重金属铅对怀牛膝根际土壤酶活性及药材化学成分的影响

王新民 魏志华 李利红 乔卿梅

摘要：利用自制聚氯乙烯（PVC）管栽培方法，研究不同质量分数铅处理（0、200、400、600、800和1 000 mg/kg风干土）对怀牛膝药材干质量、药材有效成分（齐墩果酸和脱皮甾酮）、含铅量以及土壤中酶活性的影响。结果表明，400 mg/kg 以上铅质量分数处理显著减少了根干质量。400 mg/kg以下铅质量分数处理药材含铅量符合国家标准，600 mg/kg以上铅质量分数处理导致牛膝中齐墩果酸和脱皮甾酮含量显著下降。铅质量分数在1 000 mg/kg时对脲酶活性的抑制作用显著;与对照相比各质量分数处理对磷酸酶活性均产生抑制作用;400 mg/kg以下铅质量分数处理对蔗糖酶活性产生激活作用，而400 mg/kg以上铅质量分数则产生抑制作用。该结论对合理选择怀牛膝种植基地、保证怀牛膝藥材的产量和质量具有重要的指导意义。

关键词：怀牛膝;铅;土壤酶;脲酶;蔗糖酶;磷酸酶

中图分类号： R282;S154.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0214-02

收稿日期：2018-08-07

基金项目：河南省教育厅项目（编号：19B360002）;河南牧业经济学院院级重点培育学科——中兽药生药学（编号：41000003）。

作者简介：王新民（1973—），男，河南商丘人，博士，副教授，主要从事药用植物栽培及中药分析的教学与科研工作。E-mail：wangxinmindr@163.com。

牛膝（Achyranthes bidentata Blume）为苋科植物，别称对节草，其根入药，有补肝肾、强筋骨、祛瘀通经、引药下行的作用，因主产于河南焦作（古怀庆府）一带，故名怀牛膝，是河南省著名的四大怀药之一。目前怀牛膝药材主要以人工栽培为主，在种植过程中因使用了受重金属铅污染的灌溉水以及受到汽车尾气等空气污染，致使怀牛膝种植区土壤受到不同程度的铅污染。目前，铅对大田作物影响的研究已有很多，但有关铅对怀牛膝影响的研究尚未见报道。重金属铅不仅对植物生长有害[1]，还可损害人体神经、造血、消化和免疫等系统，对人体造成较大的伤害[2]。怀牛膝药材重金属铅的含量超出国家标准，将会影响该药材的用药安全及药材出口。本研究通过聚氯乙烯（PVC）管土培方法，研究铅通过影响根际土壤酶的活性而对怀牛膝生长产生的影响，为建立符合国家及国际标准的怀牛膝生产技术规范提供理论依据。

1材料与方法

1.1土壤及供试植物

土壤样品采自怀牛膝道地产区——河南省武陟县驾部1村耕层土壤，土壤类型为黄河冲积物发育的石灰性潮土，质地为轻壤，土壤基本理化性质见表1。供试植物为怀牛膝品种——风筝棵。

1.2试验设计

试验采用自制的PVC管（长1.2 m，直径12 cm），将PVC管埋于地下1.15 m 上端口比地面高5 cm 用铁皮卷成圆筒（长1.2 m，直径6 cm），铁皮圆筒外套上300目尼龙网，放入PVC管内，在铁皮筒内外分别装入土壤，然后抽出铁皮圆筒。装土时，PVC管下部分（0～80 cm）装土12.5 kg，上部分（80～95 cm）装醋酸铅混合后土壤2.0 kg。混合土壤配制时按照试验设计分别加入相应量的醋酸铅，质量分数分别为0、200、400、600、800和1 000 mg/kg风干土，并于每个PVC管的上部分土壤中均加入200 mg P（以磷酸二氢钾形式加入）、240 mg N（以尿素形式加入）和200 mg K（以K2SO4形式加入），4次重复，沉化10 d。

2016年7月6日在每个PVC管的中心部位直接播种牛膝种子5粒，半个月后，每管定苗1株，生长期间根据土壤的水分情况用蒸馏水进行浇灌。当年11月上中旬收获。尼龙网内的土即为根际土，尼龙网外的土为非根际土，土壤样品均取自PVC管上部分土壤;植物的地上部和地下部要分开收获，根部用蒸馏水冲洗干净，70 ℃烘干后，称干质量。

1.3测定方法

土壤酶活性的测定参照郑洪元等对土壤酶活性的测定方法[3]。蔗糖酶活性采用二硝基水杨酸比色法进行测定，酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖的含量表示（mg/g）;脲酶活性采用靛酚蓝比色法进行测定，酶活性用24 h后1 g土壤中NH3-N的含量表示（mg/g）;磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法进行测定，酶活性以24 h后1 g土壤中释放的酚的质量表示（mg/g）。

怀牛膝齐墩果酸、脱皮甾酮及怀牛膝药材中的铅含量按照《中华人民共和国药典》（以下简称《药典》）2015版的测定方法进行测定[4]。

1.4数据分析

应用SPSS 20软件对数据进行One-Way ANOVA（单因素方差分析）。

2结果与分析

2.1铅对怀牛膝根质量的影响

由表2可知，在铅质量分数为200 mg/kg时怀牛膝根部干质量与对照比较略有增加，但差异不显著，而铅质量分数≥400 mg/kg 的处理对根干质量的降低呈现显著作用，这说明铅不是怀牛膝生长的必需元素，在质量分数低的情况下对怀牛膝根的生长产生的影响不大，但是铅质量分数≥400 mg/kg 时，对怀牛膝根生长表现为毒害作用，给怀牛膝根的生长带来不利影响。

怀牛膝药材（根）中的铅含量随着土壤中铅质量分数的增加在不断增加，与对照组比较，所有处理组药材的铅含量差异均达到显著水平。由此可见土壤中重金属铅超标是药材重金属铅含量超标的关键因素之一。参照《药典》（2015版）对中药材中铅含量≤5.0 mg/kg的要求[4]，土壤含铅量为400 mg/kg 时怀牛膝药材含铅量接近《药典》对药材含铅量的最大限值，土壤中含铅量≤200 mg/kg时怀牛膝药材中的含铅量符合要求。考虑到土壤中自身的含铅量，生产怀牛膝的土壤铅含量最好在250 mg/kg以下比较安全。

2.2铅对怀牛膝有效成分的影响

由表3可见，齐墩果酸和脱皮甾酮的含量在铅质量分数为≤400 mg/kg 的处理与对照比较差异不显著，当土壤中铅质量分数≥600 mg/kg时，齐墩果酸和脱皮甾酮含量降低明显，与对照比较差异显著。这与王新民等在研究铜对怀牛膝成分影响时得出土壤中铜质量分数达到600 mg/kg时对怀牛膝中的齐墩果酸和脱皮甾酮含量没有产生影响的结果[5]不同。

2.3铅对怀牛膝根际土壤酶活性的影响

由图1可知，土壤中铅质量分数小于800 mg/kg时，脲酶活性没有受到影响，当铅质量分数达到1 000 mg/kg时，与对照相比对脲酶活性的抑制作用明显，这与谢思琴等研究重金属对土壤酶活性的影响结果[6]相似。由图2可知，低质量分数（0～400 mg/kg）的铅与对照比较对蔗糖酶表现出激活作用，但高于400 mg/kg时呈现抑制作用。由图3可知，土壤中铅对磷酸酶的影响则是随着质量分数升高酶活性出现逐渐降低趋势，与周芙蓉等的研究结果[7]相似。铅对蔗糖酶低质量分数激活高质量分数抑制的原因可能是醋酸铅中的醋酸根离子增加了土壤中的碳，促进了微生物的生长，导致土壤中的蔗糖酶活性升高，使低质量分数铅对酶活性的危害不能表现出来[8]，但高质量分数的铅对土壤蔗糖酶的危害程度是醋酸根离子起到的作用无法弥补的，因此出现高于600 mg/kg质量分数的处理蔗糖酶活性降低，并且质量分数越高，酶活性降低越明显。

3结论

土壤中的低量铅对怀牛膝的产量不会产生较大的影响，并且对怀牛膝的有效成分齐墩果酸和脱皮甾酮的含量影响也不大，但增加了怀牛膝药材的含铅量;土壤中铅含量过高不仅会降低怀牛膝的产量，还会降低有效成分的含量，并增加药材中铅含量。本研究中高浓度的铅降低了土壤中大多数种类的酶活性，而土壤酶活性是用来表征土壤的熟化程度和肥力水平的，铅通过改变土壤的酶活性来影响怀牛膝根系对矿质元素的吸收，进而影响怀牛膝的整个生理活动。本试验中土壤中铅对酶活性和怀牛膝根干质量的影响趋势基本一致。建议在种植怀牛膝时，首先要检测土壤中的含铅量，选择铅含量在安全范围的土地，保证牛膝药材的产量和质量。

参考文献：

[1]陈怀满. 土壤-植物系统中的重金属污染[M]. 北京：科学出版社，1996：309-333.

[2]刘岚. 铅对人类健康的危害及其防治[J]. 职业与健康，2005，21（5）：665-666.

[3]郑洪元，张德生. 土壤动态生物化学及其研究法[M]. 北京：科学出版社，1987.

[4]国家药典委员会. 中华人民共和國药典2015版（一部、四部）[M]. 北京：中国医药科技出版社，2015.

[5]王新民，陈士林，魏志华，等. 磷素对怀牛膝耐铜毒性的影响研究[J]. 中国中药杂志，2009，34（12）：1489-1492.

[6]谢思琴，顾宗濂，吴留松. 砷、镉、铅对土壤酶活性的影响[J]. 环境科学，1987，8（1）：19-23.

[7]周芙蓉，王进鑫，杨楠，等. 水分和铅胁迫对土壤酶活性的影响[J]. 草地学报，2013，21（3）：479-484.

[8]尔·维·加里乌林，郭建钦. 根据土壤酶的活性监测土壤的重金属污染[J]. 农业环境与发展，1992（3）：33-36.