重金属镉、汞、铜和铅在荸荠体内的累积特性研究

谢丽萍，李 焘，蒋翠文，王彦力，牙 禹，韦宇宁，何 洁，闫飞燕

(广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】荸荠，又名马蹄、水栗、乌芋等，是水生作物，我国是世界上最大的荸荠种植国家，种植面积达4万公顷。主要产地为广西、江西、湖北、浙江、福建等地，其中广西种植面积占全国马蹄种植面积一半以上，产量居全国首位[1-2]。近年来，随着人类农业活动的发展，农药化肥使用泛滥，严重威胁着我国农田生态环境安全。其中，重金属污染具有持续时间长、不易分解、不可逆性、修复难度大等特点，且能够通过食物链转移并逐级放大，进而威胁人类健康，受到人们广泛关注。而关于不同重金属在荸荠中的累积特性的研究尚少见较报道。因此，研究荸荠对不同重金属的富集规律，可以为保障荸荠产品的质量安全、合理种植布局及产业持续发展提供重要的科学支撑。【前人研究进展】据2014年的全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤环境状况总体不容乐观，尤其是耕地，污染超标率为19.4 %，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃，以无机污染物为主[3]。而蔬菜对土壤中的重金属有一定的富集能力，这也导致食用者摄入过多重金属，已有研究表明人体中约有70 %的镉来自于蔬菜[4]。有关重金属污染对蔬菜的影响主要体现在重金属对蔬菜机理的毒害，蔬菜对重金属元素选择性的吸收，重金属对蔬菜生长发育、合成代谢、品质、产量等诸多方面[5-8]。秦文淑等[9]分析了广州市主要蔬菜市场的12种蔬菜共36个样品，表明铅、铬和镉为广州市蔬菜的主要污染元素，蔬菜50 %以上受到污染。对我国众多的土壤样品进行统计分析可知：我国土壤表层铬的含量范围为1.9～519.0 mg/kg，背景值范围为11.75～180.00 mg/kg，平均值约为57.66 mg/kg[10]。陈桂芬等[11-12]对广西水稻主产区及桂西地区稻田研究表明土壤中镉的生态风险比较高。凌乃规[13]对广西不同类型农田土壤重金属研究表明超标率较高的元素为镉和汞。宋波等[14]对广西典型土壤铅含量研究表明调查区域铅污染指数大于1的样本达到23 %，其中7 %达到重度污染。王婷等[15]研究表明畜禽粪肥对土壤中铜的累计贡献率最大，黄玉溢等[16]对广西柑桔园土壤的铜研究表明果园土壤普遍有效铜含量过高，并随园龄增长而增长。李正等[17]采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定了荸荠的14种微量元素。伍秀莲等[18]分析了荸荠中微量元素，氨基酸以及常规营养成分含量在其球茎和顶芽中的分布差异，结果表明荸荠含有丰富的营养成分，粗蛋白、粗脂肪、蔗糖、总淀粉、维生素B1、维生素B2、维生素C、铁、锌、铬、铜、锰、镉、铅等元素在球茎中含量高于顶芽。【本研究切入点】广西种植区域的土壤中镉、汞、铅和铜含量相对较高，随着荸荠种植面积的增长和种植区域的扩大，荸荠的食用安全性受到广大消费者的高度关注，而目前的研究主要集中在荸荠的品种选育、组培技术及高产栽培领域[19]，关于荸荠对重金属镉、铜、铅和汞的吸收富集规律的相关研究尚鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过添加不同剂量的铜、铅、汞和镉，探索荸荠对各重金属元素的吸收富集规律，以期为荸荠的安全种植、产品的质量安全及合理布局提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试荸荠品种为桂蹄2号，由广西农业科学院生物技术研究所提供。供试土壤为广西农业科学院明阳基地的沙壤土，理化性质分别为：pH7.51、有机质22.5 g/kg、碱解氮113 mg/kg、速效磷27 mg/kg和速效钾146 mg/kg ，土壤中镉、汞、铅和铜的本底值分别为镉0.01 mg/kg、汞0.07 mg/kg、铅4.99 mg/kg和铜20.75 mg/kg。采用分析纯硝酸铅Pb(NO3)2，硝酸镉Cd(NO3)2，氯化汞HgCl2和硫酸铜CuSO4·7H2O添加重金属。

1.2 试验方法

试验于广西农业科学院明阳基地内进行，用盆栽方式在塑料大棚内避雨栽培，通风口用防虫网覆盖。采集的土壤经过风干、粉碎、去杂质、过筛、重金属添加和平衡后，15 kg/桶装盆备用。桶内径35 cm，高45 cm，底不漏水。

各处理土壤中重金属浓度见表1，以溶液形式加入重金属并与土壤充分拌匀，放置一个月平衡。2016年7月24日在各盆中定植马蹄苗3株，所有重金属处理均为单因素，每个处理设置3个重复，T为《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中的二级标准限值，其中铅、镉、汞和铜分别为：350.0，0.6，1.0和100.0 mg/kg。

施肥：基肥用三元复合肥，每桶施用10 g，与土壤混匀，在定苗成活后进行一次追肥，每桶8 g，均溶成溶液施入。浇水：根据蒸发量确定浇入纯净水的量，保持桶内水位4 cm左右，根据大田实际生产管理，在马蹄生长后期停止补充纯净水，待盆栽内水分自然挥发，保证在采收时盆栽内没有水层。

1.3 测定项目及方法

马蹄成熟时采集样品及土壤，于2017年1月17日采集土壤、马蹄及茎叶。土壤样品进行风干研磨，植株样品在115 ℃杀青，60 ℃烘至恒重，粉碎备用。

分别依据GB/T 5009.12-2017、GB/T 5009.15-2014和GB/T 5009.17-2014的方法测定植株及马蹄中的铅、镉和汞；依据GB/T 17141-1997测定土壤中铅和镉，分别依据NY/T 1121.10-2006、NY/T 1121.2-2006、NY/T 1121.6-2006、LY/T 1228-2015、NY/T 1121.7-2014和NY/T 889-2004测定土壤中汞、pH、有机质、水解性氮、速效磷和速效钾，结果以鲜样计。

表1 不同处理土壤重金属浓度

1.4 统计分析

富集系数=植物体内重金属的浓度/土壤中重金属的浓度。

使用Excel 2007和SPSS11.0软件对所得数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度重金属与荸荠产量关系

在0.25 T低浓度铜、镉、铅和汞元素处理下，荸荠球茎产量均有增加，茎叶产量相对对照处理有差异(表2)。土壤中铜的浓度达到0.25 T时球茎产量最高，随着处理浓度增加产量下降，当土壤浓度上升到2.5 T时球茎产量急剧下降至88.7 g/桶，相当于对照产量的一半，说明在高浓度铜影响下荸荠球茎产量下降。随着镉处理浓度的增加，荸荠球茎产量呈现增加的趋势，说明镉会促进荸荠产量的提高。在铅0.25 T处理浓度下荸荠球茎产量高于对照，但随着土壤中铅浓度提高，球茎产量下降并均低于对照。随着汞的处理浓度提高，荸荠球茎产量下降但均高于对照。

2.2 荸荠吸收铜的规律及分布特征

不同处理下荸荠茎叶中铜的含量与土壤中铜含量呈正相关性(r=0.96)，并随着土壤铜含量的增加而增加(图1)。皮中铜含量也与土壤铜含量呈正相关(r=0.97)，但是增加幅度比茎叶小。在处理浓度为1T时，果肉对铜的富集达到最大值1.8 mg/kg。各部位富集能力为：茎叶>皮>果肉。茎叶的富集系数高于果肉及皮，并且随着土壤铜含量的增加，富集系数增大，达到1.75 T时，富集系数最大，之后开始下降(图2)。果肉及皮的富集系数基本保持不变，变化趋势与土壤铜浓度的变化趋势没有明显相关性。

2.3 荸荠吸收镉的规律及分布特征

根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中规定，新鲜蔬菜水果镉限量为0.05 mg/kg。在CK、0.25、1、1.75和2.5 T 5个处理中，果肉中镉含量均低于检出限(0.0001mg/kg)，说明荸荠果肉对镉不吸收，可以安全食用。果皮仅在2.5 T处理时才检出镉0.0090 mg/kg，也低于限量。

表2 4种重金属不同浓度下荸荠茎叶及球茎产量情况

注：不同小写字母表示荸荠相同部位产量在各重金属元素不同处理水平相比达到P<0.05显著水平。

Note:Different lowercase letters indicate the differences of concentrations of four heavy metals at the yield of stem, leaf and bulb atP<0.05.

同部位不同处理间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters between different treatments at the same part indicated the significant differences at P<0.05, the same as below图1 不同处理浓度下荸荠各部位铜含量情况 Fig.1 The content of Cu in each part of water chestnut by adding different concentration of Cu

图2 不同铜处理浓度下荸荠各部分的富集系数Fig.2 The enrichment coefficient of all parts of water chestnut by adding different concentration of Cu

茎叶中的镉在1.75和2.5 T处理时才有检出。说明荸荠对重金属镉的吸收积累能力不强，在生产中可以结合产地环境的情况合理安排种植(表3)。

2.4 荸荠吸收铅的规律及分布特征

荸荠在五个铅处理浓度下都生长良好，没有出现死苗现象。不同浓度铅土壤处理下荸荠各部位铅的空间分布为：叶>皮>果肉，在土壤1 T浓度处理下，果肉中铅含量低于检出限，在2.5 T污染浓度处理下果肉可食部分中铅含量达到0.327 mg/kg，超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中新鲜蔬菜水果铅的限量标准0.1 mg/kg。在低铅处理下，荸荠对铅的吸收能力低，当土壤污染浓度到达2.5 T时吸收能力增加，2.5 T处理的果肉、皮和茎叶中铅含量的浓度是1.75 T处理的82、54和3倍(表4)。

表3 不同镉处理下荸荠各部位镉含量

注：-表示未检出。镉、铅检出限为0.0001、0.001 mg/kg。

Note:-Stands for undetected. Cd and Pb detection limits are 0.0001 and 0.001 mg/kg.

图3 不同汞处理浓度下荸荠各部位汞含量 Fig.3 The content of Hg in each part of water chestnut by adding different concentration of Hg

2.5 荸荠吸收汞的规律及分布特征

在五个不同汞浓度处理下荸荠长势良好，没有受毒害现象发生，荸荠各部位汞含量分布为：皮>果肉>茎叶，在土壤汞浓度0.25T处理下，果肉可食部分汞含量达0.013 mg/kg，已超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中汞的限量标准0.01 mg/kg。随着土壤汞浓度增加，果肉、皮和茎叶中汞含量均呈现增加的趋势。果肉和皮的富集系数随土壤汞浓度的增加而增加，CK处理的茎叶的富集系数最高，随土壤汞浓度增加而呈现微量上升(图3～4)。

表4 不同铅处理下荸荠各部位铅含量

图4 不同汞处理浓度下荸荠各部位汞的富集系数Fig.4 The enrichment coefficient of all parts of water chestnut by adding different concentration of Hg

3 讨 论

通过对荸荠添加不同浓度的镉、汞、铜和铅的盆栽试验表明，荸荠对不同重金属吸收特征各异，重金属元素汞为荸荠富集元素，这与其他水生蔬菜类对重金属的积累富集结果一致[20]，在土壤汞处理为0.25T时，可食部分汞含量即超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)新鲜蔬菜的限量标准0.01 mg/kg，且随着土壤中汞含量的增加而增加。因此在荸荠生产中需要密切关注产地环境中汞的背景值情况，在汞未超标的区域也应该引起重视，因为盆栽试验表明在土壤限量值的1/4处，荸荠长势良好，但是可食部分果肉中的汞已经超过限量值，如种植区域有污染风险应建立跟踪监测制度及对应机制，控制产品中汞污染风险。荸荠不富集镉，在土壤中镉污染达到2.5 T时，荸荠可食部分未检出镉，这与水生蔬菜茭白的研究结果一致[17]，即使产地环境中受到一定程度镉污染也可根据实际情况适度安排生产。土壤在铅污染浓度CK、0.25、1和1.75 T处理下，荸荠果肉部分不富集铅，但是在2.5 T处理时果肉中铅含量超过GB2762-2017标准中新鲜蔬菜限量值0.1 mg/kg，因此荸荠果肉在土壤低铅下不富集，而在环境标准值2.5倍土壤环境下表现出高富集能力。

4 结 论

低浓度重金属的处理会促进荸荠产量的提高,荸荠各部位对重金属吸收累积具有显著的分布规律，铜、铅和镉在各部位含量分布为：茎叶>皮>果肉；汞为：皮>果>茎叶。荸荠对铅、镉耐受性强，在土壤达到环境限量值时，荸荠果肉中铅、镉含量符合标准要求；汞容易被荸荠吸收，在有汞污染风险的区域建议不要种植。