食用菌對鎘、鉛、汞、砷生物富集狀況研究進展

莊永亮， 肖俊江， 孫麗平， 李鵬程

(昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 云南 昆明 650500)

鎘、鉛、汞、砷被聯(lián)合國糧農(nóng)組織、國際原子能機構(gòu)和世界衛(wèi)生組織聯(lián)合專家委員會(Joint FAO/IAEA/WHO Expert Committee)界定為對人體存有潛在毒性的元素。現(xiàn)階段，礦藏采冶、工業(yè)三廢、汽車尾氣、污水灌溉、污泥重用、農(nóng)藥和化肥的使用等人類活動極度繁雜，導(dǎo)致環(huán)境中鎘、鉛、汞、砷的污染日益嚴重。通過食物鏈并經(jīng)口攝食是人體對環(huán)境中有害污染物最主要的暴露途徑，所以食品中污染的鎘、鉛、汞、砷被認為是典型有毒元素[1]。

與維管植物相比，大型真菌對生長環(huán)境中的金屬和類金屬等礦質(zhì)元素具有更強的吸收和富集性能。自20世紀70年代，研究者開始關(guān)注大型真菌對礦質(zhì)元素的富集現(xiàn)象，研究表明食用菌在富含人體必需礦質(zhì)元素的同時也對一些有毒元素表現(xiàn)出富集甚至超富集的作用，如鎘、鉛、汞、銀、砷等。相比較于人工栽培食用菌，野生食用菌生長環(huán)境不可控，對生長基質(zhì)中的礦質(zhì)元素表現(xiàn)出更復(fù)雜的吸收和富集行為[2]。

云南省地處我國西南邊陲，海拔76～6 740 m，屬于低緯高原。全省地形地貌復(fù)雜，氣候多樣，植被豐富，適宜野生菌的分化生長。據(jù)悉，全球已知的食用菌有2 000多種，我國已鑒定的共有966個分類單元，據(jù)不完全統(tǒng)計，云南的野生食用菌有882種，年均采獲量約10萬t，是當(dāng)之無愧的“野生食用菌王國”。本團隊立足云南的食用菌產(chǎn)業(yè)，對云南野生食用菌有害礦質(zhì)元素安全性問題進行了廣泛調(diào)研和深入研究[3-6]。本文主要就近幾年食用菌中有毒元素鎘、鉛、汞、砷的研究進展進行了概括，特別關(guān)注了野生食用菌中鎘、鉛、汞、砷的研究現(xiàn)狀，以期對食用菌的綜合利用和安全控制提供理論參考。

1 食用菌中鎘、鉛、汞、砷含量水平

不同種類的食用菌中鎘、鉛、汞、砷的含量水平差異很大，野生菌則受產(chǎn)地環(huán)境等因素的影響，表現(xiàn)出更為復(fù)雜的生物富集行為，需要綜合性的分析各類野生菌中4種元素含量水平以及地區(qū)間的差異。鑒于很多文獻資料中研究的某個食用菌品種可能在不同時間從不同位點采集了多個樣本，同時針對某個全球性分布的食用菌存在多篇文獻的研究報道，如雙孢蘑菇(Agaricusbisporus)、美味牛肝菌(Boletusedulis)、美味紅菇(Russuladelica)等，所以本文以食用菌品種進行分類匯總時，基于每個品種至少含有1個以上的樣本數(shù)據(jù)，文中描述時以“食用菌分類”來涵蓋每個品種(species)食用菌的多樣本(samples)數(shù)據(jù)。

1.1 鎘和鉛含量

根據(jù)近幾年的文獻報道，整理了67個食用菌分類的子實體中鎘含量水平，見表1。

表1 食用菌子實體干重中鎘含量

續(xù)表1 mg/kg

由表1可知29個食用菌分類的子實體干重中鎘含量低于0.5 mg/kg，鎘含量在0.5～1 mg/kg的食用菌分類是15個，1～5 mg/kg的食用菌分類有26個，高于10 mg/kg的有7個?；液峙８尉?B.griseus)子實體表現(xiàn)出很高的鎘含量水平，黃晨陽等[20]早在2010年就已發(fā)現(xiàn)和報道灰褐牛肝菌(B.griseus)具有非常高含量的鎘，鮮重達到0.890 mg/kg(約為干重8.90 mg/kg)。本研究團隊連續(xù)多年對云南各地出產(chǎn)的野生食用菌進行資源調(diào)查和礦質(zhì)元素含量水平的采樣分析。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采集自不同時間、不同產(chǎn)地的51個灰褐牛肝菌(B.griseus)樣本均表現(xiàn)很高的鎘含量水平，其質(zhì)量濃度范圍為1.61～41.36 mg/(kg·干重)，平均值為16.28 mg/(kg·干重)[3-6]。

對59個食用菌分類的子實體鉛含量水平進行了匯總整理，見表2。相比較于鎘元素，食用菌子實體中鉛含量水平分布更為分散，采集自不同生長地域或不同生長時間的同一個食用菌品種可表現(xiàn)出顯著差異的鉛含量水平，如削腳牛肝菌(B.queletiiSchulzer)、靈芝(G.lucidum)、血紅乳菇(L.sanguifluus)、刺芹側(cè)耳(P.eryngii)、糙皮側(cè)耳(P.ostreatus)等?？傮w上，市售人工栽培食用菌中的鉛含量水平普遍較低，一般都在國家或國際相關(guān)法規(guī)允許的衛(wèi)生限量標準范圍內(nèi)[10，21，24-26]，如GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》對食用菌及其制品的規(guī)定鉛限量為1.0 mg/kg。而野生食用菌則表現(xiàn)較高的鉛含量水平，如Alaimo等[15]采集了意大利南部西西里島(Sicily)生長的7種牛肝菌科(Boletaceae)野生菌，經(jīng)測定7個品種的9個樣本均表現(xiàn)出很高鉛含量水平(9個樣本的均值分布為11.60～50.70 mg/kg)；rvay等[27]采集了斯洛伐克天堂國家公園的12種野生食用菌，共計92個樣本，經(jīng)測定有83%的樣本干重的菌蓋中鉛含量高于1.0 mg/kg。盡管Zhu等[9]早在2008年采集并測定了云南省的14種野生食用菌中8種礦質(zhì)元素的含量，發(fā)現(xiàn)鉛含量較高，干重中含量為0.67～12.9 mg/kg，有11種的含量高于1.0 mg/kg。但是很多研究者如楊美智子[3]、刑博等[28]、林佶等[29]、Sun等[6]在后期的多樣本采集和測定中并沒有發(fā)現(xiàn)普遍的鉛含量高的問題。

表2 食用菌子實體干重中鉛含量

續(xù)表2 mg/kg

1.2 汞和砷含量

對近幾年文獻報道的食用菌子實體中汞含量的匯總見表3。食用菌中汞含量普遍較低，匯總的14個食用菌分類中，食用菌干重中的汞含量低于0.5 mg/kg有10種。根據(jù)王紀娟等[30]的研究報道，市售常見的人工栽培食用菌平菇、香菇、雙孢菇、秀珍菇、杏鮑菇的干重中汞含量均值為0.012～0.017 mg/kg，質(zhì)量基本安全。徐映如等[31]對上海市虹口區(qū)隨機抽取的16個品種151份市售食用菌中總汞含量進行測定，平均含量為0.0131 mg/kg，單項污染指數(shù)評價表明抽取的食用菌中汞的含量都屬于1級產(chǎn)品，安全性很高。采獲量較大的一些野生食用牛肝菌也表現(xiàn)出較低的汞含量，如楊美智子[3]對云南省21個地區(qū)的野生商品牛肝菌7種礦質(zhì)元素含量進行研究，采集了28個品種的192個樣本，經(jīng)測定，干重中汞含量高于1 mg/kg只有2個樣本。林佶等[29]也抽檢了云南省市售8種常見牛肝菌的240個樣本，雖然其認為參考GB 2762—2012中規(guī)定的0.1 mg/kg抽檢樣本的汞含量超標率較高，但是8種牛肝菌(30個樣本/種)總汞含量平均值為0.14～0.33 mg/kg。

表3 食用菌子實體干重中汞含量

砷是一種類金屬元素(metalloid)，廣泛存在于自然界，可通過飲食、呼吸和接觸進入人體，引發(fā)人體的急、慢性中毒癥狀，對人體健康造成損傷。砷被世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為第二位優(yōu)先研究的食品污染物。砷和無機砷化合物也是世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)界定的一類致癌物。從近幾年的調(diào)研情況可知，市售人工栽培食用菌中砷含量普遍較低，按照相關(guān)標準合格率較高，基本能夠保證質(zhì)量安全[24-26，30-31]，見表4。但是從表4可以看出，一些采獲量較大的野生食用菌具有很高的砷含量，如美味牛肝菌(B.edulis)、紅蔥牛肝菌(B.queletiischulz)、印度塊菌(T.indicumcookeet)、松口蘑(T.matsutake)、大紅菇(R.albida)等。需要進一步研究其食用安全性。

2 食用菌對鎘、鉛、汞、砷的吸附性能及影響因素

食用菌中重金屬元素的含量存在顯著差異。研究已明確了食用菌對重金屬的生物富集能力與食用菌品種、菌體結(jié)構(gòu)部位相關(guān)。同時，食用菌生長狀態(tài)可作為活的生物體，其對重金屬的生物響應(yīng)和子實體中的一些化合物是食用菌吸附和耐受有毒重金屬的影響因素。研究還發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬的遷移能力是影響生物體對土壤中重金屬生物吸附的重要影響因素。在有些情況下，環(huán)境大氣輸送和沉積也是食用菌富集某種重金屬元素的決定性因素[33]。

表4 食用菌子實體干重中砷含量

續(xù)表4 mg/kg

2.1 食用菌品種的影響

評價食用菌對某種元素的富集能力主要參考其生物富集系數(shù)(bioconcentration factor，BCF或bioaccumulation factor，BAF)，即某種元素在子實體中的濃度比土壤基質(zhì)中的濃度。馬培等[34]發(fā)現(xiàn)灰褐牛肝菌(B.griseus)菌蓋和菌柄的干重中鎘含量分別為19.00 mg/kg和12.01 mg/kg，生物富集系數(shù)為79.17和50.04，而其他4種牛肝菌對鎘幾乎沒有富集能力。Melgar等[8]采集了28種人工栽培和野生食用菌，共計238個樣本，其中13個大孢蘑菇(A.macrosporus)樣本的干重中菌蓋和菌柄中鎘含量平均值為52.9 mg/kg和28.3 mg/kg，其BCF值為1 399和741，白林地蘑菇(A.sylvicola)的菌蓋和菌柄也表現(xiàn)出很高的鎘含量水平，其BCF值分別是701和266，而其他食用菌種類菌蓋與菌柄對鎘的BCF值為5.24～53.0。Sun等[6]調(diào)研了云南省8種227個牛肝菌科野生食用菌樣本中的礦質(zhì)元素，發(fā)現(xiàn)34個灰褐牛肝菌(B.griseus)干重樣本中鎘含量均值為15.14 mg/kg，其BCF值為6.40，而其他7種牛肝菌對鎘的BCF為0.18～0.75。段志敏等[32]收集了云南省市售30種野生食用菌，共計171個樣本，經(jīng)測定，松茸菌表現(xiàn)出普遍較高的砷含量，7個樣本中砷含量為1.79～4.91 mg/kg，均值為3.15 mg/kg，而其他29種野生菌砷含量均值為0.05～1.19 mg/kg。

2.2 食用菌子實體結(jié)構(gòu)部位的影響

可食蘑菇子實體一般分為菌蓋(cap)和菌柄(stipe)兩個部分。研究已證實子實體吸收的重金屬在菌蓋和菌柄中的分布是不同的，表5整理了鎘、鉛、汞、砷在菌蓋和菌柄的分布情況，以同一元素在菌蓋中含量與菌柄中含量的比值即Q值，來表征子實體不同部位對4種元素的富集能力。

由表5可以看出，食用菌子實體吸附的鎘元素在菌蓋和菌柄中的分布規(guī)律比較明顯，匯總的35個食用菌分類中只有虎皮粘蓋牛肝菌(S.pictus)Q值小于1。鉛和汞元素在菌蓋和菌柄中的分布也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，大多數(shù)的樣本Q值大于1。但是砷元素在菌蓋和菌柄中的分布則呈現(xiàn)分散性，表5匯總的9個食用菌分類中Q值大于1的有6個，小于1的也是6個，即同一品種的不同樣本其菌蓋和菌柄對砷元素可表現(xiàn)出完全不同的吸附能力。如有研究發(fā)現(xiàn)美味牛肝菌菌蓋中砷含量低于菌柄，也有研究結(jié)果表明菌蓋中砷含量高于菌柄。

表5 食用菌子實體結(jié)構(gòu)部位對鎘、鉛、汞、砷富集能力的影響

續(xù)表5 mg/kg

2.3 生長環(huán)境和土壤基質(zhì)特性的影響

環(huán)境中重金屬污染物自身具有較強的擴散能力，可以通過大氣輸送和沉積、河流和地下水、交通運輸?shù)确绞竭w移，進而擴大其對生物圈的作用范圍。楊天偉等[36]研究云南山區(qū)野生菌，發(fā)現(xiàn)多數(shù)牛肝菌菌體中汞含量高于土壤基質(zhì)中的含量，鑒于此提出山區(qū)“汞誘捕效應(yīng)”，即未污染的山區(qū)空氣濕潤度高、雨水充沛等特點，使得工廠或污染區(qū)域空氣中的汞可以隨著大氣循環(huán)聚集至山區(qū)，進而通過沉積作用吸附至野生菌菌蓋。Vinichuk等[40]研究發(fā)現(xiàn)采集自挪威森林中的樣品，其土壤基質(zhì)中重金屬水平低但真菌菌絲體重金屬含量較高，認為氣體沉積可以解釋此現(xiàn)象。

食用菌子實體對土壤基質(zhì)中某種元素的生物吸附作用與該元素的遷移能力密切相關(guān)。而土壤基質(zhì)的特性，如土壤pH值、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、黏土粒度、鐵、鋁、錳的氧化物、碳酸鈣及磷含量都決定著土壤重金屬的遷移能力。甚至土壤基質(zhì)中其他元素的種類和形態(tài)也會影響重金屬從土壤至菌體的遷移性，比如元素間的拮抗效應(yīng)或協(xié)同效應(yīng)[41]。

如果排除生長環(huán)境和土壤基質(zhì)的作用，我們需要思考的一個問題是：對某種元素表達出很高BCF值的子實體，它是如何從土壤基質(zhì)中提取并富集這種元素？研究者以“大氣沉降”和“誘捕效應(yīng)”來推測，但是大氣沉降同樣也會造成土壤中元素的沉積。Zocher等[42]在對褐環(huán)乳牛肝菌(S.luteus)研究中，提出就像很多的菌根真菌一樣，褐環(huán)乳牛肝菌也向環(huán)境中分泌3組氧肟酸鹽型鐵載體(siderophores)用以鐵元素的活化和吸收，但是這些鐵載體不僅對鐵元素具有高親和性，對于其他的重金屬元素也具有很高的親和性，可能是褐環(huán)乳牛肝菌富集土壤基質(zhì)中一些稀有金屬元素的原因。這個問題的提出具有很好的啟發(fā)性，可能在大型真菌富集重金屬元素機制研究上形成新的研究思路。

2.4 食用菌子實體對重金屬的生物響應(yīng)與結(jié)合蛋白

無論是人工栽培的食用菌還是野生菌，其在生長過程中，作為活的生物體是如何耐受基質(zhì)中以及富集到菌體中的有毒重金屬的？在這個問題上，研究者提出生物體的生物響應(yīng)和結(jié)合蛋白的論點。

重金屬脅迫下生物體抗氧化體系的響應(yīng)可在一定程度上應(yīng)對有毒元素造成的體內(nèi)氧壓損傷，王松華等[43]發(fā)現(xiàn)在低濃度范圍內(nèi)隨著鎘處理濃度的增加，柱狀田頭菇菌絲抗氧化酶系的活力上升，而在高鎘濃度處理時，抗氧化酶系受到顯著抑制。李金城等[44]研究了不同濃度Cd2+處理對美味牛肝菌菌絲體中過氧化氫酶(catalase，CAT)、 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化物酶(peroxidase，POD)活性的影響，CAT和SOD活性隨Cd2+處理濃度的增加呈現(xiàn)顯著的“低促高抑”變化，POD活性被Cd2+顯著抑制。

大型真菌對重金屬的耐受一方面是真菌細胞壁的胞外結(jié)合和沉淀以及細胞生物膜系統(tǒng)的屏障作用。被吸附的有害金屬可通過物理阻隔和結(jié)合作用沉積在細胞壁外。另一方面許多真菌胞外的黑色素也是一種有效的生物吸附劑[45]，可提高真菌對重金屬脅迫的耐受性。研究較多的是菌體的結(jié)合蛋白，包括廣泛存在于生物體中的金屬硫蛋白(metallothioneins，MTs)。植物及微生物中還有一些金屬結(jié)合小肽，雖也具有MTs的部分特性，但由于與典型的MTs差異較大，則被定義為類金屬硫蛋白(MT-like，MTL)。Morselt等[46]在美味牛肝菌中發(fā)現(xiàn)MTL增加了菌體對鎘、銅和鋅等金屬元素的耐受性。Collin-Hansen等[47-48]重點研究了幾種蕈菌的鎘結(jié)合蛋白，發(fā)現(xiàn)菌體鎘結(jié)合蛋白在凝膠層析、氨基柱分離及鎘螯合樹脂方面與MTs有一致的特性，但是半胱氨酸含量較低，并含有芳香族氨基酸。他們進一步對結(jié)合蛋白進行研究，并分析了N端氨基酸序列，初步認為是含鎘磷蛋白(cadmium-mycophosphatin)。Melgar等[8]針對大孢蘑菇和白林地蘑菇的高鎘含量分析指出，其子實體中具有重金屬結(jié)合作用的蛋白質(zhì)，如含鎘磷蛋白和鎘結(jié)合蛋白，使得菌體可耐受高鎘狀態(tài)；菌蓋中含有植物螯合素(也稱為植物螯合肽)，使得菌蓋中鎘含量高于菌柄。

3 展 望

環(huán)境重金屬污染因其殘毒性時間長、難降解和蓄積性而引起世界各國的廣泛關(guān)注。大型真菌對環(huán)境重金屬可表現(xiàn)較強的生物富集作用。

在可食性大型真菌重金屬安全問題上，歐盟委員會基于研究訊息，認為即使是良好農(nóng)業(yè)和規(guī)范漁業(yè)操作也不能使某些水生物種和食用菌中鉛、鎘和汞的含量繼續(xù)維持在法規(guī)(EC)No 1881/2006附件所規(guī)定的水平，因此頒布了新標準(EC)No 629/2008號法規(guī)修改甚至取消了其在一些品類的食品中的最大限量標準。但是明確指出生產(chǎn)者應(yīng)該盡可能降低產(chǎn)品中重金屬的含量，保障消費者的健康。

近年來通過選擇優(yōu)良品種、改善生產(chǎn)環(huán)境、改革栽培技術(shù)等，市售人工栽培食用菌在鎘、鉛、汞、砷等典型有毒重金屬污染上有所控制。但是野生食用菌種類多、生長環(huán)境復(fù)雜，可控性差。近年來，隨著野生食用菌資源的開發(fā)、冷鏈運輸?shù)慕ㄔO(shè)和完善，越來越多的人群可以消費到新鮮的或凍藏的野生食用菌及其加工制品，野生食用菌消費量逐年增長。云南省是中國和世界的野生食用菌主產(chǎn)區(qū)，政府相關(guān)部門和研究者已經(jīng)就重金屬問題給予重點關(guān)注，但是相比較于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還不夠完全，需要進一步加強調(diào)研和安全性分析。