祁紫菀中5種重金屬元素富集特性及凈化方法研究

馬曉莉，梁翠云,王虎，張逸

(1.河北大學(xué)護(hù)理學(xué)院，河北 保定071000; 2.河北大學(xué)中醫(yī)學(xué)院,河北 保定071000)

紫菀為菊科植物紫菀(AstertataricusL.f.)的干燥根和根莖，為常用大宗中藥材。紫菀具有潤(rùn)肺下氣、消痰止咳之功效[1]，鎮(zhèn)咳、祛痰、抗菌、抗病毒、利尿等藥理作用[2]，在抗擊新冠肺炎疫情中被廣泛應(yīng)用。紫菀為栽培品入藥，河北省安國(guó)市為其道地產(chǎn)區(qū)。由于安國(guó)所產(chǎn)紫菀根粗長(zhǎng)，有效成分含量高、療效好，成為“八大祁藥”之一，得名“祁紫菀”。

藥用植物對(duì)重金屬的吸收及積累對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅[3]，重金屬具有較低的腎臟排泄率，低濃度也可能對(duì)人體產(chǎn)生不利影響[4]。重金屬超標(biāo)問題在國(guó)際中藥材市場(chǎng)備受關(guān)注，也是制約我國(guó)中藥出口的主要因素。為了與國(guó)際接軌，盡快提升中藥品質(zhì)，《中國(guó)藥典》(2005年版)增加了中藥材重金屬檢測(cè)，涉及8個(gè)中藥品種，《中國(guó)藥典》(2010年版)規(guī)定了6種中藥的重金屬限量，《中國(guó)藥典》(2020 年版)檢測(cè)品種增至28種。檢測(cè)元素包括汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、銅(Cu)。近年來，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了中藥重金屬富集規(guī)律及凈化措施、污染現(xiàn)狀及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[5-8]相關(guān)研究，但紫菀的相關(guān)報(bào)道較少。本文對(duì)安國(guó)道地藥材祁紫菀中Cd、Cu、Pb、As、Hg 等5種重金屬元素的含量、不同入藥部位中重金屬分布規(guī)律、重金屬富集規(guī)律及凈化措施進(jìn)行了研究，為祁紫菀的安全生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

Agilent7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)安捷倫公司)；TAS-990AFG石墨爐原子吸收光譜儀(北京普析通用公司)；PreeKem TOPEX微波消解儀(中國(guó)上海人和科學(xué)儀器公司)；電子天平(梅特勒-托利多公司)；QE-50粉碎機(jī)(浙江屹立工貿(mào)公司)。

1.1.2 試劑

Hg、As、Pb、Cd、Cu標(biāo)準(zhǔn)液(1 000 mg·L-1，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究院)；內(nèi)標(biāo)元素鍺(72Ge)、銠(103Rh)、錸(185Re)、金(Au)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液(1 000 mg·L-1，安捷倫科技有限公司)；硝酸為優(yōu)級(jí)純，其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為一級(jí)水。紫菀樣品經(jīng)河北大學(xué)梁憲茂老師鑒定，為菊科植物紫菀(AstertataricusL．f．)的干燥根和根莖。

2 方法

2.1 儀器參數(shù)

參照文獻(xiàn)《中國(guó)藥典》(2020年版)、國(guó)標(biāo)GB5009.268—2016[9]方法，用ICP-MS測(cè)定祁紫菀藥材樣品中As、Hg的含量，用GFAAS測(cè)定Pb、Cd、Cu的含量。

ICP-MS參數(shù)：射頻功率為1.550 KW，采樣深度8.0 mm，霧化器流速0.95 L·min-1，輔助氣流速0.15 L·min-1，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速0.10 r·min-1，碰撞池氦氣流速4 L·min-1。

GFAAS參數(shù)：測(cè)定參數(shù)及石墨爐升溫程序見表1。

表1 GFAAS測(cè)定參數(shù)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

Hg、As標(biāo)準(zhǔn)溶液：取適量Hg標(biāo)準(zhǔn)溶液，用Hg標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定劑稀釋，配制成濃度為 0、0.100、0.500、1.00、1.50、2.00 μg·L-1的Hg標(biāo)準(zhǔn)溶液。另取適量As標(biāo)準(zhǔn)溶液，用5% HNO3溶液配制成濃度為0、1.00、5.00、10.0、30.0、50.0 μg·L-1的As標(biāo)準(zhǔn)溶液，備用。

取適量鍺、銠、錸標(biāo)準(zhǔn)溶液，用5% HNO3溶液配成濃度為10 μg·L-1混合內(nèi)標(biāo)溶液，備用。

Cd、Cu、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液：取適量Cd、Cu、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液，用2% HNO3溶液分別稀釋成Cd濃度為0、0.800、2.000、4.000、6.000、8.000 ng·mL-1，Cu濃度為0、50.0、100.0、150.0、200.0 ng·mL-1，Pb濃度為0、5.0、20.0、40.0、60.0、80.0 ng·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，備用。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

取“2.2”項(xiàng)下配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照“2.1”項(xiàng)條件測(cè)定，分別以濃度為橫坐標(biāo)，以待測(cè)元素與內(nèi)標(biāo)元素響應(yīng)信號(hào)值比值或吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制As、Hg、Pb、Cd和Cu的標(biāo)準(zhǔn)曲線，見表2。

表2 Hg、As、Pb、Cd、Cu元素的線性方程、線性范圍相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.4 樣品采集

2021年7-11月每月采集安國(guó)基地種植的紫菀，取根及根莖晾干后備用；2021年11月采集安國(guó)7個(gè)種植區(qū)域種植的紫菀樣品，晾干后備用；采集10月份紫菀全株，將根、根莖和葉分別干燥后備用。測(cè)定時(shí)取樣品60 ℃烘干2 h，粉碎過80目篩。

2.5 供試品溶液的制備

2.5.1 As、Hg供試品溶液的制備

精密稱取0.3 g紫菀粉末，加硝酸浸泡過夜。置微波消解儀中消解，冷卻后排氣，置于趕酸器中100 ℃加熱30 min，加水定容至50 mL，同法做空白對(duì)照溶液。

2.5.2 Pb、Cd、Cu供試品溶液的制備

精密稱取0.4 g紫菀粉末，置三角瓶中，用10.0 mL混酸(高氯酸：硝酸=1：4)浸泡過夜。取下玻璃塞，使用控溫電熱板140 ℃進(jìn)行消解，產(chǎn)生深棕色煙霧，待棕色煙霧散盡，產(chǎn)生白色煙霧，待煙霧不再產(chǎn)生，且溶液澄清透明，即為消解完全(此時(shí)錐形瓶的液體不能蒸干見底)，冷卻后定容至50 mL，混勻備用。同時(shí)做空白對(duì)照溶液，用于Cd、Cu、Pb的測(cè)定。

2.6 樣品溶液的測(cè)定

取按“2.5”項(xiàng)下制得的各供試品溶液，按“2.1”項(xiàng)下條件分別測(cè)定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到樣品液5種重金屬元素的濃度。

2.7 方法學(xué)考察

2.7.1 精密度與重復(fù)性試驗(yàn)

取同一份樣品溶液，按“2.6”項(xiàng)連續(xù)測(cè)定6次，考察精密度，計(jì)算得出Cd、Pb、Cu、Hg、As的RSD值分別為1.88%、2.61%、2.47%、0.86%、1.95%。同一份紫菀樣品，稱取6份，按“2.5”項(xiàng)制備供試液，測(cè)定元素含量，Cd、Pb、Cu、Hg、As的RSD值分別為4.27%、3.59%、4.37%、0.66%、0.78%，表明儀器精密度、重現(xiàn)性良好。

2.7.2 加樣回收率試驗(yàn)

取同一份紫菀供試品粉末，精密稱取5份，分別加入一定量的各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定元素含量，計(jì)算Cd、Cu、Pb、As、Hg的加樣回收率分別91.58%～102.35%、93.98%～106.19%、92.04%～104.00%、94.14%～104.66%、100.02%～103.91%。

2.8 評(píng)價(jià)方法

單因子污染指數(shù)Pi=Ci/Si，其中Ci、Si為污染物的測(cè)量值和理論限量值。

其中，Pmax：?jiǎn)我蜃游廴局笖?shù)最大值，Pave：?jiǎn)我蜃游廴局笖?shù)平均值。

3 結(jié)果

3.1 不同批次祁紫菀樣品中重金屬含量分析

7批紫菀樣品中Hg、As、Pb、Cd、Cu含量測(cè)定結(jié)果見表3。《中國(guó)藥典》(2020年版)并未對(duì)紫菀藥材做重金屬元素限量要求，按藥典要求的重金屬限量值，除了1份樣品中的Pb超標(biāo)外，其它紫菀樣品均合格。Cu元素的含量接近藥典標(biāo)準(zhǔn)的限度，但是并未超出限量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 7批祁紫菀樣品中Hg、As、Pb、Cd、Cu含量測(cè)定結(jié)果 mg·kg-1

3.2 不同生長(zhǎng)期祁紫菀中重金屬元素吸收累積規(guī)律

于2021年7—11月每月采集安國(guó)基地種植的紫菀，取根及根莖晾干，按“2.6”項(xiàng)方法測(cè)定重金屬含量，結(jié)果見圖1。分析結(jié)果表明，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各重金屬元素的含量也隨之變化：Cu元素的含量隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，11月份達(dá)到最高值，為16.922 mg·kg-1；隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Cd、Pb、As和Hg元素的含量均呈現(xiàn)先升高，8月份達(dá)最高值，然后逐漸降低的變化趨勢(shì)；Hg、As、Pb、Cd 四種元素含量最高值分別為0.088、1.039、2.988、0.240 mg·kg-1；祁紫菀對(duì)金屬元素Cu的吸收能力最強(qiáng)，對(duì)金屬元素Hg和Cd的吸收能力最弱。

A Cu、Pb元素；B Cd、As、Hg元素圖1 不同采收期祁紫菀中Cu、Pb、Cd、As、Hg含量比較

3.3 祁紫菀不同部位重金屬元素富集特征

采集10月份紫菀全株，將根、根莖、葉分別干燥粉碎，測(cè)得重金屬元素含量，結(jié)果見圖2。結(jié)果表明，祁紫菀不同部位中5種重金屬元素含量均未超出藥典限度；紫菀葉、須根、根莖對(duì)各重金屬元素的吸收富集能力各不相同：Cu、Hg元素含量由高到低順序依次為葉、根莖、須根；Pb元素含量由高到低順序依次為須根、根莖、葉；As元素含量由高到低順序依次為根莖、須根、葉，Cd元素含量在須根、葉中較高，根莖中最低；紫菀葉中Cu、Cd、Hg含量均較高，須根中Cd、Pb含量較高，根莖中As含量較高，其中只有須根中的Pb元素含量超出了藥典限量標(biāo)準(zhǔn)，其它均在合格范圍內(nèi)。由此可見，祁紫菀不同部位對(duì)重金屬的富集能力不同，采收加工中應(yīng)除凈非藥用部位——葉，減少重金屬污染。

A Cu、Pb元素；B Cd、As、Hg元素圖2 不同部位祁紫菀中Cu、Pb、Cd、As、Hg含量比較

3.4 初加工方法對(duì)祁紫菀樣品中重金屬含量的影響

市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致中藥重金屬及農(nóng)殘超標(biāo)的一個(gè)主要原因是由于藥材附著的土壤及非藥用部位未完全去除導(dǎo)致。為此，實(shí)驗(yàn)考察了水洗對(duì)紫菀藥材重金屬含量的影響。取3份未水洗的紫菀樣品，每株樣品從中間縱向刨開平均分成兩份，將3份樣品平行分成6份，編號(hào)分別為1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2。將1-2、2-2、3-2三份樣品水洗，60 ℃烘干，1-1、2-1、3-1不作處理作為對(duì)照。分別測(cè)定重金屬含量，結(jié)果表明，水洗均能降低祁紫菀中Hg、As、Pb、Cd、Cu 五種重金屬元素含量，降低程度由大到小依次為Pb、Hg、Cd、As、Cu，其中Pb降低的最多，Cu降低的最少，結(jié)果見表4。對(duì)類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由江濱等[10]報(bào)道。因此應(yīng)合理制定祁紫菀產(chǎn)地初加工方法，降低重金屬污染。

表4 水洗對(duì)祁紫菀中重金屬含量的影響 mg·kg-1

3.5 祁紫菀重金屬污染評(píng)價(jià)

祁紫菀不同部位的重金屬單因子污染指數(shù)(Pi)分析結(jié)果見表5，結(jié)果表明，除了紫菀須根中Pb的Pi值大于1之外，祁紫菀各部位其它重金屬元素Pi值均小于1。7批次祁紫菀樣品的重金屬Pi分析結(jié)果見表6，結(jié)果表明：除了1份樣品中的Pb大于1外，7批次紫菀樣品中Cd、Pb、Cu、As、Hg的Pi值均小于1；各元素的Pi值依次為Cu>Pb>As>Hg>Cd；各元素的PN值依次為Pb、Cu>As>Cd、Hg，其中Pb、Cu的PN值大于0.7，但小于1，為警戒級(jí)，其余均小于0.7，為安全等級(jí)。

表5 紫菀不同部位中Cd、Pb、Cu、As、Hg單因子污染指數(shù)Pi值

表6 7批次祁紫菀樣品中Cd、Pb、Cu、As、Hg單因子污染指數(shù)Pi值

4 討論

重金屬含量超標(biāo)問題一直是中國(guó)中藥出口貿(mào)易的“綠色壁壘”，中國(guó)相繼出臺(tái)了《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要》等文件，明確中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，要推進(jìn)中藥規(guī)范化種植，提升中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。藥用植物對(duì)重金屬的吸收及積累對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅，必須嚴(yán)格控制中藥中重金屬限量。

紫菀為常用大宗藥材，為栽培品入藥，相關(guān)栽培技術(shù)較成熟，但重金屬富集相關(guān)研究報(bào)道較少。席榮英等[11-12]用原子吸收分光光度法測(cè)定了紫菀中礦質(zhì)元素含量，結(jié)果顯示：紫菀含有豐富的微量元素，Cu、Zn、Fe、Mg、Ca、Mo、Mn、Se的含量分別為42.89、58.14、920.93、2548.25、3925.43、0.65、52.18 mg·Kg-1、< 0.0005 mg·Kg-1，紫菀中Cu、Zn和Mn含量較高，Cu含量超出了現(xiàn)行藥典限量標(biāo)準(zhǔn)。劉洋等[6]用ICP-MS測(cè)定了10種藥材中As、Cd、Cu、Hg、Pb等8種元素含量，結(jié)果表明8種元素含量多數(shù)在限定范圍內(nèi)，紫菀的含量高于其他藥材。

本研究的7批紫菀樣品中Hg、As、Pb、Cd、Cu 5種重金屬的含量，除了1份樣品中的Pb超標(biāo)外，其它項(xiàng)目均合格，Cu元素的含量較高。對(duì)不同生長(zhǎng)期祁紫菀中重金屬元素吸收累積規(guī)律分析表明，Cu元素的含量隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，采收期11月份達(dá)到最高值；Cd、Pb、As和Hg元素含量呈現(xiàn)先升高，然后逐漸降低的變化趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明祁紫菀對(duì)金屬元素Cu的吸收富集能力較強(qiáng)，此結(jié)果與席榮英等報(bào)道的紫菀中Cu含量較高的結(jié)果一致。

污染程度評(píng)價(jià)分析結(jié)果表明，除了1份樣品中的Pb的單因子污染指數(shù)Pi大于1外，7批次紫菀樣品中Cd、Pb、Cu、As、Hg的單因子污染指數(shù)均小于1，Pb、Cu對(duì)紫菀的綜合污染指數(shù)大于0.7但小于1，為警戒級(jí)，Cd、As、Hg均小于0.7。

研究表明[13-16]，藥材的不同入藥部位重金屬含量存在顯著差異，主要原因與其對(duì)重金屬元素的吸收富集及遷移能力不同有關(guān)。本文對(duì)祁紫菀的研究結(jié)果也得出了類似的結(jié)論。對(duì)祁紫菀不同部位重金屬元素富集特征分析，紫菀葉、須根、根莖對(duì)5種重金屬元素的吸收富集能力各不相同，紫菀葉中Cu、Cd、Hg含量均較高，提示采收加工中應(yīng)除凈非藥用部位——葉，減少重金屬污染。

市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，藥材附著的土壤及非藥用部位殘留是導(dǎo)致中藥重金屬超標(biāo)的主要原因。江濱等[10]研究了云南三七中重金屬含量與三七的產(chǎn)地、生產(chǎn)年限及規(guī)格等級(jí)間無相關(guān)性，結(jié)果證實(shí)，重金屬主要來源于三七表面的浮土。本研究證實(shí)，水洗能顯著降低祁紫菀中Hg、As、Pb、Cd、Cu 五種重金屬元素含量，其中Pb降低的最多，Cu降低的最少。建議應(yīng)合理制定祁紫菀產(chǎn)地初加工方法，降低重金屬污染。

中藥重金屬污染與產(chǎn)地地理因素、土壤、水、大氣等自然因素關(guān)系密切。同時(shí)亦有研究提出，低濃度的重金屬脅迫可以提高藥用植物產(chǎn)量和次生代謝產(chǎn)物的積累[17]。中藥作為一種防病治病的特殊藥品，日益受到世界各國(guó)人民的關(guān)注，加強(qiáng)藥材重金屬含量相關(guān)研究，可以做到從源頭上控制重金屬限量，并為種植土壤環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)應(yīng)關(guān)注次生代謝產(chǎn)物的積累、有益微量元素等相關(guān)研究，全方位多因素評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量和功效。