頭花蓼對(duì)土壤中銻的累積特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

胡 霞 王 麗 田 怡 劉 吉 楊愛江*

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，貴陽 550025；3.貴州大學(xué) 環(huán)境工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，貴陽 550025；4.貴州貴安新區(qū)綠興環(huán)保有限責(zé)任公司，貴陽 550025；5.貴州貴達(dá)元亨環(huán)?？萍加邢薰?，貴陽 550025)

近年來，我國中藥材存在大量的重金屬超標(biāo)問題[1]，這對(duì)中藥材的藥用價(jià)值和國際地位造成了很大的影響，從而限制了中藥的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在人體內(nèi)會(huì)與蛋白質(zhì)、核酸等有機(jī)物質(zhì)結(jié)合，從而導(dǎo)致多器官損傷、致突變、致癌等[2-3]。由于中草藥重金屬超標(biāo)是人類攝入重金屬最主要的來源，對(duì)人類健康構(gòu)成了巨大的威脅，因此研究重金屬污染土壤中的中藥材對(duì)重金屬的吸收累積特征及含量控制尤為重要。頭花蓼(PolygonumcapitatumBuch.-Ham.exD.Don)為蓼科廖屬植物，是貴州常見的苗藥，具有較高的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，不僅可以入藥，還可供動(dòng)物食用，具有清熱解毒、利尿通淋、活血止痛等功效[4]，民間常用其干燥全草或地上部入藥。

我國擁有全球最大的銻(Sb)礦資源，其儲(chǔ)量、產(chǎn)量在全球都是第一[5]，但多年的銻礦開采和冶煉導(dǎo)致礦區(qū)污染嚴(yán)重，環(huán)境介質(zhì)中的Sb濃度升高，土壤Sb污染問題日益嚴(yán)重[6]。在湖南、貴州、云南和廣西等銻礦相對(duì)集中地區(qū)[7]，土壤中Sb含量最高可達(dá)5 045 mg/kg[8]。并且Sb可通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物和人體難以排出[9]，過量Sb會(huì)引發(fā)多種疾病[10]。在某些條件下，植物能大量吸收與富集Sb[11-12]，有研究在銻礦山周邊發(fā)現(xiàn)，10種蔬菜中Sb的濃度為6.65～29.31 mg/kg[13]；錫礦場(chǎng)周圍的水稻(OryzasativaL.)也被發(fā)現(xiàn)有大量 Sb的富集，其中水稻根部、莖葉、種子的 Sb含量分別為225.34、18.78和5.79 mg/kg[14]；在對(duì)獨(dú)山銻礦區(qū)進(jìn)行野外調(diào)研時(shí)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)廣泛分布著頭花蓼，其對(duì)Sb污染的土壤表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性[15]。

本研究以頭花蓼為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過盆栽實(shí)驗(yàn)，對(duì)生長在受到不同濃度銻污染土壤中的頭花蓼進(jìn)行研究，分析了頭花蓼各個(gè)器官對(duì)重金屬Sb吸收的累積規(guī)律，并評(píng)價(jià)了受到重金屬Sb污染的頭花蓼對(duì)人體的危害，為有效控制頭花蓼重金屬污染問題、保障頭花蓼藥用安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料為頭花蓼；土壤取自貴州大學(xué)西校區(qū)，土壤的基本理化指標(biāo)為：pH=6.02，有機(jī)質(zhì)37.90 g/kg，全N 2.02 g/kg，速效N 354.03 mg/kg，速效P 4.03 mg/kg，速效K 224.51 mg/kg，土壤Sb背景值2.18 mg/kg。以K(SbO)C4H4O6·1/2H2O為實(shí)驗(yàn)藥劑(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)所采集的頭花蓼種子進(jìn)行播種、育苗。待三葉一心(30 d)后，篩選出長勢(shì)好、生長穩(wěn)定的頭花蓼幼苗后開始進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)土壤在使用前需要在自然條件下風(fēng)干后人為搗碎后剔除其中雜物，然后取少部分通過2 mm篩過濾后，對(duì)其進(jìn)行基本理化指標(biāo)分析；剩余土壤過5 mm篩后稱重，取1.5 kg裝入15 mm×15 mm的塑料桶中，將外源重金屬Sb以固體的形式加入，并按0(CK)、100(T1)、200(T2)、500(T3)、1 500(T5)、1 500(T5)、2 000(T6) mg/kg的濃度梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組重復(fù)3次，將外源重金屬 Sb完全與土壤接觸1個(gè)月，在此過程中，每日澆水，攪拌，確保添加的外源 Sb與土壤完全混合。當(dāng)土壤中的重金屬Sb達(dá)到平衡狀態(tài)后，將篩選出的頭花蓼的幼苗移植到土壤中，每盆種植10株。在植物生長的過程中，要視土壤的水分情況而不定時(shí)的進(jìn)行灌溉，以保證土壤的濕潤，在整個(gè)生長周期中不使用化肥。100 d后采收，測(cè)定其根、莖、葉各器官的干重和重金屬含量。

1.3 樣品制備及測(cè)試方法

將頭花蓼采收后，用去離子水沖洗，除去表層土壤及殘留物，將根放入20 mmol/L的EDTA-Na2溶液中15 min，除去表面的重金屬，然后用去離子水于超聲波清洗機(jī)(KQ5200DB，昆山市超聲儀器有限公司)中振蕩3次，取出后將其分成根、莖、葉三部分，在105 ℃下殺青30 min后于60 ℃烘箱中干燥至恒重，然后用研磨碾細(xì)后過2 mm篩備用。

參考土壤農(nóng)化常規(guī)分析法[16]對(duì)實(shí)驗(yàn)土壤進(jìn)行理化性質(zhì)分析測(cè)試，具體過程如下：首先用分析天平稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品，放入聚四氟乙烯微波消解管中，然后加入6.0 mL硝酸待浸泡12 h以后，再加入2.0 mL氫氟酸在微波消解儀中消解，待樣品消解完畢后取出，在電熱板上趕酸后轉(zhuǎn)移至容量瓶定容。采用ICP-MS法對(duì)土壤中的重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)[17]。

植物樣品重金屬Sb的總含量測(cè)試：將0.1 g(精確到0.000 1 g)的植物試樣添加到微波消解管中，并加入4.0 mL硝酸和2.0 mL過氧化氫(分析純，天津市致遠(yuǎn)化工材料有限公司)，放入微波消解儀中消解。待消解完成后，將消解液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶，定容。利用ICP-MS法檢測(cè)頭花蓼中的重金屬 Sb。

實(shí)驗(yàn)過程中均設(shè)置3個(gè)平行樣和空白對(duì)照樣用于質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

耐性指數(shù)(Tolerance index，Ti)=處理后的生長參數(shù)/CK的生長參數(shù)，平均耐性系數(shù)為各參數(shù)的Ti均值[18](本研究以生物量作為衡量)。

生物富集系數(shù)(BCF，Bio-concentration factors)=地上部分或根系重金屬濃度/土壤重金屬濃度[19]。

轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF，Translocation factors)地上部分重金屬濃度/根系重金屬濃度[20]。

重金屬遷移總量=植物重金屬含量×生物量[21]。

本研究中所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均利用 Excel 2003進(jìn)行處理，并通過 Origin8.5進(jìn)行圖形繪制、采用 DPS9.0對(duì)數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行分析。文中圖形均采用算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式，n=3；同一植株組織在不同處理之間的差異用不同字母表示(P<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Sb處理對(duì)頭花蓼生物量的影響

頭花蓼的整個(gè)生長周期內(nèi)沒有出現(xiàn)植株死亡現(xiàn)象，除 CK、T1、T2實(shí)驗(yàn)組在前20 d內(nèi)生長較好，其他實(shí)驗(yàn)組都有不同程度的影響，主要表現(xiàn)為頭花蓼的生長緩慢且植株普遍矮小，并且這些實(shí)驗(yàn)組的頭花蓼到40 d后葉片都出現(xiàn)了褶皺，失綠的現(xiàn)象，60 d以后，土壤中添加了外源Sb的實(shí)驗(yàn)組，生長的頭花蓼葉片都變得扭曲、變形和皺縮。80 d以后，T5和T6實(shí)驗(yàn)組的頭花蓼停止生長，葉片也出現(xiàn)了萎縮，并且逐漸脫落的現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明，當(dāng)土壤中的Sb濃度超過一定限值后會(huì)對(duì)培養(yǎng)的頭花蓼產(chǎn)生毒害作用。

生物量的改變程度可用來表示植物耐受性的大小[22]。從圖1和圖2可以看出，隨著土壤中重金屬Sb濃度的增加，頭花蓼各個(gè)部分的生物量和耐性系數(shù)都在不斷降低。頭花蓼各部分的生物量干重在不同處理組中表現(xiàn)出的均是葉最大，其次是莖和根，并且與對(duì)照組相比，頭花蓼的平均耐性指數(shù)隨著土壤中添加的外源Sb濃度的增加而降低。在T4、T5和T6三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中生長的頭花蓼，根部的生物量都有所降低，分別比對(duì)照組減少了21.96%、41.82%和71.07%，莖的生物量比對(duì)照組減少了26.30%、36.23%和42.86%，葉的生物量比對(duì)照組減少了19.05%、27.21%和42.06%，顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。這表示土壤重金屬 Sb污染會(huì)對(duì)頭花蓼生物量積累產(chǎn)生一定的抑制作用，并且隨著土壤重金屬 Sb污染濃度的增加，抑制效果也會(huì)隨之加強(qiáng)。

圖1 頭花蓼在不同Sb處理下的生物量Figure 1 Biomass of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

圖2 不同Sb處理下頭花蓼生物量耐性指數(shù)Figure 2 Biomass tolerance index of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

有研究發(fā)現(xiàn)，在不同濃度的重金屬Sb 脅迫下，會(huì)抑制玉米生物量的增長，并且隨著Sb濃度的增加，玉米的生物量隨之下降[23]，與上述研究結(jié)果相同，本實(shí)驗(yàn)中Sb污染在一定程度上抑制了頭花蓼的生物量的增長。另外，也有研究表明，一定范圍濃度的Sb對(duì)植物的生長有促進(jìn)作用，例如當(dāng)土壤中Sb濃度小于500 mg/kg時(shí)能夠促進(jìn)向日葵的生長，但高于1 000 mg/kg則會(huì)抑制其生長，降低葉綠素含量，導(dǎo)致光合能力降低[24]。本實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)與上述研究結(jié)果相同的現(xiàn)象，這可能是由于本實(shí)驗(yàn)土壤中Sb主要以可溶態(tài)為主，超過了頭花蓼良好生長的限度，或者與頭花蓼本身的特點(diǎn)有關(guān)。

2.2 Sb在頭花蓼體內(nèi)的分布規(guī)律

從圖3可以看出，頭花蓼各個(gè)部位所含Sb的量均隨著Sb添加量的增加而增加。雖然各個(gè)處理組之間的頭花蓼根部Sb含量有顯著性差異(P<0.05)，但是均明顯高于空白對(duì)照組；除了T1實(shí)驗(yàn)組之外，其余實(shí)驗(yàn)組頭花蓼的葉、莖中所檢出的Sb含量均明顯高于對(duì)照組，各個(gè)實(shí)驗(yàn)組之間存在顯著性差異(P<0.05)；T6實(shí)驗(yàn)組中的頭花蓼根、莖、葉Sb含量均達(dá)到了最高值，分別為2 343.73、218.02和341.24 mg/kg，相比在對(duì)照組中生長的頭花蓼根、莖、葉Sb含量，增高了2 023.32倍、850.24倍和1 141.35倍。生長在銻礦區(qū)的頭花蓼，在自然條件下從土壤中吸收的Sb主要存在于根部[15]，這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相同，可能是因?yàn)镾b從頭花蓼根部轉(zhuǎn)移到地上部分的速率比較慢，也與 Sb在頭花蓼體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑及效率有一定關(guān)系[25]。

圖3 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位Sb含量Figure 3 Effects of Sb treatment on the Sb concentrations in roots，stems and leavesof Polygonum capitatum.

2.3 富集與轉(zhuǎn)移系數(shù)

富集系數(shù)(Bioconcentration Factors，BCF)是表達(dá)植物對(duì)重金屬累積能力的一個(gè)重要指標(biāo)，富集系數(shù)越高說明植物對(duì)重金屬的吸收能力越強(qiáng)[26]。 如圖4(a)所示，頭花蓼根部和地上部的富集系數(shù)隨著土壤中添加的Sb濃度增加表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，并且可以看出所有實(shí)驗(yàn)組的頭花蓼根部Sb的富集系數(shù)都遠(yuǎn)高于地上部的富集系數(shù)，其中T2處理組生長的頭花蓼根部和地上部的富集系數(shù)都達(dá)到了最大值，與其他處理組相比具有顯著性差異(P<0.05)，之后頭花蓼的富集系數(shù)逐漸減小，說明了頭花蓼對(duì)Sb的抗性能力是有限的。這可能是由于頭花蓼生長在高濃度的Sb污染土壤中時(shí)，能夠通過減少對(duì)Sb的富集能力來防止其細(xì)胞受損[27]。根據(jù)以往的研究結(jié)果表明，礦區(qū)生長的頭花蓼根部富集系數(shù)為0.128，而盆栽實(shí)驗(yàn)中頭花蓼根部的Sb富集系數(shù)遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)值[15]，這可能與土壤中Sb的可利用態(tài)相關(guān)。一般來說，銻礦區(qū)周圍土壤中可利用態(tài)的Sb含量是極少的[28]，所以頭花蓼生長在礦區(qū)時(shí)對(duì)Sb的富集能力并不高，但是在本盆栽實(shí)驗(yàn)中添加的外源Sb在水中易溶，因此實(shí)驗(yàn)用土壤中可利用態(tài)Sb較多，容易被頭花蓼所吸收，從而使其根部Sb的含量增加。

植物把重金屬從土壤傳輸至地面的能力可以用轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)來表示，并且轉(zhuǎn)移系數(shù)越大說明植物將重金屬從根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)[29]。如圖4(b)所示，隨著處理濃度的增加，不同處理組生長的頭花蓼對(duì)Sb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不斷減小，說明頭花蓼對(duì)Sb的轉(zhuǎn)移能力會(huì)隨著土壤中Sb濃度的增加而逐漸降低，這也表明了頭花蓼對(duì)Sb的抗性能力有一定的限度，可能是由于頭花蓼在高濃度的Sb污染土壤中長時(shí)間生長時(shí)，為了減少重金屬對(duì)植物地上部分的危害，通過自身抑制重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，從而緩解Sb對(duì)地上部的毒害[30]。

圖4 頭花蓼對(duì)Sb的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)Figure 4 BCF and TF of Sb in Polygonum capitatum.

2.4 頭花蓼中重金屬的累積總量

從圖5、6中可以看出，隨著Sb濃度的增加，頭花蓼的各個(gè)部位的Sb累積量均表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，其中頭花蓼各部位的Sb累積量所占百分比為：根(55.17%～59.91%)>葉(32.62%～41.70%)>莖(7.47%～14.73%)。在T5(1 500 mg/kg)實(shí)驗(yàn)組中，頭花蓼中根、莖、葉中的Sb累積量均達(dá)到了最大值，分別為0.707 2、0.103 4和0.421 2 mg，與對(duì)照組、T1、T2、T3實(shí)驗(yàn)組相比具有顯著差異(P<0.05)，分別是對(duì)照組的1 039.76倍、477.80倍和737.60倍。頭花蓼根部中Sb的累積量是其莖、葉累積量的3.14～8.00倍(平均值為6.21倍)、1.12～1.83倍(平均值為1.45倍)，雖然在重金屬Sb的脅迫下，頭花蓼生物量大小表現(xiàn)為葉>莖>根，但是因?yàn)轭^花蓼根部的重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于莖部和葉部，從而導(dǎo)致了頭花蓼根部存在大量的重金屬Sb，所以食用頭花蓼根部對(duì)人體的危害較大。

圖5 不同濃度Sb處理下頭花蓼根、莖、葉中Sb累積量Figure 5 Effects of Sb treatment on the accumulations in roots，stems and leaves of Polygonum capitatum.

圖6 不同濃度Sb處理下頭花蓼體內(nèi)Sb的累積分布特征Figure 6 Cumulative distribution of Sb in different tissues of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

2.5 頭花蓼中Sb對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬Sb被植物的根系所吸收后在植物中不斷富集，然后通過食物鏈進(jìn)入到人體，威脅人們的健康，主要表現(xiàn)為損壞人體的心臟、肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)等[30]。關(guān)于如何控制頭花蓼中重金屬Sb，《貴州省中藥材民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《中國藥典》(CHP)并沒有提及，也并未提出關(guān)于Sb濃度的限量要求，因此，本研究參照了《美國藥典》(USP)中對(duì)Sb的限制含量(2 mg/kg)及允許日暴露量(PED)(20 μg/d)。按照藥材-準(zhǔn)-藥智所顯示的數(shù)據(jù)，頭花蓼的日攝入量最多為30 g(干重)，根據(jù)此劑量計(jì)算出頭花蓼中Sb的暴露量，將其與《美國藥典》規(guī)定的允許日暴露量值相比較，可以得到安全邊緣系數(shù)MOS(Margins of safety)。如果安全邊緣系數(shù)≥1時(shí)，則所訴物質(zhì)對(duì)攝入的安全風(fēng)險(xiǎn)是在可以接受的范圍的；但是，若安全邊緣系數(shù)<1時(shí)，則該物質(zhì)對(duì)攝入的安全風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)超過人體可承受的限度，需要采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施[31]，表1給出了計(jì)算結(jié)果。隨著對(duì)土壤施加Sb處理濃度不斷增加，頭花蓼各個(gè)部位的重金屬Sb日暴露量明顯增高，MOS降低，說明種植在高濃度土壤中，頭花蓼對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)增大。

表1 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位Sb日暴露量及MOS值

如圖7所示，將頭花蓼各個(gè)部位的Sb日暴露劑量(y)與相應(yīng)的土壤中所含重金屬Sb濃度(x)進(jìn)行擬合，再根據(jù)《美國藥典》的標(biāo)準(zhǔn)，算出頭花蓼可安全食用時(shí)土壤中對(duì)應(yīng)的Sb含量。結(jié)果表明，如果需要將頭花蓼的根、莖、葉單獨(dú)入藥，則其所對(duì)應(yīng)的土壤中Sb含量分別為2.09、8.72、6.41 mg/kg，才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)種植頭花蓼土壤Sb濃度小于2.09 mg/kg的情況下，食用頭花蓼各個(gè)部位均沒有風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)種植頭花蓼土壤Sb濃度在2.08～6.41 mg/kg之間時(shí)，除頭花蓼根部外都可安全食用；當(dāng)種植頭花蓼土壤中Sb濃度在6.41～8.72 mg/kg時(shí)，頭花蓼的根部和葉不能安全食用；當(dāng)種植頭花蓼的土壤Sb濃度高于8.72 mg/kg時(shí)，所有頭花蓼的部位都不能安全食用。所以不宜在Sb含量高于8.72 mg/kg的土壤中，種植具有藥用價(jià)值的頭花蓼。

圖7 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位日暴露劑量曲線擬合模型Figure 7 Daily exposure dose in different tissues models of Polygonum capitatum under different Sb concentrations.

3 結(jié)論

隨著土壤中Sb濃度的增加，頭花蓼各個(gè)部位的生物量出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。除了對(duì)照組以外，其余實(shí)驗(yàn)組在60 d后，均不同程度地受到了重金屬Sb的影響，并且頭花蓼葉片表現(xiàn)出了扭曲、皺縮現(xiàn)象。同時(shí)，隨著土壤中添加的Sb濃度升高，頭花蓼各個(gè)器官中重金屬Sb的含量都在不斷升高，其中根部的重金屬含量最高，其次是葉和莖，而頭花蓼對(duì)重金屬Sb的富集系數(shù)則是表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，并且在Sb處理濃度達(dá)200 mg/kg時(shí)，頭花蓼的根部和地上部的富集系數(shù)均升到了最高值，分別為1.76和0.36；頭花蓼對(duì)Sb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.13～0.24(平均值為0.18)說明頭花蓼不易將Sb從根部向地上部轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，頭花蓼根、莖、葉可安全食用的土壤Sb濃度限值分別為2.09、8.72、6.41 mg/kg；當(dāng)土壤Sb濃度高于8.72 mg/kg時(shí)，頭花蓼的各部位在食用時(shí)都存在一定的安全隱患。