頭花蓼對土壤中銻的累積特征及健康風險評價

胡 霞 王 麗 田 怡 劉 吉 楊愛江*

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 喀斯特環境生態系統教育部野外科學觀測研究站，貴陽 550025；3.貴州大學 環境工程規劃設計研究所，貴陽 550025；4.貴州貴安新區綠興環保有限責任公司，貴陽 550025；5.貴州貴達元亨環保科技有限公司，貴陽 550025)

近年來，我國中藥材存在大量的重金屬超標問題[1]，這對中藥材的藥用價值和國際地位造成了很大的影響，從而限制了中藥的發展。研究發現，重金屬在人體內會與蛋白質、核酸等有機物質結合，從而導致多器官損傷、致突變、致癌等[2-3]。由于中草藥重金屬超標是人類攝入重金屬最主要的來源，對人類健康構成了巨大的威脅，因此研究重金屬污染土壤中的中藥材對重金屬的吸收累積特征及含量控制尤為重要。頭花蓼(PolygonumcapitatumBuch.-Ham.exD.Don)為蓼科廖屬植物，是貴州常見的苗藥，具有較高的藥用價值和經濟價值，不僅可以入藥，還可供動物食用，具有清熱解毒、利尿通淋、活血止痛等功效[4]，民間常用其干燥全草或地上部入藥。

我國擁有全球最大的銻(Sb)礦資源，其儲量、產量在全球都是第一[5]，但多年的銻礦開采和冶煉導致礦區污染嚴重，環境介質中的Sb濃度升高，土壤Sb污染問題日益嚴重[6]。在湖南、貴州、云南和廣西等銻礦相對集中地區[7]，土壤中Sb含量最高可達5 045 mg/kg[8]。并且Sb可通過食物鏈進入動物和人體難以排出[9]，過量Sb會引發多種疾病[10]。在某些條件下，植物能大量吸收與富集Sb[11-12]，有研究在銻礦山周邊發現，10種蔬菜中Sb的濃度為6.65～29.31 mg/kg[13]；錫礦場周圍的水稻(OryzasativaL.)也被發現有大量 Sb的富集，其中水稻根部、莖葉、種子的 Sb含量分別為225.34、18.78和5.79 mg/kg[14]；在對獨山銻礦區進行野外調研時，發現該區廣泛分布著頭花蓼，其對Sb污染的土壤表現出較強的耐受性[15]。

本研究以頭花蓼為實驗對象，通過盆栽實驗，對生長在受到不同濃度銻污染土壤中的頭花蓼進行研究，分析了頭花蓼各個器官對重金屬Sb吸收的累積規律，并評價了受到重金屬Sb污染的頭花蓼對人體的危害，為有效控制頭花蓼重金屬污染問題、保障頭花蓼藥用安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

材料為頭花蓼；土壤取自貴州大學西校區，土壤的基本理化指標為：pH=6.02，有機質37.90 g/kg，全N 2.02 g/kg，速效N 354.03 mg/kg，速效P 4.03 mg/kg，速效K 224.51 mg/kg，土壤Sb背景值2.18 mg/kg。以K(SbO)C4H4O6·1/2H2O為實驗藥劑(天津市致遠化學試劑有限公司)

1.2 實驗方法

對所采集的頭花蓼種子進行播種、育苗。待三葉一心(30 d)后，篩選出長勢好、生長穩定的頭花蓼幼苗后開始進行盆栽實驗。實驗土壤在使用前需要在自然條件下風干后人為搗碎后剔除其中雜物，然后取少部分通過2 mm篩過濾后，對其進行基本理化指標分析；剩余土壤過5 mm篩后稱重，取1.5 kg裝入15 mm×15 mm的塑料桶中，將外源重金屬Sb以固體的形式加入，并按0(CK)、100(T1)、200(T2)、500(T3)、1 500(T5)、1 500(T5)、2 000(T6) mg/kg的濃度梯度進行實驗，每個實驗組重復3次，將外源重金屬 Sb完全與土壤接觸1個月，在此過程中，每日澆水，攪拌，確保添加的外源 Sb與土壤完全混合。當土壤中的重金屬Sb達到平衡狀態后，將篩選出的頭花蓼的幼苗移植到土壤中，每盆種植10株。在植物生長的過程中，要視土壤的水分情況而不定時的進行灌溉，以保證土壤的濕潤，在整個生長周期中不使用化肥。100 d后采收，測定其根、莖、葉各器官的干重和重金屬含量。

1.3 樣品制備及測試方法

將頭花蓼采收后，用去離子水沖洗，除去表層土壤及殘留物，將根放入20 mmol/L的EDTA-Na2溶液中15 min，除去表面的重金屬，然后用去離子水于超聲波清洗機(KQ5200DB，昆山市超聲儀器有限公司)中振蕩3次，取出后將其分成根、莖、葉三部分，在105 ℃下殺青30 min后于60 ℃烘箱中干燥至恒重，然后用研磨碾細后過2 mm篩備用。

參考土壤農化常規分析法[16]對實驗土壤進行理化性質分析測試，具體過程如下：首先用分析天平稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品，放入聚四氟乙烯微波消解管中，然后加入6.0 mL硝酸待浸泡12 h以后，再加入2.0 mL氫氟酸在微波消解儀中消解，待樣品消解完畢后取出，在電熱板上趕酸后轉移至容量瓶定容。采用ICP-MS法對土壤中的重金屬含量進行檢測[17]。

植物樣品重金屬Sb的總含量測試：將0.1 g(精確到0.000 1 g)的植物試樣添加到微波消解管中，并加入4.0 mL硝酸和2.0 mL過氧化氫(分析純，天津市致遠化工材料有限公司)，放入微波消解儀中消解。待消解完成后，將消解液轉移至25 mL容量瓶，定容。利用ICP-MS法檢測頭花蓼中的重金屬 Sb。

實驗過程中均設置3個平行樣和空白對照樣用于質量控制。

1.4 數據處理與分析

耐性指數(Tolerance index，Ti)=處理后的生長參數/CK的生長參數，平均耐性系數為各參數的Ti均值[18](本研究以生物量作為衡量)。

生物富集系數(BCF，Bio-concentration factors)=地上部分或根系重金屬濃度/土壤重金屬濃度[19]。

轉移系數(TF，Translocation factors)地上部分重金屬濃度/根系重金屬濃度[20]。

重金屬遷移總量=植物重金屬含量×生物量[21]。

本研究中所有實驗數據均利用 Excel 2003進行處理，并通過 Origin8.5進行圖形繪制、采用 DPS9.0對數據的差異性進行分析。文中圖形均采用算術平均值±標準差的形式，n=3；同一植株組織在不同處理之間的差異用不同字母表示(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 不同Sb處理對頭花蓼生物量的影響

頭花蓼的整個生長周期內沒有出現植株死亡現象，除 CK、T1、T2實驗組在前20 d內生長較好，其他實驗組都有不同程度的影響，主要表現為頭花蓼的生長緩慢且植株普遍矮小，并且這些實驗組的頭花蓼到40 d后葉片都出現了褶皺，失綠的現象，60 d以后，土壤中添加了外源Sb的實驗組，生長的頭花蓼葉片都變得扭曲、變形和皺縮。80 d以后，T5和T6實驗組的頭花蓼停止生長，葉片也出現了萎縮，并且逐漸脫落的現象。該現象表明，當土壤中的Sb濃度超過一定限值后會對培養的頭花蓼產生毒害作用。

生物量的改變程度可用來表示植物耐受性的大小[22]。從圖1和圖2可以看出，隨著土壤中重金屬Sb濃度的增加，頭花蓼各個部分的生物量和耐性系數都在不斷降低。頭花蓼各部分的生物量干重在不同處理組中表現出的均是葉最大，其次是莖和根，并且與對照組相比，頭花蓼的平均耐性指數隨著土壤中添加的外源Sb濃度的增加而降低。在T4、T5和T6三個實驗組中生長的頭花蓼，根部的生物量都有所降低，分別比對照組減少了21.96%、41.82%和71.07%，莖的生物量比對照組減少了26.30%、36.23%和42.86%，葉的生物量比對照組減少了19.05%、27.21%和42.06%，顯著低于對照組(P<0.05)。這表示土壤重金屬 Sb污染會對頭花蓼生物量積累產生一定的抑制作用，并且隨著土壤重金屬 Sb污染濃度的增加，抑制效果也會隨之加強。

圖1 頭花蓼在不同Sb處理下的生物量Figure 1 Biomass of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

圖2 不同Sb處理下頭花蓼生物量耐性指數Figure 2 Biomass tolerance index of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

有研究發現，在不同濃度的重金屬Sb 脅迫下，會抑制玉米生物量的增長，并且隨著Sb濃度的增加，玉米的生物量隨之下降[23]，與上述研究結果相同，本實驗中Sb污染在一定程度上抑制了頭花蓼的生物量的增長。另外，也有研究表明，一定范圍濃度的Sb對植物的生長有促進作用，例如當土壤中Sb濃度小于500 mg/kg時能夠促進向日葵的生長，但高于1 000 mg/kg則會抑制其生長，降低葉綠素含量，導致光合能力降低[24]。本實驗中并未發現與上述研究結果相同的現象，這可能是由于本實驗土壤中Sb主要以可溶態為主，超過了頭花蓼良好生長的限度，或者與頭花蓼本身的特點有關。

2.2 Sb在頭花蓼體內的分布規律

從圖3可以看出，頭花蓼各個部位所含Sb的量均隨著Sb添加量的增加而增加。雖然各個處理組之間的頭花蓼根部Sb含量有顯著性差異(P<0.05)，但是均明顯高于空白對照組；除了T1實驗組之外，其余實驗組頭花蓼的葉、莖中所檢出的Sb含量均明顯高于對照組，各個實驗組之間存在顯著性差異(P<0.05)；T6實驗組中的頭花蓼根、莖、葉Sb含量均達到了最高值，分別為2 343.73、218.02和341.24 mg/kg，相比在對照組中生長的頭花蓼根、莖、葉Sb含量，增高了2 023.32倍、850.24倍和1 141.35倍。生長在銻礦區的頭花蓼，在自然條件下從土壤中吸收的Sb主要存在于根部[15]，這與本實驗的結果相同，可能是因為Sb從頭花蓼根部轉移到地上部分的速率比較慢，也與 Sb在頭花蓼體內的轉運途徑及效率有一定關系[25]。

圖3 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位Sb含量Figure 3 Effects of Sb treatment on the Sb concentrations in roots，stems and leavesof Polygonum capitatum.

2.3 富集與轉移系數

富集系數(Bioconcentration Factors，BCF)是表達植物對重金屬累積能力的一個重要指標，富集系數越高說明植物對重金屬的吸收能力越強[26]。 如圖4(a)所示，頭花蓼根部和地上部的富集系數隨著土壤中添加的Sb濃度增加表現出先增后降的趨勢，并且可以看出所有實驗組的頭花蓼根部Sb的富集系數都遠高于地上部的富集系數，其中T2處理組生長的頭花蓼根部和地上部的富集系數都達到了最大值，與其他處理組相比具有顯著性差異(P<0.05)，之后頭花蓼的富集系數逐漸減小，說明了頭花蓼對Sb的抗性能力是有限的。這可能是由于頭花蓼生長在高濃度的Sb污染土壤中時，能夠通過減少對Sb的富集能力來防止其細胞受損[27]。根據以往的研究結果表明，礦區生長的頭花蓼根部富集系數為0.128，而盆栽實驗中頭花蓼根部的Sb富集系數遠高于這個數值[15]，這可能與土壤中Sb的可利用態相關。一般來說，銻礦區周圍土壤中可利用態的Sb含量是極少的[28]，所以頭花蓼生長在礦區時對Sb的富集能力并不高，但是在本盆栽實驗中添加的外源Sb在水中易溶，因此實驗用土壤中可利用態Sb較多，容易被頭花蓼所吸收，從而使其根部Sb的含量增加。

植物把重金屬從土壤傳輸至地面的能力可以用轉移系數(TF)來表示，并且轉移系數越大說明植物將重金屬從根部向地上部分轉運的能力越強[29]。如圖4(b)所示，隨著處理濃度的增加，不同處理組生長的頭花蓼對Sb的轉運系數不斷減小，說明頭花蓼對Sb的轉移能力會隨著土壤中Sb濃度的增加而逐漸降低，這也表明了頭花蓼對Sb的抗性能力有一定的限度，可能是由于頭花蓼在高濃度的Sb污染土壤中長時間生長時，為了減少重金屬對植物地上部分的危害，通過自身抑制重金屬向地上部分轉移，從而緩解Sb對地上部的毒害[30]。

圖4 頭花蓼對Sb的富集系數與轉移系數Figure 4 BCF and TF of Sb in Polygonum capitatum.

2.4 頭花蓼中重金屬的累積總量

從圖5、6中可以看出，隨著Sb濃度的增加，頭花蓼的各個部位的Sb累積量均表現出先增后減的趨勢，其中頭花蓼各部位的Sb累積量所占百分比為：根(55.17%～59.91%)>葉(32.62%～41.70%)>莖(7.47%～14.73%)。在T5(1 500 mg/kg)實驗組中，頭花蓼中根、莖、葉中的Sb累積量均達到了最大值，分別為0.707 2、0.103 4和0.421 2 mg，與對照組、T1、T2、T3實驗組相比具有顯著差異(P<0.05)，分別是對照組的1 039.76倍、477.80倍和737.60倍。頭花蓼根部中Sb的累積量是其莖、葉累積量的3.14～8.00倍(平均值為6.21倍)、1.12～1.83倍(平均值為1.45倍)，雖然在重金屬Sb的脅迫下，頭花蓼生物量大小表現為葉>莖>根，但是因為頭花蓼根部的重金屬含量遠遠高于莖部和葉部，從而導致了頭花蓼根部存在大量的重金屬Sb，所以食用頭花蓼根部對人體的危害較大。

圖5 不同濃度Sb處理下頭花蓼根、莖、葉中Sb累積量Figure 5 Effects of Sb treatment on the accumulations in roots，stems and leaves of Polygonum capitatum.

圖6 不同濃度Sb處理下頭花蓼體內Sb的累積分布特征Figure 6 Cumulative distribution of Sb in different tissues of Polygonum capitatum growing in Sb-spiked soils.

2.5 頭花蓼中Sb對人體的健康風險評價

重金屬Sb被植物的根系所吸收后在植物中不斷富集，然后通過食物鏈進入到人體，威脅人們的健康，主要表現為損壞人體的心臟、肝臟、神經系統等[30]。關于如何控制頭花蓼中重金屬Sb，《貴州省中藥材民族藥材質量標準》和《中國藥典》(CHP)并沒有提及，也并未提出關于Sb濃度的限量要求，因此，本研究參照了《美國藥典》(USP)中對Sb的限制含量(2 mg/kg)及允許日暴露量(PED)(20 μg/d)。按照藥材-準-藥智所顯示的數據，頭花蓼的日攝入量最多為30 g(干重)，根據此劑量計算出頭花蓼中Sb的暴露量，將其與《美國藥典》規定的允許日暴露量值相比較，可以得到安全邊緣系數MOS(Margins of safety)。如果安全邊緣系數≥1時，則所訴物質對攝入的安全風險是在可以接受的范圍的；但是，若安全邊緣系數<1時，則該物質對攝入的安全風險將會超過人體可承受的限度，需要采取相應的風險管理措施[31]，表1給出了計算結果。隨著對土壤施加Sb處理濃度不斷增加，頭花蓼各個部位的重金屬Sb日暴露量明顯增高，MOS降低，說明種植在高濃度土壤中，頭花蓼對人體的健康風險增大。

表1 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位Sb日暴露量及MOS值

如圖7所示，將頭花蓼各個部位的Sb日暴露劑量(y)與相應的土壤中所含重金屬Sb濃度(x)進行擬合，再根據《美國藥典》的標準，算出頭花蓼可安全食用時土壤中對應的Sb含量。結果表明，如果需要將頭花蓼的根、莖、葉單獨入藥，則其所對應的土壤中Sb含量分別為2.09、8.72、6.41 mg/kg，才能達到該標準的要求。當種植頭花蓼土壤Sb濃度小于2.09 mg/kg的情況下，食用頭花蓼各個部位均沒有風險；當種植頭花蓼土壤Sb濃度在2.08～6.41 mg/kg之間時，除頭花蓼根部外都可安全食用；當種植頭花蓼土壤中Sb濃度在6.41～8.72 mg/kg時，頭花蓼的根部和葉不能安全食用；當種植頭花蓼的土壤Sb濃度高于8.72 mg/kg時，所有頭花蓼的部位都不能安全食用。所以不宜在Sb含量高于8.72 mg/kg的土壤中，種植具有藥用價值的頭花蓼。

圖7 不同濃度Sb處理下頭花蓼各部位日暴露劑量曲線擬合模型Figure 7 Daily exposure dose in different tissues models of Polygonum capitatum under different Sb concentrations.

3 結論

隨著土壤中Sb濃度的增加，頭花蓼各個部位的生物量出現了下降的趨勢。除了對照組以外，其余實驗組在60 d后，均不同程度地受到了重金屬Sb的影響，并且頭花蓼葉片表現出了扭曲、皺縮現象。同時，隨著土壤中添加的Sb濃度升高，頭花蓼各個器官中重金屬Sb的含量都在不斷升高，其中根部的重金屬含量最高，其次是葉和莖，而頭花蓼對重金屬Sb的富集系數則是表現出先增加后降低的趨勢，并且在Sb處理濃度達200 mg/kg時，頭花蓼的根部和地上部的富集系數均升到了最高值，分別為1.76和0.36；頭花蓼對Sb的轉運系數為0.13～0.24(平均值為0.18)說明頭花蓼不易將Sb從根部向地上部轉移。結果表明，頭花蓼根、莖、葉可安全食用的土壤Sb濃度限值分別為2.09、8.72、6.41 mg/kg；當土壤Sb濃度高于8.72 mg/kg時，頭花蓼的各部位在食用時都存在一定的安全隱患。