土壤地球化學特性對鳳丹皮品質的影響

沈章軍,鄭顏晨,戚雨晨,趙晶晶,徐書睿

(合肥師范學院 生物與食品工程學院,安徽 合肥 230601)

丹皮是芍藥科藥用植物鳳丹(PaeoniaostiiT. Hong et J. X. Zhang)和牡丹(Paeoniasuffruticosa)的根皮的統稱。丹皮味辛、苦、性涼,有清熱、涼血、和血、消淤的功能。藥理學證明,丹皮有抗凝血、降壓、抗炎、抑制中樞神經系統等功能[1]。安徽省銅陵市是我國著名的鳳丹之鄉,不僅藥材品質上乘,生產規模也位列全國第一,尤其以鳳凰山地區最為出名[2]。同時,銅陵又是我國重要的產銅地區之一,冶銅歷史悠久,尤其是新中國成立后大規模開采過程中形成的大量尾礦占用了大面積土地,其中大型尾礦庫有五公里尾礦庫、黑沙河尾礦庫、銅官山尾礦庫、鳳凰山尾礦庫和獅子山尾礦庫五處[3],總面積約280萬平方米。礦業廢棄地所富含的重金屬會通過揚塵、地表徑流和其他人為活動進入周邊環境,給環境中的生物造成毒害,影響生物的正常生長定居和代謝產物的產生[4]。

前期調查發現,在銅陵市礦區內大量種植藥用植物鳳丹,鳳凰山老尾礦庫在2010年之前曾覆土種植鳳丹,并獲得成功[5]。但在如此環境中生長的藥科植物,其藥用成分是否受到重金屬的影響,尚未見有相關報道。本文擬通過對不同土壤重金屬污染條件下生長的鳳丹根皮中重金屬殘留狀況以及藥用化學成分的檢測,探究丹皮質量與土壤重金屬含量之間的相關關系,為丹皮的生產和相關研究提供科學依據。

1 實驗方法

1.1 樣地概況和取樣處理

2017年8月,采樣于銅陵市鳳凰山礦區相思樹尾礦庫至下游地區。鳳凰山(30°41′18.42″-30°64′78.26″N,118°01′11.23″-118°02′42.47″E)屬亞熱帶濕潤季風氣候,年平均日照時間2025 h,年平均氣溫17.4℃,無霜期230 d,年平均降雨量為1300～1450 mm,主要發生在5月至8月。

采樣區具體位置如圖1所示,沿著相思樹當地的一條道路(以前為用銅尾礦鋪成的運輸通道,目前已改成水泥路)從尾礦壩出發按照不同距離設置三個采樣區。第一個采樣區(PP)距離尾礦壩約500米,第二個采樣區(SP)位于道路附近,離尾礦壩約6000米,第三個采樣區位于公路旁(距100米左右),距尾礦壩約8000米。

圖1 鳳凰山礦區和采樣點示意圖

每個采樣區按梅花形采5個樣點,采樣土壤裝入無菌紙袋帶回實驗室,風干研磨后,過120目篩,用以測量土壤中的重金屬含量;植株取最適采挖的6年齡株,整株取回,根經洗凈剝離根皮,去離子水沖洗3次,70 ℃烘48 h,研磨,過尼龍篩(0.15 mm),裝封口袋后,用于丹皮中重金屬和主要藥用成分檢測。

1.2 檢測儀器和檢測條件

丹皮揮發油提取器(上海玻璃儀器廠);HP1100高效液相色譜儀(美國安捷紀公司)。丹皮中揮發油化學成分的檢測色譜柱:C18 250 mm×4.0 mm,流動相∶(甲醇:水)=(45∶55),流速:0.8 mL/min,檢測波長:芍藥苷230 nm,丹皮酚274 nm[6]。

1.3 重金屬檢測

土壤中重金屬的總量提取采用濃H2SO4+ HClO4混合消化提取,丹皮中重金屬含量采用濃HNO3―HClO4―H2SO4(8∶1∶1)高溫消化提取,重金屬Pb、Zn、Cu、Cd用ICP方法檢測,Mn、Ca、Mg和Fe通過火焰—原子吸收分光光度計(WFX-IF2)測定[2]。

1.4 數據分析

采用Excel分析數據平均值和標準誤,采用Spss23.0軟件統計分析數據間的差異性和相關關系。

2 結果與分析

2.1 土壤中重金屬的污染狀況

如表1所示,樣區土壤pH值約為6.27～6.81。PP樣區土壤pH最低,可能主要是由于尾礦庫的土壤侵蝕和酸性的礦井排水。SP和CS樣區土壤pH值無顯著差異性。與《GB15618—2018 土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(風險篩選值標準:Cu≤100 mg·kg-1,Cd≤0.3 mg·kg-1,Pb≤120 mg·kg-1,Zn≤250 mg·kg-1)進行比較,分析結果表明:PP、SP和CS處土樣中Cu的含量分別是農田土壤風險篩選值的8.88、2.23和0.42倍,Pb的含量分別是農田土壤風險篩選值的4.06、1.26和0.92倍;PP處土樣Cd、Zn的含量分別是農田土壤風險篩選值的1.17和2.36倍,其他2處采樣區土壤樣品中Pb和Zn皆未超標。

表1 土壤中重金屬元素含量

與中國土壤環境背景值做比較發現,PP、SP和CS處土樣中Cu的含量分別是背景值的13.83、6.92和1.31倍,Cd的含量分別是背景值的3.89、2.67和2.44倍,Zn的含量分別是背景值的5.52、2.48和1.49倍,Pb的含量分別是背景值的7.66、3.17和2.30倍,Mn的含量分別是背景值的1.84、1.19和1.06倍。

2.2 丹皮中重金屬的殘留狀況

如表2所示,除Cd外,鳳丹皮中Cu、Zn、Pb、Mn的生物累積量差異顯著(P<0.05)。在3處采樣區中,PP處丹皮樣品中Cu(30.64 mg·kg-1)、Zn(23.85 mg·kg-1)和Pb(4.57 mg·kg-1)均達到最大值。參照中華人民共和國外經貿行業標準中的藥用植物及制劑進出口綠色行業標準(Wm2-2001)的重金屬最高殘留限量,5種重金屬在丹皮內皆檢出殘留,PP處鳳丹皮Cu超標,成為影響丹皮質量的主要因素;與世貿組織和歐盟的藥劑重金屬含量標準比較,發現3處采樣區鳳丹皮中的Pb超標。不過,PP處鳳丹種植區已開發成相思樹旅游景點,并種植了其它品種的牡丹,此處的鳳丹目前主要用于觀賞。

表2 丹皮中重金屬和其它礦質元素的殘留狀況

2.3 重金屬對丹皮藥用成分的影響

2.3.1 對丹皮酚含量的影響

丹皮中主要有效成分是丹皮酚[8],對3處所產丹皮內丹皮酚的含量進行了檢測(圖2)。3處丹皮內丹皮酚的含量有差異,但并不顯著,變化范圍為27.48～30.26 mg·kg-1。對照表1中3處土樣礦質元素含量,分析發現丹皮內丹皮酚的含量與礦質元素間相關關系(表3)。丹皮酚含量與土壤中重金屬Pb、Cd和Zn表現出極顯著的負相關關系(p< 0.01),但與其它元素間關系不顯著。

表3 鳳丹皮中主要藥用成分與土壤中重金屬含量的相關性分析

注:柱狀圖上字母相同表示數據差異性不顯著(p < 0.05),下圖同。圖2 三處采樣區丹皮酚含量

2.3.2 對芍藥苷含量的影響

芍藥苷是丹皮中含量僅次于丹皮酚的重要藥用成分,同時檢測了3處所產丹皮內芍藥苷的含量(圖3)。3處所產丹皮內芍藥苷的含量表現為CS>SP>PP,其中CS和PP處芍藥苷含量差異性顯著(p<0.05),CS處所產丹皮內芍藥苷的含量分別是PP和SP處的1.45、1.24倍。參照表1,發現3處所產丹皮內芍藥苷的含量差別趨勢大體與土樣中重金屬含量表現趨勢相反;分析之間的相關性,表明該礦區鳳丹皮中的芍藥苷含量與土壤中重金屬Pb、Cd和Zn表現出極顯著的負相關關系(p< 0.01),與金屬Fe為極顯著的正相關關系(p<0.01),與Ca為顯著相關關系(p<0.05)(表3)。可見,土壤中重金屬的污染會減少丹皮中有效成分芍藥苷的含量,嚴重影響丹皮的藥用價值。

圖3 三處采樣區芍藥苷含量

3 討論

近幾十年來,人類活動加速了重金屬進入土壤生態系統的進程,其中礦業過程是造成環境中重金屬污染的最主要原因之一。礦區中重金屬的積累是一個不容爭議的環境問題。本研究表明,隨著距離尾礦庫距離的增加,鳳凰山礦區土壤中Cu、Cd、Zn、Pb的累積量有規律地下降。除了重金屬表現出與尾礦庫距離的相關性以外,Ca和Fe元素也有同樣的規律,尾礦庫附近的采樣區PP處顯著高于其他兩處,而SP和CS兩處之間差異不顯著。

中藥材中所含微量元素能對人體所缺乏的各種微量元素起到重要的補充與調節作用,同時也能對各種微量元素在人體新陳代謝中的吸收、排泄產生影響,還能通過絡合、螯合間接起到解毒作用,從而達到治病的目的。現代醫學研究表明,Zn元素對人體有清熱、涼血、消炎、生肌的功能;8例實驗性治療驗證了使用中藥補充Cu、Zn元素,當Cu、Cu/Zn比值均恢復到正常水平時,氣、陰兩虛病人的癥狀消失,說明了中藥所含微量元素對人體起到了補充與重要的調節作用[9]。但同時,人們又發現重金屬對人體的新陳代謝及正常的生理作用具有明顯的傷害作用,會抑制人的正常生理作用,人體內重金屬含量過量會導致各種疾病[10]。中成藥中重金屬含量的限量標準是我國藥學研究亟待解決的重大課題。本實驗研究表明,鳳凰山礦區3處采樣區所產丹皮中Cu、Cd、Zn、Pb和Mn 5種重金屬均有殘留,且PP處Cu超標,說明該礦區土壤中重金屬的污染已嚴重影響了丹皮的質量,必須采取科學手段,改良土壤,通過改變土壤中重金屬的賦存形態或減少重金屬的含量,從而有效地控制丹皮中重金屬含量,保證生產出符合國際通行標準的中藥材。

丹皮酚作為丹皮可提取揮發油總量70.58%的重要組分[8],學界已有大量對其抗炎免疫藥理的研究,確證了丹皮酚具有抗菌消炎等生理活性。本研究測定的3處丹皮中丹皮酚含量差異并不顯著,但總體上表現出重金屬對藥用成分丹皮酚和芍藥苷生成有抑制性作用,兩種藥用成分與土壤中重金屬Pb、Cd和Zn含量表現出極顯著的負相關關系。可見,土壤中重金屬污染直接影響了丹皮中的重要藥用成分的含量,影響了丹皮的藥用價值。從丹皮中重金屬含量與重要藥用組分含量的大小來考慮,3處所產丹皮的質量總體表現為CS>SP>PP。