重金屬對富硒農(nóng)作物的影響及防治研究現(xiàn)狀

黃軍根，王海娃，彭小強(qiáng)，姚豪穎葉

（1.南昌大學(xué)食品學(xué)院，南昌 330047；2.江西省質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化研究院，南昌 330052）

1 簡介

硒是人體必需的一種微量元素，適當(dāng)攝入硒對維持身體健康、調(diào)節(jié)免疫功能、預(yù)防心血管疾病等具有重要作用[1]。39%～61%的中國居民每日膳食硒攝入量低于世界衛(wèi)生組織/糧農(nóng)組織推薦的硒營養(yǎng)攝入量（39 μg/day～61 μg/day），而缺硒會引發(fā)某些重要疾病[2]，如克山病和大骨節(jié)病。由于食用富硒農(nóng)產(chǎn)品是補(bǔ)硒的重要途徑之一，因此應(yīng)大力發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)，推動富硒農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)。富硒農(nóng)業(yè)是一種通過合理土壤管理、施用富硒肥料和種植富硒作物等措施提高農(nóng)產(chǎn)品中硒含量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式?？茖W(xué)利用富硒土壤并發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)，有利于提高農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)價值和質(zhì)量，解決缺硒導(dǎo)致的各種健康問題，促進(jìn)中國鄉(xiāng)村振興[3]。

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)化水平的提高，由人類活動和工業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的土壤重金屬污染愈發(fā)嚴(yán)重。2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國約16.1%的耕地存在重金屬污染。重金屬污染會嚴(yán)重影響土壤生態(tài)價值、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，以及隨食物鏈循環(huán)威脅人類健康[4]，而實證研究表明富硒土壤中硒和重金屬經(jīng)常同時存在[5-7]。對福建大田[8]、陜西紫陽[9]和重慶江津[3]等多處典型富硒區(qū)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，土壤硒含量與土壤重金屬分布富集存在一定程度相關(guān)性；皖南某典型富硒土壤種得的水稻籽實重金屬鎘富集顯著，鎘超標(biāo)率達(dá)34.88%[10]?？梢姡寥牢控S富的同時，可能存在重金屬污染問題，從而導(dǎo)致種植的作物重金屬超標(biāo)。重金屬在土壤中遷移、富集與人類膳食營養(yǎng)安全狀況密切相關(guān)，因此開展重金屬對富硒農(nóng)業(yè)影響及防治的研究具有重要意義。

2 重金屬對富硒農(nóng)作物的影響

2.1 重金屬的來源和污染狀況

目前，我國耕地受重金屬污染情況較為嚴(yán)重，土壤重金屬污染已成為限制國內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。根據(jù)我國土壤重金屬污染問題現(xiàn)狀，重金屬污染來源[3,11]主要包括兩方面：1）天然因素。重金屬在自然界中廣泛存在，包括地球內(nèi)部的礦物、火山巖石、沉積物、大氣沉降等。成土母質(zhì)（土壤形成的原始物質(zhì)）風(fēng)化使重金屬物質(zhì)隨著降水和地表水流動，發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、遷移，在土壤中積累。天然地質(zhì)災(zāi)害也可能導(dǎo)致重金屬污染，例如火山噴發(fā)過程中釋放的大量鉛、鋅、銅等金屬元素落到土壤和水體中會造成重金屬污染。2）人為因素?；痣姟撹F、水泥、建材等行業(yè)的高耗能工業(yè)活動（如燃燒化石燃料），會導(dǎo)致大量飛灰進(jìn)入空氣，并經(jīng)大氣沉降污染土壤；機(jī)械制造、化工、紡織行業(yè)的工業(yè)活動會產(chǎn)生鋅和銻的重金屬污染；交通運(yùn)輸業(yè)中的尾氣排放會使鉛污染加重；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中施用含有鎘的農(nóng)藥和不合理施用化肥，都會導(dǎo)致土壤鎘的污染等。

大量研究表明，富硒土壤中重金屬含量與硒存在顯著或極顯著相關(guān)性。中國富硒地區(qū)有湖北恩施、陜西安康、重慶江津、江西豐城、安徽貴池等，通過分析不同富硒地區(qū)土壤中硒和重金屬的含量（見表1），依據(jù) GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的較嚴(yán)格項，發(fā)現(xiàn)湖北恩施、陜西安康、安徽貴池的鎘元素含量高于該標(biāo)準(zhǔn)，說明這三地都存在鎘污染情況，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測，采取安全利用措施。

表1 不同富硒地區(qū)重金屬污染狀況

湖北恩施地區(qū)重金屬鎘、砷、鉛、鉻元素含量均值均超過當(dāng)?shù)乇尘爸担?.34 mg/kg、11.16 mg/kg、28.96 mg/kg、87.6 mg/kg），對土壤存在潛在危害，其中重金屬鎘均值含量甚至達(dá)到了背景值的3.24 倍，說明鎘污染嚴(yán)重[12]。陜西安康地區(qū)土壤中鎘、汞的平均含量分別是當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担?.094 mg/kg、0.030 mg/kg）的4.15 倍和1.9 倍，且采樣點(diǎn)點(diǎn)位超標(biāo)率分別達(dá)到74%和73.5%，表明該地土壤存在重金屬鎘、汞污染[14]。

2.2 重金屬對植物吸收硒的影響

從富硒地區(qū)重金屬污染狀況分析中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)地區(qū)土壤的鎘含量超標(biāo)，重金屬鎘污染嚴(yán)重。而鎘在土壤中主要以易被植物吸收的水溶態(tài)和離子態(tài)存在[20]，隨鎘濃度升高會顯著抑制植物的生長、生理活動及其形態(tài)[21-22]。適量施硒能有效增加水稻籽粒中硒的積累，并能顯著降低稻粒中鎘的濃度[23]。盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中硒的濃度在2.5 mg/kg 時，硒會抑制蘿卜對鎘的吸收，而當(dāng)土壤硒濃度≥10 mg/kg 時，鎘會抑制蘿卜對硒的吸收[24]。此外，硒對部分重金屬的影響有所不同，例如低外源硒濃度對黃精吸收汞表現(xiàn)協(xié)同作用，對黃精吸收砷、鉛、鎘表現(xiàn)為一定拮抗作用，但高外源硒濃度則正好相反；同時拮抗作用隨濃度增高而增強(qiáng)，但達(dá)到一定硒濃度后黃精吸收硒能力下降而其重金屬含量增加[25]。因此，通過施硒治理土壤重金屬污染時，要明確特定硒濃度是否對某些重金屬存在拮抗作用而對其他重金屬表現(xiàn)為協(xié)同作用。

2.3 重金屬對人體健康的影響

2.3.1 過量重金屬對人體健康的危害

重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬，包括銅、鐵、汞、鉛、鎘、鉻等。其中部分元素屬于人體必需微量元素，人體缺乏微量元素會威脅身體健康，而人體攝入過量必需元素也會對身體健康產(chǎn)生危害。過量重金屬大多會對人體生物酶產(chǎn)生抑制作用，改變正常生物化學(xué)反應(yīng)，造成人類生殖障礙、影響胚胎正常發(fā)育，以及威脅兒童和成人健康。無論是有益或有害的物質(zhì)，人體對其攝入量都有一個耐受值，攝入量超過耐受值時會對身體健康造成嚴(yán)重威脅。

（1）鎘的危害：鎘主要通過空氣吸入和胃腸吸收進(jìn)人體內(nèi)，通過生物放大和生物積累作用，會對腎臟、骨骼、生殖系統(tǒng)產(chǎn)生毒害損傷，并可影響兒童生長發(fā)育和智力發(fā)育，且有明顯的致癌性[26]。

（2）汞的危害：汞污染對人體健康的影響可分為無機(jī)汞和有機(jī)汞兩方面[27]。無機(jī)汞暴露可能導(dǎo)致肺損傷、腎臟損傷以及神經(jīng)和心理異常，這些癥狀在停止暴露后是可逆的；有機(jī)汞主要造成人體神經(jīng)毒性和腎臟損傷，引起末梢感覺錯亂、視野收縮、運(yùn)動性共濟(jì)失調(diào)、聽覺錯亂等癥狀[28]，易在體內(nèi)積留造成不可逆?zhèn)Α?/p>

（3）鉛的危害：人體鉛中毒的癥狀有貧血、煩躁、頭痛、腹痛，以及記憶力和理解能力下降、反應(yīng)時間延長等與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的各種癥狀，例如鉛腦病可能造成永久性病變[27]。孕婦容易受到鉛的影響，過量接觸鉛會引起流產(chǎn)、死胎、畸胎等異常妊娠[29]。

（4）砷的危害：無機(jī)砷有劇毒[30]，人體大量攝入會使胃腸道、心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)嚴(yán)重紊亂，輕者出現(xiàn)溶血、肝腫大、黑色病變、多發(fā)性神經(jīng)病和腦病，癥狀嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致死亡[27]。

（5）其他重金屬的危害：銅、釩及其他重金屬是導(dǎo)致人類生殖障礙的重要因素之一[29]。銅對精子有相對性毒害，在子宮中會干擾精子移動和受精卵著床，還會抑制子宮內(nèi)膜細(xì)胞中酶活性影響生殖過程、干擾內(nèi)膜細(xì)胞對其他微量元素的吸收和代謝。釩及其化合物會引起男性的性腺毒性而影響生殖能力[31]。

2.3.2 富硒作物中硒和重金屬含量及安全性評價

通過對不同富硒地區(qū)土壤重金屬含量情況的研究[3,12-18]，可知多數(shù)富硒地區(qū)的鎘污染較為明顯。根據(jù)GB/T 22499—2008《富硒稻谷》，大米中硒含量在0.04 mg/kg～0.30 mg/kg 之間的稻谷為富硒稻谷；根據(jù)GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》，稻米中鎘的限量為0.2 mg/kg。對川南某地富硒稻米中重金屬元素分析發(fā)現(xiàn)[32]，研究區(qū)稻米硒含量為0.059 mg/kg～0.248 mg/kg，所有樣品均符合富硒稻谷的標(biāo)準(zhǔn)，但鎘含量為0.062 mg/kg～0.440 mg/kg，54%的樣品鎘含量超過GB 2762—2022 限量要求。由于食物中缺鋅會提高鎘攝入量[33]，對鎘進(jìn)行安全性評價時還應(yīng)關(guān)注Cd/Zn指標(biāo)（食品健康臨界值Cd/Zn=0.015）。研究區(qū)樣品Cd/Zn 為0.000～0.016，其中22%的樣品超過臨界值，明顯高于國內(nèi)市場超標(biāo)率10%，說明研究區(qū)稻米鎘污染較嚴(yán)重[32]。鎘超標(biāo)大米流入市場會嚴(yán)重威脅食品安全，消費(fèi)者不慎食用會對身體造成傷害甚至導(dǎo)致不可逆的腎損傷，各地應(yīng)充分重視鎘污染的潛在危害及其防治。

2.3.3 土壤及作物重金屬安全風(fēng)險評價方法

（1）土壤重金屬綜合風(fēng)險評價

根據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》及相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合食用農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同檢測結(jié)果，對土壤環(huán)境質(zhì)量等級與綜合風(fēng)險程度進(jìn)行劃定，詳見表2。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量等級劃分與風(fēng)險評價

（2）作物重金屬安全性評價

作物超標(biāo)系數(shù)（Ri）可以反應(yīng)作物中單因子污染物含量超標(biāo)程度，其計算公式為：

其中Ri——作物元素超標(biāo)系數(shù)；Ccropi——作物重金屬含量；Cstdi——作物重金屬限量值（參照GB 2762——2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》）。

根據(jù)Ri 的檢測與計算結(jié)果，對作物質(zhì)量等級及風(fēng)險程度進(jìn)行劃分，詳見表3。

表3 作物質(zhì)量等級劃分及風(fēng)險評價[34]

（3）土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

科學(xué)家通過沉積學(xué)原理提出了評價重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險的方法[35]，即可采用潛在風(fēng)險危害指數(shù)來評價土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險，其計算公式為：

其中RI——重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Eri——土壤中單一重金屬i 元素潛在生態(tài)危害指數(shù)；——土壤中重金屬元素i 的毒性系數(shù)（鎘、砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅相應(yīng)的毒性系數(shù)分別為30、10、5、2、5、5 和1[36]）；Bi——重金屬元素i 的評價標(biāo)準(zhǔn)（土壤背景值或GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的較嚴(yán)格項）；Ci——土壤中重金屬元素i 的實測含量。

土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)[37]，詳見表4。

表4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

3 防治土壤重金屬污染措施

富硒土壤中鉛、鎘、汞、鉻、銅等重金屬元素濃度過高時會對土壤質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境和人體健康等方面產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，而土壤pH、土壤氧化還原電位、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物等情況則會影響土壤重金屬存在形態(tài)和有效性[38]。土壤pH 是影響土壤硒和鎘有效性的重要因素之一，在一定pH 范圍內(nèi)，隨著土壤pH 提高，土壤硒的有效性增加，而重金屬鎘的有效性降低[38]。在氧化條件下，硒常以硒酸鹽形式存在，其有效性提高，而還原狀態(tài)時硒則以硒化物、亞硒酸鹽形態(tài)為主，其有效性降低[39-40]。土壤可溶態(tài)硒含量隨有機(jī)質(zhì)和黏粒含量增加而增大，土壤有機(jī)質(zhì)對可交換態(tài)硒、有機(jī)態(tài)硒、殘渣態(tài)硒含量均有積極作用[41]。有些土壤微生物具有產(chǎn)生揮發(fā)性硒，降解根際有機(jī)硒，以及還原亞硒酸產(chǎn)生元素硒等功能，可改變土壤硒的形態(tài)和濃度，還有些微生物本身吸收、代謝重金屬，可減少土壤中重金屬有效性和含量[38,42]。因此，可根據(jù)富硒土壤實際情況，采取一些有效措施防治土壤重金屬污染。

3.1 農(nóng)藝管理

農(nóng)藝管理是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過科學(xué)管理措施，調(diào)節(jié)土壤、水分、養(yǎng)分等條件，提高作物生長發(fā)育和產(chǎn)量過程。

3.1.1 土壤改良劑

新型土壤改良劑（貝化石、木屑、雞糞等）[43]、納米沸石及其組配改良劑[44]、乙酸-蛋殼改性硅藻土[45]、復(fù)配土壤改良劑（聚丙烯酰胺、海泡石、堆肥污泥等）[46]等能降低土壤重金屬有效性、調(diào)節(jié)土壤pH 值、增強(qiáng)土壤微生物活性、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。將其應(yīng)用于富硒土壤，能起到促進(jìn)植物健康生長、防治重金屬污染的作用。

3.1.2 水分管理

水分管理是指通過合理的灌溉、排水、保水等措施，調(diào)節(jié)土壤水分狀況，促進(jìn)植物生長和發(fā)育，降低重金屬污染物在土壤中的有效性和遷移風(fēng)險，促進(jìn)土壤重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)重金屬污染土壤修復(fù)。水分管理方式可通過多種機(jī)制對土壤硒施加影響，如使用含硒的灌溉水，增加土壤硒的積累；改變土壤理化性質(zhì)（如pH 值），影響硒的有效性等[40]。

3.2 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用微生物、植物、動物等生物體，通過種植、喂養(yǎng)、加入等方式，利用它們的吸附、富集、轉(zhuǎn)化和降解能力，修復(fù)土壤重金屬污染的一種方法。將其應(yīng)用在富硒地區(qū)，能在一定程度上修復(fù)存在重金屬污染的土壤。

3.2.1 微生物修復(fù)

土壤中的真菌、細(xì)菌和放線菌等能通過生物代謝改變土壤中重金屬的形態(tài)，降低重金屬毒性[47]。真菌中叢生菌根真菌、黑曲霉、類酵母、木霉屬、出芽短梗霉、球囊霉、腐木真菌、樹脂枝孢與青霉屬等可以吸附土壤中重金屬離子，細(xì)菌中鏈霉菌、芽孢桿菌、球菌、惡臭假單胞菌與弗蘭克氏菌等能夠修復(fù)土壤重金屬污染[48-49]。

3.2.2 植物修復(fù)

植物修復(fù)技術(shù)是利用植物在生長周期內(nèi)參與一系列吸收、揮發(fā)、降解等作用來減少土壤中有害有毒物濃度的方法[50]。蜈蚣草、東南景天、菊花、甜高粱、大豆、竹類植物、黑麥草、向日葵、油菜等對不同重金屬有不同程度的富集作用，不同植物的優(yōu)勢也各有不同，采用植物修復(fù)重金屬土壤污染時應(yīng)綜合考慮各方面因素，因地制宜選擇適宜植物[51]。因此，通過富硒土壤生產(chǎn)富硒作物時，應(yīng)根據(jù)土壤情況、不同作物對重金屬元素和硒元素富集能力情況等選擇適宜品種，以便于生產(chǎn)符合食品安全要求的農(nóng)作物產(chǎn)品。

3.3 轉(zhuǎn)基因方法

轉(zhuǎn)基因方法是指通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將特定的外源基因轉(zhuǎn)入到植物中，使其能夠更有效地吸收土壤重金屬，或者降低對重金屬的敏感性，從而減少或清除土壤中重金屬的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)。常見的轉(zhuǎn)基因植物有水稻、玉米、大豆等。MerA 和MerB 是參與細(xì)菌對汞離子解毒過程的兩個基因，擬南芥、煙草、楊樹、水稻、東方三葉楊等植物物種已經(jīng)用這些基因進(jìn)行了轉(zhuǎn)化[52-54]。OsABCC1 是水稻中一個ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，編碼的蛋白質(zhì)是一種離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，能夠從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外或細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)多種物質(zhì)（如重金屬離子、藥物、有機(jī)物等）[55]。qLCdG11 是水稻中的一個抗鎘基因，能夠降低水稻對鎘的吸收和積累[56]。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，研發(fā)具有強(qiáng)富硒能力和強(qiáng)重金屬抗性的富硒作物品種，可有效促進(jìn)富硒農(nóng)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論和展望

如前文所述，已知中國大多數(shù)居民膳食普遍缺乏人體必需微量元素硒，缺硒會危害人體健康，食用富硒農(nóng)產(chǎn)品是有效的補(bǔ)硒方法，利用富硒土壤資源發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)是生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品的主要途徑之一，但富硒土壤很可能存在重金屬污染風(fēng)險，土壤重金屬可通過植物進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而威脅人類健康。目前，關(guān)于重金屬對富硒農(nóng)作物及人體健康影響的研究已取得一定進(jìn)展，陸續(xù)研發(fā)出了土壤及作物重金屬安全風(fēng)險評價方法、防治土壤重金屬污染措施等，這為改善富硒土壤污染、促進(jìn)富硒農(nóng)業(yè)健康發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)，有助于生產(chǎn)符合食品安全規(guī)范的富硒農(nóng)產(chǎn)品，保障消費(fèi)者膳食安全。