3類朝天椒重金屬健康風險評價與鎘吸收累積差異

柴冠群， 王麗， 劉桂華， 羅沐欣鍵， 蔣亞， 梁紅， 范成五*

（1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，貴陽 550006； 2.貴州大學農(nóng)學院，貴陽 550025）

辣椒富含維生素和礦質元素，尤其是維生素C含量豐富，被譽為“蔬菜之冠”[1]。辣椒葉、辣椒籽、辣椒桿等也富含蛋白質、多酚、氨基酸、不飽和脂肪酸等，具有良好的醫(yī)藥保健開發(fā)前景[2]。此外，辣椒是世界上最大的調(diào)味料作物，以我國貴州為例，人均辣椒食用量為6.84 g·d-1[3]。中國年種植辣椒133萬hm2左右，約占全球辣椒種植面積的40%，辣椒產(chǎn)業(yè)已成為我國多地重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，尤其是貴州，其辣椒種植規(guī)模居全國首位，約占全國的25%[2]。貴州是我國典型重金屬地質高背景區(qū)，其耕層土壤鎘（Cd）、砷（As）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）背景值分別為0.40、13.48、33.57、34.50、104.21 mg·kg-1，均高于我國平均土壤背景值[4]。研究表明，辣椒是重金屬富集能力較強的蔬菜作物，對Cd的生物富集系數(shù)最高可達3.04[3,5]，食用重金屬高地質背景區(qū)種植的辣椒可能存在健康風險。因此，根據(jù)當?shù)厝司苯肥秤昧?，評估食用不同類型辣椒造成的人體健康風險對當?shù)鼐用裆攀辰Y構調(diào)整具有一定的指導意義。

明確不同基因型辣椒風險元素Cd積累轉運差異，了解辣椒果實Cd低積累機制，能夠為種質資源創(chuàng)新與實際生產(chǎn)提供理論支撐。研究表明，影響作物吸收重金屬的因素較為復雜，主要分為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素主要包括土壤因素（土壤類型、有效Cd含量、pH、有機質、黏粒含量、CaCO3等）與環(huán)境要素（降雨、污灌、大氣沉降、礦產(chǎn)開采等）等[6]，但土壤與作物重金屬富集水平無明顯的定量關系，說明在重金屬高地質背景區(qū)種植辣椒并不一定存在健康風險[7-8]；內(nèi)部因素主要是作物品種，作物品種間積累重金屬的能力差異主要與作物基因型有關，不同基因型的作物品種對重金屬的吸收存在顯著差異[9]。關于Cd低累積辣椒品種篩選已開展了一定研究，趙首萍等[10]通過水培試驗從浙江39個辣椒品種中篩選出朝天黃小辣椒和渝椒13號辣椒2個Cd低累積品種；劉峰等[11]通過盆栽試驗和田間小區(qū)試驗從71個辣椒品種中篩選出5個Cd低累積品種；Luo等[12]和Wang等[13]發(fā)現(xiàn)Cd在辣椒不同部位的累積量表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞果實；趙首萍等[14]報道Cd在辣椒不同部位的累積量表現(xiàn)為莖＞葉＞果實＞根，說明不同試驗條件下，辣椒對Cd的吸收累積特征可能不同；Kashiwagi等[15]發(fā)現(xiàn)稻米中Cd含量主要來自莖葉Cd的再分配，辣椒是否存在類似機理，目前尚未有相關報道。因此，針對特定地區(qū)，開展當?shù)卮硇岳苯菲贩NCd富集、轉運累積特征的研究，對當?shù)乩苯稢d安全生產(chǎn)具有重要意義。

遵義市是貴州黔北干制辣椒主產(chǎn)區(qū)，種植的朝天椒可分為指型朝天椒、錐型朝天椒和圓型朝天椒3種，本研究協(xié)同采集遵義市3種類型朝天椒果實與根際土壤，分析其對重金屬（Cd、As、Pb、Cu、Zn）的富集特征，并采用目標危害系數(shù)法(target hazard quotient,HQ)綜合評價當?shù)厥忱比巳旱慕】碉L險，明確風險元素，以期為當?shù)鼐用裆攀辰Y構調(diào)整提供指導意見。此外，通過盆栽試驗研究當?shù)鼐哂写硇缘?種類型朝天椒對風險元素的吸收轉運差異，明確朝天椒果實對其低積累的機制，以期為種質資源創(chuàng)新與實際生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 野外調(diào)查

1.1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于遵義市南部某鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬亞熱帶季風氣候，海拔900～1 300 m，年平均氣溫11.5～17.5 ℃，降雨量900～1 250 mm，指型朝天椒、錐型朝天椒與圓型朝天椒為當?shù)刂髟岳苯奉愋?，耕地土壤類型主要為黃壤與石灰土。

1.1.2 樣品采集 2020年8月，在研究區(qū)內(nèi)協(xié)同采集了116對朝天椒果實樣品與土壤樣品，其中指型朝天椒、錐型朝天椒與圓型朝天椒分別為42、46與28件果實樣品，每個樣品約1 kg，采樣點附近（約3 km）均無工礦企業(yè)。朝天椒果實樣品采用超純水潤洗，用吸水紙擦干備用。指型朝天椒農(nóng)學特性表現(xiàn)為：果實朝天，單生或簇生，尖椒，果長4～10 cm，果寬0.8～1.5 cm，未成熟時青綠色，成熟時紅色；錐型朝天椒的農(nóng)學特性表現(xiàn)為：果實朝天，單生，圓錐狀，似子彈頭，長約1.5～3.0 cm，未成熟時青綠色，成熟時紅色或紫色；圓型朝天椒的農(nóng)學特性表現(xiàn)為：果實朝天，單生，櫻桃狀，果徑約3 cm，未成熟時青綠色，成熟時紅色或紫色。

1.2 盆栽試驗

選取研究區(qū)種植面積較大的辣椒品種：指型朝天椒（青小米）、錐型朝天椒（卓椒8號）與圓型朝天椒（湄江明珠），供試辣椒品種購自播州區(qū)龍程楓種植合作社。于2021年4—10月，在貴州省土壤肥料研究所溫室大棚內(nèi)開展盆栽試驗，1個品種為1個處理，每個處理種植5盆。將肥料與5 kg過5 mm尼龍篩的風干土充分混勻后裝盆（直徑×高=30 cm×25 cm），N、P2O5與K2O分別為180、100和150 mg·kg-1（材料與土壤質量比），其中N、P2O5與K2O分別以尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的形式加入。選取長勢良好、大小一致的5葉1心辣椒幼苗移栽，每盆移栽1株，用去離子水澆灌，保持土壤田間持水量的約60%。以辣椒果實進入轉色期為統(tǒng)一采收標準，自下而上分批次采集成熟度一致的辣椒果實，共采集4次。辣椒各部位采摘后及時用去離子水清洗干凈，并用吸水紙將其表面擦干，最后1次采集果實時，采集辣椒根、莖、葉與根際土。供試土壤的基本理化性質為pH 6.02、有機質 20.14 g·kg-1、全氮 1.86 g·kg-1、全磷1.05 g·kg-1、全鉀 14.02 g·kg-1、堿解氮 146.63 mg·kg-1、有效磷 22.43 mg·kg-1、速效鉀 320.82 mg·kg-1、全 Cd 0.42 mg·kg-1、有效 Cd 0.13 mg·kg-1。

1.3 樣品處理及測定

朝天椒樣品置于恒溫鼓風干燥箱中于105 ℃殺青30 min，40 ℃烘干至恒重，采用FW-100高速萬能粉碎機磨碎，裝入自封袋中，密封保存。稱取辣椒樣品0.200 g于微波消解罐中，加入5～10 mL濃硝酸，加蓋放置過夜，旋緊罐蓋，按照微波消解儀標準操作步驟進行消解。冷卻后取出，緩慢打開罐蓋排氣，用少量水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐放在控溫電熱板上，于100 ℃加熱30 min，用超純水定容至50 mL，混勻備用，同時做空白試驗，用電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）測定辣椒Cd、As、Pb、Cu與Zn含量[16]。野外調(diào)查辣椒果實樣品檢測Cd、As、Pb、Cu與Zn含量，盆栽試驗檢測辣椒根、莖、葉與果實Cd含量。采用植物標準樣品（GBW10045）進行質量控制，標準物質回收率為98.7%～105.4%。

野外調(diào)查與盆栽試驗土壤僅檢測Cd含量。土壤樣品風干過程中剔除植物殘根等，用球磨儀研磨，過0.149 mm尼龍篩，裝入自封袋中，密封保存。土壤重金屬Cd經(jīng)HNO3-HF-HClO4法微波消解，使用ICP-MS測定其含量[17]。試驗用酸均為優(yōu)級純，試驗用水均為超純水，所有試驗用品均經(jīng)稀酸浸泡，減少器皿對重金屬的吸附。采用土壤標準樣品（GBW07405）進行質量控制，標準物質回收率為96.3%～103.2%。

1.4 評價方法與評價標準

采用目標危害系數(shù)法（HQ）評價食用3種類型朝天椒人體健康風險[18-20]，其是假定吸收劑量等于攝入劑量，以人體攝入劑量與參考劑量的比值為評價標準，若HQi＜1，說明暴露人群通過食用辣椒攝入的重金屬i不會造成明顯的健康風險；反之，則存在健康風險，HQi越大，表明該污染物對人體健康風險越大。具體計算公式如下。

暴露人群攝入辣椒中多種重金屬造成的復合健康風險，即綜合危害指數(shù)用HI（hazard index）表示，當HI≤1時，重金屬不會對人體產(chǎn)生不良影響，當HI＞1時，重金屬可能對人體產(chǎn)生危害，健康風險隨數(shù)值增加而增加，當HI＞10時，重金屬對人體產(chǎn)生慢性中毒的危害。其計算公式如下[18-20]。

計算公式（1）、（2）中，Ci為辣椒中重金屬i的質量濃度（mg·kg-1）；IR 為人均辣椒日食用量（6.84 g·d-1）[3]；EF為暴露頻率（365 d·年-1），ED為暴露年限（70年），BW為我國成人平均體重（60 kg），AT為平均暴露時間（25 550 d）[18]；RfDi為重金屬i經(jīng)口攝入?yún)⒖紕┝?，參考美國國家環(huán)保局綜合風險信息系統(tǒng)及其他來源針對主要污染指標的參考劑量，Cd、As、Pb、Cu、Zn 分別為 0.001、0.000 3、0.003 5、0.04、0.3 mg·kg-1·d-1[19]。

采用富集系數(shù)（biological enrichment factor，BCF）[3]評估不同類型朝天椒對土壤Cd的富集能力，用整株朝天椒Cd質量濃度與土壤Cd質量濃度比值表示，其計算公式如下。

采用轉運系數(shù)（transport factor, TF）[5]評估不同類型朝天椒b部位向a部位轉運Cd的能力，用朝天椒a部位與其b部位Cd質量濃度比值表示，其計算公式如下。

計算公式（3）、（4）中，CCd為整株朝天椒中Cd的質量濃度（mg·kg-1），SCd為根際土Cd的質量濃度（mg·kg-1），Ca與Cb分別為朝天椒a部位與b部位Cd的質量濃度（mg·kg-1）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Office 2010軟件進行計算處理，運用IBM SPSS 20 Statistics（美國IBM公司）進行統(tǒng)計分析，差異顯著采用Duncan法進行分析，顯著水平為P＜0.05，相關性分析采用Pearson雙側檢驗，采用Sigmaplot 14.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 3種類型朝天椒果實重金屬含量特征

研究區(qū)3種類型朝天椒果實重金屬含量見表1，指型朝天椒、錐型朝天椒與圓型朝天椒果實Cd、As、Pb與Zn含量均值均表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒，3種類型朝天椒果實Cd含量均值分別為 0.29、0.19 與 0.11 mg·kg-1，獨立樣本t檢驗顯示，指型朝天椒與錐型朝天椒果實Cd含量均值顯著高于NY/T 1711—2020《綠色食品 辣椒制品》[21]中Cd含量限值（0.1 mg·kg-1），3種類型朝天椒果實As與Pb含量均值均顯著低于國標對應限值。

表1 辣椒樣品中重金屬含量Table 1 Heavy metal concent in pepper samples （mg·kg-1）

2.2 食用3種類型朝天椒人體健康風險評估

辣椒果實中重金屬的健康風險指數(shù)如圖1所示，3種類型朝天椒單一重金屬的目標危害系數(shù)（HQ）均小于1，且表現(xiàn)為HQCd最高，HQPb最低，其HQCd大小依次為：指型朝天椒（0.033）＞錐型朝天椒（0.022）＞圓型朝天椒（0.012）；3種類型朝天椒重金屬綜合危害指數(shù)（HI）也均小于1，表現(xiàn)為指型朝天椒（0.080）＞錐型朝天椒（0.071）＞圓型朝天椒（0.047）。綜上，食用指型朝天椒危害指數(shù)最高，主要受Cd元素影響；食用圓型朝天椒危害指數(shù)最低。

圖1 3種類型朝天椒重金屬平均攝入量健康風險Fig. 1 Health risks of average heavy metals intake of three types of peppers

2.3 3種類型朝天椒果實Cd超標樣品占比與富集特征

由圖2可知，研究區(qū)指型朝天椒、錐型朝天椒與圓型朝天椒果實Cd超標（＞0.1 mg·kg-1）樣本占比分別為100%、63.04%與42.85%。指型朝天椒、錐型朝天椒與圓型朝天椒果實對土壤Cd的富集系數(shù)分別為0.35、0.25與0.15，說明指型朝天椒果實對Cd的富集能力較強，圓型朝天椒果實對Cd的富集能力較弱。

圖2 3種類型朝天椒果實Cd超標樣品占比與果實Cd富集系數(shù)Fig. 2 Proportion of samples of Cd concent in three types of pepper fruit exceeding standard and biological enrichment factor of soil Cd by fruits

2.4 3種類型朝天椒對Cd的吸收、累積與轉運差異

2.4.1 3種類型朝天椒對Cd的吸收累積特征 3種類型朝天椒不同部位Cd含量特征見圖3。3種類型朝天椒的果實、葉、莖與根Cd含量均表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒。就不同部位Cd含量而言，3種類型朝天椒均表現(xiàn)為：葉＞莖＞根＞果實。就果實Cd含量而言，指型朝天椒（0.37 mg·kg-1）＞錐型朝天椒（0.16 mg·kg-1）＞圓型朝天椒（0.08 mg·kg-1），三者之間差異顯著，指型朝天椒和錐型朝天椒果實Cd含量顯著超標（＞0.1 mg·kg-1），而圓型朝天椒果實Cd含量未超標；指型朝天椒與錐型朝天椒的葉、莖和根Cd含量均差異不顯著，但均顯著高于圓型朝天椒。

圖3 3種類型朝天椒不同部位Cd含量Fig. 3 Cd contents in different part of three types of peppers

由圖4可知，3種類型朝天椒各部位Cd累積量均表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒，3種類型朝天椒果實Cd含量差異顯著，指型朝天椒果實Cd累積量分別是錐型朝天椒與圓型朝天椒的2.27與3.15倍；3種類型朝天椒葉、根Cd累積量差異均不顯著；指型朝天椒和錐型朝天椒莖Cd累積量差異不顯著，但顯著高于圓型朝天椒。3種類型朝天椒整株Cd累積量表現(xiàn)為：指型朝天椒（30.23 μg·盆-1）＞錐型朝天椒（21.44 μg·盆-1）＞圓型朝天椒（15.78 μg·盆-1），三者之間差異顯著。

圖4 3種類型朝天椒不同部位及整株的Cd累積Fig. 4 Cd accumulation in different part and whole plant of three types of peppers

2.4.2 3種類型朝天椒向果實轉運Cd的差異 由表2可知，3種類型朝天椒對土壤Cd的富集系數(shù)（BCF）為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒，差異顯著，指型朝天椒的BCF分別是后兩者的1.23與1.79倍。3種類型朝天椒從根向地上部轉運Cd的能力（TF地上部/根）差異不顯著。3種類型朝天椒從葉向果實轉運Cd的能力（TF果/葉）與從莖向果實轉運Cd的能力（TF果/莖）均表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒，錐型朝天椒和圓型朝天椒的TF果/葉與TF果/莖差異均不顯著，但均顯著低于指型朝天椒。

表2 3種類型朝天椒對Cd的富集與轉運系數(shù)Table 2 Enrichment and transport coefficients of Cd in three types of peppers

2.5 辣椒果實Cd含量影響因素分析

從表3可知，辣椒果實Cd含量與辣椒對土壤Cd的富集系數(shù)（BCF）呈顯著相關，與莖葉向果實Cd的轉運能力（TF果/莖與TF果/葉）呈極顯著相關，與根向地上部轉運Cd的能力相關性不顯著，而與果實重量呈顯著負相關。說明基因型對辣椒富集轉運Cd有影響，且辣椒果實Cd含量可能存在“質量稀釋”或“質量濃縮”效應。

表3 辣椒果實Cd含量與各參數(shù)相關性Table 3 Correlation coefficients between Cd content in pepper fruit and tissues of plant

3 討論

土壤中重金屬可以經(jīng)手-口途徑直接攝入、經(jīng)皮膚接觸吸收、經(jīng)呼吸吸入和經(jīng)食物鏈攝入[18-20]，對于除職業(yè)暴露途徑外的普通人群，其重金屬暴露主要以日常飲食中食物攝入為主[22]。辣椒是我國西南地區(qū)飲食的常見佐料，以貴州為例，人均辣椒食用量為6.84 g·d-1[3]，而辣椒對Cd具有較強的富集能力[3,5]。Cd是一種高毒性且易于從土壤轉移到植物，通過食物鏈暴露來危害人類健康的重金屬元素，對人體內(nèi)臟、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等均會造成不利影響[23]。因此，評估辣椒重金屬污染狀況及其對人體的健康風險具有重要意義。已有研究多是圍繞工礦企業(yè)附近或污灌區(qū)種植農(nóng)作物開展人體健康風險評價，例如歐靈芝等[18]對高砷煤礦周圍農(nóng)作物（玉米、辣椒、煙草、白菜與油菜）健康風險評價發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物中重金屬的潛在健康風險主要源于Cd和As，其中辣椒和煙草的健康風險最高；賈艷麗等[24]對銻礦區(qū)蔬菜開展人體健康風險評價發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)成人長期食用白菜會對健康造成影響，重金屬的健康風險主要源于Sb和As；趙穎等[25]對太原市小店污灌區(qū)農(nóng)作物開展人體健康風險評價發(fā)現(xiàn)，食用根莖類蔬菜對成人具有潛在健康風險，重金屬的潛在健康風險主要源于Cd。目前，鮮見針對單一作物開展人體健康風險評價研究，辣椒是研究區(qū)經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，因此，明確食用研究區(qū)辣椒人體健康風險狀況，對當?shù)乩苯樊a(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，食用研究區(qū)辣椒不存在綜合健康風險（HI＜1），3種類型朝天椒綜合健康風險表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒；3種類型朝天椒的Cd、As、Pb與Zn目標危害指數(shù)（HQ）中HQCd最高，這是因為辣椒對Cd富集能力較強[3,5]。綜上，食用研究區(qū)朝天椒雖無健康風險，但應關注土壤Cd含量。

多項研究表明，同種作物不同品種在重金屬吸收累積上存在明顯差異，Luo等[12]和Wang等[13]發(fā)現(xiàn)在辣椒不同部位中，Cd在果實中的累積量最低，而本研究中3種類型朝天椒不同部位Cd累積量不同，但根中Cd累積量均最低，這與趙首萍等[14]報道一致。作物從土壤中吸收Cd并運輸?shù)娇墒秤貌糠钟?個主要步驟：①根系吸收Cd，該過程有共質體和質外體2種途徑；②通過木質部負載轉運至地上部；③通過韌皮部從葉片再動員最終運輸至可食用部位[26]。作物對Cd的富集系數(shù)（BCF）和轉運系數(shù)（TF地上部/根）在一定程度上能夠分別反映作物對Cd的累積能力和Cd從根向地上部的轉運能力[3,5]。本研究顯示，3種類型朝天椒BCF差異顯著，且3種類型朝天椒整株Cd累積量差異顯著，而TF地上部/根差異不顯著，說明基因型顯著影響辣椒對土壤Cd的累積能力，而對根向地上部轉運Cd無顯著影響。此外，本研究發(fā)現(xiàn)3種類型朝天椒果實Cd含量和Cd累積量均表現(xiàn)為：指型朝天椒＞錐型朝天椒＞圓型朝天椒，這可能是因為指型朝天椒從莖葉向果實轉運Cd的能力（TF果/莖、TF果/葉）均顯著大于后兩者。綜上，3種類型朝天椒果實Cd吸收累積差異與基因型影響辣椒對土壤Cd的富集能力和地上部營養(yǎng)器官（莖葉）對Cd的再分配有關，而與根部Cd向地上部轉運能力無關。辣椒果實Cd含量影響因素分析也說明了這點，這與Kashiwagi等[15]在水稻上的發(fā)現(xiàn)類似。本研究結果有利于指導研究區(qū)辣椒Cd安全生產(chǎn)，可通過葉面噴施阻控劑將Cd固定在辣椒葉片，從而限制葉片Cd向果實轉運，降低辣椒果實Cd超標風險。