蕹菜吸收和積累Cd和Pb能力的品種間差異*

辛俊亮，黃白飛，楊中藝，袁劍剛，母養秀

(1.中山大學有害生物控制與資源利用國家重點實驗室，廣東 廣州 510275；2.湖南工學院安全與環境工程系，湖南 衡陽 421002)

隨著我國工業的發展，城市化進程的加快，特別是鄉鎮企業的發展，每年有大量的重金屬污染物排放，使得農田土壤污染面積不斷擴大。近年來，農業部通過調查發現，我國24個省(市)的城郊、污灌區、工礦企業等經濟發展較迅速地區的320個重點污染地區中，有60.6 萬 hm2的農田生產的農產品污染物含量超標，約占調查總面積的20%；其中重金屬超標的面積約占污染物超標總面積的80%以上，尤其是鎘、鉛、汞、銅及其復合污染最為突出[1]。

在污染環境的諸多重金屬中Cd和Pb受到的關注程度最高，因為Cd容易被作物吸收，并通過食物鏈威脅人類健康[2]，而Pb由于其用途廣泛，污染最迅速[3]。盡管國內外開展了大量重金屬污染土壤的修復技術研究[4]，但是修復過程耗時長，花費高，很難在發展中國家施行。尤其像中國人口眾多，食物生產壓力大，不可能大規模地進行土地休耕而用于污染修復，且大量農田尚未進行重金屬污染調查，許多受重金屬輕度污染的農田仍應用于農業生產。針對這種情況，有研究者提出應用污染對策品種(pollution-safe cultivar, PSC)能夠有效降低農作物可食部位的重金屬含量[5]。這個概念的提出是建立在農作物品種間吸收積累重金屬存在差異的基礎上，在水稻OryzasativaL.[5-6]、番茄Lycopersiconesculentum[7]、大白菜BrassicapekinensisL.[3]、長豇豆Vignaunguiculatasubsp.sesquipedalisL.和蕹菜IpomoeaaquaticaForsk.等農作物中已有報道[8-10]。

事實上，農田受鎘鉛復合污染的情況普遍存在[8]。因此，具有應用價值的農作物PSC應該能同時低量積累Cd和Pb，即Cd+Pb-PSC。但目前涉及兩種或兩種以上重金屬的PSC篩選研究極為有限，已發表的研究論文僅見于長豇豆[8]，作為極易受重金屬污染的葉菜來說尚未見報道。

本研究是在Wang等[9]篩選蕹菜Cd-PSC研究的基礎上，進一步擴大Cd-PSC的品種篩選，同時進行Pb-PSC的篩選，定量研究了蕹菜品種在Cd積累和Pb積累方面的相關性，試圖篩選符合食品衛生標準的蕹菜Cd+Pb-PSC，為應用PSC策略降低蕹菜受土壤Cd和Pb污染的風險提供可行性依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤來自廣東省鶴山市農業科學研究所試驗田，土壤經風干、壓碎后過5 mm篩，備用。該土壤pH值為5.68，有機質含量w=1.84%，全氮、速效磷和速效鉀含量分別為1.3 g·kg-1、61.0 mg·kg-1和185.7 mg·kg-1。總Cd和總Pb含量分別為0.15 和32.4 mg·kg-1,低于《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ 332-2006)中規定的最大限值(Cd和Pb分別為0.3和50 mg·kg-1, pH<6.5)，適于種植食用農作物，在本試驗中作為對照土壤(CK)。根據以往的研究結果，本研究Cd污染土壤的設計Cd濃度為0.6 mg·kg-1，配制方法為對照土壤與陳年Cd污染土壤(30個月前混入Cd(NO3)2溶液，并曾在10個月前種植過油菜，總Cd含量為0.98 mg·kg-1)混合(質量比1∶1)而成，Pb污染土壤設計Pb濃度為100 mg·kg-1，配制方法為在對照土壤中添加Pb(CH3COO)2溶液并充分混合。將配制好的土壤置于溫室，澆水，平衡2周后，再次混勻，測得Cd土中總Cd含量為0.59 mg·kg-1，Pb土中總Pb含量為111.4 mg·kg-1，均超過了HJ 332-2006規定的最大限值，屬于受Cd和Pb污染的土壤，不適合種植食用農產品。

供試蕹菜品種共15個，其中有9個是經Wang等[9]鑒定的Cd-PSC，所有品種的名稱及縮寫見表1。

表1 15個供試蕹菜品種

1.2 研究方法

試驗于2007年6月在廣東省鶴山市農業科學研究所溫室內進行。設置了對照、Cd脅迫和Pb脅迫3個處理，對照條件下的蕹菜只用來測定莖葉生物量，Cd、Pb脅迫下的蕹菜則測定莖葉Cd、Pb含量和生物量。試驗前將準備好的土壤分別裝入口徑18 cm，高15 cm的塑料盆中，每盆裝土2.5 kg，每處理均設計3次重復。Cd脅迫下共種植6個品種(YQ、TBL、TGK、TWZ、BGJ和GBD)，Pb脅迫下共種植15個品種，有6個品種與Cd脅迫下種植的品種相同，其余9個均是Wang等[9]研究中獲得的Cd-PSC。每盆播種子8粒，于發芽后1周內間苗至每盆4株，按生長需要適時澆水。發芽后第15天施肥，每盆施復合肥(m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15)3 g。

本研究關注的是土壤-植物-人類系統中重金屬的轉移途徑。因此，只采集蕹菜的可食部位—莖葉，第一茬和第二茬分別在發芽后第30天和第60天進行采集。所有樣本經自來水充分洗凈后，再用去離子水沖洗3次，晾干后稱鮮質量，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，稱干質量后再粉碎樣品。稱取0.2 g粉碎樣品用微波消解儀(MDS-6，上海新儀微波化學科技有限公司)消解，消解試劑為5 mLφ=65%的HNO3和1.5 mLφ=30%的H2O2。消解液Cd含量用原子吸收儀(Hitachi Z-5300，日本)測定，并采用國家標準參比物質(GBW-07605)進行分析質量控制。

為了便于比較供試蕹菜品種對Cd或Pb脅迫的反應，采用脅迫響應生物量(Biomass Response to Stress, BRS)[8]作指標。計算公式如下：

其中B脅迫和B對照分別表示Cd(或Pb)脅迫和對照下蕹菜品種莖葉生物量第一茬的平均值與第二茬的平均值之和(以干質量計算)。

蕹菜莖葉重金屬含量的安全性評價采用國際食品法典委員會(CAC)的評價標準，其中葉菜Cd和Pb含量的最大限值分別為0.2和0.3 mg·kg-1(以鮮質量計算)。

數據分析采用SPSS11.0統計軟件，圖形繪制采用Excel 2003。

2 結果與分析

2.1 Cd、Pb脅迫對蕹菜莖葉生物量的影響

無論在Cd、Pb脅迫處理下還是在對照條件下，供試蕹菜品種的莖葉生物量均隨著品種而變化(表2)。

表2 供試蕹菜品種在對照和Cd、Pb脅迫下的莖葉生物量(干質量，g)

在Cd脅迫下，供試的6個蕹菜品種莖葉生物量的平均值為5.77 g，而在對照下，6個品種的莖葉生物量平均值為5.23 g，總體上與Cd脅迫下無顯著差異(P>0.05)。但是，除TGK外，其余5個品種的莖葉生物量均在Cd脅迫下高于在對照條件下，其中BGJ和GBD兩個品種差異顯著(P<0.05)，而品種TGK在Cd脅迫下的莖葉生物量低于對照(BRS<0)，但差異不顯著(P>0.05)(圖1)。由此可見，本試驗所設計的Cd脅迫濃度并沒有引起蕹菜莖葉生物量的顯著下降，相反促進了大部分品種莖葉生物量的增加，說明蕹菜對土壤Cd脅迫有一定的耐性。這一特性可能掩蓋土壤受污染的情況，僅從莖葉生物量來判斷，生產者很難發現土壤中存在的Cd污染問題，從而增加蕹菜受Cd污染的風險。

在Pb脅迫下，供試的15個蕹菜品種莖葉生物量的平均值為5.79 g，而在對照下，15個品種莖葉生物量的平均值為4.87 g，顯著低于Pb脅迫下的平均值(P<0.05)。除1個品種外，其余14個品種的BRS值均呈正值(圖1)，其中，QGL、TGK、GDB、GBD和T306的BRS值大于25%，且這5個品種在Pb脅迫下的莖葉生物量顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)高于對照。只有TBL在Pb脅迫下的莖葉生物量低于對照，但差異不顯著(P>0.05)。Pb污染土壤中，Pb含量達111.4 mg·kg-1，是對照土壤的近3.5倍，但并未引起蕹菜莖葉生物量的顯著下降，相反促進了幾乎所有品種莖葉生物量的增加。這表明，蕹菜對土壤Pb脅迫也有一定耐性。這一特性同樣可能增加蕹菜受Pb污染的風險。

圖1 供試蕹菜品種的相對生物量

2.2 Cd、Pb脅迫下蕹菜莖葉Cd和Pb含量的品種間差異

圖2和圖3分別給出了以鮮重為基礎的各供試蕹菜品種莖葉Cd和Pb的含量。在Cd污染土壤中，供試6個品種的第一茬和第二茬莖葉Cd含量范圍分別是0.108～0.239 mg·kg-1和0.104～0.207 mg·kg-1，且方差分析結果表明，品種間差異都達到極顯著(P< 0.01)。從兩茬的結果來看，品種YQ、BGJ、TWZ和GBD的莖葉Cd含量均未超出CAC標準，可以看作典型的Cd-PSC；TBL均超出了CAC標準，可以看作典型的non-Cd-PSC；經t檢驗，TGK兩茬莖葉Cd含量差異不顯著(P> 0.05)，但是用CAC標準衡量，該品種在第二茬出現超標的情況，因此，從食品安全角度考慮，該品種應歸于non-Cd-PSC。相關分析結果表明，兩茬莖葉Cd含量的相關系數為0.865 (n=6)，在P<0.05水平上有顯著意義(圖4a)。Wang等[9]的研究結果也顯示供試的30個蕹菜品種兩茬莖葉Cd含量顯著相關。這說明蕹菜對Cd的吸收積累特性是一個受基因控制且比較穩定的性狀。

圖2 Cd脅迫下供試蕹菜品種的莖葉Cd含量

圖3 Pb脅迫下供試蕹菜品種的莖葉Pb含量

圖4 供試蕹菜品種第一茬與第二茬莖葉Cd(a)、Pb(b)含量相關性

在Pb脅迫下，供試15個品種的第一茬和第二茬莖葉Pb含量范圍分別是0.177～0.523和0.187～0.457 mg·kg-1，統計分析結果表明，品種間差異均極顯著(P< 0.01)。品種YQ、T306、QZL和BGJ兩茬的莖葉Pb含量均未超出CAC標準，可以看作典型的Pb-PSC，而YQ和BGJ同時又是Cd-PSC，因此，這兩個品種可以看作Cd+Pb-PSC；DYB的第一茬莖葉Pb含量超出了CAC標準，第二茬則未超出，兩茬表現不一致；其余10個品種的兩茬莖葉Pb含量均超出了CAC標準，因此可以看作典型的non-Pb-PSC。從兩茬莖葉Pb含量的相關性來看(圖4b)，相關系數r= 0.660 (n=15)，在P<0.01水平上有極顯著意義。這一結果說明蕹菜莖葉吸收積累Pb的特性也是一個比較穩定的性狀，可能也是受基因控制的。

根據Wang等[9]的研究結果，品種T306和QZL可以看作Cd-PSC。因此，結合本次試驗的結果，共有YQ、T306、QZL和BGJ等4個品種被鑒定為Cd+Pb- PSC。

3 討 論

3.1 蕹菜對Cd和Pb的耐性

本研究的結果不僅證明了蕹菜是比較容易吸收積累重金屬Cd和Pb的農作物，在受污染或污染情況不明的農田土壤中種植蕹菜的風險將很大，而且還發現無論在Cd還是Pb脅迫下，所有供試蕹菜品種的莖葉生物量均未顯著降低，部分品種的莖葉生物量甚至顯著增加。由此可見，蕹菜對Cd和Pb的毒害作用有一定的耐性，所以即便蕹菜種植在Cd和Pb污染的土壤上，生產者也不能根據產量變化特征來判斷蕹菜是否受到Cd和Pb的污染，這顯然會增加蕹菜產品受Cd和Pb污染的風險。同樣，相似的現象還存在于其他作物中，如番茄[11]、玉米[12]、水稻[5]等，這可能與植物對低重金屬脅迫的適應性反應有關[13]。

3.2 選育Cd+Pb-PSC的意義

據統計，目前我國受鎘、鉛等重金屬污染的耕地面積已近2 000 萬hm2，約占總耕地面積的1/5[14]。由于人口壓力較大，這些受污染的農田仍有許多在用于農作物生產。例如，沈陽市近郊蔬菜重金屬檢驗結果表明，大白菜Pb超標率為100%，Cd超標率為58.3%；黃瓜、番茄、菜豆中Cd、Pb含量也均有不同程度超標[15]。如果這些受污染的農田用于修復，那么在較長一段時間內將不能用于農業生產，況且對于那些污染情況不明的農田土壤來說，則很難有針對性地開展修復工作。因此，為降低農作物受土壤重金屬污染的風險，PSC的應用具有明顯的價值。

農田土壤受Cd、Pb復合污染的情況普遍存在[8，10]，然而蕹菜又很容易受到土壤Cd、Pb的污染[10]。值得注意的是，本研究中篩選到了既是Cd-PSC同時又是Pb-PSC的4個蕹菜品種。如果能證明這4個品種是Cd+Pb-PSC的話，那么種植在受Cd、Pb復合污染或污染情況不明的農田中將會有效降低蕹菜受Cd、Pb污染的風險。這將對保證蕹菜產品安全有重要意義。

3.3 蕹菜Cd+Pb-PSC選育的可行性及今后的研究方向

在本試驗中，土壤Cd含量達到了0.59 mg·kg-1(接近HJ 332-2006最大限值的2倍)，供試蕹菜品種中約有1/3品種第一茬和第二茬莖葉Cd含量超過了CAC標準。當土壤Pb含量達到111.4 mg·kg-1(略超過HJ 332-2006最大限值的2倍)時，15個供試蕹菜品種中兩茬莖葉Pb含量均未超過CAC標準的品種只有4個。因此，蕹菜Cd-PSC并不一定同時是Pb-PSC，且在受Cd和Pb污染的土壤上種植蕹菜，一旦品種選擇不當，將會增加蕹菜產品受Cd和Pb污染的風險。

有研究表明，選擇可食部位Cd積累能力較低的Cd-PSC是降低農作物受Cd污染風險的有效策略[16]。本研究結果表明，對于蕹菜來說，現有常用品種中不僅存在著Cd-PSC，而且存在著Pb-PSC，比如本研究中品種YQ、T306、QZL和BGJ第一茬和第二茬莖葉Cd、Pb含量都在CAC標準的最高限值以下，而且第一茬與第二茬的莖葉Cd、Pb含量之間是顯著相關的，說明Cd和Pb積累模式在不同生長時期是可重復的。進一步的研究還證實了在單一污染條件下同時具有Cd和Pb低積累能力的品種(如YQ和BGJ)在復合污染條件下也表現出對兩種金屬的同時低積累特征[10]，屬于Cd+Pb-PSC。由此推測，供試蕹菜品種中存在的既是Cd-PSC又是Pb-PSC的品種也有可能屬于Cd+Pb-PSC。上述研究結果為未來開展Cd+Pb-PSC育種的可行性提供了試驗生物學依據。

然而，PSC策略并不是解決農田土壤重金屬污染問題的萬能鑰匙，嚴格的環境監管和土壤污染普查對于確保食品安全來說是必不可少的。土壤改良，比如向土壤中添加石灰和有機物料[17]，也應該與PSC策略一起實施來減少土壤重金屬對食物鏈的污染，確保食品安全。

從本次試驗的結果來看，不同蕹菜品種對Cd、Pb吸收積累的能力有很大差異。結合已經發表的關于大白菜[3]、水稻[5]和長豇豆[8]等研究結果，可以得出這樣的結論：農作物對Cd和Pb的吸收積累量是一種可遺傳的性狀，具有明顯的遺傳學基礎，這是選育PSC的重要基礎。關于農作物PSC的培育，目前在硬質小麥、馬鈴薯等農作物均已取得成功[16]。但是，為了培育高產優質的農作物PSC，建立PSC育種這一新的育種技術架構，目前仍有許多研究工作需要開展，包括農作物低量積累Cd和Pb的機理以及遺傳特性的研究，比如對食用部位Cd、Pb含量性狀進行群體遺傳分析、QTL定位等，這將為論證不同作物PSC育種的可行性和方法奠定理論基礎。

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