重金屬鎘、汞、銅和鉛在荸薺體內(nèi)的累積特性研究

謝麗萍，李 燾，蔣翠文，王彥力，牙 禹，韋宇寧，何 潔，閆飛燕

(廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】荸薺，又名馬蹄、水栗、烏芋等，是水生作物，我國是世界上最大的荸薺種植國家，種植面積達4萬公頃。主要產(chǎn)地為廣西、江西、湖北、浙江、福建等地，其中廣西種植面積占全國馬蹄種植面積一半以上，產(chǎn)量居全國首位[1-2]。近年來，隨著人類農(nóng)業(yè)活動的發(fā)展，農(nóng)藥化肥使用泛濫，嚴重威脅著我國農(nóng)田生態(tài)環(huán)境安全。其中，重金屬污染具有持續(xù)時間長、不易分解、不可逆性、修復(fù)難度大等特點，且能夠通過食物鏈轉(zhuǎn)移并逐級放大，進而威脅人類健康，受到人們廣泛關(guān)注。而關(guān)于不同重金屬在荸薺中的累積特性的研究尚少見較報道。因此，研究荸薺對不同重金屬的富集規(guī)律，可以為保障荸薺產(chǎn)品的質(zhì)量安全、合理種植布局及產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供重要的科學支撐?！厩叭搜芯窟M展】據(jù)2014年的全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，尤其是耕地，污染超標率為19.4 %，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴，以無機污染物為主[3]。而蔬菜對土壤中的重金屬有一定的富集能力，這也導致食用者攝入過多重金屬，已有研究表明人體中約有70 %的鎘來自于蔬菜[4]。有關(guān)重金屬污染對蔬菜的影響主要體現(xiàn)在重金屬對蔬菜機理的毒害，蔬菜對重金屬元素選擇性的吸收，重金屬對蔬菜生長發(fā)育、合成代謝、品質(zhì)、產(chǎn)量等諸多方面[5-8]。秦文淑等[9]分析了廣州市主要蔬菜市場的12種蔬菜共36個樣品，表明鉛、鉻和鎘為廣州市蔬菜的主要污染元素，蔬菜50 %以上受到污染。對我國眾多的土壤樣品進行統(tǒng)計分析可知：我國土壤表層鉻的含量范圍為1.9～519.0 mg/kg，背景值范圍為11.75～180.00 mg/kg，平均值約為57.66 mg/kg[10]。陳桂芬等[11-12]對廣西水稻主產(chǎn)區(qū)及桂西地區(qū)稻田研究表明土壤中鎘的生態(tài)風險比較高。凌乃規(guī)[13]對廣西不同類型農(nóng)田土壤重金屬研究表明超標率較高的元素為鎘和汞。宋波等[14]對廣西典型土壤鉛含量研究表明調(diào)查區(qū)域鉛污染指數(shù)大于1的樣本達到23 %，其中7 %達到重度污染。王婷等[15]研究表明畜禽糞肥對土壤中銅的累計貢獻率最大，黃玉溢等[16]對廣西柑桔園土壤的銅研究表明果園土壤普遍有效銅含量過高，并隨園齡增長而增長。李正等[17]采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定了荸薺的14種微量元素。伍秀蓮等[18]分析了荸薺中微量元素，氨基酸以及常規(guī)營養(yǎng)成分含量在其球莖和頂芽中的分布差異，結(jié)果表明荸薺含有豐富的營養(yǎng)成分，粗蛋白、粗脂肪、蔗糖、總淀粉、維生素B1、維生素B2、維生素C、鐵、鋅、鉻、銅、錳、鎘、鉛等元素在球莖中含量高于頂芽。【本研究切入點】廣西種植區(qū)域的土壤中鎘、汞、鉛和銅含量相對較高，隨著荸薺種植面積的增長和種植區(qū)域的擴大，荸薺的食用安全性受到廣大消費者的高度關(guān)注，而目前的研究主要集中在荸薺的品種選育、組培技術(shù)及高產(chǎn)栽培領(lǐng)域[19]，關(guān)于荸薺對重金屬鎘、銅、鉛和汞的吸收富集規(guī)律的相關(guān)研究尚鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過添加不同劑量的銅、鉛、汞和鎘，探索荸薺對各重金屬元素的吸收富集規(guī)律，以期為荸薺的安全種植、產(chǎn)品的質(zhì)量安全及合理布局提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試荸薺品種為桂蹄2號，由廣西農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所提供。供試土壤為廣西農(nóng)業(yè)科學院明陽基地的沙壤土，理化性質(zhì)分別為：pH7.51、有機質(zhì)22.5 g/kg、堿解氮113 mg/kg、速效磷27 mg/kg和速效鉀146 mg/kg ，土壤中鎘、汞、鉛和銅的本底值分別為鎘0.01 mg/kg、汞0.07 mg/kg、鉛4.99 mg/kg和銅20.75 mg/kg。采用分析純硝酸鉛Pb(NO3)2，硝酸鎘Cd(NO3)2，氯化汞HgCl2和硫酸銅CuSO4·7H2O添加重金屬。

1.2 試驗方法

試驗于廣西農(nóng)業(yè)科學院明陽基地內(nèi)進行，用盆栽方式在塑料大棚內(nèi)避雨栽培，通風口用防蟲網(wǎng)覆蓋。采集的土壤經(jīng)過風干、粉碎、去雜質(zhì)、過篩、重金屬添加和平衡后，15 kg/桶裝盆備用。桶內(nèi)徑35 cm，高45 cm，底不漏水。

各處理土壤中重金屬濃度見表1，以溶液形式加入重金屬并與土壤充分拌勻，放置一個月平衡。2016年7月24日在各盆中定植馬蹄苗3株，所有重金屬處理均為單因素，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，T為《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618-1995)中的二級標準限值，其中鉛、鎘、汞和銅分別為：350.0，0.6，1.0和100.0 mg/kg。

施肥：基肥用三元復(fù)合肥，每桶施用10 g，與土壤混勻，在定苗成活后進行一次追肥，每桶8 g，均溶成溶液施入。澆水：根據(jù)蒸發(fā)量確定澆入純凈水的量，保持桶內(nèi)水位4 cm左右，根據(jù)大田實際生產(chǎn)管理，在馬蹄生長后期停止補充純凈水，待盆栽內(nèi)水分自然揮發(fā)，保證在采收時盆栽內(nèi)沒有水層。

1.3 測定項目及方法

馬蹄成熟時采集樣品及土壤，于2017年1月17日采集土壤、馬蹄及莖葉。土壤樣品進行風干研磨，植株樣品在115 ℃殺青，60 ℃烘至恒重，粉碎備用。

分別依據(jù)GB/T 5009.12-2017、GB/T 5009.15-2014和GB/T 5009.17-2014的方法測定植株及馬蹄中的鉛、鎘和汞；依據(jù)GB/T 17141-1997測定土壤中鉛和鎘，分別依據(jù)NY/T 1121.10-2006、NY/T 1121.2-2006、NY/T 1121.6-2006、LY/T 1228-2015、NY/T 1121.7-2014和NY/T 889-2004測定土壤中汞、pH、有機質(zhì)、水解性氮、速效磷和速效鉀，結(jié)果以鮮樣計。

表1 不同處理土壤重金屬濃度

1.4 統(tǒng)計分析

富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬的濃度/土壤中重金屬的濃度。

使用Excel 2007和SPSS11.0軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度重金屬與荸薺產(chǎn)量關(guān)系

在0.25 T低濃度銅、鎘、鉛和汞元素處理下，荸薺球莖產(chǎn)量均有增加，莖葉產(chǎn)量相對對照處理有差異(表2)。土壤中銅的濃度達到0.25 T時球莖產(chǎn)量最高，隨著處理濃度增加產(chǎn)量下降，當土壤濃度上升到2.5 T時球莖產(chǎn)量急劇下降至88.7 g/桶，相當于對照產(chǎn)量的一半，說明在高濃度銅影響下荸薺球莖產(chǎn)量下降。隨著鎘處理濃度的增加，荸薺球莖產(chǎn)量呈現(xiàn)增加的趨勢，說明鎘會促進荸薺產(chǎn)量的提高。在鉛0.25 T處理濃度下荸薺球莖產(chǎn)量高于對照，但隨著土壤中鉛濃度提高，球莖產(chǎn)量下降并均低于對照。隨著汞的處理濃度提高，荸薺球莖產(chǎn)量下降但均高于對照。

2.2 荸薺吸收銅的規(guī)律及分布特征

不同處理下荸薺莖葉中銅的含量與土壤中銅含量呈正相關(guān)性(r=0.96)，并隨著土壤銅含量的增加而增加(圖1)。皮中銅含量也與土壤銅含量呈正相關(guān)(r=0.97)，但是增加幅度比莖葉小。在處理濃度為1T時，果肉對銅的富集達到最大值1.8 mg/kg。各部位富集能力為：莖葉>皮>果肉。莖葉的富集系數(shù)高于果肉及皮，并且隨著土壤銅含量的增加，富集系數(shù)增大，達到1.75 T時，富集系數(shù)最大，之后開始下降(圖2)。果肉及皮的富集系數(shù)基本保持不變，變化趨勢與土壤銅濃度的變化趨勢沒有明顯相關(guān)性。

2.3 荸薺吸收鎘的規(guī)律及分布特征

根據(jù)《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中規(guī)定，新鮮蔬菜水果鎘限量為0.05 mg/kg。在CK、0.25、1、1.75和2.5 T 5個處理中，果肉中鎘含量均低于檢出限(0.0001mg/kg)，說明荸薺果肉對鎘不吸收，可以安全食用。果皮僅在2.5 T處理時才檢出鎘0.0090 mg/kg，也低于限量。

表2 4種重金屬不同濃度下荸薺莖葉及球莖產(chǎn)量情況

注：不同小寫字母表示荸薺相同部位產(chǎn)量在各重金屬元素不同處理水平相比達到P<0.05顯著水平。

Note:Different lowercase letters indicate the differences of concentrations of four heavy metals at the yield of stem, leaf and bulb atP<0.05.

同部位不同處理間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Different lowercase letters between different treatments at the same part indicated the significant differences at P<0.05, the same as below圖1 不同處理濃度下荸薺各部位銅含量情況 Fig.1 The content of Cu in each part of water chestnut by adding different concentration of Cu

圖2 不同銅處理濃度下荸薺各部分的富集系數(shù)Fig.2 The enrichment coefficient of all parts of water chestnut by adding different concentration of Cu

莖葉中的鎘在1.75和2.5 T處理時才有檢出。說明荸薺對重金屬鎘的吸收積累能力不強，在生產(chǎn)中可以結(jié)合產(chǎn)地環(huán)境的情況合理安排種植(表3)。

2.4 荸薺吸收鉛的規(guī)律及分布特征

荸薺在五個鉛處理濃度下都生長良好，沒有出現(xiàn)死苗現(xiàn)象。不同濃度鉛土壤處理下荸薺各部位鉛的空間分布為：葉>皮>果肉，在土壤1 T濃度處理下，果肉中鉛含量低于檢出限，在2.5 T污染濃度處理下果肉可食部分中鉛含量達到0.327 mg/kg，超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中新鮮蔬菜水果鉛的限量標準0.1 mg/kg。在低鉛處理下，荸薺對鉛的吸收能力低，當土壤污染濃度到達2.5 T時吸收能力增加，2.5 T處理的果肉、皮和莖葉中鉛含量的濃度是1.75 T處理的82、54和3倍(表4)。

表3 不同鎘處理下荸薺各部位鎘含量

注：-表示未檢出。鎘、鉛檢出限為0.0001、0.001 mg/kg。

Note:-Stands for undetected. Cd and Pb detection limits are 0.0001 and 0.001 mg/kg.

圖3 不同汞處理濃度下荸薺各部位汞含量 Fig.3 The content of Hg in each part of water chestnut by adding different concentration of Hg

2.5 荸薺吸收汞的規(guī)律及分布特征

在五個不同汞濃度處理下荸薺長勢良好，沒有受毒害現(xiàn)象發(fā)生，荸薺各部位汞含量分布為：皮>果肉>莖葉，在土壤汞濃度0.25T處理下，果肉可食部分汞含量達0.013 mg/kg，已超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中汞的限量標準0.01 mg/kg。隨著土壤汞濃度增加，果肉、皮和莖葉中汞含量均呈現(xiàn)增加的趨勢。果肉和皮的富集系數(shù)隨土壤汞濃度的增加而增加，CK處理的莖葉的富集系數(shù)最高，隨土壤汞濃度增加而呈現(xiàn)微量上升(圖3～4)。

表4 不同鉛處理下荸薺各部位鉛含量

圖4 不同汞處理濃度下荸薺各部位汞的富集系數(shù)Fig.4 The enrichment coefficient of all parts of water chestnut by adding different concentration of Hg

3 討 論

通過對荸薺添加不同濃度的鎘、汞、銅和鉛的盆栽試驗表明，荸薺對不同重金屬吸收特征各異，重金屬元素汞為荸薺富集元素，這與其他水生蔬菜類對重金屬的積累富集結(jié)果一致[20]，在土壤汞處理為0.25T時，可食部分汞含量即超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)新鮮蔬菜的限量標準0.01 mg/kg，且隨著土壤中汞含量的增加而增加。因此在荸薺生產(chǎn)中需要密切關(guān)注產(chǎn)地環(huán)境中汞的背景值情況，在汞未超標的區(qū)域也應(yīng)該引起重視，因為盆栽試驗表明在土壤限量值的1/4處，荸薺長勢良好，但是可食部分果肉中的汞已經(jīng)超過限量值，如種植區(qū)域有污染風險應(yīng)建立跟蹤監(jiān)測制度及對應(yīng)機制，控制產(chǎn)品中汞污染風險。荸薺不富集鎘，在土壤中鎘污染達到2.5 T時，荸薺可食部分未檢出鎘，這與水生蔬菜茭白的研究結(jié)果一致[17]，即使產(chǎn)地環(huán)境中受到一定程度鎘污染也可根據(jù)實際情況適度安排生產(chǎn)。土壤在鉛污染濃度CK、0.25、1和1.75 T處理下，荸薺果肉部分不富集鉛，但是在2.5 T處理時果肉中鉛含量超過GB2762-2017標準中新鮮蔬菜限量值0.1 mg/kg，因此荸薺果肉在土壤低鉛下不富集，而在環(huán)境標準值2.5倍土壤環(huán)境下表現(xiàn)出高富集能力。

4 結(jié) 論

低濃度重金屬的處理會促進荸薺產(chǎn)量的提高,荸薺各部位對重金屬吸收累積具有顯著的分布規(guī)律，銅、鉛和鎘在各部位含量分布為：莖葉>皮>果肉；汞為：皮>果>莖葉。荸薺對鉛、鎘耐受性強，在土壤達到環(huán)境限量值時，荸薺果肉中鉛、鎘含量符合標準要求；汞容易被荸薺吸收，在有汞污染風險的區(qū)域建議不要種植。