重金屬污染對葡萄生化及安全品質影響的研究進展

孫葉芳，楊萌，聞秀娟，馮瑤，馬倩倩，李兆君*

（1. 紹興市農業科學研究院，浙江紹興 212000；2. 浙江農林大學環境與資源學院，浙江杭州 313000；3. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081）

采礦、污水灌溉、施肥等人類活動及工農業的快速發展引起的重金屬污染問題日益嚴重[1]。目前，我國農業用地受重金屬污染的面積大約有2500萬 hm2，占耕地總面積的16.1%[2-3]。土壤重金屬污染因其隱蔽性、滯后性等特點，其危害的嚴重性很難被及時發現。在自然條件下，土壤中的重金屬難以降解[4-5]。我國是鮮食葡萄生產第一大國，2018年葡萄種植面積已超過87.5萬 hm2，在產量和面積上分別居世界第一位和第二位[6-8]。目前，我國葡萄種植集中在新疆地區、吉林以長白山為核心的產區、黃土高原地區、環渤海灣地區、黃河中下游地區、南方地區和西南地區等7個栽培區[9]，葡萄生產正在朝著資源稟賦優、產業基礎好、比較效益高和出口潛力大的區域發展[10]。葡萄霉菌病是葡萄的重要病害，而含銅殺菌劑是防治霉菌病的重要抑制劑[11]。波爾多液是國內外果園使用歷史久、頻率高、用量大的含銅殺菌劑，有可能會導致葡萄園土壤中銅（Cu）的逐步累積[12]。同時，葡萄栽培過程施用高銅畜禽糞便和化肥，也給土壤帶來重金屬污染，如法國葡萄園土壤中全銅含量達到100～1000 mg/kg[13]。而我國湖南長株潭地區由于有色金屬豐富，葡萄園土壤中存在鎘（Cd）和汞（Hg）等重金屬嚴重超標現象[14-15]。重金屬在土壤中的大量積累不僅污染環境，而且影響葡萄樹的生理生化指標，降低葡萄果實品質，還將通過食物鏈進入人體，威脅人體健康[16]。

重金屬對葡萄的生理生化及安全品質的研究已有報道，但對這方面研究卻鮮有系統性的綜合分析，對國內外有關重金屬對葡萄生理生化及安全品質的最新研究進展進行了歸納總結，為通過重金屬修復技術來緩解其毒害、保障葡萄果實安全的研究提供理論依據。

1 重金屬脅迫對葡萄生理生化指標的影響

1.1 重金屬脅迫對葡萄生理指標的影響

當重金屬在植株體內積累后就會抑制根和莖的生長，不僅導致葉片卷曲，還會進一步影響氮和鐵等營養元素的吸收，產生氧化脅迫，損害植物光合元件，抑制光合作用，從而影響葡萄植株的各項生理指標[17-20]。

1.1.1 重金屬脅迫對葡萄葉片光合作用的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要光合色素，過量的重金屬將對葉綠素產生脅迫，從而影響光合作用，葉綠素含量變化可用以表征逆境脅迫下植物的損害程度[21]。研究表明，葡萄葉片中葉綠素含量與Cd2+濃度呈負相關[15]。重金屬對葡萄葉片中葉綠素含量的影響因葡萄品種而不同，在10 mg/kg Cd處理下，‘溫克’‘夏黑’和刺葡萄葉片的葉綠素含量相比未經Cd處理分別下降63.4%、59.1%和75.0%[18]。此外，郭亮等[15]研究表明，在重金屬Cd脅迫下，葡萄葉片中葉綠素a所受影響大于葉綠素b。管虹[22]發現，當培養基中Cu2+濃度高于10 mg/L 時，Cu2+對葡萄試管苗起抑制作用，葉綠素總量相比對照下降[22]。劉眾杰認為，在15 mg/L的硫酸銅（CuSO4）處理時，葡萄的凈光合速率顯著下降，而CuSO4＋檸檬酸（CA）和CuSO4＋人工螯合劑EDTA處理使CuSO4更容易被植物吸收，導致葉片中葉綠素降解更快[23]。關利平[24]試驗表明，隨著Cu脅迫的增加，‘澤香’‘玫瑰香’葡萄根系活力呈顯著下降趨勢，而電導率和丙二醛（MDA）含量顯著上升。‘巨峰’葡萄葉片的總呼吸速率隨著氯化鎘（CdCl2）濃度的升高呈現先升高后降低的趨勢，0～1 mmol/L CdCl2顯著增加葉片ATP含量的累積，而隨著CdCl2濃度的升高葉片ATP含量急劇下降，且其含量與對照無顯著差異。‘巨峰’葉片的熒光強度、超微弱發光強度均隨著Cd濃度的上升呈拋物線狀態，而葉片的磷光強度則隨著Cd2+濃度的上升而升高[25]。

1.1.2 重金屬脅迫對葡萄葉片抗氧化反應的影響

重金屬破壞細胞膜脂結構的穩定性，導致膜脂過氧化，爆發大量的活性氧化物（ROS），過量的ROS會對植物組織細胞產生嚴重傷害[26]。植物體內的抗氧化系統會自發地清除過多的ROS，這個系統包括過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等酶類[27]，這些酶活性的變化均可反應植物所受重金屬毒害的程度。丙二醛含量的變化則能反應植物細胞膜脂過氧化程度，通常也被用作逆境條件下膜脂過氧化的指標[28]。抗氧化酶是植物細胞抗氧化系統的重要組成部分，SOD是植物體內第一個清除活性氧的關鍵酶，在有機體活性氧代謝中處于重要地位，它將O2·-歧化為H2O2，生成的H2O2可通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環（ASA-GSH）來清除，還可通過CAT和POD的降解來清除[29]。這些保護酶系統能保護細胞免受損傷，而一旦ROS積累過多，加速膜脂的過氧化作用，將對植物細胞造成傷害，引起植物一系列生理生化紊亂，嚴重的將致植物死亡[22]。重金屬對植物的抗氧化物影響因植物種類而異，見表1。

管虹[22]發現，在葡萄組培苗處理15 d時，隨著Cu2+濃度的增加，葡萄葉片POD活性上升，POD活性與Cu2+濃度呈極顯著相關；同時表明，在培養基中添加5 mg/L的Cu2+時，葡萄葉片CAT活性均不受影響。但在培養基中添加大于10 mg/L的Cu2+時，隨著Cu2+濃度增加，CAT活性顯著上升，且品種間無顯著差異；5 mg/L的CuSO4處理試管苗葉片中MDA的含量與對照相比有所下降，但隨著Cu2+濃度增加到10 mg/L和15 mg/L，試管苗葉片中MDA含量上升，且兩者呈極顯著相關。重金屬脅迫對抗氧化物的影響因葡萄品種和部位不同而不同，在Cd脅迫條件下，‘夏黑’葉片的POD、CAT、SOD、MDA都有所増強，表現出拋物線的趨勢，在一定范圍內濃度越高活性越強，而刺葡萄和‘溫克’葉片的POD、MDA、SOD、CAT均與Cd2+濃度呈正相關[15]；‘澤香’葡萄根系中MDA的含量隨著根系CdCl2濃度的增加而增加，當CdCl2達到0.1 mmol/L及以上時，根系MDA含量顯著高于對照[25]。不同濃度Cd脅迫下葉片MDA含量均顯著高于對照，且‘金手指’葡萄葉片MDA含量上升幅度較大，200 mg/kg Cd處理是對照的201%[24]。‘巨峰’葡萄葉片中MDA的含量隨根系CdCl2濃度的增加而增加，當CdCl2達到0.5 mmol/L及以上時，葉片MDA含量顯著高于對照[25]。

1.1.3 重金屬脅迫對葡萄葉片細胞結構的影響

葉綠體是植物光合作用的場所，作為植物的能量工廠，其對重金屬脅迫較為敏感。過量的重金屬會影響植物韌皮部的運輸，損害細胞膜的滲透性，進而影響植物生長發育。長期重金屬脅迫將會破壞葉綠體的結構[34-35]，降解葉綠素和光合膜多肽組分，使光化學活性下降[36]，同時通過抑制光合速率影響植物的正常光合作用[37]。Cd脅迫處理的植物，造成細胞本身和細胞間隙縮小，葉面積減小，葉綠體結構退化，細胞內出現巨大的脂質小球，葉綠體片層結構瓦解[38]。研究表明，Cd脅迫時，葡萄的葉綠體結構、葉肉細胞結構等均受到影響，‘夏黑’葡萄在Cd脅迫下，葉綠體膜遭破壞，內部出現空泡，類囊體膜疏松，甚至消失，淀粉粒增多，高濃度Cd脅迫造成細胞膜結構破壞；‘溫克’葡萄在10.0 mg/kg Cd處理時，基粒排列無序，類囊體膜結構松散，葉綠體內部出現空泡，葉綠體膜受損，甚至葉綠體發生解體造成葉綠體基質連成一體；刺葡萄在Cd脅迫下，細胞膜結構變薄且不完整，葉綠體變形、變小，體內基質減少，膜結構遭到破壞，基粒和類囊體膜排列松散，出現空泡，淀粉粒增多[15]。隨著Cu2+濃度增加，葡萄試管苗受Cu2+脅迫加重，葉片細胞膜受到破壞，膜透性增大[22]。

表1 重金屬對植物的抗氧化物的影響Table 1 Effects of heavy metals on plant antioxidants

1.2 重金屬脅迫對葡萄生化指標的影響

過量的銅會導致植株堿基突變、膜脂過氧化、蛋白質的損傷和DNA鏈的斷裂[39]，同時還會降低硝酸還原酶活性，增加脯氨酸含量[40-41]，導致植物代謝紊亂，甚至死亡。CuSO4處理后，葡萄的根、莖和葉中VvCTR1基因的表達量均上升，說明Cu2+已通過導管運輸到植物的各個器官[23]。Cd能導致催化酶的代謝紊亂和氨基酸蛋白的失活[42]，抑制H+-ATPase和質膜Ca2+-ATPase活性，且隨著脅迫濃度增加，質膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性呈先升高后降低[43-44]。Cd2+光系統II抑制劑和葉綠體的2,6-二氯靛酚鈉光還原活性降低，可變熒光受抑制[45]。當CdCl2濃度為0.05、0.5、1 mmol/L時，‘巨峰’葡萄葉片硝酸還原酶活性分別為對照的110%、10%和118%，即當受到外源CdCl2處理時，‘巨峰’葡萄葉片一氧化氮合酶活性表現隨CdCl2濃度先升高、后降低又升高的變化趨勢[25]。銅鎘脅迫會導致可溶性蛋白[46]、還原性谷胱甘肽、抗壞血酸含量下降[31]、細胞電解質滲透率、脯氨酸及MDA含量升高[37]，脂肪酸種類及相對含量變化明顯[47]。總之，重金屬脅迫加劇最終將導致酶的表達被抑制，或者產生轉錄后或翻譯后修飾障礙[48]。

2 重金屬污染對葡萄安全品質的影響

2.1 重金屬對葡萄品質的影響

土壤中重金屬被葡萄根系吸收后，大部分的重金屬會被截留在根系的細胞壁和液泡中，少量的重金屬會通過導管從根系向地上部轉移，累積在葡萄枝蔓和葉片中，土壤中的重金屬被層層阻截或固定之后，移動性大大降低[49]。葡萄的根、莖、葉、果實等器官中重金屬含量可反映葡萄對重金屬的吸收能力和重金屬在植物體內的分布特征[50]，如從表2可以看出，不同重金屬在葡萄中的積累和分布有所不同。總的來說，葡萄中的重金屬主要富集在根、莖和葉中，其次為果實。同時葡萄植株對重金屬吸收能力又因重金屬自身特性及植物品種而異，從表3可以看出，‘戶太8號’‘巨玫瑰’‘紅寶石無核’‘紫珍香’等葡萄品種主要富集重金屬Cd、Pb和鉻（Cr），‘巨玫瑰’葡萄除了富集這3種重金屬外，還富集重金屬Hg，而目前市場上比較受歡迎的‘玫瑰香’葡萄則偏向對重金屬鋅（Zn）富集。

表2 重金屬在葡萄不同部位的積累情況Table 2 Accumulation of heavy metals in different parts of grape

郭亮[15]研究發現，Cd在葡萄的地下部分以及營養器官中分布較高，而且葡萄的根和枝條對于Cd表現出一定的富集作用，葡萄根系和枝條的Cd富集系數為果實的數十倍之高。葡萄果實中Hg質量比隨Hg含量增加而顯著增加[53]。富集在果實中的重金屬通過影響果實中的多糖、維生素、天然色素以及酚類物質，最終影響葡萄的品質。

2.2 不同國家和地區葡萄重金屬污染物安全限量標準

葡萄種植管理中用到的農藥和化肥均可能引起重金屬污染風險，如在防治葡萄霉菌病時會用到含銅殺菌劑，在防治枯頂病時會用到含亞砷酸鈉農藥[54]，同時磷肥的施入也帶來了Cd污染風險。研究表明，重金屬能在葡萄果實中進行積累[15,55]，從而通過食物鏈進入人體，對健康構成威脅。鑒于此，不同國家、地區和組織的葡萄質量安全標準各不相同，表4列舉了部分國家、地區和組織制定的葡萄重金屬安全限量值。從表4可以看出，除澳大利亞和國際食品法典委員會只列出Pb這一重金屬的污染限量值外，其他國家和地區則列出了Pb和Cd的限量值，而我國葡萄中Pb的限量標準較其他國家和地區較為寬松，為這些國家和地區的2倍，Cd與其他國家和地區限量值一致，均為0.05 mg/kg。

3 葡萄園重金屬污染治理措施

我國葡萄園重金屬污染時有發現，潘佳穎 等[56]研究賀蘭山東麓葡萄主產區土壤重金屬后，發現Cu、Cr和鎳（Ni）達到輕度污染水平。湯民等[57]研究發現，重慶金果園中葡萄受到Cd的污染。楊玉等[58]調查發現，長沙、株洲葡萄觀光采摘園土壤重金屬按綠色食品土壤標準衡量，只有17%達標，而中度和重度果園污染高達33%。魏靜等[59]發現，河北省張宣葡萄種植區主要表現為Cd、Cu超標。針對葡萄園土壤重金屬污染，可采取以下措施進行治理。

表3 不同品種葡萄對重金屬的富集Table 3 Enrichment of heavy metals in different grape varieties

3.1 施用含硅材料

含硅修復材料屬于無機類鈍化穩定性材料，常用的含硅材料有硅肥、硅藻土、硅酸鹽、沸石等，在重金屬污染土壤中，施入水淬渣硅肥與鋼渣硅肥，可顯著降低葡萄葉片中砷（As）、Cd和Cr含量[60]。當土壤pH在2～9時，硅以單硅酸（H4SiO4）形態存在，單硅酸是植物吸收硅的主要形態[61]。硅肥能降低土壤重金屬有效性，原因在于：①硅酸根離子與土壤中重金屬離子形成硅酸鹽沉淀，將游離態的重金屬離子固定于土壤中，抑制了重金屬在土壤-植株系統中的轉移、吸收[62]；②含硅材料的施入，提高了土壤pH值[63]，增強土壤的吸持能力。

表4 不同國家和地區葡萄重金屬及污染物安全限量標準[55]Table 4 Safety limit standards for heavy metals and pollutants in grapes of different countries and regions

3.2 施用有機物質

有機物質如有機肥、腐植酸和秸稈等已被廣泛用于土壤重金屬污染修復中。在土壤Hg污染下，施用有機肥的葡萄各器官Hg含量均低于未施肥處理[53]。這說明當土壤中施入有機物質時，有機質將改變土壤中重金屬的遷移性，其作用機理為：①有機物質分解產生陰離子，這些陰離子與鋁鐵氫氧化物中的OH-發生配位交換反應，土壤溶液中OH-增加，pH升高，土壤溶液中的游離態重金屬與OH-生成沉淀，降低了重金屬的活性，從而減少向葡萄植株進行遷移的能力[64]；②有機物質中富含羧基、羥基、羰基和氨基等官能團，這些官能團能與金屬離子生成金屬-有機絡合物[65]，阻止了重金屬向植株進行遷移。

因此，在重金屬污染的葡萄園，采用施加含硅物質和有機肥的措施，一方面改善土壤養分，提高產量；另一方面緩解和減輕葡萄園重金屬毒害，保障果實的品質。