不同生育期水稻對(duì)甲基汞的蓄積

張志淵，胡文俊，盧 暢，官甲訓(xùn)，王 敏，李云云，王 果

（福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州350002）

0 引言

【研究意義】稻米是我國(guó)居民甲基汞暴露的重要途徑，研究水稻不同生育期對(duì)甲基汞的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)能力有助于降低汞污染地區(qū)居民甲基汞暴露的風(fēng)險(xiǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】汞是一種重要的全球性污染物，因其具有持久性、強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性、易通過(guò)食物鏈富集放大等特點(diǎn)，被世界衛(wèi)生組織、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署等許多國(guó)際組織列為優(yōu)先控制污染物[1?2]。我國(guó)是世界上生產(chǎn)、消費(fèi)和排放汞最多的國(guó)家之一，各種來(lái)源的汞通過(guò)干濕沉降、污水灌溉、污泥施肥、尾礦堆放等方式進(jìn)入到土壤。2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》以及2016年發(fā)布的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（土十條）都顯示我國(guó)正面臨著嚴(yán)重的土壤汞污染問(wèn)題。礦業(yè)廢棄地周邊土壤汞污染問(wèn)題尤其突出，如我國(guó)貴州萬(wàn)山汞礦區(qū)周邊土壤汞含量高達(dá)790mg·kg?1[3]，金礦開采中使用汞齊試劑也導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤汞污染[4?5]。土壤汞污染導(dǎo)致糧食汞含量升高，采集自我國(guó)9個(gè)省市市場(chǎng)的303份大米樣品測(cè)定結(jié)果顯示約12%的樣本中汞含量超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的糧食汞含量限量值（20μg·kg?1，GB 2762—2017）[6]。相比于無(wú)機(jī)汞，甲基汞毒性更強(qiáng)。研究表明水稻植株從根部到稻米，甲基汞占總汞的比例越來(lái)越高，稻米中甚至有超過(guò)70%的汞是以甲基汞的形式存在[7?8]。近期一項(xiàng)全國(guó)尺度的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究表明，我國(guó)居民6%～95%的膳食甲基汞來(lái)自于攝食稻米[9]，說(shuō)明食用污染稻米是中國(guó)居民甲基汞暴露主要途徑。近期的研究發(fā)現(xiàn)稻田環(huán)境中好厭氧交替、微生物群落、有機(jī)質(zhì)供給等特殊條件導(dǎo)致了稻田中甲基汞的大量生成[10?12]，而稻田甲基汞是水稻甲基汞的主要來(lái)源[13]。不同的生育期水稻根際環(huán)境氧化還原狀態(tài)不同，如最大分蘗前期，根際環(huán)境處于強(qiáng)還原狀態(tài)；從最大分蘗期到拔節(jié)期，由于莖節(jié)的形成以及根系分泌物的增加，根際還原性減弱[14]。氧化還原條件的改變能夠通過(guò)影響土壤中汞的有效性、根表鐵膜的形成等進(jìn)而影響水稻對(duì)于甲基汞的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，如土壤汞的有效性及根表鐵膜的形成與土壤中硫、鐵及其相互作用密切相關(guān)[15?16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同生育期根際氧化還原狀態(tài)不同，水稻對(duì)甲基汞的吸收能力是否相同，稻米中甲基汞的累積主要發(fā)生于哪個(gè)生育期?早期的研究發(fā)現(xiàn)水稻根組織和莖葉組織在幼苗期存在明顯的甲基汞的去甲基化現(xiàn)象[17?18]，這個(gè)現(xiàn)象是否也存在于其他時(shí)期？這些問(wèn)題尚不清楚，需要進(jìn)一步研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究采用水培的試驗(yàn)方法，定量計(jì)算不同時(shí)期（幼苗期、分蘗期、拔節(jié)期和抽穗期）甲基汞的暴露對(duì)稻米甲基汞蓄積的影響以及無(wú)機(jī)汞和甲基汞在水稻體內(nèi)的分配比，為降低稻米甲基汞蓄積提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水稻幼苗培養(yǎng)

試驗(yàn)選用福建省廣泛種植的水稻品種甬尤9號(hào)。首先挑選顆粒飽滿的水稻種子，用10%的氯化鈉溶液消毒10m in后用流水沖洗5 h，緊接著用二次水沖洗干凈。消毒的水稻種子轉(zhuǎn)移到鋪有潤(rùn)濕濾紙的培養(yǎng)皿中，在30℃黑暗的條件下萌發(fā)一周后，將水稻幼苗置于50%的Hogland培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。待水稻幼苗高度接近10 cm時(shí)，挑選高度接近、長(zhǎng)勢(shì)接近的水稻幼苗轉(zhuǎn)移到250m L的燒杯中繼續(xù)培養(yǎng)3周。

1.2 試驗(yàn)處理

培養(yǎng)3周后，將高度接近的水稻幼苗轉(zhuǎn)移至包有錫箔紙的塑料桶（高20 cm，直徑15 cm），利用25%的Hogland培養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理組，分別為：空白組（水稻生長(zhǎng)整個(gè)生育期沒有甲基汞暴露）、幼苗期組（水稻種子萌發(fā)1周后即進(jìn)行甲基汞暴露）、分蘗期組（水稻生長(zhǎng)40 d進(jìn)行甲基汞暴露）、拔節(jié)期組（水稻生長(zhǎng)80 d進(jìn)行甲基汞暴露）、抽穗期組（水稻生長(zhǎng)120 d進(jìn)行甲基汞暴露）。每個(gè)處理組甲基汞暴露的時(shí)間均為一周。水稻根組織在暴露結(jié)束后進(jìn)行二次水沖洗，并更換為無(wú)汞培養(yǎng)液培養(yǎng)。試驗(yàn)時(shí)間為2020年5月到10月，每個(gè)試驗(yàn)處理組重復(fù)3次，每組含2株幼苗，甲基汞的暴露濃度為50μg·L?1。

1.3 分析方法

水稻成熟后，移出培養(yǎng)器。充分清洗水稻根組織后，將水稻分為根、秸稈、稻米三部分。根組織首先用二次水沖洗干凈，然后用谷胱甘肽溶液進(jìn)一步浸泡沖洗以除去水稻組織表面吸附的汞。將水稻各個(gè)組織冷凍干燥，而后研磨過(guò)篩。水稻各個(gè)組織中甲基汞含量的測(cè)定方法如下：稱取約50 mg的水稻樣品于15 m L離心管（Coring）中，加入2m L 25%（w t/w t）氫氧化鉀-甲醇溶液，超聲輔助充分混合后，于60℃的恒溫振蕩器中振蕩提取4 h，在振蕩過(guò)程中拿出超聲混勻3次。振蕩結(jié)束后，取出冷卻，之后用二次水定容，定容體積為10m L。常溫下使用4000 r·m in?1轉(zhuǎn) 速 離 心30 m in，而 后 量 取50～100μL的上清溶液至40m L的棕色瓶，并加入0.5～1.0m L的緩沖試劑（檸檬酸/檸檬酸鈉），二次水加滿后加入50μL乙基化試劑，擰緊蓋子搖勻后，靜置10 m in采用氣相色譜冷原子熒光（CVAFS，Brooks Rand，USA）進(jìn)行測(cè)定。早期研究表明，甲基汞暴露后水稻根組織中總汞含量遠(yuǎn)大于秸稈和稻米組織，且甲基汞向上轉(zhuǎn)運(yùn)的能力高于無(wú)機(jī)汞[17?18]。因此這里只對(duì)水稻秸稈和稻米進(jìn)行總汞的分析。水稻樣品中總汞含量采用DMA-80固液相直接測(cè)汞儀（M ilestone DMA-80,Italy）測(cè)定。為保證實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，樣品中總汞和甲基汞含量選用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 10010和DORM-3）計(jì)算回收率。GBW 10010和DORM-3的回收率為86%～108%（n=6）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.5及Sigma plot12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和作圖。差異性分析采用LSD法，差異顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻根系甲基汞

不同處理組中水稻根系甲基汞含量如圖1所示。由圖1可知，空白組水稻根系中甲基汞的含量為8.32±0.84μg·kg?1，甲基汞暴露顯著增加了根系甲基汞含量。在水稻生長(zhǎng)的幼苗期和分蘗期暴露甲基汞，根系甲基汞含量無(wú)顯著差異，但和空白組相比，根系甲基汞提高1.98倍（幼苗期組）和2.01倍（分蘗期組）。拔節(jié)期組和抽穗期組根系甲基汞的含量顯著高于幼苗期組和分蘗期組，約為空白組的31.41倍（拔節(jié)期組）和79.04倍（抽穗期組）。5個(gè)處理組根系甲基汞含量依次為抽穗期組＞拔節(jié)期組＞分蘗期組＞幼苗期組＞空白組。

圖1 不同處理組根系甲基汞含量Fig.1 M eHg contents in roots of rice p lants under different treatments

2.2 水稻秸稈總汞和甲基汞

不同處理組水稻秸稈甲基汞、總汞及秸稈中甲基汞占總汞的比例如圖2所示。由圖2可知，不同處理組中秸稈甲基汞的分布規(guī)律和根系甲基汞相同，拔節(jié)期組和抽穗期組秸稈甲基汞含量均顯著高于空白組、幼苗期組和分蘗期組。拔節(jié)期組秸稈甲基汞含量是其他3個(gè)處理組的27.58倍（空白組）、17.06倍（幼苗期組）和24.61倍（分蘗期組）。抽穗期組秸稈甲基汞含量為空白組的40.47倍，幼苗期組的25.03倍，分蘗期組的36.11倍。

圖2 不同處理組秸稈甲基汞含量（A），秸稈總汞（B）和秸稈甲基汞/總汞（C）Fig.2 Contents of M eHg(A)and total Hg(B)and percentages of M eHg to total Hg(C)in straws of rice plants under different treatm ents

由圖2可知，秸稈總汞含量變化規(guī)律與秸稈甲基汞一致。拔節(jié)期組和抽穗期組中秸稈總汞含量顯著高于空白組、幼苗期組和分蘗期組。拔節(jié)期組秸稈總汞相對(duì)于其他3組增加量分別為558.36%（空白組）、110.51%（幼苗期組）和195.85%（分蘗期組）。抽穗期組秸稈總汞增加量約為空白組、幼苗期組和分蘗期組秸稈總汞的634.13%、131.23%和224.97%。抽穗期組秸稈總汞與拔節(jié)期組無(wú)顯著差異。

由圖2可知，秸稈中甲基汞占總汞的比例與甲基汞的暴露時(shí)期密切相關(guān)。具體表現(xiàn)為：幼苗期組和分蘗期組中甲基汞占總汞的比例沒有顯著差異，且兩組秸稈中的汞大部分（＞70%）以無(wú)機(jī)汞的形式存在。拔節(jié)期組和抽穗期組的秸稈甲基汞占總汞比例顯著高于其他3個(gè)處理組，而兩組秸稈中有超過(guò)60%的汞是以甲基汞的形式存在。

2.3 水稻稻米總汞和甲基汞

不同處理組的稻米甲基汞、總汞以及稻米甲基汞占總汞比例如圖3所示。從圖3可以看出，不同處理組稻米甲基汞含量變化規(guī)律與秸稈、根系甲基汞類似，均表現(xiàn)為水稻生育后期甲基汞暴露組顯著高于生育前期甲基汞暴露組。幼苗期組和分蘗期組中稻米甲基汞含量沒有顯著差異。抽穗期組稻米甲基汞含量約是其他4個(gè)組的119.66倍（空白組）、14.52倍（幼苗期組）、20.53倍（分蘗期組）和2.06 倍（拔節(jié)期組）。

圖3 不同處理組稻米甲基汞含量（A），稻米總汞（B）和稻米甲基汞/總汞（C）Fig. 3 Contents of M eHg (A) and total Hg (B) and percentages of M eHg to total Hg (C) in grains of rice p lants under different treatments

不同處理組中稻米總汞含量變化規(guī)律與稻米甲基汞一致，具體表現(xiàn)為：空白組稻米總汞含量為8.23 ± 0.59 μg·kg?1，低于其余4個(gè)處理組。幼苗期組和分蘗期組稻米總汞含量都顯著低于拔節(jié)期組和抽穗期組。抽穗期組稻米總汞含量為其他4個(gè)處理組 的1775.46%（空 白 組）、1021.73%（幼 苗 期組）、1644.07%（分蘗期組）和105.01%（拔節(jié)期組）。

稻米中甲基汞占總汞的比例同樣與甲基汞的暴露時(shí)期相關(guān)，具體表現(xiàn)為：幼苗期組稻米甲基汞占總汞的比例最低，其次是分蘗期組。抽穗期組和拔節(jié)期組間沒有顯著差異。幼苗期組和分蘗期組稻米中有超過(guò)60%的汞是以甲基汞的形式存在，而在拔節(jié)期組和抽穗期組稻米總汞絕大部分（＞80%）是甲基汞，無(wú)機(jī)汞所占的比例不到總汞的20%。

3 討論

甲基汞具有神經(jīng)毒性，可沿著食物鏈富集，常見食品中有著較高濃度的富集[水產(chǎn)品（3530 μg·kg?1）、稻米（67.0 μg·kg?1）][9,19]。本研究結(jié)果顯示水稻各組織中甲基汞含量與甲基汞暴露的時(shí)期密切相關(guān)，即水稻生育后期暴露更有利于甲基汞的蓄積。水稻不同組織中總汞的變化規(guī)律與甲基汞一致。本次試驗(yàn)中，水稻體內(nèi)甲基汞和總汞的蓄積量主要來(lái)源于暴露一周期間根系對(duì)甲基汞的吸收。在生長(zhǎng)期內(nèi)，水稻生物量隨生育期推進(jìn)而不斷增加，外加生物稀釋作用，使得水稻生育后期根系對(duì)甲基汞的吸收量較生育前期高，由此，水稻生育后期暴露組的甲基汞和總汞蓄積量顯著高于生育前期暴露組。在實(shí)際的土壤-水稻體系中，甲基汞暴露存在于水稻整個(gè)生育期。此外，除了土壤外，大氣汞也可以影響水稻體內(nèi)汞的分配。研究表明植物能蓄積大氣中的汞并主要貯存于地上組織[20]。因此有必要在實(shí)際稻田體系中驗(yàn)證上述結(jié)論，并進(jìn)一步探討大氣汞對(duì)不同生育期水稻汞蓄積的貢獻(xiàn)。

早期的研究表明，甲基汞在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力高于無(wú)機(jī)汞，稻米中有超過(guò)60%的汞是以甲基汞的形式存在[7?8]，本研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論，即對(duì)水稻不同生育期進(jìn)行甲基汞暴露，稻米中甲基汞占總汞的比例均超過(guò)60%。有研究顯示，在水稻生育前期，水稻根系和莖葉組織均會(huì)發(fā)生甲基汞的去甲基化現(xiàn)象，且去甲基化作用屬于水稻自身對(duì)于甲基汞毒性的防御機(jī)制，而與根表鐵膜形成量等外界條件無(wú)關(guān)[17?18,21]。本研究發(fā)現(xiàn)水稻生育后期甲基汞暴露組，其秸稈和稻米中甲基汞占總汞的比例顯著高于生育前期暴露組，表明水稻生育前期的甲基汞更容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，這導(dǎo)致甲基汞占總汞的比例更低。除了水稻體內(nèi)可以發(fā)生甲基汞的轉(zhuǎn)化外，光照也是引起水體內(nèi)甲基汞降解的重要原因[22]。由于該試驗(yàn)中水稻生育中后期甲基汞暴露后剩余培養(yǎng)液中甲基汞的含量低于檢測(cè)線，因此在生育中后期水稻體內(nèi)發(fā)生的甲基汞的轉(zhuǎn)化是否仍屬于水稻甲基汞的轉(zhuǎn)化抑或是由水稻體內(nèi)、體外光降解或者其他因素共同作用引起的，仍有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）水稻生育后期進(jìn)行甲基汞暴露，其體內(nèi)甲基汞和總汞的蓄積量顯著高于生育前期甲基汞暴露。不同生育期甲基汞暴露水稻體內(nèi)甲基汞和總汞的含量表現(xiàn)為抽穗期組顯著高于拔節(jié)期組、幼苗期組和分蘗期組。拔節(jié)期組水稻體內(nèi)甲基汞和總汞含量顯著高于幼苗期組和分蘗期組。

（2）甲基汞的轉(zhuǎn)化與水稻生育期密切相關(guān)。水稻不同生育期甲基汞暴露，稻米中均有超過(guò)60%的汞是以甲基汞的形式存在。抽穗期組和拔節(jié)期組稻米甲基汞的比例顯著高于幼苗期組和分蘗期組。

（3）水稻不同生育期進(jìn)行甲基汞暴露，水稻各組織甲基汞的含量表現(xiàn)為：根部＞稻米＞秸稈。