4種蔬菜對土壤Mn轉運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

上海市環境科學研究院，上海 200233

錳(Mn)是植物維持正常生命活動所必需的微量元素之一，其對植物的光合放氧、維持細胞器的正常結構和活化酶活性等具有不可替代的作用[1]。Mn也是人類必需的營養素，以往關于Mn的研究主要集中于錳缺乏對人體健康的影響[2]。然而，采礦業相關活動、污水再利用灌溉等導致土壤中Mn過量，農產品食用安全問題日益受到關注[3-6]。近年來，我國在推進低效建設用地(含工業用地)減量化復墾，按照“宜林則林、宜耕則耕”的原則，部分低效工業用地的復墾土地將要改為農業用地[7]，低效工業用地時常出現Mn過量的環境問題，威脅復墾農用后的農產品食用安全。已有研究表明，土壤中過量的Mn對農作物造成直接傷害，會降低作物生產力，并影響其產量和品質[8-11]，而農作物過量吸收、富集的Mn會通過食物鏈傳遞給人類，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、心血管系統和免疫系統的正常功能，并對神經系統和生殖系統產生毒性等[15-18]。

相對于Cd、Pb、As和Hg等有毒重金屬，我國土壤Mn污染事件出現較少、且影響不大，因此，過去有關土壤Mn污染的研究基礎較薄弱，現有的土壤環境質量標準和食品安全限量標準也未對Mn含量做出規定。針對上海市低效建設用地減量化復墾農用過程中，土壤中過量Mn對農產品安全與人體健康產生不利影響的問題，本研究選擇日常餐桌上的常見蔬菜，研究Mn對蔬菜生物量的影響及在蔬菜不同部位的累積轉運特征，并通過建立蔬菜-土壤中Mn含量相關關系，計算基于不同蔬菜食用安全的土壤Mn安全限量值。研究結果將為農用地土壤環境中Mn標準定值提供基礎數據，并有助于篩選出Mn的低累積型蔬菜種類，指導受Mn污染復墾土地的分級安全利用與替代種植，對保障農產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 試驗材料

前期選取上海市某低效工業場地減量化復墾后的表土，土壤類型為壤質土。為盡量減少試驗誤差和控制工作量，原土壤經風干、搗碎后，用簡易工程鐵絲篩網(孔徑約4 mm)過篩，獲得原有基質特征不變的供試土樣。測定了供試土壤的理化性質(表1)和重金屬初始含量(表2)，其中Mn含量為550 mg·kg-1。以無水硫酸鎂(MnSO4)(AR級，購自國藥集團)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，容易被植物吸收[19]。盆栽試驗于2017年在上海市青浦現代農業園智能化大棚內進行。供試蔬菜品種選用本地餐桌常見蔬菜種類：青椒(CapsicumannuumL.，簡稱CA)、黃瓜(CucumissativusL.，簡稱CS)、豇豆(Vignaunguiculate，簡稱VU)和菠菜(SpinaciaoleraceaL.，簡稱SO)。

表1 供試土壤理化性質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“七五”和“十一五”期間土壤環境調查中的Mn含量范圍(69.8～5 888 mg·kg-1)[20]，以及上海市低效工業用地減量化復墾地塊測出的土壤Mn的含量范圍(450～5 100 mg·kg-1)。每種蔬菜盆栽實驗設5個梯度濃度，對應原土初始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(編號依次為Mn-1、Mn-2、Mn-3、Mn-4和Mn-5)，同時設空白對照(原土，編號為Mn-ck)，6個處理組均設計3個平行。根據實驗設計稱取相應質量MnSO4，分幾份放入燒杯中，向燒杯中加入去離子水配成母液，保證每個燒杯中MnSO4完全溶解。將預先風干處理好的實驗用土按照各組所需土量分開并在室溫下平攤，將每個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定2周后，裝入預先準備好的塑料盆進行后續盆栽土培實驗，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 盆栽實驗

土壤穩定后進行育苗，每盆種植相同數量幼苗，蔬菜生長期間保持土壤濕度為田間持水量60%。作物生長期間根據實際情況進行澆水、松土、除草和去害蟲，實驗開始后每天早上觀察幼苗的生長發育狀況，并記錄異常情況。CA、CS和VU在9～15周進行采摘稱重確定生物量，SO在6～7周進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，經過風干、研磨和過篩。pH值、有機質、陽離子交換量、氮(N)、磷(P)和鉀(K)等均參照《土壤農業化學分析方法》中的方法進行測定[21]。

土壤中總Mn測定參照標準HJ 803—2016[22]，準確稱取0.1 g待測樣品，經王水提取，用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS, Agilent 7900)測定。土壤中有效態Mn測定參照標準HJ 804—2016[23]，準確稱取10 g樣品，經二乙烯三胺五乙酸浸提，用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP, Agilent 5100)測定。

蔬菜樣品中Mn測定按照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，制成待測樣放入塑料瓶中，冷凍保存待測，用ICP-MS(Agilent 7900)測定Mn含量。根、莖葉等非食用樣品洗凈風干后，分取根、莖葉粉碎，經濃硝酸—高氯酸消化，用ICP-MS(Agilent 7900)測定Mn含量。

1.5 蔬菜中Mn限量賦值方法

本研究首先采用靶標危害指數法(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(70 a)；IR為我國每日新鮮蔬菜攝入率(成人攝入率按335 g·d-1計，兒童攝入率按232 g·d-1計)；BW為我國人體的平均體重(成人體重按60 kg計，兒童體重按33 kg計)；AT為平均暴露時間(365 d·a-1×70 a)[27]。RfD為經口攝入參考劑量(reference dose)，主要參考美國國家環保局(US EPA)綜合風險信息系統(IRIS)及其他來源中針對主要污染指標的參考劑量，Mn為0.14 mg·kg-1·d-1[28]。當THQ值≤1，表明人體對目標區生長的蔬菜消費基本不產生健康風險；THQ值>1時，可引起人體健康風險。因此，設置THQ=1時所推算出的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)的關系式，將以上計算出的蔬菜中Mn限量值(Y)代入相對應的“土壤-蔬菜”Mn含量之間的回歸方程式中，推導出基于各種蔬菜食用安全的土壤Mn限量值(X)。

1.6 數據處理方法

數據處理與差異分析采用Excel 2003和SPSS 12.0，作圖采用Origin 9.0。

2 結果(Results)

2.1 不同Mn含量土壤對蔬菜生物量的影響

生物量的變化是植物對重金屬脅迫響應的最直觀綜合體現，分析土壤中不同含量Mn對4種蔬菜生物量的影響。結果表明，隨著土壤中Mn含量的增加，4種蔬菜的生物量均表現為先增加后減少的趨勢(圖1)，反映出一般重金屬普遍存在的“低含量促進、高含量抑制”的效應[13]。當土壤中Mn含量為3 300 mg·kg-1時，CA、CS生物量達到最大，Mn含量進一步上升，則CA、CS生長明顯受到抑制，生物量下降，表現出中毒癥狀，葉片出現褐色壞死斑。VU和SO對Mn的耐受性更強些，當土壤中Mn含量高于4 400 mg·kg-1時，SO和VU生物量減少，SO邊緣附近出現淡褐色病斑，葉緣干枯，VU開始葉片發黃，葉片脫落數量增加。適當含量Mn能刺激植物體內超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等酶系統的活性，從而有利于植物的生長，但過高的Mn含量會使酶活性達到閾值后開始下降，導致大量活性氧自由基產生，Mn還可能直接取代某些酶中的活性微量元素，而使酶活性發生變化甚至破壞酶結構，使植物開始出現Mn中毒癥狀[29-30]。隨著Mn毒害程度的加劇，根系膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)的含量會明顯上升，加劇膜脂過氧化程度，導致蔬菜的根系和地上部生長均受到明顯抑制[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運分布規律及累積特征

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(P<0.01)(表3)。各蔬菜對Mn的累積能力存在品種間差異，可食部分Mn含量大小排序為SO>VU>CS>CA，莖葉中Mn含量大小排序為CS>VU>CA>SO，根系中Mn含量大小排序為VU>CS>CA>SO，說明VU更能把重金屬固定在根部，限制Mn向地上部位轉移，減少重金屬的毒害作用。同一蔬菜不同部位對Mn的累積量存在很大差異。Mn在CA體內各部位含量大小為莖葉>根>可食部分；CS體內各部位含量大小為：低含量時，根>莖葉>可食部分，高含量時，莖葉>根>可食部分；VU體內各部位含量大小為根>莖葉>可食部分，SO體內各部位含量大小為莖葉>根。測定盆栽土壤有效態Mn含量為341～1 190 mg·kg-1，土壤有效態Mn與土壤Mn總量、4種蔬菜可食部分中Mn含量之間的相關性均不顯著(P>0.05)。

Mn向蔬菜不同部位的遷移轉運能力可用轉運系數(TF)表征(表4)，轉運系數計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-莖葉轉運系數為2.25～6.45，根-可食部分的轉運系數為0.053～0.228；CS根-莖葉轉運系數為0.430～2.13，根-可食部分轉運系數為0.004～0.020；VU根-莖葉轉運系數為0.391～0.808，根-可食部分轉運系數為0.004～0.018；SO根-可食部分轉運系數為1.57～6.34。4種蔬菜根-可食部分轉運系數大小排序為SO>CA>VU>CS，根-莖葉轉運系數大小排序為CA>CS>VU。

作物對重金屬的累積能力可通過富集系數(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表現出明顯的差異(表5)。隨著土壤中Mn含量的增加，SO可食部分富集系數先增大后減小。高Mn處理土壤(Mn-5)中的CA、CS和VU可食部分Mn富集系數要高于低Mn處理土壤。不同處理組下的SO可食部分Mn富集系數均高于CA、CS和VU；在高Mn處理組(Mn-4和Mn-5)，SO和VU的可食部分Mn富集系數基本接近。屬葉菜類的SO對Mn富集能力強于其他3種蔬菜，這與其他研究中發現的葉菜類食用安全風險大于茄果類、莢果類蔬菜的結論基本一致[34]。農作物對重金屬富集的品種差異主要來自農作物根系分泌物對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物以及H+較少，對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個梯度濃度；平均值±標準差，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轉運系數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在蔬菜可食部分過量累積并通過食物鏈傳遞到人體對人類健康造成威脅，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關系(P<0.01)，而SO可食部分(莖葉)Mn含量與土壤中Mn含量呈極顯著的對數關系(P<0.01)。相關系數大小依次為SO(0.937)>CS(0.930)>VU(0.913)>CA(0.864)。

依據美國國家環境保護局(US EPA)推薦的Mn人體最大日允許攝入量(RfD) 0.14 mg·kg-1·d-1，推算出靶標危害指數(THQ)=1時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)。將以上計算出的蔬菜中Mn限量值(Y)逐一代入對應的“土壤-蔬菜”Mn含量之間的回歸方程中，計算出基于各種蔬菜食用安全的土壤Mn安全閾值(X)(表6)。種植不同蔬菜對應的土壤Mn安全限量值從小到大(從嚴到寬)依次為：SO、VU、CS和CA?？紤]成人與兒童對蔬菜食用安全要求，各蔬菜對應的土壤Mn安全閾值預測區間為：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對應的土壤Mn閾值范圍，要嚴于美國提出的土壤中Mn限量值(2 000 mg·kg-1)[37]和澳大利亞提出的保護土壤Mn調研值(1 500 mg·kg-1)[20]。而VU、CA和CS所對應的土壤Mn閾值范圍明顯寬于以上提到的相關標準，這得益于CA、CS和VU對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方法研究了上海市4種蔬菜對土壤Mn累積轉運特征，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。研究結果表明，Mn對蔬菜的生長均表現出“低促高抑”現象，VU和SO的Mn耐受度強于CA和CS。當土壤Mn含量高于3 300 mg·kg-1時，CA、CS生長開始受到抑制，含量高于4 400 mg·kg-1時，VU和SO生長開始受到抑制。隨著土壤中Mn含量增加，4種蔬菜各部位的Mn含量均表現為逐步上升趨勢。

(2)不同蔬菜品種之間、同一蔬菜不同部位之間的Mn累積轉運能力存在顯著差異。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種蔬菜可食部分對土壤中Mn具顯著累積趨勢，SO可食部分富集能力強于其他3種蔬菜。CA、CS和VU可食部分Mn含量與土壤中Mn含量呈顯著指數相關(P<0.01)，SO可食部分Mn含量與土壤中Mn含量呈顯著對數相關(P<0.01)。

(3)基于蔬菜可食部分Mn含量與土壤Mn含量的關系方程，推算出各蔬菜對應的土壤Mn安全閾值預測區間為：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)的相關關系及限量值計算Table 6 Relationship between soil Mn contents and Mn contents in vegetables and soil threshold values