甜瓜各器官6種重金屬元素富集及轉運能力差異的比較分析

沈 琦 顏國榮 馬玉娥孫 濤何偉忠* 王 成

(1.新疆農業大學 食品科學與藥學學院，烏魯木齊 830052； 2.新疆農業科學院 農業質量標準與檢測技術研究所/ 農村農業部農產品質量安全風險評估實驗室/ 新疆農產品質量安全重點實驗室，烏魯木齊 830091； 3.新疆農業科學院 農作物品種資源研究所/農業農村部 植物新品種測試(烏魯木齊)分中心，烏魯木齊 830091； 4.新疆農業科學院 科研管理處，烏魯木齊 830091)

《全國土壤污染狀況調查公報》顯示：我國19.4%的農田土壤存在重金屬元素污染現象，污染重金屬元素包括Cd、As、Cu、Cr、Pb和Ni等。在此背景下，評估這6種重金屬元素在甜瓜植株不同器官中富集能力的差異性，比較各階段轉運能力的異同，有利于支撐果實重金屬元素富集水平的調控，進而對其質量水平的不斷提升產生積極作用。國內外已見部分相關研究報道，如李靜[1]、王曉飛[2]等研究發現，玉米植株不同器官中Cd、Pb的濃度由高至低依次為：葉>根>莖>籽粒，與之不同，Cu的濃度由高至低則為：根>葉>莖>籽粒；同時與玉米不同，甘蔗不同部位Cu的濃度為：根>莖>葉，Pb的濃度為：根>葉>莖；也見不同品種蔬菜[3]、小麥[4]、辣椒[5]和櫻桃[6]等作物可食用部分或其他器官中重金屬元素富集差異的研究與報道。此外，國內外相關學者也對多種農產品重金屬元素轉運能力進行了研究與探討，涉及的農產品主要是水稻[7]、葡萄[8]和番茄[9]等，結果表明：Cd主要通過根部吸收進入水稻植株，且表現出一定的滯留作用；葡萄中Cd在莖—葉和莖—果階段轉運能力較弱，Cu在根—土和莖—果階段轉運能力較低；與之不同，番茄中Cd和Cu在土壤—根、葉—果實階段轉運能力偏弱。上述報道表明：不同作物對不同重金屬元素的富集能力不同，且各階段轉運能力有所差異。

我國是全球甜瓜生產與消費第一大國，甜瓜年種植面積約 53.3萬hm2(800萬畝)[10]，但關于甜瓜重金屬元素富集及轉運能力差異性的研究還不多，鑒于此，本文于果實成熟期，完成了瓜田土壤及甜瓜植株根、莖、葉、果實樣品的采集，在此基礎上，通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定了樣品中Cu、Cd、As、Cr、Ni、Pb 6種重金屬元素的含量，進而采用富集系數、轉運系數，依次評估了植株不同器官中重金屬元素富集能力的差異，比較了6種重金屬元素由土至甜瓜各器官不同階段轉運能力的迥異，以期為相應調控方法的研究與構建奠定前期基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

甜瓜(品種為黃蜜寶)，種植地點為新疆農業科學院綜合試驗場，由農業農村部植物新品種測試(烏魯木齊)分中心西瓜甜瓜DUS測試團隊參照NY/T 2342—2013《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南 甜瓜》進行種植和田間管理。

甜瓜種植時間為 2020年5月10日，樣品采集時間為成熟期，具體是2020年7月20日。采集方法：采集根、莖、葉、果實，帶回實驗室后，用去離子水沖洗、瀝干后，分別勻漿置于-18 ℃冰箱保存備用，每次采集5株，每株分別通過上述方式處理，重復5次；用木質工具采集對應表層0～30 cm土壤，剔除石塊殘根等雜物，按照四分法，多點混勻后，經風干、磨碎、過篩(0.15 mm)后備用。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

iCAP Qc型電感耦合等離子體質譜儀(Thermo Sciemtific公司，美國)；Mars 5型微波消解儀(聚四氟乙烯消解內罐，CEM公司，美國)；BAS223S型電子天平(賽多利斯公司，德國)；BHW-09C型趕酸儀(上海博通有限公司)；Millipore Mill-Q型超純水機(Millipore公司，美國)。

1.2.2 試劑

多元素混合標準溶液：Ag、Al、As、B、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Se、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn，100 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

標準溶液配制：用5%硝酸溶液(優級酸和去離子水配制)將多元素混合標準溶液逐級稀釋配制成質量濃度為0.1、0.5、1.0、10、50、100、300、500、1 000 ng/mL標準工作溶液，空白溶液使用5%硝酸(優級酸和去離子水配制)。

內標多元素混合液：Bi、Ge、In、Li、Re、Rh、Sc、Tb、Y，100 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

內標溶液配制：用5%硝酸溶液(優級酸和去離子水配制)將內標多元素混合液配制成濃度為30 ng/mL工作液。

標準物質(蒜粉，國家標準物質中心)；硝酸(Merck公司，德國)；本文所采用的化學試劑均為分析純及以上試劑。

1.3 重金屬元素含量定量方法

按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》進行溶液制備，采用Mars 5微波消解儀進行消解。稱取土壤樣品0.1 g(精確到0.000 1 g)于消解罐中，加入2 mL水、7 mL硝酸溶液和2 mL氫氟酸溶液；甜瓜樣品1 g(精確到0.000 1 g)于消解罐中，加入2 mL水和6 mL硝酸溶液，在通風櫥中靜置3 h，再放入Mars 5微波消解儀(設置溫度為120、150和190 ℃，升溫時間均為5 min，保持時間分別為5、10和20 min)進行充分消解。待消解完畢，冷卻后取出緩慢排氣。將消解罐放入趕酸儀中，趕酸至微量。后轉移至50 mL的容量瓶中，用超純水定容，搖勻備用，同時做空白實驗。

按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》進行重金屬元素測定，采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)對Cr、Ni、As、Cd和Cu 5種重金屬元素進行測定。儀器操作參考條件如表1所示。

表1 電感耦合等離子體質譜儀操作參考條件

根據GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》，重金屬元素含量的計算表達式為：

(1)

式中：X為試樣中待測元素含量，mg/kg；ρ為試樣溶液中被測元素質量濃度，μg/L；ρ0為試樣空白液中被測元素質量濃度，μg/L；V為試樣消化液定容體積，mL；f為試樣稀釋倍數；m為試樣稱取質量，g。

1.4 數據分析方法

1.4.1 富集系數

富集系數(BCF)是指植物體內某種重金屬元素含量與土壤中該元素含量的比值，它反映了植物對土壤中某一元素富集和吸收能力的強弱[11]。其計算公式為：

BCF=Cfruit/Csoil

(2)

式中，Cfruit表示櫻桃中的重金屬元素含量，mg/kg；Csoil表示土壤中的重金屬元素含量，mg/kg。

1.4.2 有效轉運系數

綜合文獻[8，12]報道的方法計算有效轉運系數，計算方法如公式(3)所示。

TF=Clatter/Cformer

(3)

式中，Clatter是指后一部分重金屬元素生物富集量，mg；Cformer是指前一部分重金屬元素生物富集量。mg。根—莖、莖—葉、莖—果實的重金屬元素有效轉運系數依次標記為TF1、TF2、TF3。

1.5 加標回收率實驗

Cr、Cu、As、Ni、Pb、Cd 6種重金屬元素在土壤、根、莖、葉、甜瓜果實樣品中的加標回收率均介于85.5%～128%，說明準確度較高。

2 結果與分析

2.1 土壤與甜瓜植株6種重金屬元素含量特征

土壤、甜瓜植株中6種重金屬元素含量分布情況見表1。土壤中重金屬元素含量由高至低依次為：Cr>Cu>As>Ni>Pb>Cd；6種重金屬元素在根、莖、葉和果實中的含量變化一致，均為Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd，與土壤重金屬元素含量并不呈顯著的協同關系。

甜瓜植株不同器官重金屬元素含量也有所不同，其中，根中6種重金屬元素的含量顯著高于其他部位，這主要體現在：根中Cr、Ni、Cu、Cd和Pb的含量是果實含量的6～18倍，As含量是果實含量的41倍，這說明各器官中，根中重金屬元素含量最高，其次為葉、莖和果實。

參照GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》中pH>7.5對應的風險篩選值，實驗用地土壤中6種重金屬元素元素含量均未超標。除Ni無限量外，其他5種重金屬元素在甜瓜果實中的含量均符合GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》要求。

2.2 甜瓜植株不同器官重金屬元素富集能力

甜瓜植株不同器官中6種重金屬元素富集系數見表2，由表2可以得出，甜瓜植株不同器官6種重金屬元素富集系數有較大差異，總體趨勢為根>葉>莖>果實，且根中6種重金屬元素富集系數最高，是莖、葉、果實中對應富集系數的2倍以上，這證實：甜瓜植株各器官中，根富集土壤中重金屬元素的能力最強，其次為葉、莖、果實。

表2 土壤、甜瓜植株中重金屬元素含量分布

同一器官對土壤中不同重金屬元素的富集能力也存在較大差異。這體現在：如表3所示，根、莖和葉3類器官中6種重金屬元素富集能力由高至低為Cd>Cu>Ni>Pb>Cr>As，果實重金屬元素富集能力與之大致相近，由高至低為Cd>Cu>Cr=Ni=Pb>As。這說明6種重金屬元素中，Cd更容易在甜瓜植株中富集，與之相比，As則相對不易在甜瓜植株中富集。

表3 甜瓜植株不同器官重金屬元素富集系數

2.3 重金屬元素在甜瓜植株不同部位中的轉運能力

不同重金屬元素TF1大小順序為Cd>Cu>Ni>Cr>Pb>As，其中Cd和Cu的轉運系數相對較高，分別為1.306和1.105，說明其轉運能力較強，Cr、Ni、As、Pb的轉運系數均低于0.60，轉運能力一般，As轉運系數最低為0.331，轉運能力很弱。不同重金屬元素TF3大小順序為Cr>Pb>Cu>Ni>Cd>As，其中Cr、Cu、Ni、Pb轉運系數分別為1.776、1.455、1.052、1.648，轉運能力較強，其次是As和Cd轉運系數為0.717和0.756，轉運能力一般(表4)。上述結果表明：不同重金屬元素在植株不同部位的遷移能力有所不同，對其進行深入分析，6種重金屬元素大致可以分為三類，第一類為Cr、Ni、As、Pb，此類特點是TF1

此外，甜瓜葉具有治療頭癬、生發等潛在藥用價值[13]，故本文進一步分析了根—莖—葉重金屬元素遷移各階段6種重金屬元素轉運能力的差異。結果表明：6種重金屬元素大致分為兩類，第一類是Cr、Ni、As、Pb，此類特點為TF1TF2。這表明：在根—莖—葉重金屬元素轉運過程中，Cr、Ni、As、Pb 4種重金屬元素由根至莖的轉運能力相對較弱；Cu和Cd由莖至葉的轉運能力相對更低。

表4 甜瓜不同器官重金屬元素有效轉運系數

3 討論

李靜[1]、王曉飛[2]等的報道顯示：玉米植株不同器官中Cd、Pb富集水平由高至低依次為：葉>根>莖>籽粒；甘蔗植株不同器官中As和Pb的富集能力與本文研究結果一致，為：根>葉>莖，與玉米植株重金屬元素富集有所不同。李武江等[14-15]研究結果顯示：高粱中重金屬元素的轉移能力大小依次為Pb>Zn>Mn>Cr>As；辣椒為As>Zn>Mn>Pb>Cr。這說明重金屬元素在植株各器官的富集轉運，因作物種類的不同而有所差異。

新陳代謝是影響植株不同器官重金屬元素富集的重要因素，一般認為：新陳代謝旺盛的器官，重金屬元素富集能力也會相對較強[16]，而根和葉是植物新陳代謝最旺盛的器官[17]，這可能是導致玉米、甘蔗及本文甜瓜植株各器官中，根重金屬元素富集能力相對較強的原因；玉米、甘蔗根、葉重金屬元素富集能力排序不同，可能與這兩種作物根、葉新陳代謝旺盛程度不同有關。此外，也有研究報道顯示：作物不同器官重金屬元素富集水平與其外部形態及內部結構有關，其原因與植物對重金屬元素的累積量和重金屬元素在土壤中的元素價態、物質結構、在環境中共存離子的濃度和溶解度等多因素有關[18]。本文甜瓜植株各器官重金屬元素富集能力排序與玉米不同，可能也與此相關。

4 結論

1)甜瓜植株各器官中，根中6種重金屬元素含量及富集能力最強，其次為葉、莖、果實。6種重金屬元素中，Cd和Cu更易在甜瓜植株中富集分布，與之相比，As則相對不易在甜瓜植株中富集分布。

2)重金屬元素由土轉運至甜瓜植株各器官的過程中，Cr、Ni、As、Pb 4種重金屬元素由莖轉運至果實和葉片的能力相對較強，Cd由根至莖的轉運能力相對較強；重金屬元素Cu由莖轉運至葉片的能力相對較弱。