3 种农作物可食用部分对铯的蓄积特性

赖金龙，付 倩，陶宗娅，*，何 娇，罗学刚

（1.四川师范大学生命科学学院，四川 成都 610101；2.西南科技大学 生物质材料教育部工程研究中心，四川 绵阳 621010）

3 种农作物可食用部分对铯的蓄积特性

赖金龙1，付 倩1，陶宗娅1，*，何 娇1，罗学刚2

（1.四川师范大学生命科学学院，四川 成都 610101；2.西南科技大学 生物质材料教育部工程研究中心，四川 绵阳 621010）

采用盆栽实验模拟土壤铯（Cs）污染（0、25、50、100 mg/kg）条件下，研究3 种农作物（蚕豆、油菜和印度芥菜）可食用部分在不同生育期（苗期、现蕾期和成熟期）对Cs+的蓄积特性及受污染状况。结果表明，蚕豆、油菜和印度芥菜对Cs+具有较强的富集能力，且蓄积量大小顺序为印度芥菜＞油菜＞蚕豆。苗期阶段，当Cs+水平≥50 mg/kg时，各器官（根、茎和叶）的污染指数（pollution index，PI）均大于3，已受到重度污染。现蕾期阶段，随Cs+污染水平的增加，3 种农作物各器官（根、茎和叶）对Cs+的蓄积量均显著增加（P＜0.05），且蓄积量明显高于苗期；当Cs+水平≥25 mg/kg时，各器官PI大部分大于3，已受到重度污染。成熟期阶段，经检测3 种农作物的种子对Cs+的蓄积量达到9.62%～10.93%；当Cs+水平≥25 mg/kg时，3 种农作物的种子已受到中度及以上污染。

铯；蓄积；污染指数；蚕豆；油菜；印度芥菜

铯（Cs）为第一主族碱金属元素，化学性质与钾（K）相似，其稳定同位素133Cs是制造真空件器、光电管等的重要材料，广泛应用于电子产品、催化剂和医学等领域［1］。随着核工业的发展、核设施的运行及突发性核事故（如切尔诺贝利核事故和日本福岛核事故）的发生，大量核废弃物进入土壤和水体［2-3］，其中Cs的放射性同位素134Cs和137Cs为铀的核裂变废弃物，裂变量大、易扩散、半衰期长［4］。当大量的133Cs、134Cs和137Cs进入环境，导致土壤背景值升高，对生态系统造成严重污染［5］。

已有研究表明，Cs+的环境生物学效应具有双重性，少量的Cs+可维持植物细胞内电解质平衡，过量的Cs+进入细胞后可取代K+，导致代谢过程中需要K+起作用的关键组分失去活性，严重影响植物的生长代谢［6-7］。植物生长过程中可通过根系吸收Cs+并向地上部分转移，如水培条件下，蚕豆［8］、甘蓝型油菜［9］和转pprI基因油菜幼苗［10］的根是Cs+的主要蓄积器官；向日葵［11］、紫狼尾草［12］和苋菜［13］等植物的叶是Cs+的主要蓄积器官。植物将133Cs、134Cs和137Cs从土壤转移到植物体内，进一步通过食物链转移到动物或人体内，对人类健康构成威胁［14］。

目前，我国不同地区土壤中Cs的背景值范围为2.60～19.95 mg/kg（无污染区），平均值为8.24 mg/kg［15］，污染区土壤中Cs+污染水平约为50 mg/kg［16］，但在GB 2762—2012《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中尚无Cs+的限量标准［17］。现阶段关于农作物对Cs+的蓄积特性研究主要是水培方式，短期（苗期）内检测Cs+在各器官的蓄积量［18-19］，但水培条件与土壤环境存在较大差异，且农作物在苗期对Cs+的蓄积量尚无法全面评估农作物整个生育期各器官对Cs+蓄积特性，尤其是农作物种子中Cs+的蓄积量鲜有报道。蚕豆（Vicia faba L.）为豆科野豌豆属一年生或越年生草本，是粮食、蔬菜、饲料和绿肥兼用作物；甘蓝型油菜（Brassica napus L.）是我国主要农作物之一，种子是重要的油料来源；芥菜型油菜，如印度芥菜（Brassica juncea L.）作为重金属超富集植物，转移能力强，其种子也是重要的油料来源［20］。因此，为了全面评估农作物可食用部分对Cs+的蓄积特性，本研究选取蚕豆、甘蓝型油菜和印度芥菜3 种作物，采用盆栽实验模拟Cs+污染条件，分析农作物不同生育期对Cs+的吸收累积特性及污染状况，为农作物中Cs+污染限量标准的制定及潜在风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

蚕豆（Vicia faba L.），品名为成胡20#；油菜（Brassica napus L.），品名为川油43#，购自四川农科种业有限公司。印度芥菜（Brassica juncea L.）购自武汉安谷植物科技有限公司。塑料花盆（d=15 cm），每盆装土2 kg。盆栽所用土壤质地为壤土，其基本理化性质为有机质42.04 g/kg、全氮2.53 g/kg、碱解氮207.1 mg/kg、全磷1.21 g/kg、有效磷361.4 mg/kg、全钾18.62 g/kg、速效钾459.2 mg/kg、pH 7.02、铯的背景值11.52 mg/kg。

1.2 试剂与仪器

氯化铯（CsCl） 上海欧金实业有限公司；乙二胺四乙酸二钠（ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt，EDTA-2Na）、硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）成都市苌钲化玻有限公司；以上试剂均为分析纯。

TAS-990火焰原子吸收分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 实验设计

目前我国土壤中Cs+的污染水平约为50 mg/kg［16］。据此，本研究模拟Cs+污染水平，Cs+浓度设计为25、50、100 mg/kg，以不添加外源Cs+组作为对照组（CK），外源Cs+的施加形式为CsCl。在盆栽模拟实验条件下，为了避免灌水后造成Cs+在土壤中的沉降和流失，造成污染水平的变化。本研究已提前将Cs+添加到土壤中老化6 个月，即：将高浓度Cs+溶液浇灌到一定质量的土壤中，混匀，保持最大持水量，暗室放置6 个月。经金属老化过程后，Cs+已经与土壤微粒充分结合，可避免Cs+的流失，维持最初设计的Cs+污染水平。同时，也保证了盆栽模拟实验中生物可利用的Cs+含量与污染区土壤中可利用的Cs+含量相近，避免了采用溶液培养法，造成营养液中的Cs+均为生物可利用的Cs+，使设计浓度高于污染区土壤中可利用的Cs+的实际浓度的问题。

采用土壤逐步稀释法，称取老化后的土壤，与无污染土壤进行混合，稀释至所需污染水平后，装盆（2 kg/盆）。实验采用3×4×3×3全组合设计，即3 种试材、4 个污染水平、3 个生育期（苗期、现蕾期和成熟期）和3 次重复实验。2014年10月，择期播种，按大田栽培管理要求进行灌水和追肥，分别在苗期（2014年12月）、现蕾期（2015年2月）和成熟期（2015年5月）采集植物样本。植物根系依次用自来水冲洗、20 mmol/L EDTA-2Na处理20 min和去离子水冲洗，再将样本分为根、茎、叶、花、荚和种子等部分，110 ℃杀青10 min，65 ℃烘至恒质量，植物粉碎机磨碎后，过2 mm塑料筛，备用。

1.4 实验方法

称取植物样本约0.500 g至锥形瓶中，采用湿法消解法（HNO3-HClO4（3∶1，m/V）），每个样品中加入消解液10 mL，置于电炉上，加热至微沸，保持微沸状态，直至将各植物样本消解至澄清，待冒白烟时，加入适量去离子水（约5 mL），赶出残留酸液，冷却后消解液用去离子水定容至50 mL，用火焰原子吸收分光光度计测定Cs+含量，主要仪器参数：检测波长852.1 nm，光谱带宽0.4 nm，灯电流4.0 mA，滤波系数1.0，积分时间3 s，燃烧器高度5 cm，火焰类型空气-C2H2，贫燃焰（空气0.22 MPa，1 600 mL/min，C2H20.05 MPa，1 400 mL/min），重复次数3 次。根据仪器操作说明，以铯标准溶液质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线，得到回归方程为y=0.067 7x-0.000 8（R2=0.999 9）。将样品吸光度代入标准曲线回归方程计算Cs+含量。

农作物污染指数（pollution index，PI）按以下公式计算。

污染等级及污染指数范围：PI=1为农作物未受污染；1＜PI≤2为农作物受轻度污染；2＜PI≤3为农作物受中度污染；PI＞3为农作物受重度污染［21-22］。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 18.0软件对数据进行方差分析，Duncan's法多重比较，Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 农作物苗期对Cs+的蓄积量

经检测，无污染土壤即对照组（CK）中Cs+的背景值为11.52 mg/kg，其含量在我国不同地区土壤中铯的背景值范围（2.60～19.95 mg/kg），可作为无污染土壤。因此，在CK组中，各作物对Cs+的蓄积量可视为其背景含量，即无污染条件下的蓄积量。由表1可知，随Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蚕豆、油菜和印度芥菜苗期各器官（根、茎和叶）对Cs+的蓄积量均显著增加（P＜0.05）；当Cs+水平为100 mg/kg时，3 种农作物的根、茎和叶对Cs+的蓄积量均达最高，蚕豆蓄积量为64.16～71.61 mg/kg、油菜为111.70～123.58 mg/kg、印度芥菜为96.70～171.82 mg/kg。污染指数显示，当Cs+水平≥50 mg/kg时，3 种农作物根、茎和叶的PI均大于3，已达到重度污染水平；其中蚕豆根部Cs+的污染指数高达11.53，油菜茎部污染指数高达11.65，印度芥菜叶部污染指数高达12.73。同时，Cs+在各器官中不同污染水平的平均相对含量显示，蚕豆根、茎、叶中Cs+的蓄积量分别占总蓄积量的30.85%、31.68%和37.47%。油菜和印度芥菜根中Cs+的蓄积量占比分别为37.26%和35.89%，茎中Cs+的蓄积量占比为26.93%和25.41%，叶中Cs+的蓄积量占比为36.06%和38.71%。结果表明， 蚕豆、油菜和印度芥菜对Cs+具有较强的富集能力，易将污染土壤中的Cs+富集到植物体内，在现有污染水平（50 mg/kg）上，苗期阶段各器官已受到重度污染，可食用部分存在安全风险。

2.2 农作物现蕾期对Cs+的蓄积量

由表2可知，随Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蚕豆、油菜和印度芥菜现蕾期各器官（根、茎和叶）对Cs+的蓄积量均显著增加（P＜0.05），且蓄积量明显高于苗期；当Cs+水平为100 mg/kg时，蚕豆各器官对Cs+的蓄积量达到103.83～125.00 mg/kg、油菜为107.29～336.59 mg/kg、印度芥菜为131.37～321.14 mg/kg。污染指数显示，当Cs+水平≥25 mg/kg时，3 种农作物根、茎和叶的PI大部分大于3，已达到重度污染水平；其中蚕豆茎部Cs+的污染指数高达16.61，油菜叶部污染指数高达26.37，印度芥菜叶部污染指数高达20.06。Cs+在各器官中不同污染水平的平均相对含量显示，蚕豆根、茎、叶中Cs+的蓄积量占比分别为33.98%、31.91%和34.11%，其比例与苗期接近。油菜和印度芥菜根中Cs+蓄积量占比则下降至23.34%和26.96%；茎中比例与苗期接近，为30.05%和25.70%；但油菜和印度芥菜叶中Cs+蓄积量占比则明显增加，达到46.61%和47.35%。结果表明，随生育期的延长，3 种农作物在现蕾期对Cs+的富集量明显升高，受污染程度加重。同时，Cs+更易从油菜和印度芥菜的根部转运到地上部分，并大量蓄积在叶中，此时期作物的地上部分已受到严重污染。

2.3 农作物成熟期对Cs+的蓄积量

由表3可知，随Cs+污染水平的增加（25～100 mg/kg），蚕豆成熟期各器官（根、茎、叶、荚和种）对Cs+的蓄积量均显著增加（P＜0.05），油菜和印度芥菜各器官（根、茎、荚和种）对Cs+的蓄积量变化趋势与此相同。当Cs+水平为100 mg/kg时，蚕豆根、茎、叶对Cs+的蓄积量与苗期接近，分别为72.14、79.92、68.12 mg/kg；油菜根、茎对Cs+的蓄积量分别为45.82 mg/kg和118.44 mg/kg；印度芥菜根、茎对Cs+的蓄积量分别为96.30 mg/kg和141.63 mg/kg。同时，蚕豆荚和种子部分Cs+的蓄积量分别达到73.08 mg/kg和20.48 mg/kg；油菜荚和种子部分Cs+的蓄积量达到150.46 mg/kg和41.85 mg/kg；印度芥菜荚和种子部分Cs+的蓄积量则达到217.72 mg/kg和68.22 mg/kg。污染指数显示，当Cs+水平≥50 mg/kg时，蚕豆种子PI为2.37～3.68、油菜种子PI为2.87～6.48、印度芥菜种子PI为6.23～11.23，表明3 种作物种子均达到中度及以上污染（PI＞2.0），其中印度芥菜种子已达重度污染水平。Cs+在各器官中不同污染水平的平均相对含量显示，蚕豆、油菜和印度芥菜种子中Cs+的蓄积量占比分别达到9.62%、10.93%和10.13%。结果表明，蚕豆、油菜和印度芥菜可将污染土壤中的Cs+转运到种子中贮存，且已达到中度及以上污染水平，不宜食用。

3 讨论与结论

本实验采用盆栽实验，模拟Cs+污染条件下，3 种农作物在不同生育期其可食用部分对Cs+的吸收累积特性及受污染状况。结果显示，在土壤Cs+污染的处理条件下，蚕豆、油菜和印度芥菜在Cs+的胁迫下，3 种作物在整个生育期均未出现叶片萎蔫、失绿等症状，此现象与水培实验结果有所不同，如水培条件下，Cs+能显著抑制苋菜、小麦和玉米的生长发育，降低生物量［13］；1 mmol/L Cs+可显著抑制拟南芥幼苗生长，造成叶片黄化［23］。经分析，此差异主要是由于本实验采用的是盆栽实验，土壤环境可改变部分Cs+的化学形态，使有效态Cs+含量降低，进一步缓解了Cs+对作物的毒害［24］。3 种作物对Cs+的蓄积能力强弱呈现为：印度芥菜＞油菜＞蚕豆，且在3 种作物的现蕾期，各器官对Cs+的蓄积量达到最高，即当Cs+水平为100 mg/kg时，印度芥菜各器官对Cs+的蓄积量达到131.37～321.14 mg/kg、油菜为107.29～336.59 mg/kg、蚕豆为103.83～125.00 mg/kg，表明印度芥菜对Cs+具有较强的富集能力，其具有的高效抗氧化系统、损伤修复系统和转运系统，使其对多种金属（如：Cd、Zn、Cu等）以及Cs+具有较强的耐受及积累特性［20］。油菜与印度芥菜均属于十字花科芸薹属，其代谢途径与印度芥菜具有一定的相似性，造成其对Cs+的蓄积量也与印度芥菜接近。同时，蚕豆主要将Cs+蓄积到根部，其蓄积特性、蓄积量与萝卜接近［25］，表明蚕豆对Cs+的转运能力较弱，根部受污染程度较大。植物苗期对Cs+的蓄积特性已有报道［8-10］，结果与本实验结果类似，即随Cs+污染水平的增加，植物对Cs+的蓄积量也逐渐增加。然而，Cs+在苗期的蓄积量结果尚无法准确评估各生育期作物受污染程度，本实验结果显示，3 种作物在不同生育期对Cs+的蓄积量表现为现蕾期＞成熟期＞苗期，分析主要是现蕾期的植物生长代谢较为旺盛，根系发达，提高了根部对Cs+的富集能力；Cs+的蓄积量在成熟期有所降低，主要是由于该时期植物已经接近死亡，根系、叶片均枯萎，已进入体内的部分Cs+被重新释放进入土壤，造成蓄积量的降低。同时，在作物的成熟期，3种作物的荚中均检测到较高含量的Cs+，种子中的Cs+含量相对较低，说明荚具有阻滞Cs+向种子转移的能力，降低了Cs+在种子中的蓄积量，其作用机理有待进一步研究。

3种农作物在苗期对Cs+的蓄积量大小顺序为印度芥菜＞油菜＞蚕豆，当Cs+水平≥50 mg/kg时，3 种农作物的各器官已受到重度污染。3 种农作物在现蕾期对Cs+的富集量明显升高，受污染程度加重。其中Cs+更易从油菜和印度芥菜的根部转运到地上部分，并大量蓄积在叶中，造成植物地上部分受到重度污染。蚕豆、油菜和印度芥菜的种子对Cs+的蓄积量占比为9.62%、10.93%和10.13%，已达到中度及以上污染水平，不宜食用。

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Characteristics of Cesium Accumulation in Edible Portion of Three Crops

LAI Jinlong1， FU Qian1， TAO Zongya1，*， HE Jiao1， LUO Xuegang2
（1. College of Life Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610101， China； 2. Engineering Research Center of Biomass Materials， Ministry of Education， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Pot experiments were carried out to simulate cesium （Cs） pollution in soil （varying doses of Cs were set to 0， 25，50 and 100 mg/kg） and to explore the characteristics of Cs accumulation and the pollution situation in the edible portion of three crops （Vicia faba L.， Brassica napus L.， and Brassica juncea L.） within different growth stages. Results showed that all three crops were able to uptake Cs efficiently， and their Cs accumulation capacity displayed the following sequence：Brassica juncea L. > Brassica napus L. > Vicia faba L.. In the seedling stage， the pollution index （PI） of Cs in different organs （root， stem， and leaf） were all greater than 3 when Cs+was more than 50 mg/kg， indicating that these organs had been heavily polluted by Cs. In the squaring stage， Cs accumulation in different organs of three crops increased significantly with the increase in Cs concentration （P < 0.05）， reaching a level higher than that at the seedling stage. The pollution index （PI）of Cs in most organs investigated were greater than 3 when Cs+was more than 25 mg/kg， indicating serious Cs pollution in these organs. In the maturity stage， 9.62%-10.93% of Cs was found to be accumulated in the seeds of the three crops. When Cs+was more than 25 mg/kg， these seeds were at moderate and above pollution levels.

cesium； accumulation； pollution index； Vicia faba L.； Brassica napus L.； Brassica juncea L.

10.7506/spkx1002-6630-201609017

X56

A

1002-6630（2016）09-0087-05

赖金龙， 付倩， 陶宗娅， 等. 3 种农作物可食用部分对铯的蓄积特性［J］. 食品科学， 2016， 37（9）： 87-91. DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201609017. http：//www.spkx.net.cn

LAI Jinlong， FU Qian， TAO Zongya， et al. Characteristics of cesium accumulation in edible portion of three crops［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 87-91. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609017. http：//www.spkx.net.cn

2015-06-16

国家核设施退役及放射性废物治理科研重点项目（14ZG6101）；四川省教育厅理工科重点课题（14ZA0030）；四川省教育厅大学生创新创业训练计划项目（201510636076）

赖金龙（1991—），男，硕士研究生，研究方向为生态毒理学。E-mail：599101592@qq.com

*通信作者：陶宗娅（1957—），女，教授，博士，研究方向为植物逆境生理学。E-mail：t89807596@163.com