花生重金屬富集特征及防控對策研究進展

劉璇　張淑霞　吳曼　吳正鋒　戴華偉　沈浦　王才斌　

摘要：重金屬污染在土壤中具有長期、隱蔽和不可逆三性特點，花生是地下結實作物，對重金屬的富集更為明顯，明確花生重金屬富集特征，探討適宜的防控對策，對于生產安全優質花生，從而保障我國食用油安全以及增加出口創匯具有十分重要的意義。本文旨在探究花生重金屬富集特征，對重金屬防控機制及花生重金屬防控措施進行了綜述，提出物理、化學、生物等多種方法綜合利用進行土壤重金屬修復是花生重金屬防控的有效途徑，并對后續花生重金屬的防控研究與應用進行了展望。

關鍵詞：花生;重金屬;富集;植物修復;土壤鈍化

中圖分類號：S565.2文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2020）03-0144-07

AbstractThree characteristics of long term， concealment and irreversibility displayed on heavy metal pollution. As an underground crop， the enrichment ability of heavy metal was higher for peanut （Arachis hypogaea L.）. Hence clarifying the enrichment characteristics and proper prevention and control measurements were very important for ensuring the food quality and safety and increasing the export earnings. In the paper， the peanut heavy metal enrichment characteristics were investigated， and the prevention and control mechanisms and measurements were comprehensively reviewed. Then the comprehensive utilization of physical， chemical and biological methods was put forward as a feasible way to prevent and control heavy metals in peanut. The future research and measurements for heavy metal prevention and control were prospected at last.

KeywordsPeanut; Heavy metals; Enrichment; Plant phytoremediation; Soil passivation

花生是我國重要的油料作物、經濟作物之一，在保障食用油脂安全方面發揮重要作用。在過去40余年中，中國花生種植面積和總產量呈明顯增長趨勢，種植面積從1978年的176.8萬公頃增至2017年的460.8萬公頃，總產從237.7萬噸增至1 709.2萬噸，面積與產量均增加了數倍[1]。由于土壤背景值及農業生產中過于追求產量和效益，我國花生產區土壤和花生容易遭受重金屬污染，致使花生品質下降，花生重金屬超標情況時有發生，在一定程度上影響到花生及其制品的出口貿易[2]。花生是地下結實作物，除了根系具有吸收能力外，莢果也能吸收元素，花生對重金屬的富集更為明顯[3，4]。

目前我國農田最常見的重金屬污染為鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、銅（Cu）、鋅（Zn），其中以Cd污染較為嚴重。我國大多花生產區土壤Cd、Cr、Pb等重金屬含量符合農業部綠色食品產地土壤環境的質量標準，而花生樣品超標情況卻時有發生[5，6]。有研究表明，一些地區土壤重金屬含量達到中等污染水平以上[7，8]。一般來說，花生重金屬污染現象與土壤重金屬及田間管理密切相關，由于生產過程管控不當，如農田污水灌溉，重金屬農藥、肥料的不合理使用，容易對花生生產及食品安全造成不利影響[9]。

隨著農產品安全性日益受到廣泛關注，弄清花生重金屬富集特征，探討適宜的防控對策，對于生產安全優質花生，保障我國食用油安全以及增加出口創匯，具有十分重要的意義。本文旨在探究花生重金屬富集特征，并對其防控機制進行綜合論述，為建立最有效的花生重金屬防控措施提供理論和實踐依據。

1花生重金屬的富集特征

1.1花生對土壤重金屬的吸收特征

花生對土壤重金屬的吸收能力常常高于一般大田作物。與其它作物的不同，除了具有較為發達的主根系能夠吸收耕層以下的土壤養分以外，花生莢果位于地下，可通過莢果吸收土壤重金屬，從而在一定程度上增強了花生吸收重金屬的能力，使得花生籽仁內的重金屬含量極易超標[4]，即使在土壤環境重金屬未超出農業部綠色食品產地土壤環境的質量標準的情況下，其籽仁中的重金屬含量也可能超標[10]。有研究表明，當土壤中鎘含量高于1.0 mg/kg時，花生籽仁中鎘含量就會超過國家規定的質量標準[3]。

花生對土壤重金屬的主要吸收時期與其它作物不同。對水稻來說，鎘脅迫主要在前期和中期造成影響，在生育中后期（抽穗以后），其對水稻生長基本不產生影響。但對于花生，鎘的富集及毒害作用不僅發生在前期的營養生長時期，還對花生的生殖生長造成嚴重不良影響，易引起有效針果數量減少、果針發育受抑制、花生籽仁不飽滿等。此外，花生對土壤重金屬的吸收還受土壤類型及性質的影響，如棕壤條件下籽實Cd含量和生物富集量高于潮土，棕壤的pH值更低，土壤中H+也更多。H+可將固定在土壤中的Cd2+交換出來，土壤中有效態Cd也更多，因而花生籽仁中Cd含量也更高[11]。

1.2花生對重金屬的積累與分配規律

重金屬積累在籽仁中的方式主要有兩種，一種是通過根系吸收再分配，花生植株通過根系吸收重金屬，轉運到莖葉，再由莖葉運輸到籽粒中，進入籽粒后，重金屬被固定，不再向其它器官轉移，這是花生重金屬的主要積累方式。此方式的重金屬吸收途徑主要是質外體途徑和共質體途徑。其中質外體途徑的重金屬離子通過擴散作用進入細胞，其動力來源于細胞內外的濃度差，屬于不消耗能量的被動運輸;共質體途徑重金屬離子則通過其它離子的載體蛋白進入細胞，屬于需要消耗能量的主動運輸。另一種途徑是莢果直接吸收，這也是花生籽仁中鈣和鋅的主要吸收方式，但對于重金屬的運輸，此途徑貢獻相對較小，最多占重金屬總來源的11%左右[12]。

花生植株各器官對于同一重金屬的富集能力有所差異，通常情況下吸收器官>同化器官和輸導器官>繁殖器官，其中花生根的吸收能力最強，體內積累的Cd2+有50%以上是通過根系吸收，其次為葉、莖、殼、籽實[13]。此外，花生同一器官對于不同重金屬的富集量也有所差異。根系和果殼對不同重金屬的富集能力均為：Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，莖葉和籽仁則為：Zn>Cu>Pb>Cr>Cd。從重金屬富集量的角度來看，花生植株對Cu和Zn的平均生物富集量最大，其次為Pb和Cr，Cd最少[14]。但由于花生產地環境中重金屬的含量不同以及食品安全標準對于花生各種重金屬限量標準不同，Cd是花生籽仁中最容易超標也是最需要關注的重金屬。

對于花生籽仁的不同成分及部位來說，其重金屬分配也有所差異。現有的研究結果已證實，花生蛋白質中的重金屬含量遠遠高于脂肪。對于重金屬鎘，花生籽實脂肪中鎘占全鎘不足1%，而蛋白質鎘占全鎘的50%以上，這是因為鎘主要與蛋白質發生絡合[10]。鎘對巰基有很強的親合力，而蛋白質中含有大量硫基，另外蛋白質部分側鏈也對鎘親合，鎘主要絡合于蛋白質。有研究表明在一定鎘濃度范圍內，花生籽實蛋白質含量與土壤鎘含量間達極顯著正相關，這是鎘誘導生物體內產生了誘導蛋白質所造成的[15]。這一特性不利于花生的食品用途，但是對于油用影響較小。紅衣是花生籽實中最容易富集鎘的部位，但由于紅衣的相對質量小因此紅衣中鎘的濃度較高，而子葉中鎘總量較高[16]，而這兩者均為蛋白質含量較高的部位，這也說明鎘易與花生籽實中的蛋白質相結合。花生中鎘主要分布于籽仁細胞壁，細胞器和可溶部分相對較少，這是因為細胞壁含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素，還含有吸收固定重金屬的陽離子交換位點，這對重金屬有著極強的親和力而被固定于細胞壁中[17]。

1.3不同品種花生的重金屬積累差異

花生對重金屬的富集量和轉運能力差異是造成花生籽仁含量高低的主要原因[18]。花生品種不同，其對重金屬的富集與轉運能力也就不同。不同花生品種植株根系中Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的富集量均存在顯著性差異（P<0.05）[14]，這可能是受到基因型控制的結果[19]，部分基因型可使花生籽仁重金屬富集能力下降，而且重金屬對花生脂肪和蛋白質含量的影響也因品種不同而各異。相同鎘處理下，不同品種花生脂肪和蛋白質受土壤中鎘含量的影響程度不同[10]，因為生物體在受到鎘污染時，自身產生特異蛋白質來減輕鎘的危害，但當鎘濃度過高時，生物體內的自身防御系統受到嚴重迫害，體內的蛋白質含量反而降低[20]，這對篩選重金屬脅迫能力強的花生品種有重要意義。

2花生中重金屬的防控機制

2.1土壤重金屬的鈍化機制

重金屬鈍化就是指通過對土壤施入某些改良劑，使土壤中的重金屬由有效態轉化為難以被植物吸收的沉淀態、結合態等。常見的土壤重金屬鈍化方式包括施入堿性物質、鐵鹽類鈍化劑或有機改良劑，此外也有部分植物根際分泌物也有固定重金屬的作用。堿性物質的施入能夠提高土壤pH值，一方面增加了土壤中的OH-，使重金屬形成氫氧化物沉淀從而降低其有效性，以減少植株吸收[4];另一方面，溶液中H+濃度降低導致其競爭作用減弱，有機質、錳氧化物等與重金屬結合能力增強，降低了重金屬的有效性，加強了土壤中重金屬的沉淀與吸附作用，從而能顯著降低土壤中重金屬的生物活性[21]。如常用的堿性物質石灰能夠將土壤pH值從4.54提高到5.74，并改變污染土壤中各形態重金屬的質量分數，使水溶態和交換吸附態重金屬別降低59.83%和32.13%，效果較為顯著[22]。

有機改良劑中的多種官能團能夠吸附重金屬，形成化學性質穩定的絡合物，從而降低重金屬的活性，減輕植物的毒性作用[23]。土壤中鎘的有效態絕大部分來源于水溶態，而有機硫化物結合態和殘渣態相對較為穩定。相同外源鎘施用條件下，隨著有機改良劑如生物炭施入量的增加，土壤中水溶態鎘含量呈降低趨勢，而碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機硫化物結合態和殘渣態鎘的含量卻表現為上升趨勢，這降低了植株根系對鎘的吸收，減輕了鎘的毒害作用[24]。

2.2作物重金屬的阻隔機制

重金屬阻隔機制主要是通過施加一些外源物質如刺激素、阻隔劑等，使植物吸收重金屬能力下降，或者植物自身的基因型導致植物對于重金屬的吸收能力較低，從而減少植株體內重金屬富集。目前已發現硅、硒和鋅可有效降低鎘、砷的積累，鐵、錳、硫和植物調節劑也具有類似的調節功能。其主要阻隔機理為：對于鎘吸收基因OsNramp5、鎘轉運基因OsLCT1以及鎘解毒基因OsHMA3，硅的施入可抑制鎘吸收、轉運基因的表達，促進解毒基因的表達。大量鎘因此滯留在細胞液泡，并通過共沉淀作用固定在細胞壁，從而阻隔植株對于鎘的吸收與轉運。硅也可以抑制硅轉運蛋白OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6的表達，從而降低對砷的吸收與轉運[25]。也有研究表明，噴施硅質葉面阻隔劑能夠使Cd由活性態向惰性態轉化，抑制豆芽對培養液中Cd的吸收，且對豆芽根部與莖部Cd積累的抑制效果最為顯著[26]。另外，作物吸收硅后，形成硅化細胞，可提高植物細胞壁強度，降低細胞膜透性，從而降低作物Cd吸收量。對于花生來說，其食用部位主要位于地下，通過阻隔作用將重金屬固定于地上部，是降低籽仁重金屬含量的有效途徑。

在一定的施用水平下，某些酸性物質也能抑制植物對重金屬Cd的吸收。低分子有機酸（檸檬酸、蘋果酸）能夠抑制Cd由根向小麥幼苗地上部的轉運，降低小麥Cd含量，并且抑制作用隨有機酸施入量增加而增強。ABA也可使水稻幼苗根與地上部、不結球白菜地上部Cd積累量降低[27]。此外，某些特定植物分泌物也可使重金屬處于螯合態從而減少吸收，如在缺鐵條件下花生與小麥間作時，小麥分泌的麥根酸類物質可螯合土壤中的Cd，以減少花生對重金屬的吸收。Kudo等[28]也曾得出推論，植物根系釋放的PS能夠使根系周圍的非可溶態Cd的移動性增加，卻不能將Cd以PS-Cd絡合物的形式轉移到植物根系細胞中。

2.3外源物質的競吸機制

外源物質的競吸機制是通過施加與重金屬離子化學性質相似的競吸物質，使其與重金屬離子發生拮抗，導致根系更多吸收競吸物質，以減少重金屬離子的吸入量。在控制花生籽仁重金屬富集中，常用的競吸物質包括鈣、硅、硒、硫等。施用Ca2+的作用機理為Ca2+通過植物細胞表面受體蛋白CaM上的鈣結合位點進入細胞，而Cd2+的離子半徑與Ca2+的離子半徑接近且電荷相同，因此可通過與Ca2+競爭CaM上的結合位點取代Ca2+，并影響鈣泵的正常運作，通過鈣泵而進入細胞內部[29]。相反地，增加土壤中Ca2+的濃度，其與Cd2+的拮抗作用就會加強，Ca2+就更容易競爭到CaM上的結合位點，導致植株對Ca2+的吸收量增加，Cd2+的吸收量減少，最終降低Cd在花生籽仁的富集量。此外，重金屬離子也可通過競爭通道蛋白進入植株體內。如鎘、砷分別可通過競爭鈣、硅通道進入細胞[25，30]。因此，提高土壤中鈣、硅的濃度是減少植株重金屬富集的有效手段。在高濃度鈣、硅環境下，植株對Cd2+、As（Ⅲ）吸收因拮抗作用受到抑制，最終導致植株體內重金屬富集量減少。此外，硒和硫也已證明對重金屬的競爭吸附有顯著效果[27，31]。

2.4生物修復機制

常用的生物修復主要是植物修復和微生物修復。其中植物修復是利用超富集植物（其對重金屬元素的積累達干重的1%～5%）根系吸收土壤中重金屬并將其轉移、貯存到植物莖葉，然后收割莖葉，離地處理的重金屬土壤修復技術。超積累植物根系能分泌特殊有機物，或其根毛直接從土壤顆粒上交換吸附重金屬，促進土壤重金屬元素的溶解和吸收。吸附在根表或根毛皮層上的重金屬離子可通過質外體或共質體途徑進入根細胞，大部分金屬離子通過專一或通用的離子載體或通道蛋白進入根細胞，該過程為一個消耗能量的主動過程，非必需的重金屬可與必需金屬競爭膜轉運蛋白，以離子形式或金屬螯合態進入根細胞[32]。一般具有以下特征的植物較為理想：土壤中污染物濃度較低的情況下也可以多量吸收和積累;對污染物具有較高的耐性、富集能力或促進分解的能力;對多種污染物同時具有較好的修復能力;生長快、生物量大、耐病蟲害、容易栽培種植與管理;收獲后通過有效利用（如制造生物燃料、作為觀賞花卉等）產生高附加值的經濟效益[33]。

微生物修復是指利用耐重金屬能力強，且能夠大量吸收固定重金屬的微生物進行重金屬污染土壤的修復。目前已發現的可用于重金屬修復的菌株有XF菌、菌株1JN2等。XF菌是一株從污染土壤中分離出的能高度抗鎘和吸附鎘的菌株，其原理是被XF菌吸收土壤中Cd并固定于菌體內，菌體會隨著灌溉水或降雨的下滲而向更深層的土壤移動，從而使耕層土壤中Cd含量顯著降低。另外，XF菌主要在花生根際大量繁殖，在根部與土壤重金屬間起到一定程度的隔離作用，從而降低了根對于重金屬的吸收，也減少了花生籽仁重金屬的富集[34]。另外，篩選出的一株植物內生菌1JN2也表現出顯著耐鎘能力及鎘吸附能力，且活性顯著高于植物根圍細菌。該菌株能夠逐漸適應鎘脅迫壓力，并具有良好的自我復原能力。菌株1JN2可能利用胞外多糖固定環境中的Cd2+，從而減少寄主植物對于Cd2+的吸收[35]。

3花生重金屬防控措施

3.1加強監管

花生中鎘的來源主要是土壤中的鎘污染，而土壤中鎘污染主要來自工業“三廢”[9]。在農業生產中，污水灌溉成為導致土壤鎘污染的一大原因。相關研究表明，礦區附近農田土地主要重金屬污染輸入途徑為灌溉水[36]。此外公路旁植株籽粒中Cd可能的輸入途徑還有葉片對大氣顆粒物中重金屬的吸收和轉運[37]。因此對花生重金屬污染防控，要加強工農業污染監管，有效控制重金屬污染物排放。對工業“三廢”要嚴格按環保法的規定達標排放，對于工藝落后、污染嚴重、排放不達標的企業要強制整改、關停。同時加強農業投入品的管理，嚴禁使用重金屬超標的肥料和農藥，避免因施用量過大引入重金屬污染。有關環境及農業部門必須加強管理，對主要花生種植區進行嚴格生態保護，杜絕工業污染，此外應大力推進實施清潔能源利用，大力發展生態循環農業工程，提高污水處理排放標準，提升再生水生產工藝，加大重金屬清除的工藝指標要求等。強化尚未污染的土壤保護，嚴格監管并謹防重金屬污染發生。

3.2良種選育

不同品種花生重金屬富集能力不同，故篩選和定向培育低富集重金屬的花生良種，是控制花生籽仁重金屬富集量，提高花生品質的重要途徑[18]。在現有的對于花生重金屬富集能力的試驗中，已有部分品種表現出優良的低重金屬富集特性，如白沙1016[38]、魯花9號[14]、D131、E133、KB054、XD011[19]、KA100[39]、大埔種、粵油45、恩平農家種[40]及品系冀花、豫花、泉花[41]為低Cd富集品種，花育22號為低Cu富集品種，豐花3號為低Zn富集品種[14]，可作為無公害花生品種進行推廣種植，而粵油55、陵水客家扯子[40]及品系農大、湛油、合油[41]的鎘富集能力較強，不適宜在重金屬含量較高的土壤上種植。進一步研究花生對重金屬的抗性和富集的遺傳機制并進行遺傳改良，培育低重金屬富集能力的新品種，對于防治花生重金屬污染具有重要意義。

3.3土壤改良

土壤改良的途徑主要有改變土壤酸堿度、提升土壤有機質等。堿性物質的施入，可有效提高土壤pH值，從而鈍化土壤重金屬。常用的改良劑包括石灰、生物質炭、鈣鎂磷肥等。在單一鈍化劑中，石灰鈍化能力最強，對于Pb、Cu、Cd、Zn的鈍化作用均顯著;而磷肥僅對Pb效果最好。在多種鈍化劑復合使用的情況下，以腐殖質+石灰的效果最好，這是因為腐殖質的施入可以令固定在土壤中的重金屬受到活化，已被活化的重金屬在石灰的鈍化作用下可更大程度地向穩定性較高的可氧化態（有機結合態）和殘渣態轉化。且腐殖質+石灰的復配處理對Pb、Cu、Cd、Zn的鈍化效果均優于單一石灰處理[42]。另外熟石灰+鈣鎂磷肥（1∶1）的搭配也已被證實能夠緩解Cd、Cu和Pb污染對玉米生長的抑制[23]。生物質炭也是一種有效的重金屬改良劑，施入生物質炭能夠提高土壤pH值，從而使土壤中重金屬離子得以固定[43]。添加生物炭的土壤中可交換態Zn、Cd、Pb、Cu分別降低0.15%～24.11%、1.22%～16.09%、0.47%～21.51%、3.05%～77.30%，且表現為隨生物炭施用量的增加其降低程度增大[44]。對于成熟期的花生重金屬富集也已證實有顯著的抑制作用[45]。

3.4肥料調控

施肥是促進花生生長，提高花生產量的一個重要手段。如果肥料中含有較多的重金屬，其對于花生籽仁的重金屬含量也會有一定程度上的影響。在對全國各地市售常用肥料樣品重金屬含量調查結果發現，有機肥重金屬污染最為嚴重，其次過磷酸鈣，有機-無機復混肥也存在一定程度的重金屬超標。相較于無機化肥，有機肥通常重金屬超標更為嚴重[46-49]。其中有機肥和生物有機肥中的Cd、Hg對土壤污染程度最高，Hg對土壤污染達到了輕污染等級。微生物肥料中的Cd單因子污染指數為9.0，如施入到土壤中，對土壤的影響為重污染，達到嚴重污染水平。磷肥中的Cr對土壤污染程度比較高，Pi值為0.25[50]。所以，低重金屬肥料的施用，對于土壤重金屬含量至關重要，是花生重金屬防控的有效途徑。另外即使肥料樣品中重金屬元素的含量符合國家相應的限量標準，但由于花生對重金屬的富集作用而產生的累積效應，也會造成花生籽仁重金屬超標，此特性應當引起人們的重視[51]。

4研究與防控展望

根據目前國內外花生重金屬研究現狀及防控措施來看，未來花生重金屬污染控制研究的主攻方向是：（1）從源頭控制土壤重金屬污染。對于未污染的農業用地，應嚴格控制肥料、農藥的施用，避免由于過量施肥或重金屬農殘過高導致土壤污染。此外，應嚴格控制重金屬排放，高污染的工業項目應遠離居民區和農田，杜絕重金屬污染范圍的擴大。（2）重視低重金屬富集能力花生品種的選育。低重金屬富集花生品種的選育是重金屬防控的重要手段之一。未來花生育種應在現有的低重金屬富集花生品種的基礎上進行，根據實際情況選育適應不同環境的花生品種，且在高產優質的基礎上，具備更低的重金屬富集能力。（3）重金屬土壤污染綜合治理。對于已經受到重金屬污染的土壤，應在經濟實用的基礎上，將植物修復、微生物修復、化學修復和物理修復多種技術有機結合，綜合治理，以達到成本更低廉，治理更高效的目的;同時對于已不適宜種植花生的污染土壤，應及時改變種植及土地利用方式等形式規避污染。（4）深入探究花生重金屬富集及調控機制。目前國內外對于花生重金屬的運輸途徑、富集轉運及調控機制等方面的研究仍處于起步階段，這涉及到土壤化學、土壤微生物學、植物生理學、植物生態學、分子生物學與基因工程等多個學科，因此，后續要統籌多個學科開展深入研究，在闡明機理的基礎上，提出花生重金屬的綜合防控制措施。

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