沼灌條件下水稻植株中汞及甲基汞的含量及食用風險研究

朱金山，廖敦秀，王定勇，王龍昌，王永敏，尹德良，高潤霞

（1.長江師范學院　三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災害防治工程研究中心/武陵山綠色發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶　408100；2.重慶市農業(yè)科學院，重慶　401329；3.西南大學　農學與生物科技學院/資源環(huán)境學院，重慶　400715；4.重慶地質礦產研究院，重慶　400042）

汞（Hg）是一種神經毒素。暴露在環(huán)境中的汞可能引起重大的健康風險，包括對腎臟、心臟和呼吸系統(tǒng)造成損害，引起震顫、皮疹、視力和聽力障礙，頭痛、無力、記憶力衰退以及情緒變化[1]。更嚴重的是，它可以轉化成毒性更強的甲基汞（MeHg），富集到食物鏈，最終進入人體威脅人類的健康。MeHg主要侵犯中樞神經系統(tǒng)，可造成語言和記憶能力障礙等，典型代表為水俁病。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是自然環(huán)境中汞遷移轉化的重要環(huán)節(jié)，同時也是植物汞的重要來源。稻田由于常年積水，成為最重要、最充盈的人工濕地系統(tǒng)之一[2]。稻田在地區(qū)汞的生物地球化學循環(huán)中起著重要的作用。一方面，由于稻田水體含有豐富的可溶性碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）和腐殖酸，它們能與汞生成穩(wěn)定的絡合物，因而稻田能夠吸收大氣沉降和徑流輸入的汞，成為汞的活性庫。另一方面，稻田中碳的累積也為甲基化細菌的生存提供了理想的條件，成倍增加汞的甲基化作用。因此導致稻田Hg污染和稻米中總汞和MeHg的積累加劇。

根據(jù)FAO（World Food Organization）的數(shù)據(jù)顯示，在所有糧食作物中，以稻米消費量最大。中國是世界上最大的稻米產區(qū)，稻米產量占世界稻米產量的30.7%[3]。我國南方是稻米主產區(qū)，據(jù)統(tǒng)計2009年南方地區(qū)稻米栽培面積占全國的93%[4]。2012年，由孟博早期研究發(fā)現(xiàn)，我國西南汞礦區(qū)食用稻米是農村居民甲基汞暴露的主要途徑，這一研究成果打破了傳統(tǒng)的“食用魚類等水產品是人體甲基汞暴露的主要途徑”的國際共識[5]。

畜禽糞便中汞的污染不容忽視。如張彪等[6]對采自山東禹城幾個畜禽養(yǎng)殖基地的畜禽糞便進行了測定，結果表明，牛糞中總汞的含量為0.085～0.094 mg/kg，雞糞中總汞的含量為0.074～0.086 mg/kg，豬糞中總汞的含量為 0.103～0.107 mg/kg。H?lzel等[7]測定了德國305份豬糞樣品總汞含量的范圍是0.01～0.11 mg/kg。

由于沼液是畜禽糞便經過厭氧發(fā)酵后的副產品，因此，沼液中的汞含量也較高[8-9]。劉思辰等[10]通過收集和監(jiān)測全國21個省份戶用沼氣池和沼氣工程近100個沼液樣品的重金屬含量數(shù)據(jù)表明，戶用沼液中汞含量的范圍為0.3×10-3～0.152 mg/L，中值為0.025 mg/L，均值為0.049±0.05 mg/L。沼氣工程沼液中汞含量的范圍為0.04×10-3～4.177 mg/L，中值為0.004 mg/L，均值為0.301±0.95 mg/L。李健和鄭時選[11]也報道了經不同飼料（配合飼料和青飼料）喂豬后其糞便厭氧發(fā)酵所產沼液中汞的含量分別為0.122 mg/L和0.043 mg/L。

沼液是厭氧發(fā)酵的產物，具有較強的還原能力[12]，同時，厭氧環(huán)境中占優(yōu)勢的硫酸鹽還原菌（SRB）的數(shù)量較多，活性較強，都會隨沼液進入稻田。SRB是目前發(fā)現(xiàn)的主要的汞甲基化細菌，也是報道最多的汞甲基化細菌。沼液稻田澆灌的過程中，造成稻田嚴重水體富營養(yǎng)化，導致有機質增加，水中溶解氧下降、水體呈厭氧還原環(huán)境，為SRB的生長提供了有利條件，同時，稻田水體溶解性有機質含量的增加可刺激SRB的甲基化活性。

沼液稻田消納的過程中，一方面增加了稻田中汞的負荷；另一方面使稻田水體中能夠影響汞遷移轉化的重要因素如pH、氧化還原電位（ORP）、SRB細菌的數(shù)量和活性、溫度、DOC的含量等都發(fā)生劇烈的變化，進而影響汞在沼液消納稻田中的行為及歸趨。

基于此，本文通過對典型沼灌稻田土壤和水稻植株不同部位中Hg及MeHg含量的測定，研究沼灌和非沼灌條件下，稻田土壤和水稻植株中汞和甲基汞的含量水平和分布特征，也對沼灌可能帶來的人群Hg及MeHg暴露風險進行了評估。其結果對合理利用和開發(fā)沼液，確保沼灌區(qū)水稻生產安全具有重要的現(xiàn)實意義，可為環(huán)境決策和環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　采樣點基本情況

選擇了3個典型的長期沼灌監(jiān)測點進行系統(tǒng)的采樣和分析。采樣點1位于重慶市長壽區(qū)某糞污處理沼氣工程周邊的稻田。該稻田屬于冬水田，每年只種一季水稻，冬季為稻田蓄水期。該區(qū)域屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，冬暖春早，初夏多雨，盛夏炎熱常伏旱，秋多連綿陰雨，無霜期長，溫差大，多霧少日照。常年平均氣溫17℃，常年降水量1 000 mm以上。當?shù)爻Ｒ?guī)稻田施肥方式為氮肥 （N）用量150 kg/hm2、磷肥（P2O5） 60 kg/hm2；鉀肥（K2O）約60 kg/hm2。沼液在稻田冬閑期一次性灌入，每畝灌入量約為20 t。采樣點2位于江蘇省常州市某沼氣工程。該沼氣工程采用CSTR發(fā)酵工藝，以豬場糞便、污水和農作物秸稈粉碎物為發(fā)酵原料。該區(qū)域屬于亞熱帶海洋性氣候，水稻生育期為5月下旬到11月上旬，溫度適宜（常年≥10℃，總積溫4 000℃以上），雨量充沛（600～900 mm）、太陽輻射充足(1 300 h)，當?shù)爻Ｒ?guī)稻田施肥方式為氮肥（N）用量270 kg/hm2、磷肥（P2O5）30～60kg/hm2、鉀肥（K2O）約135 kg/hm2、沼液在插秧前期一次性施入，施入量為75～120 t/hm2。采樣點3位于浙江省寧波市某沼液綜合利用區(qū)域，沼液以豬場糞便為發(fā)酵原料。該區(qū)域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，春秋兩季雨量均衡，冷熱適中，年平均氣溫16.2℃，年均降水量1 500 mm左右，年均日照達2 000 h，水稻生育期為5月中上旬到10月上旬，當?shù)爻Ｒ?guī)稻田施肥方式為氮肥（N）用量187.5～225 kg/hm2、磷肥（P2O5）90～120 kg/hm2、鉀肥 （K2O） 約 180～225 kg/hm2，在水稻定植前分多次施入沼液，施入量375～450 t/hm2。

1.2　樣品的采集與保存

分別于2016年8月6日、10月22日、10月16日系統(tǒng)采集了3個典型沼灌稻田采樣點的土壤和水稻植株樣品。同時，對當?shù)爻Ｒ?guī)施肥稻田的土壤和水稻植株樣品進行了采集。低溫冷藏帶回實驗室，冷藏待分析。

1.3　樣品中總汞及甲基汞含量的測定

土壤總汞含量的測定：稱取經風干、磨細并過0.149 mm孔徑篩的土壤樣品0.5 g，經王水消解后，加入0.5 mL的BrCl密封，靜置24 h，用NH2OH·HCl去除游離態(tài)鹵素，去離子水定容至50 mL，吸取5～10 mL，經AFS9700原子熒光光度計測定。GBW07428（GSS-14）作為土壤中汞的標準物質。

水稻植株樣品經80℃烘干，磨碎后，稱取0.5～1.0 g，加入HNO3∶H2SO4=8∶2（V/V）混合酸10 mL，水浴3 h（溫度 95℃）后，加入0.5 mL的BrCl密封，靜置24 h，NH2OH·HCl去除游離態(tài)鹵素，去離子水定容，稱取5～10 mL，經AFS9700原子熒光光度計測定。

樣品MeHg含量的測定：稱取0.5 g土壤樣品（磨細）到35 mL Teflon離心管中，加入5 mL（18%KBr+5%H2SO4）溶液，加入1 mL 1 mol/L CuSO4；室溫下消解1 h；加入10 mL二氯甲烷（DCM），蓋緊蓋子；每隔5 min，搖勻離心管，共10 min；將離心管放入離心機中，轉速為3 000 r/min，持續(xù)30 min；移取2 mL有機層中（DCM）溶液至含有刻度的50 mL聚丙烯管中，加入45 mL去離子水及特氟龍防爆沸碎片，電熱板加熱至70℃，持續(xù)3 h，直至DCM層去除；加入去離子水定容至50 mL（該樣品在48 h內分析）；加入30 mL樣品溶液于40 mL棕色樣品瓶中，加入去離子水至瓶頸處，加入0.3 mL醋酸緩沖液，加入50μL乙基化試劑，加入蒸餾水至瓶滿，蓋緊蓋子，搖勻，靜置10～15 min，等待上機分析。用沉積物標準參考物質ERM-CC580作為甲基汞的標準物質[13]。

稱取0.2 g水稻植株樣品（小顆粒），測定重量，加入含有刻度的50 mL聚丙烯管中；加入2 mL 25%KOH甲醇溶液；蓋緊蓋子，渦旋10～15 s，電熱板加熱至60℃，每隔2 h渦旋10～15 s，持續(xù)4 h；加入去離子水8 mL，搖勻，冷凍樣品進行保存；分析當日，解凍樣品，放入離心機中，轉速為4 000 r/min，持續(xù)10 min；對于全自動甲基汞儀器來說，添加上清液樣品溶液1 mL于40 mL棕色樣品瓶中，添加35～37 mL去離子水至瓶頸處，加入0.3 mL醋酸緩沖液，加入50μL乙基化試劑，加入蒸餾水至瓶滿，蓋緊蓋子，搖勻，靜置10～15 min，等待上機分析[14]。

1.4　數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)的分析處理采用Excel 2003完成，部分圖片使用軟件origin 8.0制作。

2　結果與討論

2.1　水稻籽粒中汞及甲基汞的含量

對三個沼灌稻田采樣點水稻籽粒中汞的含量測定結果表明，籽粒中汞含量為7.11～15.32μg/kg，平均值為10.81μg/kg，中值為10.30μg/kg。其中長壽采樣點水稻籽粒中汞的含量為8.62±4.99μg/kg，江蘇采樣點水稻籽粒中汞的含量為12.50±2.18μg/kg，浙江采樣點水稻籽粒中汞的含量為8.75±1.93μg/kg。與之相對應的常規(guī)稻田水稻籽粒中總汞的含量范圍為3.34～29.42 μg/kg，均值為10.83 μg/kg，中值為11.36μg/kg?？梢钥闯觯咀蚜Ｖ锌偣暮靠傮w處于較低水平，均值均低于國家食品中污染物限量標準對糧食中總汞的限量標準20μg/kg。

對三個沼灌稻田采樣點水稻籽粒中甲基汞的含量測定結果表明，籽粒中甲基汞含量的范圍為0.38～3.51 μg/kg，平均值為1.63 μg/kg，中值為1.12μg/kg。長壽采樣點水稻籽粒甲基汞的含量為0.86±0.41μg/kg；江蘇采樣點水稻籽粒甲基汞的含量為2.46±1.15μg/kg；浙江采樣點水稻籽粒中甲基汞的含量為0.57±0.16μg/kg。與之相對應的常規(guī)稻田水稻籽粒中總汞的含量范圍為0.15～2.94μg/kg，均值為1.33μg/kg，中值為0.98μg/kg?？傮w來看，沼灌稻田水稻籽粒中甲基汞的含量略高于常規(guī)稻田。

土壤中的甲基汞很可能是水稻中甲基汞的主要來源，而其含量的高低對水稻甲基汞含量水平有重要影響[5]。沼灌稻田土壤中甲基汞的含量與對應的水稻籽粒中甲基汞的含量的關系見圖1。從圖中可以看出二者呈線性關系，土壤中甲基汞含量越高，水稻籽粒中甲基汞的含量也越高。相關分析的結果也表明，沼灌稻田土壤中甲基汞的含量與對應的水稻籽粒中的甲基汞含量之間存在顯著正相關關系（r=0.580*，P=0.048，n=12）。

水稻籽粒中甲基汞占總汞的比例的范圍為1.68%～32.57%，均值為13.09%，中值為10.15%。籽粒甲基汞含量較高的樣品甲基汞占總汞比例也較高，二者存在一定的正相關關系（r=0.550，P=0.064，n=12）。水稻籽粒中甲基汞的含量與總汞的含量存在極顯著的正相關關系（r=0.824**，P=0.001，n=12），如圖2所示。

圖1　沼灌稻田土壤中甲基汞的含量與對應的水稻籽粒中的甲基汞含量的關系Fig.1　The relationship between methylmercury in paddy soil and rice with different irrigation time by biogas slurry

圖2　沼灌稻田水稻籽粒中甲基汞的含量與總汞含量的關系Fig.2　The relationship between methylmercury and mercury in paddy soil with different irrigation time by biogas slurry

2.2　水稻植株中汞及甲基汞的分布特征

三個采樣點水稻植株各部位汞含量見表1和圖3。總體來看水稻植株各部位汞含量表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞籽粒。根是水稻植株中汞蓄積的主要部位，土壤中的活性汞可能先通過根部進入水稻體內，再向其他部位遷移。袁爾立等[15]通過水稻施汞盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，HgCl2處理的水稻各器官總汞含量依次是根＞葉＞籽實＞莖，原因可能在于汞作為水稻非必需營養(yǎng)元素，在水稻體內的遷移必然從屬于其他必需元素，水稻各組織器官在吸收必需營養(yǎng)元素的同時附帶吸收汞，因而水稻新陳代謝最旺盛的器官根和葉中汞含量最大，而在營養(yǎng)儲藏的部位米粒中含量最低[16]。土壤中的活性汞還可能與根蛋白疏基結合，將汞固著在根部，進而減少汞離子向水稻其他部位的遷移。崔瑞平[17]對丹寨汞礦廢水灌溉的稻田水稻植株中汞含量的測定結果表明，稻根汞含量最大，而籽粒汞含量最低，表現(xiàn)出自下而上遞減的變化規(guī)律，這與本文對沼灌稻田中水稻植株各部位汞含量的測定結果相一致。

表1　植株各部位汞的含量Table 1　The concentration of total mercury in rice plant

圖3　長期沼灌稻田水稻植株中汞的含量Fig.3　The concentration of total mercury in rice plant with long time irrigation by biogas slurry

三個采樣點水稻植株各部位甲基汞的含量見表2和圖4?？傮w來看，三個采樣點水稻植株各部位甲基汞的含量表現(xiàn)為籽粒＞根＞莖＞葉。這與袁爾立等[15]水稻施汞盆栽實驗的結果及黃中偉[18]對河南信陽稻田水稻樣品的測試結果相一致。本文中，江蘇常州采樣點籽粒中甲基汞的含量明顯高于其他兩個采樣點，達到了2.46±1.15μg/kg，這可能與當?shù)赝寥拦谋尘凹八酒贩N有關。但孟梅等[19]對貴州、湖南、廣東等地10個汞礦區(qū)150份完整的水稻植株各部位甲基汞的含量的測定表明，甲基汞在水稻中濃度分布整體趨勢為根＞米粒＞莖葉＞稻殼，也進一步說明，籽粒中累積的甲基汞主要來源于根對土壤中甲基汞的吸收，這也印證了本文中沼灌稻田土壤中甲基汞的含量與對應的水稻籽粒中甲基汞含量之間存在的強相關關系。

表2　植株各部位甲基汞的含量Table 2　The concentration of methylmercury in rice plant

圖4　長期沼灌稻田水稻植株中甲基汞的含量Fig.4　The concentration of methylmercury in rice plant with long time irrigation by biogas slurry

三個采樣點水稻植株各部位甲基汞占總汞的比例見表3和圖5?？傮w來看，水稻植株各部位甲基汞占總汞的比例表現(xiàn)為籽粒最大。Meng等[20-21]通過同步輻射—X射線熒光微區(qū)譜學成像技術研究了稻米中汞和甲基汞的分布，發(fā)現(xiàn)相對于胚乳，稻米中汞（主要為無機汞）強烈富集在糙米表層，對應為果皮和糊粉層，推測稻米中的無機汞主要是與半胱氨酸結合，并以植物螯合肽的形式存在。而甲基汞主要賦存于蛋白質中，且在水稻生長期間這部分甲基汞會隨蛋白質一起發(fā)生明顯的運移，最終被儲存在精米中。

表3　植株各部位甲基汞占總汞的比例Table 3　The proportion of MMHg/THg in rice plant

圖5　長期沼灌稻田水稻植株各部位甲基汞占總汞的比例Fig.5　The proportion of MMHg/THg in rice plant with long time irrigation by biogas slurry

袁爾立等[15]通過水稻施汞盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，添加氯化汞作為汞污染源的處理，籽實中甲基汞可達總汞量的80%以上（81.9%），莖中可達28.9%，稻葉和稻根中的比例可達5.3%和2.3%。認為植物器官積累甲基汞的主要因子是富-SH基的蛋白質，而調查中也發(fā)現(xiàn)油料作物的籽實中甲基汞的含量遠超過蛋白質含量較低的糙米，也證實了這一推測的可能性。袁曉博等[22]對我國9個省份大米中汞和甲基汞含量測定結果表明，大米中甲基汞占總汞的比例范圍為1.7%～97%，均值為36%±24%。相比較而言，沼灌區(qū)稻米中甲基汞占總汞的比例還較低。

2.3　水稻籽粒中汞及甲基汞暴露的健康風險評估

在汞及甲基汞毒性與人體健康效應之間的關系方面，美國環(huán)境保護署（EPA）建立的甲基汞參考劑量（reference dose，RfD）以及世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國糧食與農業(yè)組織（FAO）聯(lián)合制定的總汞及甲基汞臨時性每周允許攝入量（provisional tolerable weekly intake，PTWI）是2個國際公認的甲基汞暴露定量衡量指標[23-24]。WHO和FAO聯(lián)合制定的專門針對敏感人群的總汞PTWI為5μg/kg，甲基汞PTWI為1.6μg/kg；EPA規(guī)定的每日甲基汞RfD為0.1μg/kg。

當?shù)鼐用翊竺坠图谆闹軘z入量（PWI）可按如下公式計算[22]：

假設當?shù)鼐用袢粘Ｊ秤玫拇竺拙鶠樽约悍N植，每周大米食用量（IR）按2.13 kg[25]，居民人均體重（bw）為60 kg。由此計算可得沼灌區(qū)居民大米總汞每周攝入量的范圍為0.25～0.55μg/kg，占PTWI的比例為5.06%～10.90%?？偣恐軘z入量均值為0.38μg/kg，占PTWI的比例為7.69%。長壽沼灌區(qū)居民大米總汞每周攝入量為0.31μg/kg，占PTWI的比例為6.13%；江蘇沼灌區(qū)居民大米總汞每周攝入量為0.45μg/kg，占PTWI的比例為8.89%；浙江沼灌區(qū)居民大米總汞每周攝入量為0.31μg/kg，占PTWI的比例為6.22%。

由此計算可得沼灌區(qū)居民大米甲基汞每周攝入量的范圍為0.014～0.130μg/kg，占PTWI的比例為1.93%～17.83%。甲基汞每周攝入量均值為0.058μg/kg，占PTWI的比例為8.28%。長壽沼灌區(qū)居民大米甲基汞每周攝入量為0.031μg/kg，占PTWI的比例為4.37%；江蘇沼灌區(qū)居民大米甲基汞每周攝入量為0.088μg/kg，占PTWI的比例為12.50%；浙江沼灌區(qū)居民大米總汞每周攝入量為0.020μg/kg，占PTWI的比例為2.90%。

綜上所述，沼灌區(qū)稻米中總汞和甲基汞對當?shù)鼐用窠】碉L險貢獻分別為5.06%～10.90%和1.93%～17.83%，說明沼灌區(qū)居民均存在通過食用稻米汞及甲基汞暴露的風險，但風險較低。

3　結論

（1）沼灌區(qū)水稻籽粒中汞的含量總體處于較低的水平，籽粒中甲基汞的含量略高于常規(guī)稻田，當?shù)鼐用翊嬖谑秤玫久椎墓凹谆┞兜娘L險。

（2）沼灌區(qū)水稻植株各部位汞的含量表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞籽粒，甲基汞的含量表現(xiàn)為籽粒＞根＞莖＞葉，同時籽粒中甲基汞占總汞的比例也高于其他器官。

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