采矿、冶炼、铅蓄电池等行业的工业化进程不断加快以及生活污水用于灌溉农田导致土壤受到严重的重金属污染, 据2014年4月17日中华人民共和国生态环境部和自然资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示, 镉(cadmium, Cd)超标达7.0%, 位居所有污染物的首位^[1]。土壤Cd污染导致农作物Cd超标, 其中蔬菜受重金属Cd污染的情况日益严重。蔬菜主要包含矿物质、维生素、蛋白质、粗纤维等营养物质, 是人类不可或缺的食物, 并具有巨大的经济效益。城市郊区是工业“三废”和城市垃圾处理的集中地点, 也是大多数蔬菜生产基地的选址, 因此蔬菜中Cd含量极易超标。Cd含量超标一方面导致蔬菜生长发育受抑制, 产量和品质下降; 另一方面Cd污染的蔬菜通过食物链进入人体, 经过一段时间的积累会对人体造成慢性损伤。本文通过蔬菜重金属Cd污染来源、蔬菜Cd安全阈值、蔬菜Cd富集规律、Cd对蔬菜生长发育的影响以及常见的蔬菜种植地Cd修复措施等方面综述我国蔬菜重金属Cd的污染现状, 阐述新型的蔬菜种植地Cd污染修复措施——蔬菜Cd生理阻隔剂, 旨在为进一步探究蔬菜Cd胁迫的分子机制以及解决蔬菜Cd污染问题提供理论依据。

1 蔬菜重金属Cd污染的现状 1.1 蔬菜中重金属Cd的来源

土壤中的Cd主要来源于矿业的无序开采、污水灌溉以及塑料薄膜的老化分解。由于粗放的采矿模式, 矿山周边农田的土壤会受到Cd污染, 因此这些地方的农作物中Cd含量很容易超过国家食品安全标准; 同时, 由于我国水资源相对匮乏, 城市污水已经成为农田灌溉的重要水源之一, 甚至部分污水未经专业处理就直接用于农田灌溉, 导致污水中的Cd在土壤中的积累越来越多。有研究表明, 龙口市污水灌溉区农田土壤中有明显的Cd富集情况, 均值是当地背景值的3.06倍, 属于重度污染^[2]。此外, 有机肥的大量施用也导致土壤中Cd积累, 黄绍文等^[3]对全国20个省市126份商品有机肥样品的重金属含量进行测定, 结果表明各种有机肥中Cd的超标率最高, 达到20%。随着设施农业的兴起, 塑料薄膜的使用越来越多, 而塑料薄膜在加工过程中采用的热稳定剂均是Cd或Pb的化合物。随着使用时间的推移, 塑料薄膜的老化分解速度加快, 导致土壤中富集更多的Cd, 并最终转移到蔬菜中^[4]。

近年来, 我国多数城市已系统调查蔬菜种植地土壤及蔬菜中的Cd污染情况, 结果表明我国多数城市蔬菜种植地都已受到一定程度的Cd污染^[5]。对南昌市县区3个主要蔬菜基地的土壤重金属含量进行分析表明, 蔬菜基地土壤中Cd平均含量均高于江西省土壤背景值, 存在明显的Cd累积现象^[5]。对北京市房山区市场上茄果类蔬菜调查发现, 有93.56%茄果类蔬菜样本检测出Cd, 其中207个样品中有2个样品的Cd含量超过国家标准, 超标率为0.97%^[6]。对上海市郊8个露天栽培菜地的小白菜进行重金属含量分析, 结果发现Cd平均含量为0.60 mg·kg^-1, 所有采集点小白菜的可食部Cd含量都超过国家食品安全限值^[7]。对山东省不同城市的61个设施蔬菜基地土壤进行取样调查发现, 受Cd污染的比例是38.81%, 13.1%的样品中Cd含量高于中国农业行业标准, 蔬菜存在Cd污染的风险^[8]。

蔬菜可以通过叶片从空气中吸收Cd, 因此大气沉降也是造成蔬菜Cd超标的原因。有研究表明, 大气沉降对天津城郊蔬菜基地种植的蔬菜中Cd的贡献率达到33.7%^[9]。

1.2 蔬菜和蔬菜种植地中Cd污染安全阈值

蔬菜和蔬菜种植地Cd污染阈值是保障蔬菜产品安全的参考标准, 即蔬菜及蔬菜种植地中Cd卫生标准限值, 为保护蔬菜种植环境和控制蔬菜中Cd的含量提供依据。国家食品卫生标准《食品中污染物限量:GB 2672—2017》中规定:叶菜类蔬菜Cd食品卫生标准限值为0.2 mg·kg^-1, 根茎类蔬菜Cd食品卫生标准限值为0.1 mg·kg^-1, 茄果类蔬菜Cd食品卫生标准限值为0.05 mg·kg^-1[10]。

蔬菜种植地土壤中的Cd安全阈值保障种植蔬菜产品的质量与安全, 是防范土壤引起蔬菜Cd污染的浓度限值。同类型蔬菜在不同pH值的土壤环境中会出现不同的Cd安全阈值, 阈值越大, 则表明该蔬菜对于种植土壤环境中Cd含量的要求不高; 反之, 阈值越小则要求越高(表 1)。2006年, 国家菜地土壤质量标准(HJ 333—2006)就指出pH＜6.5或6.5≤pH≤7.5的土壤中蔬菜Cd安全阈值为0.3 mg·kg^-1, 土壤pH>7.5的栽培地蔬菜Cd安全阈值为0.4 mg·kg^-1。

2 Cd对蔬菜生长发育的影响及不同种类蔬菜Cd的富集规律 2.1 Cd对蔬菜生长发育的影响

当环境中的Cd含量超过蔬菜的最大忍耐剂量时, 蔬菜生长将会受到明显的抑制。例如, 10 μmol·L^-1 Cd能够显著抑制辣椒的叶面积、株高及各部分鲜质量^[11]。60 mg·kg^-1 Cd能够显著降低马铃薯各部分组织的干、鲜质量^[12]。Cd抑制蔬菜生长最主要的原因是Cd能够破坏蔬菜的叶绿素结构、降低光合色素含量并抑制光合作用相关酶的活性, 使蔬菜的光合速率显著降低。Cd胁迫降低了番茄叶片中叶绿素和类胡萝卜素的含量^[13]。

与其他植物相同, Cd会破坏蔬菜对矿物营养吸收的平衡。Cd对Ca、K、Mg、Fe、Zn等矿物元素的吸收等起到拮抗作用, 使蔬菜出现矮小、枯黄等缺素胁迫, 严重时还会造成蔬菜死亡, 最终导致蔬菜减产^[14]。Cd对蔬菜不同部位矿质元素含量的影响也不同。Cd胁迫导致白菜根、茎和叶中的Mn、Zn、Cu、Fe和Ca含量都显著降低^[15]。同时, Cd对不同蔬菜品种以及栽培方式的蔬菜矿质元素的影响也不同。Cd对于马铃薯、番茄以及生菜中矿质元素吸收的抑制程度不同^[16]。

ROS(reactive oxygen species)在细胞信号传导和平衡中具有重要作用, 主要包括过氧化氢(H₂O₂)、超氧阴离子()、单线态氧(1O₂)、羟基(HO·)和脱氢过氧化物(ROOH)^[17]。Cd胁迫导致蔬菜ROS大量积累, 破坏蔬菜ROS产生与清除的平衡, 进而对蔬菜正常的生理活动产生不良影响^[18]。丙二醛(MDA)是脂质过氧化的主要产物之一, 它是衡量植物氧化胁迫的另一个指标。Cd胁迫能够显著提高蔬菜番茄、生菜和土豆中的MDA的含量^[19]。

Cd胁迫主要通过影响光合作用、破坏矿质元素和氧化还原系统的平衡对蔬菜的生长发育产生胁迫。为了抵抗重金属Cd的胁迫, 同其他植物一样, 蔬菜进化出了一套完整的酶类与非酶类的抗氧化免疫系统以及Cd的区室化生理过程, 从而降低Cd对蔬菜产生的毒害。Cd提高了辣椒叶片中过氧化氢酶(catalase, CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)以及谷胱甘肽过氧化物酶(guaiacol peroxidase, GPX)的活性^[20], 而这些抗氧化物酶可以清除Cd在蔬菜细胞中产生的ROS。在植物体细胞内, Cd与植物螯合肽(PCs)、谷胱甘肽(GSH)和金属硫蛋白(MT)等含硫的配体结合, 随后以Cd-PC复合物的形式隔离在液泡中, 最终降低Cd向植物体其他组织转运^[21]。辣椒中的Cd被固定于茎和叶的细胞壁中, 使其无法向其他部分转运^[11]; Cd能够诱导白菜根、茎和叶中PCs的合成, 从而促进游离态的Cd与PCs螯合并隔离于液泡中, 从而起到Cd解毒作用^[15]。

蔬菜种类繁多, 主要分为叶菜类、花菜类、根茎类、茄果类和豆荚类5种类型。不同种类蔬菜对Cd富集有明显差异, 即使是同种蔬菜的不同品种之间对Cd的富集能力也不同。针对这些差异, 可以选育出低Cd积累蔬菜品种, 从而获取Cd安全的蔬菜产品。

2.2 不同类型蔬菜Cd富集能力比较

对28种蔬菜Cd的积累特点进行分析发现, 不同类型蔬菜Cd的积累量从大到小依次为叶菜类、茄果类、根菜类、瓜菜类、豆类^[22]。对云南省丽水市蔬菜基地7种蔬菜的研究结果表明, 蔬菜对Cd的积累规律从大到小依次为叶菜类、花菜类、根茎类、茄果类^[23]。对南京市郊区蔬菜基地64个蔬菜样品的检验结果也发现了相似的结果, 蔬菜对Cd富集能力规律从大到小依次为叶菜类、根茎类、茄果类^[24]。对广西壮族自治区部分蔬菜的研究结果发现在相同种植条件下叶菜类蔬菜中Cd含量明显高于茄果类蔬菜^[25]。万家悦等^[26]对4类蔬菜(84个品种)Cd富集能力的结果表明, Cd在4类蔬菜中的富集能力从大到小依次为叶菜类、根茎类、茄果类、豆荚类。叶菜类蔬菜对Cd的积累能力最强。因此, 叶菜类蔬菜不适于在Cd污染严重的地区种植, 即使在Cd低污染区种植, 也要严格监控叶菜类蔬菜可食部分Cd含量。

2.3 Cd低积累蔬菜品种筛选

同种蔬菜的不同品种对Cd的富集能力也有所不同。对不同品种蔬菜Cd富集能力进行研究可以筛选出Cd低积累蔬菜品种, 即Cd安全基因型(Cd-safe genotypes, CSGs)品种。表 2列出不同种类蔬菜中Cd低积累品种。本课题组对市面上常见的9个小白菜品种的Cd富集能力进行比较, 并筛选出低Cd富集小白菜品种‘五月慢’^[28]。

3 蔬菜种植地Cd污染的修复措施

近年来, 我国蔬菜种植地Cd污染修复措施主要分为:物理修复、化学修复、农业生态修复和生物修复。其中, 物理修复主要为客土、深耕翻土、热解吸、电动修复、玻璃化技术等^[30]。物理修复虽然操作简便, 周期短, 但是工程量大且成本高。常见的化学修复有土壤化学淋洗及土壤钝化技术, 其中土壤钝化剂主要包括黏土矿物、含磷物质、有机物质等^[31]。它们能使重金属向低毒形态转化并且操作简单, 是目前用于Cd污染农田较好的方法之一^[32]。农业生态修复主要指选择适宜的蔬菜种植模式, 生俊丹^[33]发现以玉米+生姜-小白菜(“+”表示间作, “-”表示轮作)的模式种植, 使小白菜中的Cd含量降低39.72%。生物修复主要包括植物修复和微生物修复。其中植物修复是一种新兴的、廉价的、绿色的修复土壤Cd的途径, 主要通过Cd超富集植物吸收土壤中的Cd, 降低其在土壤中的含量。研究发现黑麦草和龙葵对高浓度Cd污染土壤都具有很强的富集作用^[34]。虽然植物修复效果稳定且成本较低, 但大多数Cd超富集植物的生长周期较长且生物量较小, 导致单纯的植物修复在实际应用中受到一定程度的限制^[35]。此外, 微生物修复也是一种新型高效的土壤重金属Cd修复技术, 主要利用微生物的络合、胞外沉淀、胞内积累等作用, 从而降解、吸收、转化土壤中的Cd^[36]。微生物分泌物可与土壤中的Cd发生络合, 从而使之转化为无毒或低毒形态^[37]。植物促生细菌Rhizobium sp. T1-17使青梗菜、辣椒以及杨花萝卜中Cd含量分别下降22.1%、26.7%和33.4%^[38]。

虽然现在已经拥有多种较为成熟的蔬菜种植地土壤重金属Cd的修复方式, 但是考虑到施用成本, 大多只适用于修复Cd污染严重的蔬菜栽培地。同时, 由于我国农田土地资源紧张, 演变出很多零散、小面积的菜地(丘陵地区、马路边等), 因此对于低Cd污染的土壤, 且在不影响土地使用的前提下, 需要找到更有效、便捷的措施将蔬菜可食部分Cd含量控制在Cd安全阈值以下。近年来, Cd生理阻隔剂的研究越来越多。在适当的农作物生长期, 采取简单的操作方式(根施或叶喷)将无毒且不会对农田以及农作物产生二次污染的Cd生理阻隔剂施用于生长在Cd污染土壤上的农作物, 达到降低农作物对土壤中Cd的吸收或者抑制Cd向农作物可食部分转运的目的。Cd生理阻隔剂已经被成熟地应用于降低水稻或者模式植物拟南芥中的Cd含量, 例如:外源根施20 μmol·L^-1褪黑素使水稻地上部和地下部Cd含量分别降低48.4%和16.9%^[39]; 在水稻的分蘖盛期和孕穗期分别喷施ZnSO₄, 水稻籽粒中的Cd含量分别降低45.85%和47.52%^[40]; 在水稻幼苗期, 叶面喷施1 mmol·L^-1纳米硒, 水稻精米Cd含量下降65.59%^[41]; 根施5 mmol·L^-1 CaCl₂, 拟南芥地上部和地下部Cd含量分别降低55.6%和66.4%^[42]。

大量研究表明外源阻隔剂能够显著降低蔬菜Cd积累。根据阻隔剂的性质, 主要分为:矿物质肥料(mineral fertilization, MF)、植物生长调节剂(plant growth regulators, PGR)和无机改良剂(inorganic amendments, IA)。

3.1 矿物质肥料

矿物质肥料的外源施用对缓解蔬菜Cd胁迫及降低蔬菜可食部分Cd含量有积极的效果(表 3)。根施500 mg·kg^-1硅肥(Na₂SiO₃·9H₂O)可以提高土壤的pH值并降低土壤中Cd的流动性, 同时提高大蒜抗氧化物酶的活性并降低过氧化氢的积累, 显著缓解Cd对大蒜生长发育产生的抑制。更重要的是, 硅显著降低大蒜地上部、鳞茎和根部的Cd含量^[43]。根施氮肥显著降低马铃薯块茎中Cd的积累, 并缓解Cd胁迫对马铃薯生长产生的抑制^[44]。根施60 mg·kg^-1磷肥[Ca(H₂PO₄)₂·H₂O], 菠菜地上部Cd含量降低了25.32%^[45]。外源根施磷肥(KH₂PO₄)通过降低Cd向地上部的转运, 从而显著降低菠菜可食部分Cd含量, 其主要原因是P可以与Cd形成复合物并沉积在根部细胞壁中^[46-47]。叶面喷施复配矿物质肥料SiMoSe[1.0 g·L^-1 Na₂SiO₃·9H₂O+0.2 g·L^-1(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O+5 mg·L^-1 Na₂SeO₃·5H₂O]和MoSe[0.2 g·L^-1(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O+5 mg·L^-1Na₂SeO₃·5H₂O]可以提高Cd胁迫下小白菜抗坏血酸、叶绿素、可溶性蛋白和可溶性糖的含量, 显著缓解小白菜Cd毒害并显著降低叶片Cd积累^[48]。同样, 根施50 μmol·L^-1 Na₂SeO₃小白菜中Cd的转运系数降低, Se能够与Cd形成较难移动的复合物并将复合物区隔于液泡或沉积在细胞壁中, 因此显著降低小白菜可食部分叶片Cd含量^[49]。根施Na₂SeO₃还可以促进Cd胁迫下西兰花和辣椒的光合作用并提高蔬菜抗氧化酶的活性来缓解Cd胁迫, 并有效降低西兰花和辣椒地上部Cd积累^[50-51]。Na₂SeO₃能够显著降低蔬菜可食部分Cd含量, 但有研究指出, Na₂SeO₃在低Cd浓度处理下反而会促进西兰花对Cd的吸收^[50]。因此, Na₂SeO₃在实际田间生产中降低蔬菜可食部分Cd含量的效果还需要进一步验证。并且, Na₂SeO₃本身是一种剧毒的化学品, 因此在施用过程中要注意使用浓度及操作的规范性, 尽量避免Na₂SeO₃与蔬菜可食部分的直接接触, 以免造成蔬菜产品的二次污染。

3.2 植物生长调节剂

植物生长调节剂(plant growth regulators, PGR)是一类生理功效和化学结构与植物内源激素相似的由人工合成得到的化学物质, 其可以参与调节植物萌芽、生长、开花和结果等生理发育过程^[52]。近年来研究表明能有效缓解蔬菜Cd胁迫并降低Cd在蔬菜可食部分的积累的植物生长调节剂见表 4。例如, 外源施用NO的供体硝普钠(sodium nitroprusside, SNP)可以提高Cd胁迫下生菜和番茄的叶绿素和抗氧化物酶的含量、降低ROS和MDA的积累以及可食部分Cd含量, 从而显著缓解Cd对蔬菜造成的毒害^[53-54]。水杨酸(salicylic acid, SA)能够显著提高过氧化氢酶(catalase, CAT)、过氧化物酶(peroxidase, POD)和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidases, APX)等抗氧化物酶的活性, 增加细胞膜中脂肪酸的含量, 维持细胞膜的稳定性, 从而缓解豌豆Cd胁迫, 同时明显降低豌豆Cd含量^[55]。外源褪黑素(melatonin)处理显著降低小白菜和豆瓣菜可食部分的Cd含量, 缓解Cd导致的叶绿素降解并提高抗氧化能力, 从而缓解小白菜和豆瓣菜的Cd胁迫^[56-57]。根施腐殖酸(humic acid, HA)可以与Cd结合形成HA-Cd复合物并积累在根部, 降低Cd向生菜地上部的转运, 从而降低生菜地上部Cd含量^[58]。此外, 外源根施氯化血红素(hemin)和谷胱甘肽(glutathione, GSH)也能够显著降低小白菜地上部Cd含量, 其中氯化血红素显著抑制小白菜根部对于Cd的吸收并提高小白菜的抗氧化能力; 而GSH则是主要通过将Cd隔离于小白菜根部液泡中, 降低Cd向地上部的转运效率, 从而降低小白菜地上部Cd含量^[59-60]。

虽然植物生长调节剂可以有效降低蔬菜中Cd积累, 但在施用过程中仍存在一些问题。外源施用SA要注意使用浓度及处理时间, SA处理浓度过高或者处理时间过长会抑制蔬菜光合作用, 导致蔬菜生长受抑制, 因此外源施用SA时需要技术人员进行专业的指导, 在不影响蔬菜产量的前提下达到降低可食部分Cd积累的效果。此外, 研究表明在没有Cd胁迫的情况下, 100 mg·L^-1 HA处理显著促进生菜的生长, 地上部生长量与对照相比提高了22.32%, 因此HA降低生菜可食部分Cd积累可能是稀释效应导致的^[58]。

3.3 无机改良剂

无机改良剂(inorganic amendments, IA)已被证实能够有效降低蔬菜可食部分Cd含量(表 5)。其中, 富氢水(hydrogen-rich water, HRW)能够显著增强小白菜幼苗抵抗Cd胁迫的能力, 提高小白菜幼苗的抗氧化能力及ROS的清除能力, 并且通过抑制与Cd吸收相关的转运体基因(IRT1和ZIP2)的表达来降低小白菜根部对Cd的吸收, 从而降低小白菜Cd的积累^[61-63]。研究表明根施金属纳米材料SiO₂、TiO₂和ZnS通过抑制黄瓜根部对Cd的吸收显著降低黄瓜地上部的Cd积累^[64]。根施10 mmol·L^-1 MgSO₄能够显著缓解Cd胁迫引起的小松菜矿质元素离子的紊乱, 从而缓解Cd胁迫, 同时还降低小松菜可食部分Cd的积累^[65]。

3.4 Cd生理阻隔剂在蔬菜生产中的应用

近年来, 我国菜地Cd污染情况日益严重, 势必对蔬菜等农产品的食品安全造成影响。对已污染的土地进行彻底修复需要大量的人力和物力, 且耗时较长, 导致土地长时间内不能种植蔬菜。因此, 对Cd污染土壤进行修复的同时结合施用蔬菜Cd生理阻隔剂, 控制蔬菜可食部分Cd积累量低于国家食品安全标准, 是解决低Cd污染菜地的有效方式。目前, 对于蔬菜Cd生理阻隔剂的研究主要集中在实验室的研发及机制探究方面, 后期需要将阻隔剂在大田中进行试验与推广。Cd生理阻隔剂种类繁多, 很多阻隔剂能够参与或者影响蔬菜生长发育过程中的多种生理过程, 在缓解蔬菜Cd胁迫、降低可食部分Cd含量的同时提高蔬菜农产品的营养品质。此外, Cd生理阻隔剂与化学修复试剂相比, Cd生理阻隔剂可以采用叶面喷施的方式, 而不是直接施用在土壤中, 施用方便且对栽培地土壤的性状影响较小, 对环境造成二次污染的可能性更低。根施的阻隔剂只需采用根灌的方式进行施用, 无需对菜地进行客土和深耕翻土处理。在解决Cd污染土地问题中, Cd生理阻隔剂, 尤其是喷施型阻隔剂, 较传统Cd污染修复技术具有不耽误土地使用、不改变土壤性质、施用方便等优势, 因此具有很广阔的应用前景。

4 小结与展望

Cd是植物体非必需的有毒金属元素, 它影响蔬菜生长发育过程中的生理生化反应及相关氧化还原系统中酶活性。Cd污染严重的土壤会抑制蔬菜的生长发育, 导致蔬菜作物减产和蔬菜可食部分Cd含量超标, 并最终伴随着食物链进入人体, 危害人体健康。蔬菜种类繁多, 不同品种蔬菜对Cd的富集能力在种间和品种间均差异显著; 并且Cd与其他矿质营养元素Fe、Zn、Mn等离子间存在协同或拮抗作用, 因此需要进一步明确Cd对蔬菜生理生化影响的临界值, 为探究缓解蔬菜Cd胁迫以及降低蔬菜可食部分Cd含量提供新的突破口。虽然目前我国蔬菜Cd胁迫的研究已取得进展, 但是蔬菜Cd胁迫的分子机制仍处于探索阶段, 还需要进行更系统的研究。分子生物技术以及同位素示踪方法的发展, 将快速推动Cd在蔬菜中迁移转化和机制的研究, 最终帮助研究者更深入准确地分析蔬菜对Cd的吸收、转运、毒害以及防御机制, 为找到精准降低蔬菜Cd积累的措施提供理论基础。

治理蔬菜Cd污染是一项非常复杂的工程, 需要考虑多方面的因素。首先, 就要从减少污染源抓起, 减少农田的污水灌溉, 严格监控工厂“三废”的排放, 及时清理残留在土壤中的薄膜, 科学合理施用肥料及农药等, 才能阻止更多的Cd进入农田土壤; 其次, 在土地资源紧张的现状下, 找到安全有效的措施降低蔬菜作物对Cd的积累, 选育Cd安全基因型蔬菜品种, 研发出安全高效并同时适用于大面积蔬菜栽培地和零散菜地的蔬菜Cd生理阻隔剂, 提出相关的配套施用技术等都是降低蔬菜可食部分Cd积累的有力措施, 也可采用多重手段联用, 从而达到改善生态环境和保障蔬菜作物食品安全的目的。