沈 琦 顏國榮 馬玉娥孫 濤何偉忠* 王 成

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所/ 農(nóng)村農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室/ 新疆農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室，烏魯木齊 830091； 3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 植物新品種測試(烏魯木齊)分中心，烏魯木齊 830091； 4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 科研管理處，烏魯木齊 830091)

《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示：我國19.4%的農(nóng)田土壤存在重金屬元素污染現(xiàn)象，污染重金屬元素包括Cd、As、Cu、Cr、Pb和Ni等。在此背景下，評估這6種重金屬元素在甜瓜植株不同器官中富集能力的差異性，比較各階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力的異同，有利于支撐果實重金屬元素富集水平的調(diào)控，進(jìn)而對其質(zhì)量水平的不斷提升產(chǎn)生積極作用。國內(nèi)外已見部分相關(guān)研究報道，如李靜[1]、王曉飛[2]等研究發(fā)現(xiàn)，玉米植株不同器官中Cd、Pb的濃度由高至低依次為：葉>根>莖>籽粒，與之不同，Cu的濃度由高至低則為：根>葉>莖>籽粒；同時與玉米不同，甘蔗不同部位Cu的濃度為：根>莖>葉，Pb的濃度為：根>葉>莖；也見不同品種蔬菜[3]、小麥[4]、辣椒[5]和櫻桃[6]等作物可食用部分或其他器官中重金屬元素富集差異的研究與報道。此外，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也對多種農(nóng)產(chǎn)品重金屬元素轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行了研究與探討，涉及的農(nóng)產(chǎn)品主要是水稻[7]、葡萄[8]和番茄[9]等，結(jié)果表明：Cd主要通過根部吸收進(jìn)入水稻植株，且表現(xiàn)出一定的滯留作用；葡萄中Cd在莖—葉和莖—果階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，Cu在根—土和莖—果階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低；與之不同，番茄中Cd和Cu在土壤—根、葉—果實階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力偏弱。上述報道表明：不同作物對不同重金屬元素的富集能力不同，且各階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力有所差異。

我國是全球甜瓜生產(chǎn)與消費(fèi)第一大國，甜瓜年種植面積約 53.3萬hm2(800萬畝)[10]，但關(guān)于甜瓜重金屬元素富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異性的研究還不多，鑒于此，本文于果實成熟期，完成了瓜田土壤及甜瓜植株根、莖、葉、果實樣品的采集，在此基礎(chǔ)上，通過電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定了樣品中Cu、Cd、As、Cr、Ni、Pb 6種重金屬元素的含量，進(jìn)而采用富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，依次評估了植株不同器官中重金屬元素富集能力的差異，比較了6種重金屬元素由土至甜瓜各器官不同階段轉(zhuǎn)運(yùn)能力的迥異，以期為相應(yīng)調(diào)控方法的研究與構(gòu)建奠定前期基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

甜瓜(品種為黃蜜寶)，種植地點為新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗場，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試(烏魯木齊)分中心西瓜甜瓜DUS測試團(tuán)隊參照NY/T 2342—2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 甜瓜》進(jìn)行種植和田間管理。

甜瓜種植時間為 2020年5月10日，樣品采集時間為成熟期，具體是2020年7月20日。采集方法：采集根、莖、葉、果實，帶回實驗室后，用去離子水沖洗、瀝干后，分別勻漿置于-18 ℃冰箱保存?zhèn)溆茫看尾杉?株，每株分別通過上述方式處理，重復(fù)5次；用木質(zhì)工具采集對應(yīng)表層0～30 cm土壤，剔除石塊殘根等雜物，按照四分法，多點混勻后，經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過篩(0.15 mm)后備用。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

iCAP Qc型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Thermo Sciemtific公司，美國)；Mars 5型微波消解儀(聚四氟乙烯消解內(nèi)罐，CEM公司，美國)；BAS223S型電子天平(賽多利斯公司，德國)；BHW-09C型趕酸儀(上海博通有限公司)；Millipore Mill-Q型超純水機(jī)(Millipore公司，美國)。

1.2.2 試劑

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：Ag、Al、As、B、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Se、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn，100 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：用5%硝酸溶液(優(yōu)級酸和去離子水配制)將多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級稀釋配制成質(zhì)量濃度為0.1、0.5、1.0、10、50、100、300、500、1 000 ng/mL標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，空白溶液使用5%硝酸(優(yōu)級酸和去離子水配制)。

內(nèi)標(biāo)多元素混合液：Bi、Ge、In、Li、Re、Rh、Sc、Tb、Y，100 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

內(nèi)標(biāo)溶液配制：用5%硝酸溶液(優(yōu)級酸和去離子水配制)將內(nèi)標(biāo)多元素混合液配制成濃度為30 ng/mL工作液。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(蒜粉，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)；硝酸(Merck公司，德國)；本文所采用的化學(xué)試劑均為分析純及以上試劑。

1.3 重金屬元素含量定量方法

按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》進(jìn)行溶液制備，采用Mars 5微波消解儀進(jìn)行消解。稱取土壤樣品0.1 g(精確到0.000 1 g)于消解罐中，加入2 mL水、7 mL硝酸溶液和2 mL氫氟酸溶液；甜瓜樣品1 g(精確到0.000 1 g)于消解罐中，加入2 mL水和6 mL硝酸溶液，在通風(fēng)櫥中靜置3 h，再放入Mars 5微波消解儀(設(shè)置溫度為120、150和190 ℃，升溫時間均為5 min，保持時間分別為5、10和20 min)進(jìn)行充分消解。待消解完畢，冷卻后取出緩慢排氣。將消解罐放入趕酸儀中，趕酸至微量。后轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中，用超純水定容，搖勻備用，同時做空白實驗。

按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》進(jìn)行重金屬元素測定，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)對Cr、Ni、As、Cd和Cu 5種重金屬元素進(jìn)行測定。儀器操作參考條件如表1所示。

表1 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀操作參考條件

根據(jù)GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》，重金屬元素含量的計算表達(dá)式為：

(1)

式中：X為試樣中待測元素含量，mg/kg；ρ為試樣溶液中被測元素質(zhì)量濃度，μg/L；ρ0為試樣空白液中被測元素質(zhì)量濃度，μg/L；V為試樣消化液定容體積，mL；f為試樣稀釋倍數(shù)；m為試樣稱取質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 富集系數(shù)

富集系數(shù)(BCF)是指植物體內(nèi)某種重金屬元素含量與土壤中該元素含量的比值，它反映了植物對土壤中某一元素富集和吸收能力的強(qiáng)弱[11]。其計算公式為：

BCF=Cfruit/Csoil

(2)

式中，Cfruit表示櫻桃中的重金屬元素含量，mg/kg；Csoil表示土壤中的重金屬元素含量，mg/kg。

1.4.2 有效轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

綜合文獻(xiàn)[8，12]報道的方法計算有效轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，計算方法如公式(3)所示。

TF=Clatter/Cformer

(3)

式中，Clatter是指后一部分重金屬元素生物富集量，mg；Cformer是指前一部分重金屬元素生物富集量。mg。根—莖、莖—葉、莖—果實的重金屬元素有效轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)依次標(biāo)記為TF1、TF2、TF3。

1.5 加標(biāo)回收率實驗

Cr、Cu、As、Ni、Pb、Cd 6種重金屬元素在土壤、根、莖、葉、甜瓜果實樣品中的加標(biāo)回收率均介于85.5%～128%，說明準(zhǔn)確度較高。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤與甜瓜植株6種重金屬元素含量特征

土壤、甜瓜植株中6種重金屬元素含量分布情況見表1。土壤中重金屬元素含量由高至低依次為：Cr>Cu>As>Ni>Pb>Cd；6種重金屬元素在根、莖、葉和果實中的含量變化一致，均為Cu>Cr>Ni>Pb>As>Cd，與土壤重金屬元素含量并不呈顯著的協(xié)同關(guān)系。

甜瓜植株不同器官重金屬元素含量也有所不同，其中，根中6種重金屬元素的含量顯著高于其他部位，這主要體現(xiàn)在：根中Cr、Ni、Cu、Cd和Pb的含量是果實含量的6～18倍，As含量是果實含量的41倍，這說明各器官中，根中重金屬元素含量最高，其次為葉、莖和果實。

參照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》中pH>7.5對應(yīng)的風(fēng)險篩選值，實驗用地土壤中6種重金屬元素元素含量均未超標(biāo)。除Ni無限量外，其他5種重金屬元素在甜瓜果實中的含量均符合GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》要求。

2.2 甜瓜植株不同器官重金屬元素富集能力

甜瓜植株不同器官中6種重金屬元素富集系數(shù)見表2，由表2可以得出，甜瓜植株不同器官6種重金屬元素富集系數(shù)有較大差異，總體趨勢為根>葉>莖>果實，且根中6種重金屬元素富集系數(shù)最高，是莖、葉、果實中對應(yīng)富集系數(shù)的2倍以上，這證實：甜瓜植株各器官中，根富集土壤中重金屬元素的能力最強(qiáng)，其次為葉、莖、果實。

表2 土壤、甜瓜植株中重金屬元素含量分布

同一器官對土壤中不同重金屬元素的富集能力也存在較大差異。這體現(xiàn)在：如表3所示，根、莖和葉3類器官中6種重金屬元素富集能力由高至低為Cd>Cu>Ni>Pb>Cr>As，果實重金屬元素富集能力與之大致相近，由高至低為Cd>Cu>Cr=Ni=Pb>As。這說明6種重金屬元素中，Cd更容易在甜瓜植株中富集，與之相比，As則相對不易在甜瓜植株中富集。

表3 甜瓜植株不同器官重金屬元素富集系數(shù)

2.3 重金屬元素在甜瓜植株不同部位中的轉(zhuǎn)運(yùn)能力

不同重金屬元素TF1大小順序為Cd>Cu>Ni>Cr>Pb>As，其中Cd和Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對較高，分別為1.306和1.105，說明其轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，Cr、Ni、As、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均低于0.60，轉(zhuǎn)運(yùn)能力一般，As轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低為0.331，轉(zhuǎn)運(yùn)能力很弱。不同重金屬元素TF3大小順序為Cr>Pb>Cu>Ni>Cd>As，其中Cr、Cu、Ni、Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.776、1.455、1.052、1.648，轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，其次是As和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.717和0.756，轉(zhuǎn)運(yùn)能力一般(表4)。上述結(jié)果表明：不同重金屬元素在植株不同部位的遷移能力有所不同，對其進(jìn)行深入分析，6種重金屬元素大致可以分為三類，第一類為Cr、Ni、As、Pb，此類特點是TF1

此外，甜瓜葉具有治療頭癬、生發(fā)等潛在藥用價值[13]，故本文進(jìn)一步分析了根—莖—葉重金屬元素遷移各階段6種重金屬元素轉(zhuǎn)運(yùn)能力的差異。結(jié)果表明：6種重金屬元素大致分為兩類，第一類是Cr、Ni、As、Pb，此類特點為TF1TF2。這表明：在根—莖—葉重金屬元素轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，Cr、Ni、As、Pb 4種重金屬元素由根至莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對較弱；Cu和Cd由莖至葉的轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對更低。

表4 甜瓜不同器官重金屬元素有效轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3 討論

李靜[1]、王曉飛[2]等的報道顯示：玉米植株不同器官中Cd、Pb富集水平由高至低依次為：葉>根>莖>籽粒；甘蔗植株不同器官中As和Pb的富集能力與本文研究結(jié)果一致，為：根>葉>莖，與玉米植株重金屬元素富集有所不同。李武江等[14-15]研究結(jié)果顯示：高粱中重金屬元素的轉(zhuǎn)移能力大小依次為Pb>Zn>Mn>Cr>As；辣椒為As>Zn>Mn>Pb>Cr。這說明重金屬元素在植株各器官的富集轉(zhuǎn)運(yùn)，因作物種類的不同而有所差異。

新陳代謝是影響植株不同器官重金屬元素富集的重要因素，一般認(rèn)為：新陳代謝旺盛的器官，重金屬元素富集能力也會相對較強(qiáng)[16]，而根和葉是植物新陳代謝最旺盛的器官[17]，這可能是導(dǎo)致玉米、甘蔗及本文甜瓜植株各器官中，根重金屬元素富集能力相對較強(qiáng)的原因；玉米、甘蔗根、葉重金屬元素富集能力排序不同，可能與這兩種作物根、葉新陳代謝旺盛程度不同有關(guān)。此外，也有研究報道顯示：作物不同器官重金屬元素富集水平與其外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，其原因與植物對重金屬元素的累積量和重金屬元素在土壤中的元素價態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、在環(huán)境中共存離子的濃度和溶解度等多因素有關(guān)[18]。本文甜瓜植株各器官重金屬元素富集能力排序與玉米不同，可能也與此相關(guān)。

4 結(jié)論

1)甜瓜植株各器官中，根中6種重金屬元素含量及富集能力最強(qiáng)，其次為葉、莖、果實。6種重金屬元素中，Cd和Cu更易在甜瓜植株中富集分布，與之相比，As則相對不易在甜瓜植株中富集分布。

2)重金屬元素由土轉(zhuǎn)運(yùn)至甜瓜植株各器官的過程中，Cr、Ni、As、Pb 4種重金屬元素由莖轉(zhuǎn)運(yùn)至果實和葉片的能力相對較強(qiáng)，Cd由根至莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對較強(qiáng)；重金屬元素Cu由莖轉(zhuǎn)運(yùn)至葉片的能力相對較弱。