3 種農作物可食用部分對銫的蓄積特性

賴金龍，付 倩，陶宗婭，*，何 嬌，羅學剛

（1.四川師范大學生命科學學院，四川 成都 610101；2.西南科技大學 生物質材料教育部工程研究中心，四川 綿陽 621010）

3 種農作物可食用部分對銫的蓄積特性

賴金龍1，付 倩1，陶宗婭1，*，何 嬌1，羅學剛2

（1.四川師范大學生命科學學院，四川 成都 610101；2.西南科技大學 生物質材料教育部工程研究中心，四川 綿陽 621010）

采用盆栽實驗模擬土壤銫（Cs）污染（0、25、50、100 mg/kg）條件下，研究3 種農作物（蠶豆、油菜和印度芥菜）可食用部分在不同生育期（苗期、現蕾期和成熟期）對Cs+的蓄積特性及受污染狀況。結果表明，蠶豆、油菜和印度芥菜對Cs+具有較強的富集能力，且蓄積量大小順序為印度芥菜＞油菜＞蠶豆。苗期階段，當Cs+水平≥50 mg/kg時，各器官（根、莖和葉）的污染指數（pollution index，PI）均大于3，已受到重度污染。現蕾期階段，隨Cs+污染水平的增加，3 種農作物各器官（根、莖和葉）對Cs+的蓄積量均顯著增加（P＜0.05），且蓄積量明顯高于苗期；當Cs+水平≥25 mg/kg時，各器官PI大部分大于3，已受到重度污染。成熟期階段，經檢測3 種農作物的種子對Cs+的蓄積量達到9.62%～10.93%；當Cs+水平≥25 mg/kg時，3 種農作物的種子已受到中度及以上污染。

銫；蓄積；污染指數；蠶豆；油菜；印度芥菜

銫（Cs）為第一主族堿金屬元素，化學性質與鉀（K）相似，其穩定同位素133Cs是制造真空件器、光電管等的重要材料，廣泛應用于電子產品、催化劑和醫學等領域［1］。隨著核工業的發展、核設施的運行及突發性核事故（如切爾諾貝利核事故和日本福島核事故）的發生，大量核廢棄物進入土壤和水體［2-3］，其中Cs的放射性同位素134Cs和137Cs為鈾的核裂變廢棄物，裂變量大、易擴散、半衰期長［4］。當大量的133Cs、134Cs和137Cs進入環境，導致土壤背景值升高，對生態系統造成嚴重污染［5］。

已有研究表明，Cs+的環境生物學效應具有雙重性，少量的Cs+可維持植物細胞內電解質平衡，過量的Cs+進入細胞后可取代K+，導致代謝過程中需要K+起作用的關鍵組分失去活性，嚴重影響植物的生長代謝［6-7］。植物生長過程中可通過根系吸收Cs+并向地上部分轉移，如水培條件下，蠶豆［8］、甘藍型油菜［9］和轉pprI基因油菜幼苗［10］的根是Cs+的主要蓄積器官；向日葵［11］、紫狼尾草［12］和莧菜［13］等植物的葉是Cs+的主要蓄積器官。植物將133Cs、134Cs和137Cs從土壤轉移到植物體內，進一步通過食物鏈轉移到動物或人體內，對人類健康構成威脅［14］。

目前，我國不同地區土壤中Cs的背景值范圍為2.60～19.95 mg/kg（無污染區），平均值為8.24 mg/kg［15］，污染區土壤中Cs+污染水平約為50 mg/kg［16］，但在GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中尚無Cs+的限量標準［17］。現階段關于農作物對Cs+的蓄積特性研究主要是水培方式，短期（苗期）內檢測Cs+在各器官的蓄積量［18-19］，但水培條件與土壤環境存在較大差異，且農作物在苗期對Cs+的蓄積量尚無法全面評估農作物整個生育期各器官對Cs+蓄積特性，尤其是農作物種子中Cs+的蓄積量鮮有報道。蠶豆（Vicia faba L.）為豆科野豌豆屬一年生或越年生草本，是糧食、蔬菜、飼料和綠肥兼用作物；甘藍型油菜（Brassica napus L.）是我國主要農作物之一，種子是重要的油料來源；芥菜型油菜，如印度芥菜（Brassica juncea L.）作為重金屬超富集植物，轉移能力強，其種子也是重要的油料來源［20］。因此，為了全面評估農作物可食用部分對Cs+的蓄積特性，本研究選取蠶豆、甘藍型油菜和印度芥菜3 種作物，采用盆栽實驗模擬Cs+污染條件，分析農作物不同生育期對Cs+的吸收累積特性及污染狀況，為農作物中Cs+污染限量標準的制定及潛在風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

蠶豆（Vicia faba L.），品名為成胡20#；油菜（Brassica napus L.），品名為川油43#，購自四川農科種業有限公司。印度芥菜（Brassica juncea L.）購自武漢安谷植物科技有限公司。塑料花盆（d=15 cm），每盆裝土2 kg。盆栽所用土壤質地為壤土，其基本理化性質為有機質42.04 g/kg、全氮2.53 g/kg、堿解氮207.1 mg/kg、全磷1.21 g/kg、有效磷361.4 mg/kg、全鉀18.62 g/kg、速效鉀459.2 mg/kg、pH 7.02、銫的背景值11.52 mg/kg。

1.2 試劑與儀器

氯化銫（CsCl） 上海歐金實業有限公司；乙二胺四乙酸二鈉（ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt，EDTA-2Na）、硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）成都市萇鉦化玻有限公司；以上試劑均為分析純。

TAS-990火焰原子吸收分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 實驗設計

目前我國土壤中Cs+的污染水平約為50 mg/kg［16］。據此，本研究模擬Cs+污染水平，Cs+濃度設計為25、50、100 mg/kg，以不添加外源Cs+組作為對照組（CK），外源Cs+的施加形式為CsCl。在盆栽模擬實驗條件下，為了避免灌水后造成Cs+在土壤中的沉降和流失，造成污染水平的變化。本研究已提前將Cs+添加到土壤中老化6 個月，即：將高濃度Cs+溶液澆灌到一定質量的土壤中，混勻，保持最大持水量，暗室放置6 個月。經金屬老化過程后，Cs+已經與土壤微粒充分結合，可避免Cs+的流失，維持最初設計的Cs+污染水平。同時，也保證了盆栽模擬實驗中生物可利用的Cs+含量與污染區土壤中可利用的Cs+含量相近，避免了采用溶液培養法，造成營養液中的Cs+均為生物可利用的Cs+，使設計濃度高于污染區土壤中可利用的Cs+的實際濃度的問題。

采用土壤逐步稀釋法，稱取老化后的土壤，與無污染土壤進行混合，稀釋至所需污染水平后，裝盆（2 kg/盆）。實驗采用3×4×3×3全組合設計，即3 種試材、4 個污染水平、3 個生育期（苗期、現蕾期和成熟期）和3 次重復實驗。2014年10月，擇期播種，按大田栽培管理要求進行灌水和追肥，分別在苗期（2014年12月）、現蕾期（2015年2月）和成熟期（2015年5月）采集植物樣本。植物根系依次用自來水沖洗、20 mmol/L EDTA-2Na處理20 min和去離子水沖洗，再將樣本分為根、莖、葉、花、莢和種子等部分，110 ℃殺青10 min，65 ℃烘至恒質量，植物粉碎機磨碎后，過2 mm塑料篩，備用。

1.4 實驗方法

稱取植物樣本約0.500 g至錐形瓶中，采用濕法消解法（HNO3-HClO4（3∶1，m/V）），每個樣品中加入消解液10 mL，置于電爐上，加熱至微沸，保持微沸狀態，直至將各植物樣本消解至澄清，待冒白煙時，加入適量去離子水（約5 mL），趕出殘留酸液，冷卻后消解液用去離子水定容至50 mL，用火焰原子吸收分光光度計測定Cs+含量，主要儀器參數：檢測波長852.1 nm，光譜帶寬0.4 nm，燈電流4.0 mA，濾波系數1.0，積分時間3 s，燃燒器高度5 cm，火焰類型空氣-C2H2，貧燃焰（空氣0.22 MPa，1 600 mL/min，C2H20.05 MPa，1 400 mL/min），重復次數3 次。根據儀器操作說明，以銫標準溶液質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到回歸方程為y=0.067 7x-0.000 8（R2=0.999 9）。將樣品吸光度代入標準曲線回歸方程計算Cs+含量。

農作物污染指數（pollution index，PI）按以下公式計算。

污染等級及污染指數范圍：PI=1為農作物未受污染；1＜PI≤2為農作物受輕度污染；2＜PI≤3為農作物受中度污染；PI＞3為農作物受重度污染［21-22］。

1.5 數據處理與分析

采用SPSS 18.0軟件對數據進行方差分析，Duncan's法多重比較，Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 農作物苗期對Cs+的蓄積量

經檢測，無污染土壤即對照組（CK）中Cs+的背景值為11.52 mg/kg，其含量在我國不同地區土壤中銫的背景值范圍（2.60～19.95 mg/kg），可作為無污染土壤。因此，在CK組中，各作物對Cs+的蓄積量可視為其背景含量，即無污染條件下的蓄積量。由表1可知，隨Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蠶豆、油菜和印度芥菜苗期各器官（根、莖和葉）對Cs+的蓄積量均顯著增加（P＜0.05）；當Cs+水平為100 mg/kg時，3 種農作物的根、莖和葉對Cs+的蓄積量均達最高，蠶豆蓄積量為64.16～71.61 mg/kg、油菜為111.70～123.58 mg/kg、印度芥菜為96.70～171.82 mg/kg。污染指數顯示，當Cs+水平≥50 mg/kg時，3 種農作物根、莖和葉的PI均大于3，已達到重度污染水平；其中蠶豆根部Cs+的污染指數高達11.53，油菜莖部污染指數高達11.65，印度芥菜葉部污染指數高達12.73。同時，Cs+在各器官中不同污染水平的平均相對含量顯示，蠶豆根、莖、葉中Cs+的蓄積量分別占總蓄積量的30.85%、31.68%和37.47%。油菜和印度芥菜根中Cs+的蓄積量占比分別為37.26%和35.89%，莖中Cs+的蓄積量占比為26.93%和25.41%，葉中Cs+的蓄積量占比為36.06%和38.71%。結果表明， 蠶豆、油菜和印度芥菜對Cs+具有較強的富集能力，易將污染土壤中的Cs+富集到植物體內，在現有污染水平（50 mg/kg）上，苗期階段各器官已受到重度污染，可食用部分存在安全風險。

2.2 農作物現蕾期對Cs+的蓄積量

由表2可知，隨Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蠶豆、油菜和印度芥菜現蕾期各器官（根、莖和葉）對Cs+的蓄積量均顯著增加（P＜0.05），且蓄積量明顯高于苗期；當Cs+水平為100 mg/kg時，蠶豆各器官對Cs+的蓄積量達到103.83～125.00 mg/kg、油菜為107.29～336.59 mg/kg、印度芥菜為131.37～321.14 mg/kg。污染指數顯示，當Cs+水平≥25 mg/kg時，3 種農作物根、莖和葉的PI大部分大于3，已達到重度污染水平；其中蠶豆莖部Cs+的污染指數高達16.61，油菜葉部污染指數高達26.37，印度芥菜葉部污染指數高達20.06。Cs+在各器官中不同污染水平的平均相對含量顯示，蠶豆根、莖、葉中Cs+的蓄積量占比分別為33.98%、31.91%和34.11%，其比例與苗期接近。油菜和印度芥菜根中Cs+蓄積量占比則下降至23.34%和26.96%；莖中比例與苗期接近，為30.05%和25.70%；但油菜和印度芥菜葉中Cs+蓄積量占比則明顯增加，達到46.61%和47.35%。結果表明，隨生育期的延長，3 種農作物在現蕾期對Cs+的富集量明顯升高，受污染程度加重。同時，Cs+更易從油菜和印度芥菜的根部轉運到地上部分，并大量蓄積在葉中，此時期作物的地上部分已受到嚴重污染。

2.3 農作物成熟期對Cs+的蓄積量

由表3可知，隨Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蠶豆成熟期各器官（根、莖、葉、莢和種）對Cs+的蓄積量均顯著增加（P＜0.05），油菜和印度芥菜各器官（根、莖、莢和種）對Cs+的蓄積量變化趨勢與此相同。當Cs+水平為100 mg/kg時，蠶豆根、莖、葉對Cs+的蓄積量與苗期接近，分別為72.14、79.92、68.12 mg/kg；油菜根、莖對Cs+的蓄積量分別為45.82 mg/kg和118.44 mg/kg；印度芥菜根、莖對Cs+的蓄積量分別為96.30 mg/kg和141.63 mg/kg。同時，蠶豆莢和種子部分Cs+的蓄積量分別達到73.08 mg/kg和20.48 mg/kg；油菜莢和種子部分Cs+的蓄積量達到150.46 mg/kg和41.85 mg/kg；印度芥菜莢和種子部分Cs+的蓄積量則達到217.72 mg/kg和68.22 mg/kg。污染指數顯示，當Cs+水平≥50 mg/kg時，蠶豆種子PI為2.37～3.68、油菜種子PI為2.87～6.48、印度芥菜種子PI為6.23～11.23，表明3 種作物種子均達到中度及以上污染（PI＞2.0），其中印度芥菜種子已達重度污染水平。Cs+在各器官中不同污染水平的平均相對含量顯示，蠶豆、油菜和印度芥菜種子中Cs+的蓄積量占比分別達到9.62%、10.93%和10.13%。結果表明，蠶豆、油菜和印度芥菜可將污染土壤中的Cs+轉運到種子中貯存，且已達到中度及以上污染水平，不宜食用。

3 討論與結論

本實驗采用盆栽實驗，模擬Cs+污染條件下，3 種農作物在不同生育期其可食用部分對Cs+的吸收累積特性及受污染狀況。結果顯示，在土壤Cs+污染的處理條件下，蠶豆、油菜和印度芥菜在Cs+的脅迫下，3 種作物在整個生育期均未出現葉片萎蔫、失綠等癥狀，此現象與水培實驗結果有所不同，如水培條件下，Cs+能顯著抑制莧菜、小麥和玉米的生長發育，降低生物量［13］；1 mmol/L Cs+可顯著抑制擬南芥幼苗生長，造成葉片黃化［23］。經分析，此差異主要是由于本實驗采用的是盆栽實驗，土壤環境可改變部分Cs+的化學形態，使有效態Cs+含量降低，進一步緩解了Cs+對作物的毒害［24］。3 種作物對Cs+的蓄積能力強弱呈現為：印度芥菜＞油菜＞蠶豆，且在3 種作物的現蕾期，各器官對Cs+的蓄積量達到最高，即當Cs+水平為100 mg/kg時，印度芥菜各器官對Cs+的蓄積量達到131.37～321.14 mg/kg、油菜為107.29～336.59 mg/kg、蠶豆為103.83～125.00 mg/kg，表明印度芥菜對Cs+具有較強的富集能力，其具有的高效抗氧化系統、損傷修復系統和轉運系統，使其對多種金屬（如：Cd、Zn、Cu等）以及Cs+具有較強的耐受及積累特性［20］。油菜與印度芥菜均屬于十字花科蕓薹屬，其代謝途徑與印度芥菜具有一定的相似性，造成其對Cs+的蓄積量也與印度芥菜接近。同時，蠶豆主要將Cs+蓄積到根部，其蓄積特性、蓄積量與蘿卜接近［25］，表明蠶豆對Cs+的轉運能力較弱，根部受污染程度較大。植物苗期對Cs+的蓄積特性已有報道［8-10］，結果與本實驗結果類似，即隨Cs+污染水平的增加，植物對Cs+的蓄積量也逐漸增加。然而，Cs+在苗期的蓄積量結果尚無法準確評估各生育期作物受污染程度，本實驗結果顯示，3 種作物在不同生育期對Cs+的蓄積量表現為現蕾期＞成熟期＞苗期，分析主要是現蕾期的植物生長代謝較為旺盛，根系發達，提高了根部對Cs+的富集能力；Cs+的蓄積量在成熟期有所降低，主要是由于該時期植物已經接近死亡，根系、葉片均枯萎，已進入體內的部分Cs+被重新釋放進入土壤，造成蓄積量的降低。同時，在作物的成熟期，3種作物的莢中均檢測到較高含量的Cs+，種子中的Cs+含量相對較低，說明莢具有阻滯Cs+向種子轉移的能力，降低了Cs+在種子中的蓄積量，其作用機理有待進一步研究。

3種農作物在苗期對Cs+的蓄積量大小順序為印度芥菜＞油菜＞蠶豆，當Cs+水平≥50 mg/kg時，3 種農作物的各器官已受到重度污染。3 種農作物在現蕾期對Cs+的富集量明顯升高，受污染程度加重。其中Cs+更易從油菜和印度芥菜的根部轉運到地上部分，并大量蓄積在葉中，造成植物地上部分受到重度污染。蠶豆、油菜和印度芥菜的種子對Cs+的蓄積量占比為9.62%、10.93%和10.13%，已達到中度及以上污染水平，不宜食用。

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Characteristics of Cesium Accumulation in Edible Portion of Three Crops

LAI Jinlong1， FU Qian1， TAO Zongya1，*， HE Jiao1， LUO Xuegang2
（1. College of Life Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610101， China； 2. Engineering Research Center of Biomass Materials， Ministry of Education， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Pot experiments were carried out to simulate cesium （Cs） pollution in soil （varying doses of Cs were set to 0， 25，50 and 100 mg/kg） and to explore the characteristics of Cs accumulation and the pollution situation in the edible portion of three crops （Vicia faba L.， Brassica napus L.， and Brassica juncea L.） within different growth stages. Results showed that all three crops were able to uptake Cs efficiently， and their Cs accumulation capacity displayed the following sequence：Brassica juncea L. > Brassica napus L. > Vicia faba L.. In the seedling stage， the pollution index （PI） of Cs in different organs （root， stem， and leaf） were all greater than 3 when Cs+was more than 50 mg/kg， indicating that these organs had been heavily polluted by Cs. In the squaring stage， Cs accumulation in different organs of three crops increased significantly with the increase in Cs concentration （P < 0.05）， reaching a level higher than that at the seedling stage. The pollution index （PI）of Cs in most organs investigated were greater than 3 when Cs+was more than 25 mg/kg， indicating serious Cs pollution in these organs. In the maturity stage， 9.62%-10.93% of Cs was found to be accumulated in the seeds of the three crops. When Cs+was more than 25 mg/kg， these seeds were at moderate and above pollution levels.

cesium； accumulation； pollution index； Vicia faba L.； Brassica napus L.； Brassica juncea L.

10.7506/spkx1002-6630-201609017

X56

A

1002-6630（2016）09-0087-05

賴金龍， 付倩， 陶宗婭， 等. 3 種農作物可食用部分對銫的蓄積特性［J］. 食品科學， 2016， 37（9）： 87-91. DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201609017. http：//www.spkx.net.cn

LAI Jinlong， FU Qian， TAO Zongya， et al. Characteristics of cesium accumulation in edible portion of three crops［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 87-91. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609017. http：//www.spkx.net.cn

2015-06-16

國家核設施退役及放射性廢物治理科研重點項目（14ZG6101）；四川省教育廳理工科重點課題（14ZA0030）；四川省教育廳大學生創新創業訓練計劃項目（201510636076）

賴金龍（1991—），男，碩士研究生，研究方向為生態毒理學。E-mail：599101592@qq.com

*通信作者：陶宗婭（1957—），女，教授，博士，研究方向為植物逆境生理學。E-mail：t89807596@163.com