水芹對重金屬的吸收累積及其應用研究進展

李富榮 ，王琳清 ，李文英，吳志超 ，王旭 *

1. 廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所，廣東 廣州 510640；

2. 仲愷農業工程學院資源與環境學院，廣東 廣州 510225；

3. 農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室（廣州），廣東 廣州 510640；4. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所，廣東 廣州 510640

近年來，隨著工業化、城市化進程的不斷推進，廢水、廢氣、廢渣等“三廢”恣意排放造成的土壤和水體環境污染問題日益嚴重，對中國農業生產環境質量安全帶來極大的威脅（Yao et al.，2012；Sharda et al.，2021）。其中，重金屬作為土壤和水體污染物的主要成分，具有隱蔽性、累積性和不可逆轉性，可通過多種途徑進入食物鏈并在人體內不斷蓄積，嚴重影響人類身體健康和生命安全（Liu et al.，2020；Li et al.，2021）。因此，減少土壤和水環境中的重金屬污染，進行農田土壤和水環境重金屬污染修復是保障中國農業安全生產迫切需要解決的問題之一，也是實現鄉村振興和現代農業高質量發展的緊迫任務之一（Wei et al.，2021；呂凱等，2017）。

在現有的諸多重金屬污染修復技術中，植物修復技術被認為兼具美化環境、治理成本低、能產生經濟價值、適用性廣且易操作的優點，而被廣泛應用（Deng et al.，2021）。目前利用植物進行重金屬污染修復的研究主要分兩個方向：一是利用對農田土壤或水體環境中重金屬有較強吸收、萃取能力的超富集植物，將重金屬從環境中去除或降低其含量，達到環境污染修復的效果；二是利用對土壤或水體環境中重金屬脅迫有較強耐性而吸收能力較低的低累積植物（特別是農作物）進行種植，實現控制重金屬污染風險的同時保障農作物安全生產的效果（魏玉媛等，2020；Yu et al.，2021）。因此，尋找和篩選具備相應重金屬修復能力的植物是植物修復技術發展應用的重要基礎（Yu et al.，2019）。

水芹（Oenanthe javanica (Bl.) DC.）是傘形科水芹屬的多年生草本植物，又名水英、小葉芹、水芹菜、野芹菜等，在中國中部和南部地區有廣泛分布，是一種常見的水生蔬菜，常以其嫩莖葉為食用部分。其營養價值豐富，富含多種維生素、礦物質等人體必需的營養成分，同時具有清熱解毒、清潔血液、降低血壓、宣肺利濕等功效（唐明明等，2019；王華君，2019）。水芹喜濕潤環境，適宜在湖泊、河溝、沼澤、水田旁等地生長，具有根系發達、適應性強、生長迅速、易扦插繁殖、個體生物量大等特點（王方園等，2020）。該植物具有較為發達的通氣組織，須根繁茂，對養殖業廢水有一定的凈化和治理作用，是植物修復的潛在優良品種。近年來，不少研究表明，水芹對水體重金屬污染有很好的修復效果，并開展了相關研究。本文將從水芹對重金屬的吸收累積效應、耐性機制及其應用等方面進行綜述，為進一步研究和利用水芹進行重金屬污染修復提供科學參考依據。

1 水芹對不同重金屬元素的吸收特性

重金屬能通過植物生長的水體和土壤等環境進入其體內，并通過食物鏈危害人類健康，而植物對重金屬的吸收能力與重金屬的元素種類和污染程度有關（Li et al.，2019）。對水芹而言，其對不同重金屬元素的吸收具有明顯的選擇性，不同重金屬元素在水芹體內的富集特性存在差異。楊曉秋等（2005）收集多個野生水芹樣品，分析其對土壤中不同重金屬元素的富集系數后發現，水芹對 Zn的富集能力最強，其次是Cu、Cd、Pb。趙云青（2019）在礦區周邊污染菜地采集多種蔬菜樣品后發現，水芹對重金屬Cd、Pb、Cu的富集系數顯著高于其他蔬菜。韓承華（2017）通過不同重金屬濃度處理下的營養液栽培實驗證明，隨Cd、Pb、Cu、Zn處理濃度的升高其在水芹中的含量逐漸增加。

在研究不同重金屬元素對水芹的影響方面，有關重金屬Cd的研究相對較多。因Cd在環境中移動性大、毒性持久且危害極大，被列于重金屬“五毒”（Cd、As、Hg、Pb、Cr）之首（Nordberg，2009）。Cd作為目前中國農田土壤重金屬污染的主要污染物之一，其在土壤中的有效態占比較高，活性較強，極易被植物吸收而污染食物鏈，從而危及人體健康（Wu et al.，2018）。狄廣娟（2013）模擬4種不同濃度的Cd污染土壤，研究3種不同水分管理模式下4個水芹品種（無錫水芹、揚州白芹、常熟白芹、宜興水芹）的Cd累積特性和品種間Cd累積差異，結果表明，4種水芹品種除揚州白芹外，富集系數都大于1.0，說明水芹對Cd有較強的吸收能力，但轉運系數較小，吸收的Cd大多累積在根部。陳銀萍等（2019）研究了不同人工濕地基質中水芹等水生植物對廢水中Cd的凈化效果發現，水芹地上部分富集量顯著高于燈芯草（Juncus effuses L.）和水葫蘆（Eichhornia crassipes (Mart.) Solme），其對Cd轉運能力較強，轉運系數超過 1，這可能與不同基質中水芹的富集量存在顯著差異有關，其在偏中性基質中的富集量顯著高于堿性基質。

水芹對其他重金屬元素的吸收積累特性也受到研究者的關注。代杰等（2012）通過研究不同濃度Pb脅迫下水芹的生理特性和對Pb的富集特性，發現水芹對低濃度 Pb脅迫有一定的耐性，且有較高的富集量。王昕（2015）研究桐城水芹對Cd、Pb的富集特性發現，隨著Cd、Pb濃度的增大，水芹根中富集系數逐漸增大。尚素微等（2014）調查了浙江省 8個地區水芹等 3種野菜分析其重金屬含量，發現其Cd、Pb含量都很高，且水芹Hg含量高于薺菜（Capsella bursa-pastoris (L.) Medic.）、馬蘭（Aster indicus L.）。韓旭（2017）研究發現，在2 mg·L?1Hg 和 4 mg·L?1As處理下，水芹的整株 Hg、As生物量富集量（以干質量計）可達112.67、136.36 mg·kg?1，且 2 mg·L?1As 處理下水芹的富集系數達到1.98；而與睡蓮（Nymphaea tetragona Georgi）、水鱉（Hydrocharis dubia (Bl.) Backer）、銅錢草（Hydrocotyle vulgaris L.）這3種水生植物相比，其在對Mn和As的富集系數和生物量富集系數方面均表現出更好的優勢。另外，水芹還對廢水中的銀（Ag）和金（Au）也有較好的富集效果（戴全裕等，1990，1998，皮宇等，1991）。其中，水芹根、莖、葉對Ag的72 h富集量（以干質量計）可達1040、50、259 mg·kg?1，72 h凈化率可達 90.91%，是凈化能力較強的水生植物種類（戴全裕等，1990）；在1.0 mg·L?1的Au處理下，對Au的5天凈化率可達99.2%（戴全裕等，1998）。

2 水芹對復合重金屬污染的吸收特性

目前環境中的重金屬污染多表現為幾種重金屬元素的復合污染，且植物體內各微量元素對其生理代謝功能的影響往往存在交互作用，使得復合污染下Cd與其他元素對植物的毒害效應與單一Cd污染時存在一定差異（Zhang et al.，2013；李富榮等，2015）。因此，不少研究在探討水芹對 Cd的吸收累積特性的同時也研究了其與其他重金屬元素的復合效應。如王昕（2015）利用不同濃度組合的Cd、Pb復合污染土壤的盆栽試驗結果發現，在Cd單一污染下，水芹的株高、平均根長、單株鮮物質量隨Cd濃度的增加而呈現先增加后降低趨勢，而在單一Pb污染和Cd、Pb復合污染處理下，上述各項指標均隨重金屬濃度的升高而逐漸下降；在重金屬吸收特性方面，水芹各器官中Cd、Pb含量均隨該元素濃度的增加而呈上升趨勢；Cd、Pb元素間存在明顯的交互作用，對水芹重金屬吸收起到協同作用，即同一Pb濃度下，隨Cd濃度增加而Pb含量逐漸增加，且差異顯著。鈾（U）作為一種放射性元素對植物細胞具有很強的化學毒性（孫靜等，2018）。姚天月等（2016）發現，U對水芹的株高和莖粗的抑制作用顯著大于Cd，而Cd、U元素間存在協同效應，其復合處理濃度越高，對水芹生長的抑制作用越強。龍瑞（2014）對比常見水生植物伊樂藻（Elodea canadensis Michx.）和水芹在Cd、Mn復合脅迫情況下根際酶的敏感程度發現，在Cd、Mn復合脅迫下，當Cd、Mn濃度較低時，Mn對Cd的毒害有一定的緩解作用；當Cd、Mn濃度較高時，Mn對Cd的毒害有一定的加強作用；且水芹對Cd、Mn脅迫的抗性較伊樂藻強。

3 水芹不同器官對重金屬的吸收積累特性

植物對重金屬的吸收累積主要通過3種方式：吸附在根系外圍；轉運至植物根系內部；通過根系向地上部轉運（An et al.，2011；Sreekumar et al.，2020）。通常植物根部接觸土壤或水體環境中的重金屬更多，且根表皮和皮層的質外體連續體易于重金屬的滲透，因此，重金屬必須先被吸收到根細胞的共質體中，才能通過運輸進入木質部，再由木質部運輸到莖葉中（Krzeslowska et al.，2016）。諸多研究表明，水芹對重金屬的吸收累積主要存在于根部，但不同器官的表現與元素種類和水芹品種有關。如張靜等（2015）采用浮床無基質栽培養方式培養水芹，發現隨著Cd濃度增加，水芹根部的Cd吸收效率和轉運效率都逐漸提高，而Cd主要富集在水芹的根部。方妍等（2020）采用小型濕地模擬實驗研究發現，隨Cd、Pb處理濃度的增加，水芹各器官中Cd、Pb含量相應增加；而Cd在不同器官的累積量大小為根＞莖＞葉柄＞葉，Pb的累積量大小為根＞葉＞葉柄＞莖；且水芹對 Cd的富集能力大于Pb，向地上部轉移的能力也大于 Pb。華大春等（2013）用不同濃度的Cd來處理鄂水芹1號，得出Cd在水芹各個器官中分布情況均為根＞葉柄 (含莖)＞葉片；當土壤 Cd 質量分數為 2.0 mg·kg?1時，根中Cd含量達到最高12.74 mg·kg?1（以干質量計），為葉片中 Cd含量的 15.54倍。狄廣娟（2013）發現，無錫水芹、常熟白芹、宜興水芹對Cd的富集系數都大于1.0，而吸收的Cd大都累積在根部。

各重金屬元素在水芹不同部位中的富集能力差異可能還與重金屬元素的環境來源有關。如唐夏軍等（2019）通過檢測豬場沼液和水芹不同部位重金屬含量發現，水芹菜根中Cu、Mn、Zn和Cd的含量顯著高于莖和葉，葉中的 Pb含量顯著高于根和莖。而周化斌等（2002）在金華市郊對水芹及其產地土壤重金屬含量調查發現，僅Mn含量在葉中的含量遠高于根部，Cd、Cr、Cu、Zn和Pb均以根中最高。在太湖地區不同地點的野生水芹對重金屬的吸收和積累特性調查發現，Fe、Zn、Mn元素主要存在于水芹根部，而莖葉中含量較少（謝榮秀等，2011）。總的來說，水芹根部對各重金屬元素的吸收累積大多強于莖、葉等地上部分。水芹作為一種以莖葉為食用部位的水生蔬菜，這一特性將為中輕度重金屬污染環境中篩選適宜的農作物品種進行植物修復的同時保障農作物安全生產提供了較好的品種資源。

4 不同栽培模式對水芹重金屬吸收累積特性的影響

水芹作為一種適應力強且能生長于不同水分環境條件的植物，為研究不同栽培模式（水作和旱作）下重金屬吸收累積特性提供了很好的材料（Xu et al.，2018；李富榮等，2017）。通常，不同栽培方式下土壤中水分含量、pH值、有機質等土壤理化特性會發生變化，從而影響重金屬的生物有效性及其在植物-水-土壤系統中的遷移轉化規律（Zheng et al.，2010；張燕等，2021）。其中，土壤的水分狀況會顯著影響土壤重金屬不同形態的再分配，如淹水處理下土壤中重金屬傾向于從交換態和碳酸鹽結合態等易提取態轉變為鐵錳結合態和有機質結合態等更穩定的形態（Zheng et al.，2010）。而當排水造成氧化淋溶環境時，硫化物易氧化成硫酸引起pH降低，從而使Cd等重金屬元素釋放出來，易被植物根系吸收（Arao et al.，2009；紀雄輝等，2007）。因此，可通過水分管理調控重金屬在植物體內的累積效應（Hu et al.，2013；Liu et al.，2019）。研究不同栽培模式對水芹的影響發現，不同栽培模式下水芹生長特性差異較大，對重金屬的吸收累積能力也有所區別。狄廣娟（2013）通過模擬不同鎘污染程度的種植土壤，研究了不同水分處理對江蘇地區4個水芹品種的Cd吸收累積特性發現，全育期淹水處理能有效降低其對Cd的累積，濕潤栽培（旱作）將會增加水芹中Cd累積風險。

不同重金屬元素在水芹中的吸收累積特性對不同栽培模式的響應也不一樣。Liu et al.（2019）以水芹為研究對象，用微區X射線熒光分析研究根際鐵膜對不同栽培條件下（淹水和旱生）的植物Pb吸收影響發現，水芹在淹水條件下比旱生條件下能累積更多Pb，且表現出更高的轉運系數；在淹水條件下的水芹，其根際鐵膜和植物表皮含Fe最多，而根維管結構中含 Pb最多，但對旱生條件下的水芹而言，Fe與Pb的分布規律一致。這主要與不同栽培條件下土壤中 Pb的化學形態不同有關，淹水條件的根際鐵膜和腐殖酸增加促進了水芹對 Pb的吸收累積（Stewart et al.，2015；Shen et al.，2017）。因此，為降低水芹對 Pb的富集風險進入食物鏈，應采用旱地栽培模式避免在易形成根際鐵膜和高腐殖質的土壤中種植（Liu et al.，2019）。陳源高等（2006）對旱生和廢水水培條件下的水芹稀土元素吸收進行對比發現，經水培后的水芹稀土元素含量明顯高于水中的含量，對水中稀土元素有很強的富集能力；在土壤中稀土元素含量高于水培環境中稀土元素含量的情況下，水培蔬菜中的稀土元素含量仍可以達到甚至遠超過旱生蔬菜中的含量。因此，在利用水芹進行植物修復時，可結合重金屬污染元素種類選擇適宜的栽培模式調控措施達到環境修復的目的。

5 水芹對重金屬脅迫的耐性機理

農田土壤或水體環境中濃度過高的重金屬污染脅迫往往會造成植物生長發育受阻，產量降低和品質下降；但部分植物能在重金屬污染環境中能形成一定的耐性機制和避性機制，產生較強的抗重金屬毒害能力和富集能力（Ková?ik et al.，2017；Bhatti et al.，2018；Hattab et al.，2019）。水芹在不同重金屬污染脅迫下表現出較強的脅迫耐受性。對重金屬Cd脅迫下的水芹細胞超微結構、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、根系活力等指標進行測定后發現，當水培溶液Cd質量濃度達2 mg·L?1時，根部細胞逐漸失去原有基本形態，胞漿內容物密度增大，細胞壁部分出現斷裂，而葉綠素總量、葉綠素a和可溶性蛋白總體呈下降趨勢（張靜等，2015）。另外，Cd脅迫條件下，水芹的抗氧化酶活性和植物絡合素含量持續升高，二者在緩解低濃度Cd脅迫時具有協同作用（韓承華，2017）。

代杰等（2012）對水芹Pb耐性的研究表明，低濃度 Pb脅迫能促進葉綠素合成酶活性，使葉綠素稍微升高，但隨 Pb濃度增加，水芹葉綠素合成酶活性受抑制而使葉綠素含量下降；水芹體內POD和CAT活性隨Pb濃度增加呈稍微升高又迅速下降的變化趨勢；在超過植物自身修復能力后，抗氧化酶活性下降，MDA含量迅速增加，這與韓承華（2017）研究水芹對Pb、Cu、Zn的脅迫響應以及王方園等（2020）研究水芹對As、Hg的脅迫響應規律一致。隨著水培營養液中Pb、Cu、Zn濃度的升高，水芹的抗氧化酶活性先升高后降低，植物絡合素含量不斷升高，可能在低濃度時抗氧化酶活性和植物絡合素在緩解重金屬脅迫具有協同作用，而在高濃度時，植物絡合素對重金屬的絡合作用對緩解重金屬脅迫具有重要作用（韓承華，2017）。王方園等（2020）的研究發現，由于水芹自身的抵抗機制，在短期受As、Hg刺激時，由于進入細胞的有毒金屬離子會與金屬結合蛋白相結合，從而緩解重金屬對葉綠體結構的損害，加速葉綠素的合成；但長時間脅迫會破壞細胞內解毒物質，從而抑制葉綠素的合成酶活性。另外，不同As、Hg處理下，水芹葉片中SOD和POD活性整體呈先升后降的趨勢；而隨As、Hg濃度增加和脅迫時間的延長，植物細胞內過氧化物大量積累，使細胞內的多糖、蛋白質和核酸等大分子受到損害而引起膜脂過氧化，因此 MDA含量大體呈增長趨勢（An et al.，2019；蒙敏等，2017）。可見，水芹主要通過提高抗氧化酶活性和植物絡合素等富含巰基物質來消除活性氧物質的脅迫，從而提高其對重金屬脅迫的耐受性。

6 水芹在重金屬污染修復中的應用

隨著近年來中國對重金屬污染問題的日益重視，植物修復技術因投資少、能耗少、對環境擾動小、可資源化利用等多種明顯優勢使其在水體和土壤污染修復中的應用愈發受到重視（施沁璇等，2018；Panda et al.，2020）。在具有修復能力的水生蔬菜中，水芹具有發達根系、去污能力強、適應范圍廣、易存活的特點，能實現生態價值、經濟價值、景觀價值的結合，因而被很好地應用到人工濕地環境修復中（童寧等，2013）。但不同人工濕地基質對植物的重金屬修復效果的影響存在差異（冀澤華等，2016；Dan et al.，2017）。陳銀萍等（2019）利用粉煤灰基質、傳統河砂基質及混合基質與水芹、燈芯草、水葫蘆搭配構建的小型人工濕地系統探討其對Cd的凈化效果，結果表明，水芹地上部分Cd富集量顯著高于燈芯草和水葫蘆，且表示出較好的Cd轉運能力；而水芹在偏中性基質中的 Cd富集能力高于堿性基質。水芹在水產養殖廢水治理方面也明顯的治理效果和較好的應用，主要采用水芹-水產品種養結合模式（如浮排水芹-泥鰍模式、水芹-小龍蝦模式、水芹-鯽魚模式等），相關技術和產業應用在江蘇省探索和實踐較多，不但可以修復環境，也可以帶來一定的經濟價值（劉義滿等，2020）。陶玲等（2020）在池塘養殖尾水的漂浮濕地上種植空心菜和水芹，測得兩種蔬菜可食用部分Pb、Cd、Cu、Hg、As和Cr等含量均低于食品安全國家標準限量值，可供安全食用的同時亦起到凈化水體的作用。

另外，電鍍廢水中重金屬超標問題嚴重，利用水生植物進行電鍍廢水綠色修復研究也受到關注（Chitraprabha et al.，2018；Puspito et al.，2021）。張志敏等（2017）將水芹等5種水生植物用于電鍍廢水中的重金屬修復，不同植物對重金屬的凈化效果因重金屬的類型不同而凈化能力有所差異，其中水芹對重金屬Cr、Zn、Mn的凈化效果比較好，且其生長未受抑制。張曉斌等（2016）采用模擬生態浮床方法，結合植物生長和凈化效率綜合評價了水芹等 9種水生植物對電鍍廢水中重金屬的凈化能力，結果表明，鳳眼蓮（Eichhornia crassipes (Mart.)Solme）、水芹最適合于用生態浮床的方法對電鍍廢水中重金屬進行凈化。李星（2008）通過水培法模擬電鍍廢水試驗，發現水芹等4種水生植物在低、中濃度廢水中的較好的逆境耐性，其中水芹、石菖蒲（Acorus gramineus Soland.）對 Cr、Zn、Fe、Mn、Ni、Cu等重金屬的吸收量最大。且水芹具耐低溫特性，在冬季電鍍廢水凈化修復中具有更好的優勢，能有效避免人工濕地處理系統在冬季出現植物枯萎死亡或生長休眠而導致凈化功能下降的現象。

7 前景與展望

綜合來看，水芹對水體和土壤中的多種重金屬元素有較強的吸收累積能力，是進行植物修復的潛在優勢植物，其修復效果具體受元素種類、污染來源、環境因素、栽培模式等方面的影響。目前對水芹在重金屬污染修復中的應用已開展相關研究并取得一定的效果，但尚未有大規模應用于環境修復中。在未來的研究工作中可針對以下幾點進一步開展：

（1）深入開展水芹對重金屬吸收累積的機理研究。尤其是其分子機制鮮少見有相關報道，相關研究的開展對開發和利用轉基因技術增強水芹對重金屬的耐性和富集能力有重要意義；

（2）加強農藝調控措施與水芹修復技術的結合。考慮通過結合適宜的土壤調理劑、根際微生物、生物炭等復合材料，或水肥調控等農藝措施，輔助調控水芹對土壤或水體重金屬的吸收，通過強化水芹對環境中重金屬的去除效率和降低可食部分重金屬含量，使水芹充分發揮其生態價值和經濟價值。

（3）加快水芹用于重金屬污染修復的相關標準研究與制訂。隨著水芹在重金屬污染修復中的研究和技術開發更加深入與成熟，應對水芹在重金屬污染修復過程中涉及的各個環境進行細化和規范，加快相關標準的研究與制訂，促進水芹重金屬修復技術在實際應用中的規范使用和規模化示范推廣。