鎳污染稻田低積累水稻品種篩選及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張秀錦，張容慧，蔡景行，王國(guó)坤，柴冠群，黃承玲，范成五

（1.貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴陽(yáng)市鄉(xiāng)村振興服務(wù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；4.清鎮(zhèn)市種植業(yè)服務(wù)中心，貴州 清鎮(zhèn) 551400；5.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006）

水稻是貴州省的主要糧食作物，其常年產(chǎn)量占全省糧食總產(chǎn)量的1/2[1]。貴州以高原山地居多，礦產(chǎn)資源豐富，重金屬自然背景值較高[2-3]。隨著工業(yè)化及城市化的發(fā)展，鎳（Ni）通過(guò)廢氣、廢液、廢渣、含Ni 肥料等途徑進(jìn)入土壤，土壤Ni 污染趨勢(shì)明顯。Ni 作為植物必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與其生理、生化和生長(zhǎng)過(guò)程[4]。但作物對(duì)Ni 的需求量是有限的，過(guò)量的Ni 會(huì)影響作物生長(zhǎng)，降低作物產(chǎn)量，進(jìn)而影響農(nóng)作物品質(zhì)，其隨食物鏈進(jìn)入人體，威脅人體健康[5]。目前，對(duì)于輕中度重金屬污染農(nóng)田，可篩選并采用低累積品種進(jìn)行種植，以實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)[6]。

近年來(lái)，有關(guān)重金屬低累積型水稻品種篩選及應(yīng)用的研究已趨于成熟[7]，種植重金屬低積累品種也被認(rèn)為是減少重金屬進(jìn)入人類飲食的一種有效方法[8]。柳賽花等[9]和周歆[10]在篩選試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，稻米重金屬含量不僅在品種間存在顯著差異，在不同作物類型間也存在顯著差異。白玉杰等[11]關(guān)于不同作物Ni低積累品種篩選的結(jié)果表明，不同作物的可食部分Ni 富集水平表現(xiàn)為黃瓜＜青椒＜菠菜＜豇豆＜水稻＜青菜＜花菜＜小麥，最終篩選出黃瓜、青椒、菠菜作為Ni 低積累作物。馮愛(ài)煊等[12]通過(guò)比較13個(gè)不同基因型水稻品種在鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、砷（As）等混合污染土壤上的重金屬積累差異，篩選出袁兩優(yōu)908、Y 兩優(yōu)1 號(hào)、渝香203、薦隆兩優(yōu)534 作為適宜栽種品種。王會(huì)來(lái)等[13]關(guān)于14 個(gè)水稻Cd 低積累品種篩選的結(jié)果表明，甬優(yōu)362、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540 可作為較優(yōu)品種進(jìn)行種植。吳明言等[14]通過(guò)研究不同秈稻品種對(duì)Ni 的富集能力，篩選出內(nèi)2 優(yōu)6 號(hào)、特優(yōu)627、Ⅱ優(yōu)3301、宜優(yōu)99 為低累積品種。馮蓮蓮[15]關(guān)于15 個(gè)水稻Ni 低積累品種篩選的結(jié)果表明，全優(yōu)3301 為最適栽種品種。目前，以Cd、Pb、Cr 污染稻田的低積累水稻品種篩選較為普遍，但針對(duì)Ni污染稻田的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，且低累積水稻品種的篩選應(yīng)用通常具有區(qū)域性[16]。鑒于此，以黔中地區(qū)主栽的10 個(gè)水稻品種為試驗(yàn)材料，在Ni 污染稻田開(kāi)展田間試驗(yàn)，探討不同水稻品種對(duì)Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)富集特征，以期篩選出低富集水稻品種，為實(shí)現(xiàn)黔中地區(qū)Ni污染稻田安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黔中地區(qū)的清鎮(zhèn)市（東經(jīng)106°15′～106°27′、北緯26°30′～26°41′）。供試土壤類型為青黃泥田潛育型水稻土，弱酸性，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試土壤Ni含量為100.46 mg/kg，高于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（70 mg/kg）[17]，約為貴州土壤中Ni元素背景值（40 mg/kg）的2.5倍[18]。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Tab.1 Basically physical and chemical properties of soil tested

1.2 供試材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試水稻為貴州省清鎮(zhèn)市主栽的10個(gè)品種，其中秈型三系雜交稻品種有樂(lè)優(yōu)891、中優(yōu)295、蓉3優(yōu)918、秀香優(yōu)8號(hào)、麗香優(yōu)5號(hào)、野香優(yōu)莉絲、野香優(yōu)2998；秈型遲熟三系雜交稻品種有宜香優(yōu)800、中優(yōu)808；中秈遲熟三系雜交稻品種有花香優(yōu)357。

試驗(yàn)采用隨機(jī)方式排列，設(shè)3 個(gè)重復(fù)，共30 個(gè)小區(qū)，小區(qū)為長(zhǎng)方形（5 m×3 m），小區(qū)面積為15 m2。多層防水塑料薄膜等均勻覆蓋于各田埂，防止小區(qū)間水滲漏。在稻田蓄水期間，將基肥（N∶P2O5∶K2O=11∶5∶7）用RE180E2 型耕地機(jī)與土壤均勻混合。2021 年6 月移栽水稻，9 月成熟后取樣。管理措施同當(dāng)?shù)卮筇?，收獲時(shí)分區(qū)單收測(cè)產(chǎn)。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品 采用五點(diǎn)取樣法，將土壤連同水稻植株一同采集。取回的土壤混合后鋪勻在干凈的牛皮紙上，剔除碎石等雜質(zhì)，置于室內(nèi)向陽(yáng)通風(fēng)的置物架上自然風(fēng)干。研磨，混勻，分別過(guò)0.25、0.15 mm 尼龍篩，置于自封袋，分別用于土壤pH 值、Ni含量測(cè)定。

1.3.2 水稻樣品 水稻成熟后，采取完整水稻植株（包括根際土一起取回），將取回的水稻植株使用超純水清洗干凈后，于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，用干凈剪刀分別采集葉、莖、根，用JLGJ-45型脫殼機(jī)（臺(tái)州市路橋京奧糧用器材廠）脫殼后采集稻米、稻殼。分別研磨，過(guò)0.15 mm尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 樣品測(cè)定 土壤Ni 含量采用HCl-HNO3-HClO4消 煮[19]，用ICP-MS 測(cè) 定；pH 值 采 用 土 水 比1∶2.5的電位法測(cè)定；植物樣品采用HNO3-H2O2微波消解爐消解[20]，用ICP-MS測(cè)定。

1.4 Ni低積累水稻品種篩選

為表征不同品種水稻重金屬吸收累積特征，計(jì)算其不同部位（根、莖、葉、稻殼、稻米）對(duì)Ni 的富集系數(shù)（Bioconcentration coefficient，BCF）：

土壤-水稻系統(tǒng)中Ni在各部位之間的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)情況用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Transport coefficient，TF）表示：

式中，S表示各部位Ni含量，i、j分別代表土壤-水稻系統(tǒng)的某一部位（根、莖、葉、稻殼、稻米），TFi-j代表Ni從部位i到部位j的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

1.5 稻米可食部位Ni健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

我國(guó)有關(guān)水果、蔬菜及糧食的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中還未對(duì)Ni 含量進(jìn)行相關(guān)限定。本研究使用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型采用目標(biāo)危害系數(shù)（Target hazard quotient，THQ）對(duì)稻米進(jìn)行評(píng)價(jià)，THQ計(jì)算模型[21-22]：

其中，EF為暴露頻率（以365 d/a 計(jì)）；ED為暴露年限或期望壽命，以70 a 計(jì)；IR為中國(guó)居民每日攝入率（成人攝入率按335 g/d，兒童攝入率按232 g/d）；C 為稻米中Ni 的含量（mg/kg）；RfDo代表口服參考劑量，Ni 的RfDo為0.02 mg/（kg·d）；Bw表示人群的平均身體質(zhì)量，成人、兒童的體質(zhì)量分別以56、33 kg 計(jì)，成年男性、女性的體質(zhì)量分別以63、54 kg計(jì)；AT為非致癌源的平均暴露時(shí)間（ED×EF）。

當(dāng)THQ≤1，表明食用該地區(qū)種植的作物不會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)THQ＞1 時(shí)，表明食用該地區(qū)種植的作物會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 計(jì)算整理數(shù)據(jù)；應(yīng)用SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差分析、聚類分析，利用Origin 2021繪制圖形及進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ni污染稻田不同水稻品種農(nóng)藝性狀

如表2 所示，不同供試水稻品種株高介于105.00～113.33 cm，單株分蘗數(shù)介于14.00～23.67個(gè)，稻穗長(zhǎng)介于23.33～27.00 cm，千粒質(zhì)量介于26.87～34.30 g。10 個(gè)水稻品種產(chǎn)量在8 242.83～13 434.02 kg/hm2，極 差 為5 191.19 kg/hm2，平 均 產(chǎn) 量 為10 743.79 kg/hm2。不同水稻品種產(chǎn)量大小表現(xiàn)為野香優(yōu)莉絲＜花香優(yōu)357＜麗香優(yōu)5 號(hào)＜中優(yōu)808＜宜香優(yōu)800＜秀香優(yōu)8 號(hào)＜中優(yōu)295＜樂(lè)優(yōu)891＜野香優(yōu)2988＜蓉3優(yōu)918。

表2 Ni污染稻田水稻農(nóng)藝性狀Tab.2 Agronomic traits of rice in Ni contaminated paddy fields

2.2 Ni污染稻田不同水稻品種各部位Ni含量分析

由表3 知，不同水稻品種根、莖、葉、稻殼、稻米的Ni 含 量 分 別 介 于5.848～14.282、0.261～0.871、0.280～0.588、0.140～0.515、0.372～2.136 mg/kg。水稻根Ni 含量最高，其次為稻米，各部位Ni 含量總體表現(xiàn)為稻殼＜葉＜莖＜稻米＜根。10 個(gè)水稻品種稻米Ni含量排序?yàn)橐讼銉?yōu)800＜秀香優(yōu)8號(hào)＜花香優(yōu)357＜麗香優(yōu)5 號(hào)＜中優(yōu)295＜野香優(yōu)2988＜中優(yōu)808＜蓉3 優(yōu)918＜野香優(yōu)莉絲＜樂(lè)優(yōu)891。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中稻米Ni 限量建議值（≤0.4 mg/kg）[23]，本研究中，稻米Ni 含量在限量建議值以下的品種是宜香優(yōu)800，稻米Ni含量為0.372 mg/kg，其他品種稻米Ni含量均在限量建議值以上。其中，稻米Ni含量最高的品種為樂(lè)優(yōu)891，達(dá)2.136 mg/kg，顯著高于其他9個(gè)品種；其次是野香優(yōu)莉絲，稻米Ni含量為1.171 mg/kg。

表3 Ni污染稻田水稻各部位Ni含量Tab.3 Ni content in different parts of rice in Ni contaminated paddy fields mg/kg

2.3 Ni污染稻田不同水稻品種各部位對(duì)Ni的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征

2.3.1 Ni 污染稻田不同水稻品種各部位對(duì)Ni 的富集特征 由表4 知，不同水稻品種各部位Ni 富集存在差異，各水稻品種根、莖、葉、稻殼、稻米對(duì)Ni的富集系數(shù)分別為0.058 2～0.166 3、0.002 7～0.010 5、0.003 0～0.006 8、0.002 0～0.004 2、0.004 3～0.021 6。10個(gè)品種各部位富集能力表現(xiàn)為稻殼＜葉＜莖＜稻米＜根，表明根部是水稻富集Ni的主要器官。就水稻根部富集系數(shù)而言，10 個(gè)品種中，宜香優(yōu)800 的富集能力最強(qiáng)，中優(yōu)808富集能力最弱；就水稻莖部富集系數(shù)而言，中優(yōu)295 對(duì)Ni 的富集能力最強(qiáng)，野香優(yōu)莉絲對(duì)Ni 的富集能力最弱；就水稻葉富集系數(shù)而言，品種宜香優(yōu)800 的富集能力最強(qiáng)，野香優(yōu)2988富集能力最弱。不同水稻品種稻米對(duì)Ni 的富集能力表現(xiàn)為宜香優(yōu)800＜秀香優(yōu)8號(hào)＜花香優(yōu)357＜野香優(yōu)2988=麗香優(yōu)5號(hào)＜中優(yōu)808＜中優(yōu)295＜蓉3優(yōu)918＜野香優(yōu)莉絲＜樂(lè)優(yōu)891。

表4 Ni污染稻田不同水稻品種對(duì)Ni的富集系數(shù)Tab.4 Bioconcentration coefficient of Ni in different rice varieties in Ni contaminated paddy fields

2.3.2 Ni 污染稻田不同水稻品種各部位對(duì)Ni 的轉(zhuǎn)運(yùn)特征 由表5 可知，10 個(gè)水稻品種TF稻殼—稻米、TF莖—稻殼、TF莖—葉、TF根—莖分別為1.366～7.295、0.258～1.556、0.506～1.626、0.030～0.139，整 體 上 表 現(xiàn) 為TF根—莖＜TF莖—稻殼＜TF莖—葉＜TF稻殼—稻米。TF稻殼—稻米整體較高，不同品種的TF稻殼—稻米均大于1.00，說(shuō)明在水稻植株內(nèi)Ni 易從稻殼向稻米中遷移，且品種樂(lè)優(yōu)891、野香優(yōu)2988的TF稻殼—稻米顯著大于其他品種，遷移能力最小的品種為宜香優(yōu)800。Ni從莖向稻殼轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，遷移能力最大的品種為野香優(yōu)莉絲，遷移能力最小的品種為野香優(yōu)2988，其TF莖—稻殼明顯低于其他水稻品種。Ni從莖向葉轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，野香優(yōu)莉絲遷移能力最大，其TF莖—葉明顯高于其他水稻品種，遷移能力最小的品種為中優(yōu)808。Ni 從根向莖轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，遷移能力較高的水稻品種為中優(yōu)295、中優(yōu)808，其TF莖—葉均為0.139，遷移能力最小的為野香優(yōu)莉絲。

表5 Ni污染稻田不同水稻品種對(duì)Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Tab.5 Transport coefficients of Ni in different rice varieties in Ni contaminated paddy fields

2.4 Ni污染稻田不同水稻品種稻米Ni含量的聚類分析

基于稻米中Ni含量對(duì)水稻品種進(jìn)行聚類，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 知，可將10 個(gè)水稻品種劃分成3 類。第Ⅰ類為低值類品種：中優(yōu)808、宜香優(yōu)800、中優(yōu)295、秀香優(yōu)8 號(hào)、花香優(yōu)357、野香優(yōu)2988、蓉3 優(yōu)918、麗香優(yōu)5 號(hào)共8 個(gè)品種；第Ⅱ類為中間值類品種：野香優(yōu)莉絲；第Ⅲ類為較高值類品種：樂(lè)優(yōu)891。

圖1 基于稻米Ni含量的Ni污染稻田水稻品種聚類分析Fig.1 Cluster analysis of rice varieties in Ni contaminated paddy fields based on rice Ni content

2.5 Ni污染稻田不同水稻品種Ni健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（3）計(jì)算水稻Ni 重金屬污染目標(biāo)危害系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表6。不同水稻品種對(duì)成年、兒童的THQ 值均小于1，表明當(dāng)?shù)鼐用袷秤盟静淮嬖诮】碉L(fēng)險(xiǎn)。其中，成人當(dāng)中成年女性的THQ 值大于成年男性，且兒童的THQ 值均大于成人。成年男性、成年女性及兒童的THQ值大小排序均為宜香優(yōu)800＜秀香優(yōu)8 號(hào)＜花香優(yōu)357＜麗香優(yōu)5 號(hào)＜中優(yōu)295＜野香優(yōu)2988＜中優(yōu)808＜蓉3 優(yōu)918＜野香優(yōu)莉絲＜樂(lè)優(yōu)891。

表6 Ni污染稻田不同水稻品種Ni健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.6 Ni health risk index of different rice varieties in Ni-contaminated paddy fields

3 結(jié)論與討論

植株各部位的富集重金屬能力主要取決于本身的生理特性和環(huán)境因素[24-26]。本研究對(duì)10個(gè)水稻品種的不同部位進(jìn)行Ni富集差異化比較發(fā)現(xiàn)，根部富集能力大于水稻其他部位，且其Ni含量最高。這可能是禾本科植物的根系分泌物為麥根酸類物質(zhì)，不僅可活化土壤中難溶性鐵（Fe），還能活化重金屬Cd、Ni、銅（Cu）、錳（Mn）、鋅（Zn）等元素，進(jìn)而促進(jìn)水稻根部對(duì)Ni 的吸收[27]。稻米對(duì)Ni 的富集能力僅次于根部，該結(jié)果與康立娟等[28]的研究結(jié)果不一致，可能是由于不同基因型水稻品種對(duì)Ni 吸收累積能力和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制不同導(dǎo)致對(duì)Ni 的敏感度不同。研究結(jié)果表明，植物種類的差異直接導(dǎo)致對(duì)重金屬吸收能力有差異[29]。白玉杰等[11]的研究表明，茄果類作物對(duì)Ni 富集能力較弱，而谷物類作物對(duì)Ni 的富集能力較強(qiáng)。而關(guān)卉等[30]和廖自基[31]的研究結(jié)果表明，相比于蔬菜和水果而言，稻米含Ni 量更高。本研究中，品種樂(lè)優(yōu)891、野香優(yōu)莉絲的稻米對(duì)Ni的富集能力明顯大于其他8 個(gè)水稻品種，而富集最低的品種為宜香優(yōu)800。不同品種水稻稻米對(duì)Ni富集存在差異，可能是由于水稻基因型不同導(dǎo)致，吳明言等[14]、譚周镃[32]的研究已經(jīng)證實(shí)，基因型差異會(huì)導(dǎo)致重金屬富集能力差異。

Ni 在水稻不同部位間的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為TF根—莖＜TF莖—稻殼＜TF莖—葉＜TF稻殼—稻米。這與前人研究結(jié)果不同，李貴杰[33]的研究表明，Cd 等重金屬在水稻中以TF根—莖為最大。本研究中，水稻Ni 的TF根—莖最小，這可能是Ni與其他重金屬在水稻植株內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)能力有差別，有待進(jìn)一步探索。有研究指出，隨著水稻生長(zhǎng)至成熟期，莖部重金屬的代謝能力減弱，致使土壤和根部的重金屬易遷移累積到莖部[34]，導(dǎo)致莖部Ni含量低于根但大于葉，這與本研究結(jié)果一致。品種樂(lè)優(yōu)891、野香優(yōu)2988 的TF稻殼—稻米值顯著大于其他8 個(gè)品種，轉(zhuǎn)運(yùn)能力最小的品種為宜香優(yōu)800，而且10 個(gè)品種的TF稻殼—稻米值均大于1，說(shuō)明Ni在水稻植株內(nèi)易累積在稻米中，通過(guò)食物鏈危害人體健康的風(fēng)險(xiǎn)較高。秦冉等[35]的研究結(jié)果表明，不同品種水稻遺傳特性會(huì)導(dǎo)致其對(duì)重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生差異。稻米中Ni 含量主要取決于根系對(duì)Ni 的吸收能力以及根到莖、葉的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，吸收能力越強(qiáng)，則轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的Ni 就越多。土壤中Ni 的供應(yīng)是次要因素，Ni在植株內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的生理生化過(guò)程更為重要[36]。還有研究表明，土壤中鐵錳氧化物對(duì)Ni具有強(qiáng)烈吸附性。BHATTACHARYYA 等[37]的研究結(jié)果表明，在淹水狀態(tài)下，土壤中Ni 的生物可利用性顯著增加，這可能是由于Ni結(jié)合的鐵錳氧化物在還原狀態(tài)下具有可溶性，導(dǎo)致Ni 易于被水稻吸收。事實(shí)上，水稻中重金屬的積累、運(yùn)輸和排泄過(guò)程非常復(fù)雜，涉及應(yīng)激蛋白的調(diào)控機(jī)制和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的運(yùn)輸機(jī)制等[38]，參與水稻對(duì)重金屬積累和運(yùn)輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)。

人類攝取含重金屬的食物帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)受作物品種差異影響，本研究結(jié)果表明，10 個(gè)水稻品種對(duì)成年男女、兒童的THQ值均小于1，表明當(dāng)?shù)鼐用袷秤玫久撞淮嬖诮】碉L(fēng)險(xiǎn)。不同人群THQ 值表現(xiàn)為兒童＞成年女性＞成年男性，說(shuō)明兒童通過(guò)食用稻米造成潛在健康風(fēng)險(xiǎn)較成人更大。綜合成年男女及兒童的THQ 值及聚類分析結(jié)果認(rèn)為，食用宜香優(yōu)800風(fēng)險(xiǎn)值最低。