基于微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測稻田綜合種養(yǎng)稻谷的重金屬元素

陳劉浦　貝亦江　線婷　孟慶輝　懷燕　馬文君　丁雪燕　周凡

摘 要：利用高壓消解罐消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法，檢測分析稻魚、稻鱉、稻蝦-小龍蝦等3種典型稻田綜合種養(yǎng)模式下的6個水稻品種中鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛等7種重金屬的含量。設(shè)定了最佳的樣品前處理條件和儀器測定條件，在進行質(zhì)譜測定時，采用Ge、In元素作為內(nèi)標元素，依據(jù)國家標準參考物質(zhì)柑橘葉并通過加標回收試驗對方法進行了驗證。結(jié)果表明：（1）各元素標準曲線的相關(guān)系數(shù)大于0.9990，方法檢出限在0.0006～0.0645μg/mL，加標回收率在88.89%～109.82%，相對標準偏差均小于3%。表明該方法簡單、精密度高、檢出限低，適用于檢測稻谷中重金屬元素的含量。（2）3種不同稻漁綜合種養(yǎng)模式下，稻谷中7種重金屬元素的含量均符合食品安全的要求。檢測結(jié)果可以為稻田綜合種養(yǎng)稻谷的質(zhì)量控制提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：微波消解;電感耦合等離子體質(zhì)譜;稻田綜合種養(yǎng);稻谷;重金屬

中圖分類號 S511文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）15-0124-04

Determination of Heavy Metal Elements in Rice From Integrated Rice-Aquatic Coculture System by Microwave Digestion and ICP-MS

Chen Liupu1 et al.

（1Zhejiang Fisheries Technical Extension Center，Hangzhou 310023，China）

Abstract：The present study was to establish an microwave digestion and inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS） method to measure the concentration of Cr，Ni，Cu，Zn，As，Cd and Pb in 6 rice species from three different integrated rice-aquatic coculture model.The experimental conditions for treating and analyzing samples were optimized;in the mass spectrum measurement，germanium and indium elements were used as internal standard element.The accuracy of the method was confirmed by the recoveries of standard additions and standard material citrus leaf.The results showed that：（1） the correlative coefficients of standard curves were above 0.9990，detection limit were 0.0006～0.0645μg/L with the recovery rates in the range of 88.89%～109.82% and RSD values were less than 3%.The current method is easy operation，high precision and sensitive，and of low detection limit.It is suitable for the analysis and determination of heavy metals in rice materials.（2） the heavy metal elements concentration in seven rice samples from rice-fish，rice-soft-shell turtle，and rice-lobster coculture models were all meet the food safety requirements.And the results may provide reference for the quality control of rice production of integrated rice-aquatic coculture system.

Key words：Microwave digestion;Inductively coupled plasma mass spectrometry;Rice-aquatic coculture;Rice;Heavy metal elements

水稻是浙江省重要的糧食作物之一，2018年全省水稻種植總面積64.11萬hm2，總產(chǎn)量469.2萬t。近年來，隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)利用，工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，以及各種化工產(chǎn)品、農(nóng)藥及化肥的廣泛使用，含重金屬的污染物通過各種途徑進入環(huán)境，造成土壤、尤其是農(nóng)田土壤重金屬的污染日益嚴重[1，2]。一般認為，人類攝取重金屬主要是通過“土壤-作物-食物”途徑，因水稻具有對重金屬強吸收的特征，其質(zhì)量安全問題一直倍受關(guān)注[3]。

稻田綜合種養(yǎng)是循環(huán)農(nóng)業(yè)和效益農(nóng)業(yè)的生態(tài)種養(yǎng)結(jié)合模式之一，稻漁的共生互作，能夠有效改善稻田環(huán)境，減少化肥和農(nóng)藥的使用量，具有穩(wěn)糧增收、提質(zhì)增效、實現(xiàn)生態(tài)循環(huán)等優(yōu)點[4]。目前，浙江省重點發(fā)展的稻田綜合種養(yǎng)模式主要有稻魚共生、稻鱉共生、稻蝦共生等模式，全省推廣面積在2萬hm2以上[5]。

本試驗探索基于高壓消解罐消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法，建立稻米中7種重金屬含量的檢測技術(shù)，并對浙江省內(nèi)3種典型稻田綜合種養(yǎng)模式的7個基地產(chǎn)出的稻谷進行抽樣檢測，旨在為稻田綜合種養(yǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制、品質(zhì)評價及安全性評估提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 主要儀器 X SERIES II電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國賽默飛世爾）、TOPEX微波消解儀（上海屹堯）、元素型超純水系統(tǒng)超純水系統(tǒng)（美國賽默飛世爾）。

1.1.2 主要試劑 68%硝酸（UPS級，蘇州晶瑞）、30%過氧化氫（UPS級，蘇州晶瑞）、ICP-MS調(diào)諧液（鋇Ba、鉍Bi、鈰Ce、鈷Co、銦In、鋰Li、鈾U混合溶液，1ng/mL，美國賽默飛公司）、國家標準物質(zhì)柑橘葉（GBW10020、GSB-11）由地球物理地球化學(xué)勘查研究所提供，IV-21標準溶液（100ng/mL，美國賽默飛世爾）;內(nèi)標元素72Ge、115In購至國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院。

1.1.3 稻米樣品 本試驗的稻米樣品來自全省7個縣（市、區(qū)）稻田綜合種養(yǎng)基地，包括稻魚、稻鱉、稻蝦（小龍蝦）等3種典型模式、6個水稻品種。具體如下：杭州市富陽區(qū)（稻蝦（小龍蝦）模式，甬優(yōu)15）、寧波象山縣（稻魚模式，宜香優(yōu)系列）、余姚市（稻鱉模式，甬優(yōu)15），嘉興秀洲區(qū)（稻鱉模式，中嘉8號）、海鹽縣（稻小龍蝦模式，嘉優(yōu)中科3號），金華蘭溪市（稻魚模式，中浙優(yōu)8號），以及衢州龍游縣（稻鱉模式，甬優(yōu)9號）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備 樣品前處理稻谷樣品經(jīng)脫殼去皮，再經(jīng)陶瓷研體缽研制成米粉，混勻，保存在樣品袋中。在制樣過程中注意確保樣品不受污染，所有玻璃器皿及消解罐均需于20%的硝酸中浸泡24h，用去離子水反復(fù)沖洗干凈。

1.2.2 標準曲線制作 將100μg/mL多元素標準溶液，用1%HNO3，逐級稀釋配制成濃度分別為0、5、25、50、100μg/L的標準曲線溶液;以2%硝酸為空白，在優(yōu)化的儀器條件下測定標準溶液系列及空白，制作標準曲線，同時測定樣品溶液。

1.2.3 樣品消解 稱取稻米米粉樣品0.2g（精確至0.0001g），置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸，1mL雙氧水，蓋好內(nèi)蓋，浸泡1h，再加入1mL過氧化氫，將消解罐插入保護套中，按照微波消解儀標準步驟進行消解（表1）。消解完畢，待消解罐冷卻后打開，消化液呈無色或淡黃，用少量去離子水沖洗內(nèi)蓋，加熱趕酸至2mL左右，用少量硝酸溶液（1%）沖洗消解罐3次，將溶液轉(zhuǎn)移至25mL比色管中。再用1%硝酸溶液定容至刻度，混勻備用，同時做試劑空白試驗。

1.2.4 ICP-MS參數(shù) 使用1ng/mL Thermo調(diào)諧液對儀器進行調(diào)諧，保證儀器的最佳靈敏度和穩(wěn)定性。由于砷元素電離能較高，采用高電離能1550W的等離子體發(fā)射功率保證砷形態(tài)化合物的完全接力，同時優(yōu)化載氣流量、補償氣流量、氦氣流量、采樣深度等參數(shù)，提高儀器靈敏度。具體質(zhì)譜條件為：高頻等離子體發(fā)射功率：1550W;載氣：氬氣（99.999%）;載氣流量：0.80L/min;載氣補償氣流量：0.15L/min;KED模式;氦氣流量：4.0mL/min;霧化器流量：1.09L/min;采樣錐/截取錐：Pt錐;采樣深度：5.0mm;玻璃同心霧化器，石英霧化室，半導(dǎo)體控溫，石英矩管，2.5mm中心通道;蠕動泵：0.4r/min。

1.2.5 儀器測定 待儀器通過調(diào)諧后，依次對標準系列、試劑空白和稻米樣品進行測定，內(nèi)標法定量，檢測鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛等7種重金屬含量。其中，精密稱取同一產(chǎn)地的糯稻根粉末約0.2g，稱取5份，按前述步驟進行測定分析，分析各元素的含量，計算出相對標準偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 線性關(guān)系 由表2可知，鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛等7種重金屬的濃度在0～100ng/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，在0.9990～1.000。

2.2 檢出限 試驗結(jié)果表明，該方法的檢出限低，在0.0006～0.0654ng/mL（表2）。

2.3 精密度 由表2可知，各元素的線性精密度（RSD）值在1.55%～2.48%，表明該方法的重現(xiàn)性良好。

2.4 準確度試驗

2.4.1 標準物質(zhì)驗證試驗 本試驗中國家標準物質(zhì)柑橘葉的7種重金屬的測得值均在標準值范圍內(nèi)（表3），表明該方法的準確度良好。

2.4.2 加標回收率試驗 由表2可知，樣品中7種重金屬元素的回收率在88.89%～109.82%，且RSD值均小于2.29%。表明此方法準確度高，能滿足稻米樣品中各元素的分析要求。

2.5 稻米樣品檢測結(jié)果 對浙江省內(nèi)7家稻田綜合種養(yǎng)基地的稻米樣品中重金屬含量進行檢測，共結(jié)果如表4所示。

我國現(xiàn)行的食品重金屬限量標準可參照《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB2762—2017）、糧食（含谷物、豆類、薯類及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等8種元素限量）（NY 861—2004）;其中，谷物及其制品限量值為：鉻≤1.0mg/kg、銅≤10mg/kg、鋅≤50mg/kg、砷≤0.2mg/kg、鎘≤0.2mg/kg、鉛≤0.2mg/kg。另外，關(guān)于鎳的限量值標準，只規(guī)定了油脂及其制品中為≤1.0mg/kg（GB2762—2017）。由表4可知，所有稻漁綜合種養(yǎng)基地產(chǎn)出的稻米中7種重金屬的含量均低于限量限，符合現(xiàn)行食品的質(zhì)量安全要求。

3 討論

樣品消解前處理是目標物殘留檢測中的關(guān)鍵步驟，已有的樣品重金屬殘留檢測的消解方法包括干法消解、濕法消解、高壓罐消解和微波消解等[6]。大米結(jié)構(gòu)緊密，有機物尤其是淀粉含量高，較難被消解等特點，因此在選擇消解程序時，要考慮有機物的完全消解條件。已有研究比較了大米重金屬檢測的消解方式，認為微波消解具有操作簡便，試劑使用量少，能有效降低交叉污染和揮發(fā)損失，耗時短，效率高等優(yōu)點[7，8];本試驗亦采用微波消解法處理稻米樣品。同時，采用ICP-MS的碰撞反應(yīng)池（KED）模式，并用內(nèi)標法定量方式檢測重金屬元素。KED模式有效消除分子、離子及同質(zhì)異素質(zhì)譜干擾效益，內(nèi)標法定量可以消除基體干擾，保證了方法對樣品中的多種元素同時分析的準確性[9，10]。通過對稻田綜合種養(yǎng)模式產(chǎn)出的水稻樣品中7種重金屬檢測，并驗證了柑橘葉的標準質(zhì)控樣品，發(fā)現(xiàn)測定值都在證書標示值的范圍內(nèi)。因而，本試驗構(gòu)建的檢測方法操作方便快捷、檢測限低、線性關(guān)系良好、準確度好，可用于稻米中7種重金屬元素的批量定量分析。

已有研究表明，不同的水稻品種，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性產(chǎn)生差異，導(dǎo)致其對重金屬元素的吸收和分配存在明顯差異[11];同時，環(huán)境互作效應(yīng)、農(nóng)藝措施等也會對水稻吸收、積累重金屬產(chǎn)生影響[3]。對于低重金屬污染區(qū)域而言，深耕翻土可以有效降低表層突然的重金屬含量[12];而通過作物輪作制度，可有效降低耕作層土壤pH值，有利于降低重金屬活性[13]。另有研究指出，有機肥料的施用可促使交換態(tài)Cd向松結(jié)合有機態(tài)、錳氧化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，明顯降低土壤中有效性Cd的含量，其中畜糞的效果優(yōu)于秸稈類[14]。此外，通過水位調(diào)節(jié)，長期水淹、減少中間曬田過程，使土壤長期處于還原環(huán)境，F(xiàn)e2+等金屬離子與Cd2+的競爭吸附作用以及S2-和Cd2+的共沉淀作用加強，將明顯降低土壤中Cd的生物有效性將，從而降低了稻米中Cd含量[15]。

稻田綜合種養(yǎng)是通過對稻田實施工程化改造，將水稻種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)機與農(nóng)藝的有機結(jié)合，構(gòu)建新型稻-漁共生輪作制度和新的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。在這一模式下，稻田保持了長期有水環(huán)境，而水產(chǎn)動物在田塊內(nèi)的活動不僅能捕捉害蟲、清除雜草，還能有效地改良稻田土壤的理化性狀，有利于肥料和氧氣滲入土壤深層，從而增加水稻對氮的直接吸收[16];而水產(chǎn)動物的殘餌、排泄物等又能作為有機肥，起到肥田的效果[17]。同時，稻漁共生模式也具有提高土壤氧化還原電位、降低土壤pH值的作用[18]。對“稻-鱉-魚-鴨”共生模式下產(chǎn)品的鉛、鎘、砷、汞等4種重金屬進行檢測，結(jié)果均未檢出[19]。此外，本試驗表明，在開展調(diào)查取樣的稻魚共生、稻鱉共生、稻蝦（小龍蝦）共作等3種主要稻田綜合種養(yǎng)模式下，6個水稻品種的重金屬均符合產(chǎn)品質(zhì)量安全要求?？梢?，推廣漁稻共生模式，可以改善稻田環(huán)境，降低土壤中重金屬在水稻中積累，提升稻米的質(zhì)量安全水平。

參考文獻

[1]周慧芳，王京文，李丹，等.耐鎘菌聯(lián)合植物吸收對土壤重金屬鎘污染的修復(fù)[J].浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2017，43（3）：341-349.

[2]唐浩，曹乃文.淺談我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀及修復(fù)技術(shù)[J].安徽農(nóng)學(xué)通報，2017，23（317）：103-105.

[3]韓娟英，張寧，舒小麗，等.水稻對重金屬的吸收特性及其影響因素[J].中國稻米，2018，24（3）：44-48.

[4]朱澤聞，李可心，王浩.我國稻漁綜合種養(yǎng)的內(nèi)涵特征，發(fā)展現(xiàn)狀及政策建議[J].中國水產(chǎn)，2016，10：32-35.

[5]周凡，馬文君，丁雪燕，等.浙江省稻漁綜合種養(yǎng)歷史與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀[J].新農(nóng)村，2019，5：7-9.

[6]馬密霞，胡文祥.微波消解在農(nóng)業(yè)化學(xué)中的應(yīng)用研究進展[J].微波化學(xué)，2017，1（1）：28-33.

[7]孫有娥，程春艷，李一辰，等.原子吸收光譜法測定大米中鎘含量時試樣消解方法的影響[J].化學(xué)工程與裝備，2015，11：210-212.

[8]盧倫，趙凱，吳曉芳，等.電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定大米中幾種重金屬元素含量[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（33）：83-85.

[9]龐艷華，董振霖，那晗，等.碰撞池-電感耦合等離子體質(zhì)譜法快速檢測化妝品中重金屬[J].食品安全檢測學(xué)報，2016，7（8）：3333-3337.

[10]張曉赟.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤中多種金屬元素[J].安徽農(nóng)學(xué)通報，2018，24（356）：69-72.

[11]林小兵，周利軍，王惠明，等.不同水稻品種對重金屬的積累特性[J].環(huán)境科學(xué)，2018，39（11）：5198-5206.

[12]陳志良，仇榮亮，張景書，等.重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)[J].環(huán)境保護，2002，6：21-23.

[13]楊凱.東莞菜稻菜輪作對土壤Cd、Pb、As形態(tài)分布及其生物有效性的影響[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[14]肖相芬，張經(jīng)廷，周麗麗，等.中國水稻重金屬鎘與鉛污染GAP栽培控制關(guān)鍵點分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（21）：130-136.

[15]紀雄輝，梁永超，魯艷紅，等.污染稻田水分管理對水稻吸收積累鎘的影響及其作用機理[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27（9）：3931-3939.

[16]蔣艷萍，章家恩，朱可峰.稻田養(yǎng)魚的生態(tài)效應(yīng)研究進展[J].仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，20（4）：71-75.

[17]Zhang J，Hu LL，Ren WZ，et al.Rice-soft shell turtle coculture effects on yield and its environment[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2016，224：116-122.

[18]Frei M，Becker K.Integrated rice-fish production and methane emission under greenhouse conditions[J].Agriculture，ecosystems & environment，2005，107：51-56.

[19]徐建欣，徐志軍，楊潔，等.“稻-鱉-魚-鴨”復(fù)合共生生態(tài)種養(yǎng)模式下產(chǎn)出農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的初步探究[J].中國稻米，2018，24（5）：16-21.

（責(zé)編：張宏民）