài)的含量，增強(qiáng)植物根系對(duì)重金屬的吸收與遷移率[44，45]。

4.4 根際微生物

重金屬在根際中的分布、吸收機(jī)制和生物有效性受到根際微生物和植物根系相互作用的影響，進(jìn)而促進(jìn)或抑制植物吸收和積累重金屬[46]。

楊榕等[47]研究發(fā)現(xiàn)添加膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillus)能夠顯著提高印度芥菜地上、地下部Cd含量。王濤[48]等發(fā)現(xiàn)經(jīng)聚多曲霉菌(Aspergillus sydowii)處理后的芥菜，其地上部吸收Cd含量與Cd質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。一般情況下，通常土壤中重金屬元素存在不同化學(xué)形態(tài)，而重金屬元素只有轉(zhuǎn)化成有效態(tài)才能夠被植物吸收。一些微生物通過(guò)影響土壤酸堿度來(lái)增加土壤重金屬有效態(tài)含量，從而提高植物吸收積累重金屬[49]。

4.5 磷與Cd拮抗作用

劉亮[50]研究發(fā)現(xiàn)，未施加磷時(shí)，小葉芥菜對(duì)Cd吸收積累隨著Cd質(zhì)量濃度升高而增加；施加磷處理時(shí)，顯著降低了小葉芥菜對(duì)Cd的吸收，且當(dāng)磷含量為50 mg/kg時(shí)吸收積累達(dá)到最低量。這是因?yàn)橥寥乐蠧d有效態(tài)的含量隨磷增加而降低，導(dǎo)致磷與Cd之間產(chǎn)生拮抗作用。當(dāng)磷添加到一定量時(shí)可與Cd產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成磷酸根鹽等[51]，進(jìn)而抑制小葉芥菜對(duì)土壤中有效態(tài)重金屬吸收，從而導(dǎo)致植物對(duì)Cd的吸收量顯著降低。這對(duì)降低芥菜吸收積累Cd具有應(yīng)用價(jià)值。

4.6 硅鈰復(fù)合溶膠

植物對(duì)Cd 、As的吸收積累可受葉面噴硅技術(shù)影響。劉傳平等[52]研究發(fā)現(xiàn)將硅、鈰以及硅鈰復(fù)合溶膠分別噴灑在水東芥菜葉面，3種處理均降低了地上部吸收積累Cd、As、Pb、Cr、Hg；其中對(duì)Cd、As、Pb的降低達(dá)到顯著水平。葉面噴硅鈰復(fù)合處理降低效果最佳。Cd由根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)受到細(xì)胞壁的阻擾進(jìn)而抑制Cd吸收積累。植物吸收無(wú)機(jī)離子具有選擇性。噴硅鈰抑制植物對(duì)As吸收。同時(shí)，植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)As需要通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)進(jìn)行，Si的噴施也可影響As的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程[53，54]。該技術(shù)不僅降低了水東芥菜吸收積累Cd、As、Pb等重金屬，也明顯提高了水東芥菜的品質(zhì)，因此具有一定的應(yīng)用前景。