4種蔬菜對(duì)土壤Mn轉(zhuǎn)運(yùn)累積特征及食用安全性研究

陳小華，白玉杰，錢曉雍，沈根祥，郭春霞，胡雙慶，顧海蓉，王振旗，付侃，趙慶杰

上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233

錳(Mn)是植物維持正常生命活動(dòng)所必需的微量元素之一，其對(duì)植物的光合放氧、維持細(xì)胞器的正常結(jié)構(gòu)和活化酶活性等具有不可替代的作用[1]。Mn也是人類必需的營(yíng)養(yǎng)素，以往關(guān)于Mn的研究主要集中于錳缺乏對(duì)人體健康的影響[2]。然而，采礦業(yè)相關(guān)活動(dòng)、污水再利用灌溉等導(dǎo)致土壤中Mn過(guò)量，農(nóng)產(chǎn)品食用安全問(wèn)題日益受到關(guān)注[3-6]。近年來(lái)，我國(guó)在推進(jìn)低效建設(shè)用地(含工業(yè)用地)減量化復(fù)墾，按照“宜林則林、宜耕則耕”的原則，部分低效工業(yè)用地的復(fù)墾土地將要改為農(nóng)業(yè)用地[7]，低效工業(yè)用地時(shí)常出現(xiàn)Mn過(guò)量的環(huán)境問(wèn)題，威脅復(fù)墾農(nóng)用后的農(nóng)產(chǎn)品食用安全。已有研究表明，土壤中過(guò)量的Mn對(duì)農(nóng)作物造成直接傷害，會(huì)降低作物生產(chǎn)力，并影響其產(chǎn)量和品質(zhì)[8-11]，而農(nóng)作物過(guò)量吸收、富集的Mn會(huì)通過(guò)食物鏈傳遞給人類，直接影響人體健康[12-14]。例如，人體Mn攝入量過(guò)高能夠引起類帕金森氏綜合癥、阿爾茨海默氏癥，影響肝臟、心血管系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的正常功能，并對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)產(chǎn)生毒性等[15-18]。

相對(duì)于Cd、Pb、As和Hg等有毒重金屬，我國(guó)土壤Mn污染事件出現(xiàn)較少、且影響不大，因此，過(guò)去有關(guān)土壤Mn污染的研究基礎(chǔ)較薄弱，現(xiàn)有的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)也未對(duì)Mn含量做出規(guī)定。針對(duì)上海市低效建設(shè)用地減量化復(fù)墾農(nóng)用過(guò)程中，土壤中過(guò)量Mn對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全與人體健康產(chǎn)生不利影響的問(wèn)題，本研究選擇日常餐桌上的常見(jiàn)蔬菜，研究Mn對(duì)蔬菜生物量的影響及在蔬菜不同部位的累積轉(zhuǎn)運(yùn)特征，并通過(guò)建立蔬菜-土壤中Mn含量相關(guān)關(guān)系，計(jì)算基于不同蔬菜食用安全的土壤Mn安全限量值。研究結(jié)果將為農(nóng)用地土壤環(huán)境中Mn標(biāo)準(zhǔn)定值提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并有助于篩選出Mn的低累積型蔬菜種類，指導(dǎo)受Mn污染復(fù)墾土地的分級(jí)安全利用與替代種植，對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品食用安全和人體健康具有重要意義。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 試驗(yàn)材料

前期選取上海市某低效工業(yè)場(chǎng)地減量化復(fù)墾后的表土，土壤類型為壤質(zhì)土。為盡量減少試驗(yàn)誤差和控制工作量，原土壤經(jīng)風(fēng)干、搗碎后，用簡(jiǎn)易工程鐵絲篩網(wǎng)(孔徑約4 mm)過(guò)篩，獲得原有基質(zhì)特征不變的供試土樣。測(cè)定了供試土壤的理化性質(zhì)(表1)和重金屬初始含量(表2)，其中Mn含量為550 mg·kg-1。以無(wú)水硫酸鎂(MnSO4)(AR級(jí)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán))配制成鹽溶液加入供試土中制成模擬Mn污染土，Mn2+是Mn的可溶形態(tài)，容易被植物吸收[19]。盆栽試驗(yàn)于2017年在上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園智能化大棚內(nèi)進(jìn)行。供試蔬菜品種選用本地餐桌常見(jiàn)蔬菜種類：青椒(CapsicumannuumL.，簡(jiǎn)稱CA)、黃瓜(CucumissativusL.，簡(jiǎn)稱CS)、豇豆(Vignaunguiculate，簡(jiǎn)稱VU)和菠菜(SpinaciaoleraceaL.，簡(jiǎn)稱SO)。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

表2 供試土壤重金屬含量Table 2 Heavy metal concentration of soil samples

1.2 污染土壤的制備

污染土壤配制參考我國(guó)“七五”和“十一五”期間土壤環(huán)境調(diào)查中的Mn含量范圍(69.8～5 888 mg·kg-1)[20]，以及上海市低效工業(yè)用地減量化復(fù)墾地塊測(cè)出的土壤Mn的含量范圍(450～5 100 mg·kg-1)。每種蔬菜盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)5個(gè)梯度濃度，對(duì)應(yīng)原土初始Mn含量(550 mg·kg-1)的2、4、6、8和10倍，即土壤Mn含量分別為1 100、2 200、3 300、4 400和5 500 mg·kg-1(編號(hào)依次為Mn-1、Mn-2、Mn-3、Mn-4和Mn-5)，同時(shí)設(shè)空白對(duì)照(原土，編號(hào)為Mn-ck)，6個(gè)處理組均設(shè)計(jì)3個(gè)平行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)稱取相應(yīng)質(zhì)量MnSO4，分幾份放入燒杯中，向燒杯中加入去離子水配成母液，保證每個(gè)燒杯中MnSO4完全溶解。將預(yù)先風(fēng)干處理好的實(shí)驗(yàn)用土按照各組所需土量分開(kāi)并在室溫下平攤，將每個(gè)燒杯中的母液噴灑于土壤中，邊噴灑邊攪拌以保證母液與土壤充分均勻混合，混合后的土壤放置在室溫下穩(wěn)定2周后，裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的塑料盆進(jìn)行后續(xù)盆栽土培實(shí)驗(yàn)，塑料盆直徑30 cm、高25 cm，每盆裝供試土壤5 kg，盆底加盆托防漏土，各處理施加同等氮、磷和鉀作底肥(不含Mn)。

1.3 盆栽實(shí)驗(yàn)

土壤穩(wěn)定后進(jìn)行育苗，每盆種植相同數(shù)量幼苗，蔬菜生長(zhǎng)期間保持土壤濕度為田間持水量60%。作物生長(zhǎng)期間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行澆水、松土、除草和去害蟲(chóng)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每天早上觀察幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，并記錄異常情況。CA、CS和VU在9～15周進(jìn)行采摘稱重確定生物量，SO在6～7周進(jìn)行采摘稱重確定生物量。

1.4 樣品采集與分析方法

采用四分法取土樣，經(jīng)過(guò)風(fēng)干、研磨和過(guò)篩。pH值、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、氮(N)、磷(P)和鉀(K)等均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》中的方法進(jìn)行測(cè)定[21]。

土壤中總Mn測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)HJ 803—2016[22]，準(zhǔn)確稱取0.1 g待測(cè)樣品，經(jīng)王水提取，用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS, Agilent 7900)測(cè)定。土壤中有效態(tài)Mn測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)HJ 804—2016[23]，準(zhǔn)確稱取10 g樣品，經(jīng)二乙烯三胺五乙酸浸提，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP, Agilent 5100)測(cè)定。

蔬菜樣品中Mn測(cè)定按照GB/T 5009.268—2016推薦的方法[24]，采集的可食部分先用自來(lái)水沖洗干凈，再以去離子水沖洗，用濾紙吸去表面水分用食品加工器粉碎，制成待測(cè)樣放入塑料瓶中，冷凍保存待測(cè)，用ICP-MS(Agilent 7900)測(cè)定Mn含量。根、莖葉等非食用樣品洗凈風(fēng)干后，分取根、莖葉粉碎，經(jīng)濃硝酸—高氯酸消化，用ICP-MS(Agilent 7900)測(cè)定Mn含量。

1.5 蔬菜中Mn限量賦值方法

本研究首先采用靶標(biāo)危害指數(shù)法(target hazard quotient, THQ)[25-26]，推算新鮮蔬菜可食部分中Mn限量值(mg·kg-1)。具體計(jì)算公式為：

THQ=(c×EF×ED×IR)/(BW×AT×RfD)×10-3

式中：c為新鮮蔬菜中污染物的平均含量(mg·kg-1)；EF為暴露頻率(365 d·a-1)；ED為暴露年數(shù)(70 a)；IR為我國(guó)每日新鮮蔬菜攝入率(成人攝入率按335 g·d-1計(jì)，兒童攝入率按232 g·d-1計(jì))；BW為我國(guó)人體的平均體重(成人體重按60 kg計(jì)，兒童體重按33 kg計(jì))；AT為平均暴露時(shí)間(365 d·a-1×70 a)[27]。RfD為經(jīng)口攝入?yún)⒖紕┝?reference dose)，主要參考美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(US EPA)綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)(IRIS)及其他來(lái)源中針對(duì)主要污染指標(biāo)的參考劑量，Mn為0.14 mg·kg-1·d-1[28]。當(dāng)THQ值≤1，表明人體對(duì)目標(biāo)區(qū)生長(zhǎng)的蔬菜消費(fèi)基本不產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)；THQ值>1時(shí)，可引起人體健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)置THQ=1時(shí)所推算出的c值即為新鮮蔬菜可食部分中Mn的人體健康安全臨界值(mg·kg-1)。

其次，采用回歸分析方法建立各種蔬菜的可食部分Mn含量(Y)與土壤Mn含量(X)的關(guān)系式，將以上計(jì)算出的蔬菜中Mn限量值(Y)代入相對(duì)應(yīng)的“土壤-蔬菜”Mn含量之間的回歸方程式中，推導(dǎo)出基于各種蔬菜食用安全的土壤Mn限量值(X)。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理與差異分析采用Excel 2003和SPSS 12.0，作圖采用Origin 9.0。

2 結(jié)果(Results)

2.1 不同Mn含量土壤對(duì)蔬菜生物量的影響

生物量的變化是植物對(duì)重金屬脅迫響應(yīng)的最直觀綜合體現(xiàn)，分析土壤中不同含量Mn對(duì)4種蔬菜生物量的影響。結(jié)果表明，隨著土壤中Mn含量的增加，4種蔬菜的生物量均表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)(圖1)，反映出一般重金屬普遍存在的“低含量促進(jìn)、高含量抑制”的效應(yīng)[13]。當(dāng)土壤中Mn含量為3 300 mg·kg-1時(shí)，CA、CS生物量達(dá)到最大，Mn含量進(jìn)一步上升，則CA、CS生長(zhǎng)明顯受到抑制，生物量下降，表現(xiàn)出中毒癥狀，葉片出現(xiàn)褐色壞死斑。VU和SO對(duì)Mn的耐受性更強(qiáng)些，當(dāng)土壤中Mn含量高于4 400 mg·kg-1時(shí)，SO和VU生物量減少，SO邊緣附近出現(xiàn)淡褐色病斑，葉緣干枯，VU開(kāi)始葉片發(fā)黃，葉片脫落數(shù)量增加。適當(dāng)含量Mn能刺激植物體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)等酶系統(tǒng)的活性，從而有利于植物的生長(zhǎng)，但過(guò)高的Mn含量會(huì)使酶活性達(dá)到閾值后開(kāi)始下降，導(dǎo)致大量活性氧自由基產(chǎn)生，Mn還可能直接取代某些酶中的活性微量元素，而使酶活性發(fā)生變化甚至破壞酶結(jié)構(gòu)，使植物開(kāi)始出現(xiàn)Mn中毒癥狀[29-30]。隨著Mn毒害程度的加劇，根系膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)的含量會(huì)明顯上升，加劇膜脂過(guò)氧化程度，導(dǎo)致蔬菜的根系和地上部生長(zhǎng)均受到明顯抑制[31]。

圖1 不同Mn處理組的4種蔬菜可食部分鮮重注：CA表示青椒，CS表示黃瓜，VU表示豇豆，SO表示菠菜。Fig. 1 Fresh weight of edible parts of four vegetables in different Mn treatmentsNote: CA means Capsicum annuum; CS means Cucumis sativus L.; VU means Vigna unguiculata; SO means Spinacia oleracea L..

2.2 Mn在蔬菜不同部位的轉(zhuǎn)運(yùn)分布規(guī)律及累積特征

隨著土壤中Mn含量的上升，4種蔬菜不同部位的Mn含量均呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.01)(表3)。各蔬菜對(duì)Mn的累積能力存在品種間差異，可食部分Mn含量大小排序?yàn)镾O>VU>CS>CA，莖葉中Mn含量大小排序?yàn)镃S>VU>CA>SO，根系中Mn含量大小排序?yàn)閂U>CS>CA>SO，說(shuō)明VU更能把重金屬固定在根部，限制Mn向地上部位轉(zhuǎn)移，減少重金屬的毒害作用。同一蔬菜不同部位對(duì)Mn的累積量存在很大差異。Mn在CA體內(nèi)各部位含量大小為莖葉>根>可食部分；CS體內(nèi)各部位含量大小為：低含量時(shí)，根>莖葉>可食部分，高含量時(shí)，莖葉>根>可食部分；VU體內(nèi)各部位含量大小為根>莖葉>可食部分，SO體內(nèi)各部位含量大小為莖葉>根。測(cè)定盆栽土壤有效態(tài)Mn含量為341～1 190 mg·kg-1，土壤有效態(tài)Mn與土壤Mn總量、4種蔬菜可食部分中Mn含量之間的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

Mn向蔬菜不同部位的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力可用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)表征(表4)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算方法是地上各部位Mn含量與根系Mn含量的比值[32]。CA的根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為2.25～6.45，根-可食部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.053～0.228；CS根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.430～2.13，根-可食部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.004～0.020；VU根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.391～0.808，根-可食部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.004～0.018；SO根-可食部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.57～6.34。4種蔬菜根-可食部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小排序?yàn)镾O>CA>VU>CS，根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小排序?yàn)镃A>CS>VU。

作物對(duì)重金屬的累積能力可通過(guò)富集系數(shù)(bioconcentration coefficient, BCF)量化，即植株重金屬含量(mg·kg-1)與土壤重金屬含量(mg·kg-1)的比值[33]，4種蔬菜可食部分富集系數(shù)表現(xiàn)出明顯的差異(表5)。隨著土壤中Mn含量的增加，SO可食部分富集系數(shù)先增大后減小。高M(jìn)n處理土壤(Mn-5)中的CA、CS和VU可食部分Mn富集系數(shù)要高于低Mn處理土壤。不同處理組下的SO可食部分Mn富集系數(shù)均高于CA、CS和VU；在高M(jìn)n處理組(Mn-4和Mn-5)，SO和VU的可食部分Mn富集系數(shù)基本接近。屬葉菜類的SO對(duì)Mn富集能力強(qiáng)于其他3種蔬菜，這與其他研究中發(fā)現(xiàn)的葉菜類食用安全風(fēng)險(xiǎn)大于茄果類、莢果類蔬菜的結(jié)論基本一致[34]。農(nóng)作物對(duì)重金屬富集的品種差異主要來(lái)自農(nóng)作物根系分泌物對(duì)根際土壤重金屬活化能力的品種差異[35]。低累積品種根系分泌有機(jī)物以及H+較少，對(duì)土壤中重金屬的活化能力較弱。此外，低累積品種鈣離子通道功能可能不活躍，吸收重金屬的能力較低[36]。

表3 不同含量Mn處理下的4種蔬菜可食部分、莖葉和根部Mn含量Table 3 Mn concentrations in different parts of four vegetables under different Mn treatments (mg·kg-1)

注：Mn-ck、Mn-1、Mn-2、Mn-3、Mn-4和Mn-5表示土壤Mn含量分別為550、1 100、2 200、3 300、4 400和5 500 mg·kg-1共6個(gè)梯度濃度；平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3。

Note: Mn-ck, Mn-1, Mn-2, Mn-3, Mn-4 and Mn-5 mean different Mn concentration gradients in soil with 550, 1 100, 2 200, 3 300, 4 400 and 5 500 mg·kg-1; mean ± standard deviation,n=3.

表4 不同含量Mn處理下4種蔬菜各部位Mn轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 4 Mn translocation factors in different parts of four vegetables grown in soils with different Mn concentrations

表5 不同含量Mn處理下4種蔬菜可食部位Mn富集系數(shù)Table 5 Bioconcentration coefficient of Mn in the edible parts of four vegetables grown in soils with different Mn concentrations

2.3 基于蔬菜食用安全的土壤Mn安全閾值推算

Mn在蔬菜可食部分過(guò)量累積并通過(guò)食物鏈傳遞到人體對(duì)人類健康造成威脅，基于蔬菜食用安全的土壤Mn安全閾值也應(yīng)引起重視?；诨貧w分析方法建立4種蔬菜的的可食部分Mn含量(Y)與土壤Mn含量(X)的關(guān)系(表6)。CA、CS和VU的可食部分Mn含量與土壤中Mn含量均呈極顯著的指數(shù)關(guān)系(P<0.01)，而SO可食部分(莖葉)Mn含量與土壤中Mn含量呈極顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(P<0.01)。相關(guān)系數(shù)大小依次為SO(0.937)>CS(0.930)>VU(0.913)>CA(0.864)。

依據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的Mn人體最大日允許攝入量(RfD) 0.14 mg·kg-1·d-1，推算出靶標(biāo)危害指數(shù)(THQ)=1時(shí)新鮮蔬菜可食部分的Mn限量值(Y)為25.1 mg·kg-1(成人)和19.7 mg·kg-1(兒童)。將以上計(jì)算出的蔬菜中Mn限量值(Y)逐一代入對(duì)應(yīng)的“土壤-蔬菜”Mn含量之間的回歸方程中，計(jì)算出基于各種蔬菜食用安全的土壤Mn安全閾值(X)(表6)。種植不同蔬菜對(duì)應(yīng)的土壤Mn安全限量值從小到大(從嚴(yán)到寬)依次為：SO、VU、CS和CA?？紤]成人與兒童對(duì)蔬菜食用安全要求，各蔬菜對(duì)應(yīng)的土壤Mn安全閾值預(yù)測(cè)區(qū)間為：SO 992.5～1 097.3 mg·kg-1，VU 2 607.5～2 910.0 mg·kg-1，CS 3 147.5～3 494.6 mg·kg-1，CA 3 618.0～3 921.5 mg·kg-1。SO對(duì)應(yīng)的土壤Mn閾值范圍，要嚴(yán)于美國(guó)提出的土壤中Mn限量值(2 000 mg·kg-1)[37]和澳大利亞提出的保護(hù)土壤Mn調(diào)研值(1 500 mg·kg-1)[20]。而VU、CA和CS所對(duì)應(yīng)的土壤Mn閾值范圍明顯寬于以上提到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這得益于CA、CS和VU對(duì)Mn具有低累積性，適合作為Mn污染土壤安全利用的替代種植品種。

綜上所述，本研究表明：

(1)本研究采用溫室盆栽土培試驗(yàn)方法研究了上海市4種蔬菜對(duì)土壤Mn累積轉(zhuǎn)運(yùn)特征，并基于各蔬菜食用安全要求分析了土壤中Mn的安全限量值。研究結(jié)果表明，Mn對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，VU和SO的Mn耐受度強(qiáng)于CA和CS。當(dāng)土壤Mn含量高于3 300 mg·kg-1時(shí)，CA、CS生長(zhǎng)開(kāi)始受到抑制，含量高于4 400 mg·kg-1時(shí)，VU和SO生長(zhǎng)開(kāi)始受到抑制。隨著土壤中Mn含量增加，4種蔬菜各部位的Mn含量均表現(xiàn)為逐步上升趨勢(shì)。

(2)不同蔬菜品種之間、同一蔬菜不同部位之間的Mn累積轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在顯著差異。CA、CS和VU的Mn主要累積在莖葉和根部，SO的Mn主要累積在地上可食部分(莖葉)。4種蔬菜可食部分對(duì)土壤中Mn具顯著累積趨勢(shì)，SO可食部分富集能力強(qiáng)于其他3種蔬菜。CA、CS和VU可食部分Mn含量與土壤中Mn含量呈顯著指數(shù)相關(guān)(P<0.01)，SO可食部分Mn含量與土壤中Mn含量呈顯著對(duì)數(shù)相關(guān)(P<0.01)。

(3)基于蔬菜可食部分Mn含量與土壤Mn含量的關(guān)系方程，推算出各蔬菜對(duì)應(yīng)的土壤Mn安全閾值預(yù)測(cè)區(qū)間為：SO 992.5～1 097.3 mg·kg-1，VU 2 607.5～2 910.0 mg·kg-1，CS 3 147.5～3 494.6 mg·kg-1，CA 3 618.0～3 921.5 mg·kg-1。CS、CA和VU適合作為受Mn污染農(nóng)用地安全利用的替代種植品種。

表6 蔬菜可食部分的Mn含量(Y)與土壤中Mn含量(X)的相關(guān)關(guān)系及限量值計(jì)算Table 6 Relationship between soil Mn contents and Mn contents in vegetables and soil threshold values