茶树对重金属的积累及调控机制研究进展

邰孟雅，丁旭欢，姬 伟，杨丽莹，赵睿涵，翟夜雨，黄五星*

（1.河南农业大学烟草学院，河南郑州 450002；2.江苏中烟工业有限责任公司，江苏南京 210000；3.河南省烟草公司平顶山市公司，河南平顶山 467000）

茶树是我国重要的经济作物之一，在部分地区同烟草一样作为扶贫产业意义重大。茶叶在中国的受众范围较广，自古就有开门七件事（柴米油盐酱醋茶）之说，虽然茶排在最后一位，但也称得上生活必需品。因此，茶叶安全与人们的生活息息相关。我国茶叶年产量巨大。国家统计局数据显示，2021 年全国茶叶产量高达316.4 万t，比2020 年增加23 万t，首次突破300万t大关。同时茶叶出口量也位居世界前列，因此茶叶安全不容忽视。近年来茶园的生态环境遭到破坏，重金属污染便是其中之一。

重金属是植物生长发育非必需的元素，因其难以被降解而具有生物毒性。在植物生产中，重金属污染不仅会影响作物的产量和品质，还可能通过食物链对人类健康造成威胁。重金属一般以缓慢的形式持续在人体内富集，以慢性中毒最为多见[1]。目前在茶树中研究最多的重金属有铅、镉、砷和汞等。有研究表明，安徽、福建和贵州等地茶叶的铅污染相对较为严重[2]。开展茶树对重金属的积累规律和调控机制的研究，对减少乃至防止茶叶生长、加工等环节的重金属污染具有重要意义。近年来相关研究已有大量成果，本文就茶树对重金属的积累和调控方面进行综述，旨在为生产优质安全茶叶提供一定参考。

1 茶树概述

1.1 生长特性

茶树是一种多年生常绿木本植物。茶树和大多数植物一样有营养器官和生殖器官，繁殖方式包括有性繁殖和无性繁殖。茶树的种植可以直接播种茶籽，也可以采用茶苗移栽的方式。直接播种相较于移栽而言更为简单方便、成活率高，但个体差异大，长势一致性差，成苗后原料品质的一致性不如后者。为保证产品质量，目前新建茶园多为移栽的无性系扦插良种茶苗。移栽茶苗时应注意选择适宜的天气进行，覆土浇水到位才能提高移栽的成活率。旱季种后1 周应每天浇水1 次，以后依次减少。浇水应在每天下午或傍晚进行，雨天要注意做好排水工作。

茶树喜温湿气候，生长适宜温度在23 ℃左右。影响茶树种植的因素很多，包括海拔、地形、土壤、温湿度和光照等。随着海拔的升高，温、湿度等条件均发生明显变化，在一定程度上可以促进茶树的生长发育。还有研究表明，低海拔地区土壤的有机质含量较低，通气透水性能不好，因此茶树多种在山上[3]。

1.2 利用价值

茶树的根、茎、叶、芽、花和种子都有其独特的价值。茶树叶子是收获和利用的对象，按叶片大小可将茶树分为小叶、中叶、大叶和特大叶四类。茶树的叶片是常绿的，同一时期老叶和新叶并存，新生芽叶是成品茶制作的原料。茶叶不仅口感好、味道浓韵，而且有一定的保健作用。在历代的本草类医书中，均提到茶叶具有润肺化痰、利尿、清神、消食、解腻等功效。茶叶可以清热降火、祛风解暑，还能解毒止泻[4]。

茶叶之所以具备多重功效，皆因其所蕴含的成分，其中茶多酚是茶叶中的主要抗氧化物质。茶树花中抗氧化类物质的含量也较高，可替代茶叶作为原料进行多酚类物质的提取。茶树种子可以榨油，木料可以用于雕刻。茶树根还可以用于心脏病和心律不齐等疾病的治疗[5]。茶树精油具有一定的消毒杀菌效果，不仅可以净化空气，在美容产品方面也有较多的应用[6]。

2 茶树对重金属的吸收积累

重金属可累积于茶树的根、茎和叶等各个部位，积累规律受多种因素影响。一方面，不同地区的土壤性质、生态条件、施肥方式等因素存在差异；另一方面，同一地区茶树的不同品种、部位、季节及茶叶的不同嫩度等都会影响其对重金属的积累。另外重金属种类不同，吸收积累机制也不尽相同。

2.1 不同品种茶树对重金属的积累

不同品种的茶树，由于遗传因素等方面的差异，对重金属吸收、转运和代谢的能力略有不同。胡波等以铁观音、福鼎大白、水仙和金萱4 个茶树品种为试验材料，研究茶叶对土壤重金属的富集情况，结果表明4 个茶树品种对铅、铬、镉、汞和砷等富集能力的排序各不相同，其中铁观音对上述所有金属元素的富集系数均为最高[7]。秦玉燕等通过分析金牡丹、福鼎大毫等10个茶叶品种的叶片对汞、砷等的富集能力[8]，也得到不同排序结果。

2.2 茶树不同部位对重金属的积累

茶树总体来说可分为地上和地下两部分，地下部分主要指根系，地上部分包括枝干、成熟叶片和新梢等。杨柳等的研究表明，试验所用的9 个主栽茶树品种，无论是对照组还是镉处理组，茶树不同部位对镉的积累量排序均为根系＞枝干＞成熟叶片＞新梢，自下而上依次减少[9]。陈玉真等从福建省8个代表性茶园取样，不同样点茶树各部位对铅的积累情况总体表现为根＞茎＞叶[10]。也有研究表明，汞在茶树根中含量最高，其次积累量从大到小依次为老叶、树皮、新叶和枝干[11]。重金属主要在茶树根中积累，少部分被转移至地上部，因此茶树根部更容易受到重金属的毒害。

2.3 不同季节茶树对重金属的积累

在春、夏和秋季3 个季节，重金属在茶树中的积累有所差异。向素雯通过对春季和夏季湖南省东北部茶叶的分析，发现茶树茎和老叶中铅、镉含量均为夏季高于春季，在新梢中则相反[12]。戴斯佳研究了春、夏和秋季湖南省9个主栽茶树品种对铅、镉、汞及砷的积累量，结果显示镉和砷含量从春季到秋季逐渐增加，汞含量逐渐减少，而砷含量与季节变化关系较小[13]。

3 茶树对重金属胁迫的调控机制

在重金属胁迫下，茶树形成了一系列调控机制以维持自身正常的生理功能。总的来说，茶树对重金属的调控包括外部和内部机制两个方面。

3.1 外部机制

土壤环境与茶树对重金属的吸收密切相关。土壤pH、有机质含量、土壤质地等因素都会对重金属的生物有效性产生影响[14]。在所有土壤因素中，pH对重金属的迁移能力影响最大，重金属的生物有效性随土壤酸度的增加而增加。茶树根系分泌物一方面可通过提高土壤pH 降低重金属的迁移能力，另一方面分泌物自身也能与重金属络合，从而减少茶树对重金属的吸收。此外，还可以促进茶树根部细胞对重金属离子的外排，降低植株体内尤其是茶叶中的重金属含量。茶树也可以将重金属从嫩叶转移至老叶，加速老叶脱落带走部分重金属，从而提高茶叶安全性。

3.2 内部机制

3.2.1 细胞壁固存和液泡区隔化

细胞壁和液泡在茶树应对重金属胁迫中发挥着重要作用，二者都是通过降低体内重金属的生物有效性来减轻胁迫伤害[15]。植物细胞壁不仅与细胞伸长、扩大等过程密切相关，还有助于植物对逆境胁迫作出响应[16]。细胞壁是植物细胞的重要组成部分，主要包括碳水化合物、蛋白质和木质素等。茶树细胞壁组分中的基团结构及周围的金属离子等都对重金属有一定的络合作用，从而将其固定在细胞壁中，减少重金属的运移[17]。区隔化可以将重金属限制在液泡内，阻止其接触细胞器和其他代谢过程进而影响茶树的生长发育。在茶树细胞中，重金属可以被直接转运至液泡，也可以先由配基与重金属形成络合物，再转运至液泡储存。

3.2.2 螯合作用

螯合作用主要指重金属与植物体内的有机酸、金属硫蛋白、植物螯合肽等成分基团进行配位，通过螯合反应形成稳定螯合物。螯合反应可以改变重金属的形态，从而降低其在植物体内的毒性[18]。重金属超积累植物中往往具有更高含量的螯合剂[19]。谷胱甘肽是植物合成金属螯合肽的重要原料。据王海宾的研究，茶树在受到金属铜和镉胁迫时，其体内可诱导谷胱甘肽的合成与再生，进而提高茶树对重金属的耐受性[20]。

3.2.3 抗氧化系统

植物抗氧化系统包括酶抗氧化系统和非酶抗氧化系统两种，主要有超氧化物歧化酶、过氧化物酶、还原型谷胱甘肽和抗坏血酸等[21]。正常环境下生长的植物，其体内活性氧水平较低。而重金属胁迫的一个重要表现，就是打破植物体内的氧化还原平衡。茶树在受到重金属威胁时，其体内的抗氧化物质便会通过各种途径实现对活性氧的清除、抑制膜脂过氧化和修复损伤的DNA等，从而降低过氧化胁迫对自身的伤害。

4 重金属污染的防治措施

从茶园选址开始，到茶树栽培及茶叶的加工包装等所有过程都有可能造成重金属污染。因此需要关注茶叶生产的各个环节，从源头抓起，最大程度做到预防和控制。

4.1 茶园选址

对于重金属污染应以预防为主，因此选择适宜的种植环境是生产优质茶叶的前提。在茶叶采收加工之前，重金属来源主要有2 个方面，即土壤污染和大气沉降[22]。土壤重金属污染既与自然因素有关，也受施化肥、农药及生活用水等人类活动的影响。大气污染则主要来自于人类活动，比如汽车尾气、工业燃料燃烧等。通过对龙井茶中的铅进行同位素示踪，发现除土壤因素外，汽车尾气对其贡献最大[23]。近居民区采摘的茶叶重金属含量也明显较高。因此，茶园基地的选择应符合农业部的行业标准，明确土壤的背景信息，包括坡度、pH和排灌条件等；其次要考虑茶园附近的生态环境，远离公路、居民区和工厂等污染源，遵守《农田灌溉水水质标准》，尽最大可能避免重金属污染。

4.2 改善土壤环境

土壤重金属是茶叶中重金属污染的主要来源，健康的土壤环境是生产优质茶叶的基础[24]。一般来说，土壤中的重金属并不会被茶树过多吸收并转运至茶叶，但土壤酸化会使游离态重金属增加，进而促进茶树对其的吸收和转运。同时重金属的迁移率还受土壤有机质含量和微生物活动等因素的影响。因此改善茶树生长的土壤环境可在一定程度上减轻重金属对茶叶的污染。生物炭因其疏松多孔的结构和较大的比表面积对重金属具有良好的吸附作用，同时可以有效改良土壤性质，为微生物活动创造适宜的环境[25]。此外，还可以选择植物修复、动物修复等来改良茶树生长环境，提高茶叶的安全性。

4.3 改进农艺措施

茶树的健壮生长离不开科学的管理。茶园农艺措施主要包括浇水、施肥、打药、间作、培土和修剪等。污水是茶园土壤重金属的主要来源之一，应严禁使用含有重金属的废水进行灌溉。其次对于肥料和农药的使用要适当。据孔樟良等的研究，施化肥的茶叶镉含量高于施用有机肥，而施有机肥的汞、锌、铜含量又高于施化肥[26]。

4.4 添加外源物质

适当使用外源植物激素也可以在一定程度上调节茶树的生长发育，帮助其抵御重金属的胁迫伤害。有研究表明，外源添加生长素和乙烯在促进小麦生长的同时还可以减少小麦植株对重金属镉的吸收和转运[27]。适当浓度的外源水杨酸也可以增强孔雀草抵御镉胁迫的能力，保护光合系统中叶绿素的合成，提高抗氧化酶活性[28]。脱落酸是植物内源激素的一种，在重金属胁迫下植物体内的脱落酸含量升高，进而引发下游的信号级联反应，最终实现对植物生长发育的调控。周琳等发现低浓度外源脱落酸对提高茶苗抗逆性效果明显[29]。

4.5 控制加工过程

茶叶采摘的方式可分为手摘和机械采摘2 种。由于茶园地形的复杂性及优质茶叶的高标准，目前手工采摘仍然是主要方式。茶叶采摘完成也并不是重金属防治的结束，炒制和包装过程同样需要严格把关。茶叶炒制也有人工炒茶和机器炒茶之分。在使用机械设备时，应注意铅黄铜和铝合金等材料不应被用来制造制茶的机器。在设备使用过程中，应使用无铅汽油燃料，避免燃烧时排放的气体造成成品茶叶的铅污染[30]。除此之外，还应当注意加工场所的环境，尽可能降低外源重金属污染的风险。

5 结语

长期饮用重金属超标的茶水，无疑会对人体健康造成不良影响。但因只有积累到一定量才会表现出毒性，往往会被人们忽视。茶叶除了用于泡茶外，还是制作茶粉的原料，可被人们直接食用，故而需要提高警惕，加强茶叶生产环节的有效监管。可根据茶叶的重金属浸出率，选择科学的饮茶方式。

尽量不在重金属污染的土壤种植茶树，如果必须要种可以根据茶树的不同品种对重金属的吸收累积差异，选择合适的品种种植。根据不同季节茶树对重金属积累量的差异选择合适的时机采摘，降低茶叶中的重金属含量。

重金属实验多采用水培或盆栽的方式进行研究，这与土壤的复杂环境仍存在一定差距。同时也只代表了由单一金属胁迫导致的结果，而现实中重金属往往以复合污染的形式存在。土壤中多种金属共存对金属毒性也有较大影响，根据相对浓度和其他性质的不同，可能具有协同或拮抗的作用。另外茶树和重金属之间分子水平的机制也是未来研究的方向。