三種蔬菜對鎳累積轉運規律及食用安全研究

白玉杰，沈根祥，陳小華，郭春霞，錢曉雍，趙曉祥，周忠強

（1.東華大學環境科學與工程學院，上海 201020；2.上海市環境科學研究院，上海 200233；3.華東理工大學資源與環境學院，上海200237）

長期以來，由于我國經濟發展方式粗放和產業結構布局不合理，污染物排放總量居高不下，部分地區土壤重金屬污染嚴重，對農產品質量安全和人體健康構成了嚴重威脅[1]。土壤重金屬污染不僅影響農作物生長，更為重要的是土壤中重金屬經植物吸收和轉運后進入食物鏈被動物和人類吸收并在體內累積，最終對動物和人產生極強的毒害作用[2]。隨著工業的不斷發展，越來越多的鎳被釋放到環境中引起大氣、水、土壤環境中鎳的累積[3]。鎳是某些高等植物必需營養元素，但在過量的情況下鎳也是一種有毒的化學物質[4-5]。世界衛生組織（WTO）所屬的國際癌癥研究機構（IACR）公布的39種（類）對人致癌物質中鎳被列為其中之一。為控制鎳對人體危害世界上許多國家已制訂了鎳的排放標準，工業方面鎳對人體的危害已經逐漸為人們所認識并加以控制[6]。農業方面作物中鎳主要來源于土壤，楊國義等對珠江三角洲典型區域農業土壤中鎳含量進行調查，結果表明有24.9%的土壤樣品中鎳含量超過國家土壤環境質量標準（GB 15618—1995）的二級標準，鎳已經成為僅次于汞的重要污染物[7-8]。目前國家大力推進低效工業用地復墾減量化工作，但缺乏基于食用農產品質量安全的低效工業用地復墾農用土壤環境質量分級標準體系。一些低效工業用地可能會有鎳污染，而國家《土壤污染風險管控標準農用地土壤污染風險篩選值和管制值》中鎳只有篩選值（100 mg·kg-1），沒有管控值。關于鎳對農作物毒性及在農作物體內累積轉運規律前人進行了一些研究，已有的研究證明：不同作物品種對鎳的累積量各有差異，玉米對鎳的富集能力最強，葉菜類蔬菜對鎳富集能力較高，瓜果根莖類鎳富集能力最低[9-11]。作物中鎳含量與土壤鎳含量間有較好的相關性[12-13]。目前大多數研究主要集中在田間土壤和作物的鎳污染分布及污染程度的調查以及配制低濃度鎳的盆栽實驗。有關高濃度鎳污染土壤與作物中鎳含量及轉運規律的研究還不夠深入。

本文通過盆栽實驗探討鎳對黃瓜、豇豆、青椒3種人們日常餐桌上蔬菜的影響，研究鎳在3種蔬菜體內累積遷移規律。為合理利用鎳污染土壤提供理論依據，以此依據為基礎形成基于食用農產品質量安全的低效工業用地復墾農用土壤環境質量分級標準體系，為指導無公害蔬菜生產及利用生物修復技術治理土壤鎳污染提供理論支持，對土壤鎳污染防治及農產品安全生產具有現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料

盆栽試驗于2017年在上海市青浦現代智能農業園進行。前期選取需要復墾為農用地的某電鍍廠表土（理化性質及重金屬含量見表1～表2），經風干、磨碎后作為供試土。選用鎳作為污染重金屬，以分析純試劑硝酸鎳配制成鹽溶液加入到供試土中模擬污染土，混勻進行盆栽實驗。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

表2 供試土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 2 Heavy metals concentration of soil samples（mg·kg-1）

供試蔬菜選用人們餐桌上常見的3種不同類型蔬菜，黃瓜（Cucumis sativus L.）、豇豆（Vigna unguicu?lata）、青椒（Capsicum annuum L.）。

1.2 盆栽實驗設計

參考土壤環境質量標準（GB 15618—1995三級標準）以及文獻報道，每種蔬菜盆栽實驗設5個梯度同時設空白對照（原土）共6個處理，每個處理設3個平行，共計54盆。土壤中鎳濃度設計為200、350、500、650、800 mg·kg-1，按照設定的標準濃度稱取相應質量的硝酸鎳加水稀釋至一定量與土壤充分混合、拌勻，每個處理施相同的有機肥以底部帶有空隙的塑料盆進行實驗，盆底加盆托防露土。塑料盆直徑30 cm，高約25 cm，每盆供試土壤5 kg。盆栽露天放置，生長期間根據實際情況定量澆水，各盆栽采取一致的管理。

1.3 樣品采集與分析方法

土壤穩定一周后進行育苗，蔬菜生長期間保持土壤濕度為田間持水量60%。實驗開始后每日早上觀察幼苗的生長發育狀況，9～15周進行采摘稱重確定農作物產量。

土壤測定：四分法取土樣，風干、研磨、過篩。pH值、有機質、CEC、N、P、K等均參照《土壤農業化學分析方法》進行測定[14]。土壤中重金屬指標采用火焰原子吸收分光光度計法（Agilent 280 AA）測定。

蔬菜可食部分鎳含量測定：按照GB/T 5009.138—2017推薦方法，采集盆栽蔬菜樣品可食部分，用自來水沖洗干凈，再以去離子水沖洗，用濾紙吸去表面水份后用食品加工器粉碎，制成待測樣放入塑料瓶中，冷凍保存用火焰原子吸收分光光度計法（Agilent 280 AA）測定鎳含量。

根、莖葉鎳含量測定：按照GB/T 5009.138—2017推薦方法，植物樣洗凈風干后分取根、莖葉粉碎，經濃硝酸-高氯酸消化，用火焰原子吸收分光光度計法（Agilent 280 AA）測定鎳含量。

1.4 數據處理方法

數據處理及統計分析使用Excel 2007和SPSS 12.0，作圖使用Origin 9.0。

1.5 農產品中鎳限量賦值方法

我國有關蔬菜、水果及糧食的衛生標準中還沒有具體對鎳的含量作出限定，本研究使用靶標危害指數法（Target hazard quotients，THQ）推算新鮮蔬菜中鎳限量值（mg·kg-1）。具體計算公式為：

式中：C為新鮮蔬菜中污染物的平均含量，mg·kg-1；EF為暴露頻率，365 d·a-1；ED為暴露年數，70 a；IR為我國每日新鮮蔬菜攝入率，成人攝入率按335 g·d-1，兒童攝入率按232 g·d-1；BW為我國人體的平均體重，成人體重按60 kg計，兒童體重按33 kg計；AT為平均暴露時間，365 d·a-1×暴露年數a。RfD為經口攝入參考劑量（Reference dose），主要參考美國國家環保局（EPA）綜合風險信息系統（IRIS）及其他來源針對主要污染指標的參考劑量，鎳為0.02 mg·kg-1·d-1[15-16]。

當THQ值≤1，表明人體對目標區生長的蔬菜消費基本不產生健康風險；THQ值＞1時，可引起人體健康風險。這里設置THQ=1，按上述公式推算出新鮮蔬菜鎳的限量值（mg·kg-1）。

2 結果與討論

2.1 不同濃度鎳處理土壤對3種蔬菜生物量的影響

根據實驗設計在不同濃度鎳污染處理的土壤中種植黃瓜、豇豆、青椒3種蔬菜，待蔬菜成熟后采摘蔬菜可食部分，用去離子水清洗，稱重，確定生物量。由圖1可知，在所研究的鎳濃度條件下，由于3種蔬菜類型不同鎳對其生物量的影響也不同。隨著土壤中鎳含量的增加，黃瓜生物量呈增長趨勢；青椒和豇豆生物量先增加后減少。當土壤中鎳濃度為650 mg·kg-1時達到青椒和豇豆的生長抑制濃度，開始抑制青椒、豇豆生長，實驗濃度范圍沒達到黃瓜生長抑制濃度。通過對玉米、紫花苜蓿、小白菜、萵筍等作物實驗發現低濃度鎳促進植株生長，高濃度鎳抑制生長，生物量表現出先增后減的趨勢，由于作物類型不同抑制濃度也不同[17-20]。原因分析可能為低含量的鎳對蔬菜生長有積極的“刺激作用”，改善氮素利用，促進植物體內一些酶的活性，促進植物生長[21]。當超過某一閾值時，通過抑制作物的細胞分裂和伸長，刺激和抑制一些酶的活性影響組織蛋白質合成、降低光合作用和呼吸作用、傷害細胞膜系統，出現生長遲緩、植株矮小、產量下降甚至死亡等癥狀[22]。

圖1 3種蔬菜新鮮可食部分鮮重Figure 1 Fresh weight of edible parts in three kinds of vegetable

2.2 3種蔬菜體內鎳分布規律及轉運特征

對3種蔬菜根、莖葉、可食部分鎳含量分析發現莖葉和根中鎳含量遠遠高于可食部分鎳含量（圖2）。由于3種蔬菜屬于不同的品種，相同部位鎳含量存在差異。黃瓜莖葉中鎳含量最高，豇豆根部和可食部分鎳含量最高。在相同的鎳污染濃度下黃瓜、豇豆對鎳的累積量高于青椒，鎳容易在黃瓜莖葉、豇豆根部和可食部分累積。作物對重金屬的吸收與積累存在物種、品種和同一作物不同器官的差異[23-26]。

圖2 3種蔬菜體內各部位鎳含量Figure 2 Concentrations of Ni in the tissues of three vegetables

重金屬對作物的毒害是因為它被植物吸收并向植株地上部運輸[27]。在初步了解3種蔬菜各不同部位鎳含量的基礎上，采用轉運系數來更準確地反映鎳向蔬菜不同部位的遷移規律。轉運系數（TF）用于表征重金屬通過根部向地上不同器官轉運的能力[28]，轉運系數越大表明重金屬從根系向地上器官轉運能力越強，重金屬轉運系數越小，說明重金屬越易于在根部累積。根-莖葉轉運系數為莖葉和根系中重金屬含量比值，根-可食部分轉運系為可食部分與根系中重金屬含量比值。對3種蔬菜根-可食部分轉運系數和根-莖葉轉運系數的研究發現（圖3），青椒根-可食部分、根-莖葉的轉運系數分別為0.05～0.12、0.3～0.7；黃瓜根-可食部分、根-莖葉的轉運系數分別為0.02～0.1、0.8～3；豇豆根-可食部分、根-莖葉的轉運系數分別為 0.08～0.5、0.27～0.45。在所研究的鎳濃度范圍內，青椒根-可食部分轉運系數減少，根-莖葉轉運系數先增加后減少，當土壤中鎳濃度為500 mg·kg-1時根-莖葉轉運系數達到最大；黃瓜根-可食部分轉運系數減小，根-莖葉轉運系數增加；豇豆根-可食部分、根-莖葉轉運系數降低。鎳在3種蔬菜中由根向莖葉轉運比根向可食部分轉運容易，豇豆根-可食部分轉運系數高于青椒和黃瓜；黃瓜根-莖葉轉運系數高于青椒和豇豆。由于不同作物生長特性及遺傳特性的不同所以對土壤重金屬的吸收、富集表現出顯著的差異性[29]。通過轉運系數進一步說明了重金屬向作物不同部位轉運的能力存在品種差異。

2.3 3種蔬菜可食部分鎳富集規律與食用安全分析

作物對重金屬的吸收能力通過富集系數（Biocon?centration coefficient，BCF）量化表現[30-31]。富集系數（BAFs）通常能直觀的表示植物對重金屬的吸收累積能力，富集系數=植株重金屬含量（mg·kg-1）/土壤重金屬含量（mg·kg-1），一般來說作物對重金屬的富集系數越小，則表明其吸收重金屬的能力越差，抗土壤重金屬污染的能力則較強[32-33]。3種蔬菜可食部分富集系數表現出明顯的差異（圖4）。豇豆可食部分的富集系數接近青椒、黃瓜的2倍。豇豆可食部分富集系數呈下降趨勢最高為0.017；青椒和黃瓜可食部分富集系數在0.003～0.007范圍內，青椒和黃瓜可食部分富集系數表現為先增加后減少的趨勢，當土壤中鎳濃度為650 mg·kg-1時達到最大：青椒為0.006 9，黃瓜為0.005 6。北京市蔬菜和菜地土壤鎳含量狀況大規模調查發現云架豆鎳富集系數較高，黃瓜、辣椒次之[34]。蔡莎莎通過對不同種類的蔬菜對鎳的富集能力研究發現蔬菜對鎳的富集系數為0.003 4～0.017 7[35]。黃瓜、豇豆、青椒可食部分鎳含量與土壤中鎳投加量呈顯著正相關關系，回歸方程分別為y=0.005x-0.5、y=0.013x+0.689、y=0.008x-1.003，r2為 0.973、0.984、0.992，p＜0.05。在鎳作用下，生物量較小的豇豆可食部分表現出鎳的高累積，且對鎳的累積隨土壤中鎳含量增加而增加。青椒、黃瓜同為茄果類蔬菜，體內鎳累積量與累積趨勢相似，累積量均低于豇豆，累積趨勢較緩。作物吸收重金屬，主要取決于作物本身的遺傳因素[36-38]。

圖3 鎳在3種蔬菜體內各部位轉運系數Figure 3 Transport coefficients of Ni in different parts of three vegetables

圖4 3種蔬菜可食部分鎳富集系數Figure 4 Bioconcentration factor of Ni in edible parts of three vegetables

目前我國有關蔬菜、水果及糧食的衛生標準中尚未對鎳含量做出限定，只有油脂及其制品中鎳的限量標準（GB 2762—2017，1 mg·kg-1）。根據美國國家環境保護署（USEPA）推薦鎳的人體最大允許攝入量（RfD）0.02 mg·kg-1·d-1可推算出新鮮蔬菜可食部分鎳限量值（成年人3.58 mg·kg-1，兒童2.83 mg·kg-1）。當土壤中鎳含量為200 mg·kg-1（土壤環境質量三級標準）時，豇豆中鎳含量已達到成人食用新鮮蔬菜鎳的限值，隨著土壤中鎳含量的增加，3種蔬菜可食部分鎳含量均增加，當土壤中鎳含量達650 mg·kg-1時3種蔬菜中鎳含量都超過成人食用新鮮蔬菜鎳含量限值（圖5）。在所研究土壤鎳濃度范圍內，3種蔬菜的生長沒有受到明顯抑制且都沒有表現出毒性效應。加拿大的科爾伯恩港（Port Colborne）附近的某鎳冶煉廠周邊田間試驗表明：當土壤中鎳含量遠高于1000 mg·kg-1時仍未觀察到燕麥受其毒害的影響[39]。鎳污染土壤種植的蔬菜雖然表現良好的生長趨勢，但其體內鎳含量可能已經超過食品安全限值。鎳污染土壤農用種植作物要做好品種選擇，避免種植豇豆等高富集鎳的作物，選擇種植食用部位鎳累積少的作物能有效降低農產品污染風險保證食品衛生安全。同時對于中度鎳污染土壤，可以種植高富集鎳植物把污染土壤中的鎳含量降到允許范圍然后進行農用。重金屬超量積累植物具有很高的吸收和積累重金屬的能力，至今已發現400多種植物能夠超量積累各種重金屬，其中就以超量積累鎳的植物最多[40]。

圖5 3種蔬菜新鮮可食部分鎳含量Figure 5 Ni content in fresh edible parts of three kinds of vegetable

3 結論

（1）低濃度鎳污染土壤對蔬菜生長、產量影響不明顯，甚至有促進作用。由于3種蔬菜類型不同，鎳對3種蔬菜生長的抑制濃度也不同，黃瓜生長抑制濃度高于青椒和豇豆。

（2）在整個蔬菜植株中，根、莖葉的鎳含量約占總量的95%，可食部分的鎳含量占5%。黃瓜中鎳主要累積在莖葉，青椒、豇豆中鎳主要累積在根部。土壤中鎳濃度的增加提升了根向莖葉運輸鎳的能力，根向可食部分的運輸能力降低。

（3）隨著土壤中鎳含量增加，3種蔬菜可食部分鎳含量表現為增加趨勢與土壤中鎳含量呈顯著正相關關系。3種蔬菜可食部分對鎳的富集能力不同，生物量較小的豇豆表現出鎳的高累積。

（4）鎳富集系數低的蔬菜品種種植在鎳含量相對較高的土壤中其可食部分吸收的鎳也不容易超標。因此，在種植蔬菜時，應根據土壤鎳含量狀況和蔬菜鎳的富集能力進行蔬菜品種的選擇，尤其值得注意的是豆類蔬菜抗鎳污染能力較弱。