萬家悅,彭位華,賀希格都楞,楊佳敏,朱 誠

(中國計量大學 生命科學學院,浙江 杭州 310018)

隨著經濟的發(fā)展與礦產資源的開發(fā)及含鎘農藥和化肥的廣泛使用,土壤鎘污染日趨嚴重。土壤中的鎘主要通過食物鏈進入人體,若在人體內積累超過一定含量將傷害到腸胃、肺、循環(huán)系統(tǒng)和神經系統(tǒng)等,對人類健康產生極大的危害[1]。蔬菜作為人們日常飲食中不可或缺的食物,對土壤中的鎘具有較強的吸收能力,因此也成為了鎘轉移到人體內的重要媒介[2]。大量調查研究發(fā)現市售蔬菜普遍存在一定比例的重金屬超標現象,主要以鎘、鉛和砷為主[3],其中鎘含量超標尤為嚴重[4]。

不同的種類蔬菜對鎘的富集能力差異顯著,甚至同一種類的不同蔬菜基因型品種對鎘的富集能力也會存在差別,如葉菜類中不同基因型品種對鎘的富集程度可差數十倍[5]。這樣的差異對我國食品安全污染物限定標準的制定帶來了極大挑戰(zhàn)。針對不同蔬菜存在的極大鎘富集差異,國內外學者開展了大量調查研究。ALEXANDER等[6]等研究表明豆莢類和根莖類蔬菜對鎘的富集能力小于葉菜類。同時,通過利用低積累茄果類蔬菜在輕度重金屬復合污染土壤中種植,可食部位鎘含量能達到安全標準,說明在中輕度污染條件下部分低積累品種仍可實現安全生產的目的[7]。但大部分研究還在探討不同種類間蔬菜對鎘積累的差異,對于同一種類蔬菜不同基因型的調查研究甚少。然而,對于一類蔬菜的鎘富集水平若只建立在幾個基因型品種上,得到的結果仍不夠科學。

本研究在模擬鎘污染土壤條件下,分析了不同基因型品種的四類蔬菜不同可食部位對鎘的富集特征,并以世界衛(wèi)生組織推薦的鎘對人體參考暴露劑量為標準評價鎘暴露風險指數,開展健康風險評價。研究結果可為蔬菜的安全種植提供科學依據,以及對人們食用蔬菜提供合理建議。同時,對健全我國農產品中鎘限量標準及農產品產地環(huán)境質量安全評價標準體系有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試土壤采自臺州臨海的未被污染水稻土。試驗于2017年11月至2018年9月在浙江省臺州市農業(yè)科學院蔬菜大棚內進行。土樣經風干、壓碎和過篩預處理后,Cd污染土壤的目標模擬質量分數為3 mg·kg-1,加標時向2000 kg土樣中添加一定量的CdSO4水溶液攪拌均勻后穩(wěn)定60 d,期間每隔5 d徹底翻一次土。60 d后將土壤裝入盆中供作物栽培,每盆裝Cd加標土壤20 kg。穩(wěn)定后土壤鎘含量(即質量分數，下文同)為2.94 mg·kg-1,其他理化指標測試結果為:pH6.32、全氮0.086%、速效鉀120 mg·kg-1、有效磷57.2 mg·kg-1、有機質14.4 g·kg-1。供試蔬菜為長江中下游地區(qū)常見品種,購于浙江省杭州市種子站和國家蔬菜工程技術研究中心,包含四大類:葉菜類(小白菜、大白菜),根莖類(蘿卜),豆莢類(豌豆、豇豆等),茄果類(茄子、番茄),共86個品種(表1)。

試劑:硫酸鎘、高氯酸(分析純)、硝酸(優(yōu)級純),純度≥99%,國藥集團化學試劑有限公司。

表1 供試蔬菜品種名及編號

續(xù)表1

1.2 試驗方法

根據不同種類蔬菜生長習性不同,于不同時間段種植。茄果類和豆莢類蔬菜先在泥炭和蛭石(V∶V=1∶1)育苗盤中育苗,待幼苗長出四片真葉時,每盆移栽兩株。葉菜類和根莖類采用直播方式,待幼苗長出后,每盆間苗至6株幼苗,所有處理設3個重復。大棚內培養(yǎng),根據天氣和作物生長情況適當澆灌去離子水、施加復合肥、噴灑農藥。待作物成熟時采樣,小白菜30 d,大白菜55 d,根莖類為80 d,豆莢類為120 d,番茄95 d,茄子120 d。

1.3 鎘含量的測定方法

蔬菜中鎘含量測定參照《食品安全國家標準食品中鎘的測定》(GB 5009.15-2014)石墨爐法,試樣消解采用HNO3-HClO4(V∶V=4∶1)混合酸消解法[8]。將樣品用去離子水洗凈,擦干,稱鮮重后放入烘箱先105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干樣品至恒重,稱干重,使用磨樣機粉碎樣品。鎘含量由原子吸收分光光度計測定(AA-7000,日本島津)。

1.4 蔬菜中重金屬富集系數的計算

以《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762-2017)作為蔬菜中鎘的最大允許限量(表2),根據不同種類蔬菜中鎘含量來評價蔬菜鎘污染程度,用可食部位對鎘的富集。

表2 蔬菜中鎘限量指標

系數BCFCd來表示可食部位對鎘的富集能力[9]。計算公式如下:

富集系數(BCF)=可食部位鎘含量/土壤鎘含量。

(1)

1.5 蔬菜中重金屬健康風險評價

為評價受鎘污染蔬菜給人體帶來的健康風險,用蔬菜攝入產生的重金屬平均日攝入量[10,11]計算公式。如下:

CDI蔬菜=(C×I×103)/BW,

(2)

C×I=∑(ci×Di×F蔬菜)。

(3)

式中,CDI蔬菜為重金屬污染物通過蔬菜進入人體的平均日攝入量,μg·kg-1·d-1;C為蔬菜重金屬質量分數,mg·kg-1;I為接觸率,kg·d-1;BW為體質量,kg,按人均體質量60 kg計算;ci為某類蔬菜鮮重的重金屬平均質量分數,mg·kg-1;Di為每日對某類蔬菜的食用量,kg,在中國人均蔬菜的日食用量為0.3 kg·d-1[12];F蔬菜為蔬菜鮮質量,kg。

根據美國環(huán)保局(United States Environmental Protection Agency)[13]和世界衛(wèi)生組織(World Health Organization)[14]推薦評價有毒污染物鎘的參考暴露劑量RfDCd為1.0 μg·kg-1·d-1。以HQ蔬菜表征由蔬菜攝入引起的重金屬暴露風險指數。HQ蔬菜的計算公式如下:

HQ蔬菜=CDI蔬菜/RfD。

(4)

式(4)中,HQ為發(fā)生某種特定有害健康效應而造成等效死亡的終身危險度;RfD為化學污染物在某種暴露途徑下的日參考計量(μg·kg-1·d-1)。如果HQ蔬菜值小于1,說明沒有明顯的風險;反之,如果大于或等于1,相關暴露人群就會有健康風險。

1.6 數據處理

主要利用單因素方差分析(LSD)比較檢測數據的差異性,一般認為P<0.05有顯著性差異。數據分析主要利用IBM SPSS Statistics軟件,圖形繪制主要由GraphPad Prism 5完成。

2 結果

2.1 蔬菜可食部位鎘含量差異分析

各類蔬菜不同可食部位鎘含量測定結果見圖1。其中,為直觀地展示不同樣品鎘含量變化的離散程度,采用變異系數(標準偏差/平均值×100%)來表示。四類蔬菜可食部位鎘含量在0.159～66.119 mg·kg-1DW之間,平均值為18.538 mg·kg-1,變異系數為77.70%,各種類間存在顯著差異。葉菜類中,小白菜可食部位鎘含量在8.584～43.443 mg·kg-1DW之間,平均值為20.940 mg·kg-1,變異系數為42.89%。大白菜可食部位鎘含量在15.987～66.119 mg·kg-1DW之間,平均值為36.228 mg·kg-1,變異系數為37.97%。根莖類中,各種類蘿卜可食部位鎘含量在7.355～26.084 mg·kg-1DW之間,平均值為12.867 mg·kg-1,變異系數為44.03%。豆莢類中,各種類豆類可食部位鎘含量在0.260～1.512 mg·kg-1DW之間,平均值為0.784 mg·kg-1,變異系數為49.18%。茄果類中,番茄可食部位鎘含量在3.928～4.628 mg·kg-1DW之間,平均值為4.270 mg·kg-1,變異系數為6.64%。茄子可食部位鎘含量在8.444～12.156 mg·kg-1之間,平均值為9.731 mg·kg-1,變異系數為12.29%。從鎘含量結果來看,四類蔬菜不同可食部位對鎘的富集能力為葉菜類(大白菜>小白菜)>根莖類>茄果類(茄子>番茄)>豆莢類。

2.2 蔬菜可食部位鎘富集系數層次聚類分析

富集系數通常能直觀地表征植物對重金屬的吸收積累能力。層次聚類是自動按照聚類數從1到對象總數進行聚類,根據對象之間的距離將對象分到不同分支上[15]。根據層次聚類結果(圖2),可將這86種蔬菜可食部位鎘富集系數由大到小分為四類,分別為Ⅰ類(13.62～22.49)、Ⅱ類(6.48～12.32)、Ⅲ類(2.50～5.83)、Ⅳ類(0.09～1.57)。

聚類結果顯示本試驗葉菜類中31.58%大白菜屬于Ⅰ類,63.16%大白菜屬于Ⅱ類,5.26%大白菜屬于Ⅲ類;4.00%小白菜屬于Ⅰ類,56.00%小白菜屬于Ⅱ類,40.00%大白菜屬于Ⅲ類。根莖類中蘿卜14.29%屬于Ⅱ類,85.71%屬于Ⅲ類。茄果類中所有茄子品種屬于Ⅲ類,所有番茄品種屬于Ⅳ類,豆莢類也均屬于Ⅳ類(表3)。所有豆莢類蔬菜可食部位對鎘的富集系數小于1,其余幾種蔬菜可食部位對鎘的富集系數均大于1。說明本試驗中幾類蔬菜除豆莢類外對鎘均具有較強的吸收能力。

2.3 蔬菜食用健康風險評價

將種植在相同鎘污染(2.94 mg·kg-1)盆栽條件下四類蔬菜進行健康風險評價,以風險暴露指數(HQ)表征蔬菜的健康風險,HQ值越大代表食用給人體帶來的健康風險越大。

葉菜類的可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數見表4,所有葉菜類蔬菜可食部位鮮重鎘含量均超出了國家食品中鎘限量標準(<0.2 mg·kg-1),超出最高的小白菜(夏綠2號)達到了10倍,大白菜(京箭70)達到了9倍。從風險暴露指數(HQ)來看,所有葉菜類蔬菜風險暴露指數均大于1,達到了發(fā)生有害健康效應而造成等效死亡的終身危險度指數,若被人體食用就會有健康風險。

表3 各類蔬菜可食部位鎘富集能力層次聚類分類

表4 葉菜類可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數

注:表中同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

根莖類(蘿卜)的可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數見表5左列,所有蘿卜可食部位鮮重鎘含量均超出了國家食品中鎘限量標準(<0.1 mg·kg-1),超出最高的蘿卜品種(法國富紅八寸參)達到了16.5倍,超出最低的胡蘿卜品種(四季紅蘿卜)為2.6倍。所有根莖類蔬菜HQ值均大于1,也具有極大的健康風險。

表5 根莖類(蘿卜)及豆莢類可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數

豆莢類的可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數見表5右列,所有豆莢類蔬菜可食部位鮮重鎘含量均未超出了國家食品中鎘限量標準(<0.1 mg·kg-1),含量最高的豆莢類品種(浙鮮九號)接近了鎘限量標準。豆莢類蔬菜HQ值均小于1,未達到了發(fā)生有害健康效應而造成等效死亡的終身危險度指數,說明該評價條件下沒有健康風險。

茄果類的可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數見表6,所有茄果類蔬菜可食部位鮮重鎘含量均超出了國家食品中鎘限量標準(<0.05 mg·kg-1),超出最高的番茄品種(金鳳1號)達到了10倍,茄子品種(京茄30號)達到了14倍。所有茄果類蔬菜HQ值均大于1,具有健康風險。番茄HQ值在1.265～2.286之間,茄子HQ值在2.495～3.525之間,表明相同污染情況下茄子比番茄健康風險更大。

表6 茄果類可食部位鮮重鎘含量及鎘風險暴露指數

結合表4～表6,該盆栽條件下葉菜類、根莖類、茄果類蔬菜的HQ均大于1,其中大部分葉菜類和根莖類的HQ大于3,茄果類的HQ在大部分集中在1～3之間,說明食用這三類蔬菜的重金屬風險較高且葉菜類和根莖類的重金屬風險比茄果類更高,而豆莢類蔬菜HQ小于1,說明豆莢類蔬菜的鎘含量在安全食用范圍內。由此可看出食用豆莢類蔬菜健康風險較低,而食用葉菜類、根莖類和茄果類蔬菜,可能產生由重金屬超標導致的健康風險。

3 討 論

蔬菜對鎘的吸收、轉運和積累受土壤中鎘的質量分數和有效性影響,土壤中鎘的質量分數通常短期內比較穩(wěn)定且不易受影響[16],但影響有效性的因素諸多,如土壤pH值、有機質含量、可能產生拮抗的其他金屬元素等[17]。但有大量研究發(fā)現植物對鎘的吸收能力強弱取決于植物本身基因調控,在水稻[18]、煙草[19]、油菜[20]等植物中均有報道。本試驗基于相同鎘污染條件下對四類蔬菜的進行試驗,從蔬菜可食部位鎘含量和鎘暴露風險指數兩方面對86個蔬菜品種進行健康風險評價,得出初步結果:四類蔬菜不同可食部位鎘含量差異較大,其中葉菜類含量最高,小白菜和大白菜可食部位平均鎘含量為別為20.940 mg·kg-1和36.228 mg·kg-1,豆莢類最低為0.784 mg·kg-1,且四類蔬菜中葉菜類、根莖類和豆莢類的不同品種間鎘含量差異較大,茄果類差別較小。從對鎘的富集能力來看,表現為為葉菜類>根莖類>茄果類>豆莢類,且葉菜類中大白菜>小白菜,茄果類中茄子>番茄,這與YANG等[21]和李富榮[22]的研究結果一致。通過重金屬鎘風險評價分析,本試驗中幾類蔬菜除豆莢類外對鎘均具有較強的富集能力[23],葉菜類和根莖類健康風險大,茄果類其次,豆莢類處于安全水平,按照正常食用不會影響居民身體健康。但種植過程中需選擇適宜種植的農田,ZENG等[24]研究發(fā)現城市土壤種植蔬菜比郊區(qū)土壤種植的風險更高,可能由于城市中汽車尾氣排放導致大氣沉降更嚴重,以及工業(yè)生產排放的“三廢”直接造成污染或導致酸雨產生,從而增加了土壤中鎘的生物有效性。因此,在城市中靠近工業(yè)區(qū)的地區(qū)應盡量少種植易富集重金屬的作物。

為了保障農產品的安全生產和人類健康,篩選鎘低積累農作物品種已成為國內外研究熱點[25]。本試驗篩選出若干低積累品種蔬菜,小白菜騎士3號、金棚3號;大白菜新選中獅頭、娃娃菜;蘿卜四季紅蘿卜、早春紅水蘿卜;豆莢類日本大白蠶;番茄佳紅4號、浙雜203;茄子京茄1號。鎘低積累品種篩選是從遺傳學角度研究蔬菜鎘耐性機制的基礎,同時為農業(yè)生產提供了科學依據,通過低積累品種配以安全調控措施達到生產出安全可食用的農產品的目的,符合“邊生產邊治理”的綠色農業(yè)理念。到目前為止,已有研究篩選出的鎘低積累作物還有番茄[26]、蘿卜[27]、水稻[28]、玉米[29]等,但仍存在許多蔬菜仍缺乏系統(tǒng)的鎘耐性方面的研究。

優(yōu)化蔬菜種植模式,合理選擇輪作套作方式也是有效降低蔬菜食用風險的途徑之一[30]。據報道,在重金屬污染尚不嚴重的土壤上,通過合理的輪間套作模式可以有效降低蔬菜可食部位重金屬含量,特別是利用超富集植物與普通植物的輪間套作,如油葵(SolanumnigrumL.)、東南景天(SedumalfrediiHance)等,修復效果十分明顯[30]。輪間作系統(tǒng)中,作物從土壤中吸收的Cd分別占土壤總Cd的2.30%和1.16%,而在單作體系中只占0.21%[32,33]。另外,通過分子育種手段培育對鎘的具有高耐性或低積累的作物也成為解決土壤鎘污染的新途徑[34]。

4 結 論

本研究通過盆栽試驗發(fā)現幾類蔬菜不同可食部位的鎘含量葉菜類(大白菜)最高為36.228 mg·kg-1DW,豆莢類最低為0.784 mg·kg-1DW,且葉菜類、根莖類和豆莢類的不同基因型品種間鎘含量差異較大。鎘富集特征為葉菜類(大白菜>小白菜)>根莖類>茄果類(茄子>番茄)>豆莢類。通過對86種蔬菜的健康風險評價得出結論:在本試驗條件下,葉菜類和根莖類蔬菜健康風險較大,茄果類其次,豆莢類健康風險處于安全水平,按照正常食用不會影響居民身體健康。