茶樹對重金屬的積累及調(diào)控機制研究進展

邰孟雅，丁旭歡，姬 偉，楊麗瑩，趙睿涵，翟夜雨，黃五星*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州 450002；2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000；3.河南省煙草公司平頂山市公司，河南平頂山 467000）

茶樹是我國重要的經(jīng)濟作物之一，在部分地區(qū)同煙草一樣作為扶貧產(chǎn)業(yè)意義重大。茶葉在中國的受眾范圍較廣，自古就有開門七件事（柴米油鹽醬醋茶）之說，雖然茶排在最后一位，但也稱得上生活必需品。因此，茶葉安全與人們的生活息息相關(guān)。我國茶葉年產(chǎn)量巨大。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021 年全國茶葉產(chǎn)量高達316.4 萬t，比2020 年增加23 萬t，首次突破300萬t大關(guān)。同時茶葉出口量也位居世界前列，因此茶葉安全不容忽視。近年來茶園的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，重金屬污染便是其中之一。

重金屬是植物生長發(fā)育非必需的元素，因其難以被降解而具有生物毒性。在植物生產(chǎn)中，重金屬污染不僅會影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可能通過食物鏈對人類健康造成威脅。重金屬一般以緩慢的形式持續(xù)在人體內(nèi)富集，以慢性中毒最為多見[1]。目前在茶樹中研究最多的重金屬有鉛、鎘、砷和汞等。有研究表明，安徽、福建和貴州等地茶葉的鉛污染相對較為嚴(yán)重[2]。開展茶樹對重金屬的積累規(guī)律和調(diào)控機制的研究，對減少乃至防止茶葉生長、加工等環(huán)節(jié)的重金屬污染具有重要意義。近年來相關(guān)研究已有大量成果，本文就茶樹對重金屬的積累和調(diào)控方面進行綜述，旨在為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)安全茶葉提供一定參考。

1 茶樹概述

1.1 生長特性

茶樹是一種多年生常綠木本植物。茶樹和大多數(shù)植物一樣有營養(yǎng)器官和生殖器官，繁殖方式包括有性繁殖和無性繁殖。茶樹的種植可以直接播種茶籽，也可以采用茶苗移栽的方式。直接播種相較于移栽而言更為簡單方便、成活率高，但個體差異大，長勢一致性差，成苗后原料品質(zhì)的一致性不如后者。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，目前新建茶園多為移栽的無性系扦插良種茶苗。移栽茶苗時應(yīng)注意選擇適宜的天氣進行，覆土澆水到位才能提高移栽的成活率。旱季種后1 周應(yīng)每天澆水1 次，以后依次減少。澆水應(yīng)在每天下午或傍晚進行，雨天要注意做好排水工作。

茶樹喜溫濕氣候，生長適宜溫度在23 ℃左右。影響茶樹種植的因素很多，包括海拔、地形、土壤、溫濕度和光照等。隨著海拔的升高，溫、濕度等條件均發(fā)生明顯變化，在一定程度上可以促進茶樹的生長發(fā)育。還有研究表明，低海拔地區(qū)土壤的有機質(zhì)含量較低，通氣透水性能不好，因此茶樹多種在山上[3]。

1.2 利用價值

茶樹的根、莖、葉、芽、花和種子都有其獨特的價值。茶樹葉子是收獲和利用的對象，按葉片大小可將茶樹分為小葉、中葉、大葉和特大葉四類。茶樹的葉片是常綠的，同一時期老葉和新葉并存，新生芽葉是成品茶制作的原料。茶葉不僅口感好、味道濃韻，而且有一定的保健作用。在歷代的本草類醫(yī)書中，均提到茶葉具有潤肺化痰、利尿、清神、消食、解膩等功效。茶葉可以清熱降火、祛風(fēng)解暑，還能解毒止瀉[4]。

茶葉之所以具備多重功效，皆因其所蘊含的成分，其中茶多酚是茶葉中的主要抗氧化物質(zhì)。茶樹花中抗氧化類物質(zhì)的含量也較高，可替代茶葉作為原料進行多酚類物質(zhì)的提取。茶樹種子可以榨油，木料可以用于雕刻。茶樹根還可以用于心臟病和心律不齊等疾病的治療[5]。茶樹精油具有一定的消毒殺菌效果，不僅可以凈化空氣，在美容產(chǎn)品方面也有較多的應(yīng)用[6]。

2 茶樹對重金屬的吸收積累

重金屬可累積于茶樹的根、莖和葉等各個部位，積累規(guī)律受多種因素影響。一方面，不同地區(qū)的土壤性質(zhì)、生態(tài)條件、施肥方式等因素存在差異；另一方面，同一地區(qū)茶樹的不同品種、部位、季節(jié)及茶葉的不同嫩度等都會影響其對重金屬的積累。另外重金屬種類不同，吸收積累機制也不盡相同。

2.1 不同品種茶樹對重金屬的積累

不同品種的茶樹，由于遺傳因素等方面的差異，對重金屬吸收、轉(zhuǎn)運和代謝的能力略有不同。胡波等以鐵觀音、福鼎大白、水仙和金萱4 個茶樹品種為試驗材料，研究茶葉對土壤重金屬的富集情況，結(jié)果表明4 個茶樹品種對鉛、鉻、鎘、汞和砷等富集能力的排序各不相同，其中鐵觀音對上述所有金屬元素的富集系數(shù)均為最高[7]。秦玉燕等通過分析金牡丹、福鼎大毫等10個茶葉品種的葉片對汞、砷等的富集能力[8]，也得到不同排序結(jié)果。

2.2 茶樹不同部位對重金屬的積累

茶樹總體來說可分為地上和地下兩部分，地下部分主要指根系，地上部分包括枝干、成熟葉片和新梢等。楊柳等的研究表明，試驗所用的9 個主栽茶樹品種，無論是對照組還是鎘處理組，茶樹不同部位對鎘的積累量排序均為根系＞枝干＞成熟葉片＞新梢，自下而上依次減少[9]。陳玉真等從福建省8個代表性茶園取樣，不同樣點茶樹各部位對鉛的積累情況總體表現(xiàn)為根＞莖＞葉[10]。也有研究表明，汞在茶樹根中含量最高，其次積累量從大到小依次為老葉、樹皮、新葉和枝干[11]。重金屬主要在茶樹根中積累，少部分被轉(zhuǎn)移至地上部，因此茶樹根部更容易受到重金屬的毒害。

2.3 不同季節(jié)茶樹對重金屬的積累

在春、夏和秋季3 個季節(jié)，重金屬在茶樹中的積累有所差異。向素雯通過對春季和夏季湖南省東北部茶葉的分析，發(fā)現(xiàn)茶樹莖和老葉中鉛、鎘含量均為夏季高于春季，在新梢中則相反[12]。戴斯佳研究了春、夏和秋季湖南省9個主栽茶樹品種對鉛、鎘、汞及砷的積累量，結(jié)果顯示鎘和砷含量從春季到秋季逐漸增加，汞含量逐漸減少，而砷含量與季節(jié)變化關(guān)系較小[13]。

3 茶樹對重金屬脅迫的調(diào)控機制

在重金屬脅迫下，茶樹形成了一系列調(diào)控機制以維持自身正常的生理功能。總的來說，茶樹對重金屬的調(diào)控包括外部和內(nèi)部機制兩個方面。

3.1 外部機制

土壤環(huán)境與茶樹對重金屬的吸收密切相關(guān)。土壤pH、有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地等因素都會對重金屬的生物有效性產(chǎn)生影響[14]。在所有土壤因素中，pH對重金屬的遷移能力影響最大，重金屬的生物有效性隨土壤酸度的增加而增加。茶樹根系分泌物一方面可通過提高土壤pH 降低重金屬的遷移能力，另一方面分泌物自身也能與重金屬絡(luò)合，從而減少茶樹對重金屬的吸收。此外，還可以促進茶樹根部細胞對重金屬離子的外排，降低植株體內(nèi)尤其是茶葉中的重金屬含量。茶樹也可以將重金屬從嫩葉轉(zhuǎn)移至老葉，加速老葉脫落帶走部分重金屬，從而提高茶葉安全性。

3.2 內(nèi)部機制

3.2.1 細胞壁固存和液泡區(qū)隔化

細胞壁和液泡在茶樹應(yīng)對重金屬脅迫中發(fā)揮著重要作用，二者都是通過降低體內(nèi)重金屬的生物有效性來減輕脅迫傷害[15]。植物細胞壁不僅與細胞伸長、擴大等過程密切相關(guān)，還有助于植物對逆境脅迫作出響應(yīng)[16]。細胞壁是植物細胞的重要組成部分，主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等。茶樹細胞壁組分中的基團結(jié)構(gòu)及周圍的金屬離子等都對重金屬有一定的絡(luò)合作用，從而將其固定在細胞壁中，減少重金屬的運移[17]。區(qū)隔化可以將重金屬限制在液泡內(nèi)，阻止其接觸細胞器和其他代謝過程進而影響茶樹的生長發(fā)育。在茶樹細胞中，重金屬可以被直接轉(zhuǎn)運至液泡，也可以先由配基與重金屬形成絡(luò)合物，再轉(zhuǎn)運至液泡儲存。

3.2.2 螯合作用

螯合作用主要指重金屬與植物體內(nèi)的有機酸、金屬硫蛋白、植物螯合肽等成分基團進行配位，通過螯合反應(yīng)形成穩(wěn)定螯合物。螯合反應(yīng)可以改變重金屬的形態(tài)，從而降低其在植物體內(nèi)的毒性[18]。重金屬超積累植物中往往具有更高含量的螯合劑[19]。谷胱甘肽是植物合成金屬螯合肽的重要原料。據(jù)王海賓的研究，茶樹在受到金屬銅和鎘脅迫時，其體內(nèi)可誘導(dǎo)谷胱甘肽的合成與再生，進而提高茶樹對重金屬的耐受性[20]。

3.2.3 抗氧化系統(tǒng)

植物抗氧化系統(tǒng)包括酶抗氧化系統(tǒng)和非酶抗氧化系統(tǒng)兩種，主要有超氧化物歧化酶、過氧化物酶、還原型谷胱甘肽和抗壞血酸等[21]。正常環(huán)境下生長的植物，其體內(nèi)活性氧水平較低。而重金屬脅迫的一個重要表現(xiàn)，就是打破植物體內(nèi)的氧化還原平衡。茶樹在受到重金屬威脅時，其體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)便會通過各種途徑實現(xiàn)對活性氧的清除、抑制膜脂過氧化和修復(fù)損傷的DNA等，從而降低過氧化脅迫對自身的傷害。

4 重金屬污染的防治措施

從茶園選址開始，到茶樹栽培及茶葉的加工包裝等所有過程都有可能造成重金屬污染。因此需要關(guān)注茶葉生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，從源頭抓起，最大程度做到預(yù)防和控制。

4.1 茶園選址

對于重金屬污染應(yīng)以預(yù)防為主，因此選擇適宜的種植環(huán)境是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶葉的前提。在茶葉采收加工之前，重金屬來源主要有2 個方面，即土壤污染和大氣沉降[22]。土壤重金屬污染既與自然因素有關(guān)，也受施化肥、農(nóng)藥及生活用水等人類活動的影響。大氣污染則主要來自于人類活動，比如汽車尾氣、工業(yè)燃料燃燒等。通過對龍井茶中的鉛進行同位素示蹤，發(fā)現(xiàn)除土壤因素外，汽車尾氣對其貢獻最大[23]。近居民區(qū)采摘的茶葉重金屬含量也明顯較高。因此，茶園基地的選擇應(yīng)符合農(nóng)業(yè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確土壤的背景信息，包括坡度、pH和排灌條件等；其次要考慮茶園附近的生態(tài)環(huán)境，遠離公路、居民區(qū)和工廠等污染源，遵守《農(nóng)田灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，盡最大可能避免重金屬污染。

4.2 改善土壤環(huán)境

土壤重金屬是茶葉中重金屬污染的主要來源，健康的土壤環(huán)境是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶葉的基礎(chǔ)[24]。一般來說，土壤中的重金屬并不會被茶樹過多吸收并轉(zhuǎn)運至茶葉，但土壤酸化會使游離態(tài)重金屬增加，進而促進茶樹對其的吸收和轉(zhuǎn)運。同時重金屬的遷移率還受土壤有機質(zhì)含量和微生物活動等因素的影響。因此改善茶樹生長的土壤環(huán)境可在一定程度上減輕重金屬對茶葉的污染。生物炭因其疏松多孔的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積對重金屬具有良好的吸附作用，同時可以有效改良土壤性質(zhì)，為微生物活動創(chuàng)造適宜的環(huán)境[25]。此外，還可以選擇植物修復(fù)、動物修復(fù)等來改良茶樹生長環(huán)境，提高茶葉的安全性。

4.3 改進農(nóng)藝措施

茶樹的健壯生長離不開科學(xué)的管理。茶園農(nóng)藝措施主要包括澆水、施肥、打藥、間作、培土和修剪等。污水是茶園土壤重金屬的主要來源之一，應(yīng)嚴(yán)禁使用含有重金屬的廢水進行灌溉。其次對于肥料和農(nóng)藥的使用要適當(dāng)。據(jù)孔樟良等的研究，施化肥的茶葉鎘含量高于施用有機肥，而施有機肥的汞、鋅、銅含量又高于施化肥[26]。

4.4 添加外源物質(zhì)

適當(dāng)使用外源植物激素也可以在一定程度上調(diào)節(jié)茶樹的生長發(fā)育，幫助其抵御重金屬的脅迫傷害。有研究表明，外源添加生長素和乙烯在促進小麥生長的同時還可以減少小麥植株對重金屬鎘的吸收和轉(zhuǎn)運[27]。適當(dāng)濃度的外源水楊酸也可以增強孔雀草抵御鎘脅迫的能力，保護光合系統(tǒng)中葉綠素的合成，提高抗氧化酶活性[28]。脫落酸是植物內(nèi)源激素的一種，在重金屬脅迫下植物體內(nèi)的脫落酸含量升高，進而引發(fā)下游的信號級聯(lián)反應(yīng)，最終實現(xiàn)對植物生長發(fā)育的調(diào)控。周琳等發(fā)現(xiàn)低濃度外源脫落酸對提高茶苗抗逆性效果明顯[29]。

4.5 控制加工過程

茶葉采摘的方式可分為手摘和機械采摘2 種。由于茶園地形的復(fù)雜性及優(yōu)質(zhì)茶葉的高標(biāo)準(zhǔn)，目前手工采摘仍然是主要方式。茶葉采摘完成也并不是重金屬防治的結(jié)束，炒制和包裝過程同樣需要嚴(yán)格把關(guān)。茶葉炒制也有人工炒茶和機器炒茶之分。在使用機械設(shè)備時，應(yīng)注意鉛黃銅和鋁合金等材料不應(yīng)被用來制造制茶的機器。在設(shè)備使用過程中，應(yīng)使用無鉛汽油燃料，避免燃燒時排放的氣體造成成品茶葉的鉛污染[30]。除此之外，還應(yīng)當(dāng)注意加工場所的環(huán)境，盡可能降低外源重金屬污染的風(fēng)險。

5 結(jié)語

長期飲用重金屬超標(biāo)的茶水，無疑會對人體健康造成不良影響。但因只有積累到一定量才會表現(xiàn)出毒性，往往會被人們忽視。茶葉除了用于泡茶外，還是制作茶粉的原料，可被人們直接食用，故而需要提高警惕，加強茶葉生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管。可根據(jù)茶葉的重金屬浸出率，選擇科學(xué)的飲茶方式。

盡量不在重金屬污染的土壤種植茶樹，如果必須要種可以根據(jù)茶樹的不同品種對重金屬的吸收累積差異，選擇合適的品種種植。根據(jù)不同季節(jié)茶樹對重金屬積累量的差異選擇合適的時機采摘，降低茶葉中的重金屬含量。

重金屬實驗多采用水培或盆栽的方式進行研究，這與土壤的復(fù)雜環(huán)境仍存在一定差距。同時也只代表了由單一金屬脅迫導(dǎo)致的結(jié)果，而現(xiàn)實中重金屬往往以復(fù)合污染的形式存在。土壤中多種金屬共存對金屬毒性也有較大影響，根據(jù)相對濃度和其他性質(zhì)的不同，可能具有協(xié)同或拮抗的作用。另外茶樹和重金屬之間分子水平的機制也是未來研究的方向。