烟草对砷的吸收累积特征及其健康风险研究

李荭荭，吴敏兰，贾洋洋，陈春乐，田甜，王果,*

1. 闽南师范大学历史地理学院，漳州 363000 2. 福建农林大学资源与环境学院，福州 350002 3. 漳州城市职业学院，漳州 363000 4. 三明学院资源与化工学院，三明 365004

砷(As)具有很强的毒性，低水平的砷暴露就会严重危害人体健康。 流行病学研究表明，每日摄入0.3～8 μg·kg-1bw就会增加1%肺癌、皮肤癌和膀胱癌的风险[1]。近年来，由于人类开采冶炼活动愈加频繁，使矿区周围的农田土壤中砷含量严重超标，有报道指出，中国湖北省某有色金属冶炼厂周围的土壤中砷含量高达66.38 mg·kg-1[2]。而且土壤中砷可以通过植物富集，进入人类的食物链当中，从而对人体健康带来危害。为了控制砷的健康风险，一些国家制定了食品中砷的限量值或者每周耐受摄入量的标准[1,3-5]，并用作食品中砷的健康风险评估。Jiang等[4]对江苏地区人体摄入砷风险的研究表明，超过一半的砷是来自大米的摄入；且欧洲食品安全局(EFSA)也指出通过食用大米进入人体的无机砷占无机砷膳食总摄入量的5%～15%[6]。但对于广州市居民摄入砷的风险则更多是来自海鲜的摄入，研究表明，通过虾贝类摄入的砷总量高于大米，且濑尿虾、红虾、红蟹和花蟹这4种海鲜对人体摄入砷的风险较大[7]。目前，《中华人民共和国国家标准 食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762—2017)对12类食品中总砷或有机砷的含量进行了限制，但其中并不包含烟叶中砷的限量，吸烟也是导致砷暴露的原因之一。烟叶中的砷形态主要是以As5+为主，占总砷含量的58%；烟叶中的As3+占总砷含量的5%[8]；其他形态的砷以有机态形式存在于烟叶中。但是在抽吸的过程中，在烟气中会产生As3+，而As5+则留在了烟灰当中[9]，进而烟气中的As3+不仅对吸烟者，而且对于吸二手烟的群体均会产生危害。而烟草是重要叶用经济作物，中国是香烟消费大国，第4次国家卫生服务调查结果显示，中国吸烟人数高达2.7亿。且福建省是中国烟草生产大省。因此，探讨烟草对砷的吸收能力以及烟叶中的砷对人体带来的健康风险具有重要意义。

土壤中的砷主要以砷酸盐(As5+)、亚砷酸盐(As3+)和有机形态的砷为主，且As3+的毒性最高[10-11]。土壤pH、土壤氧化还原电位、有机质、黏粒含量以及土壤微生物种类等均会影响砷在土壤中的有效性[12]。例如：在砂性土壤上，植物对砷的吸收量会高于黏性土壤[13]；土壤氧化还原电位降低会提高土壤中砷的毒性[14]。除此之外，土壤中的营养元素含量也会影响砷的有效性；当土壤中磷含量较低时，植物根系会分泌较多的酸性物质(如苹果酸、柠檬酸)与磷络合，提高磷的利用率，而磷与砷是同族元素，导致砷的植物有效性也被提高[15-16]。而且前人研究认为，土壤重金属的有效性与植物吸收重金属的含量呈显著正相关关系[12,17-18]。因此，以土壤有效态砷含量作为评价植烟土壤的污染程度更加科学。

不同品种的作物对砷的富集能力不同，在其各部位的积累情况也不尽相同。涂德辉等[19]对85份水稻亲本材料进行研究发现，不同水稻材料的砷耐性和砷累积差异较大，有些水稻地上部对砷的累积量甚至可相差18倍。为此，本研究以福建省种植面积较广的3个烟草品种为试验材料，通过设置不同砷梯度的盆栽试验，探讨砷对烟草的毒害效应以及砷在土壤-烟草各部位中的转移规律，以期对烟草的安全生产提供技术指导。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 供试材料

本研究所采用的土壤来自福建省福州市闽侯区未受污染的农田土壤，在野外将农田表层20 cm的耕作层土壤挖取，并在通风良好的室内风干、研碎，过2 cm的网筛。在混匀的土壤样品中取部分土壤，用磨土棒磨碎，过2 mm的尼龙筛网；再从2 mm土壤中取50 g，用玛瑙研钵研磨，并过0.149 mm的尼龙筛网，分别进行土壤理化分析。土壤的基本理化性质如表1所示。土壤pH采用pH计(SevenCompact, Mettler-Toledo, Greifensee, Switzerland)进行测定，土水比为1∶5(w/V)；土壤的阳离子交换量(CEC)用乙酸铵交换法进行测定；土壤有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法；土壤颗粒组成采用比重计测定；以上方法参照鲍士旦的《土壤农化分析》[20]。

本研究所用的烟草(NicotianatabacumL.)幼苗来自福建省烟科所，3个烟草品种分别为翠碧1号、K326和云烟87，是福建省的主栽品种。所用的试剂为NaAsO2(分析纯)，购自国药化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

本研究采用3个烟草品种，每个烟草品种均设置6个外源砷添加梯度，分别为：0 (CK)、10 (T1)、20 (T2)、40 (T3)、70 (T4)和100 mg·kg-1(T5)。将风干后过2 cm筛的土壤装入预先准备的桶(直径为20 cm，高30 cm)内，每桶装9 kg土壤。每个处理设置3个重复，共54桶。砷酸钠以溶液的形式与土壤混合均匀，同时每桶施烟草专用肥3.3 g和钙镁磷肥0.78 g作为底肥。混合均匀，平衡15 d后移栽幼苗。

移栽时，选择长势一致的幼苗，每桶种植1株。在烟草种植过程中，保持土壤湿润，且观察记录烟草的生长情况。在烟草生长的各个时期测量烟草的生长高度，包括移栽期(移栽后19 d)、团棵期(移栽后40 d)、旺长期(移栽后54 d)、现蕾期(移栽后75 d)和成熟期(移栽后101 d)，并在旺长期对烟草的生长情况进行拍照。在烟草移栽69 d时采收烟草下部叶，移栽93 d时采收中部叶，移栽101 d时测定烟草高度并采收上部叶、茎和根系。各部位的烟草样品用超纯水清洗之后晾干，称取样品鲜重；之后放入烘箱在105 ℃下杀青30 min，再以65 ℃烘干，称取烟草各部位干重，然后粉碎、保存待用。

1.3 烟草样品中砷含量的测定

烟草样品中的砷含量采用湿式消解-原子荧光分光光度计法进行测定[21]，土壤有效砷含量采用磷酸二氢钠浸提、原子荧光分光光度计法测定[22]。

1.4 数据分析

数据分析采用Excel 2003软件，数据统计采用SPSS19.0软件，作图采用SigmaPlot 12.5。

耐性指数=(处理/对照)×100%

烟草各部位间砷的转移系数(TFa-b) = b部位砷含量(mg·kg-1)/a部位砷含量(mg·kg-1)

砷从土壤到根系的转移系数(TF土-根)= 根系中砷含量(mg·kg-1)/土壤有效砷含量(mg·kg-1)

烟草各部位砷富集量(μg·株-1) = 烟草各部位砷含量(mg·kg-1)×相应部位干重(g)

砷通过吸烟进入人体的量(P)=wWT

式中：P为每日通过吸烟进入人体的砷含量(μg)，w为砷在烟叶中的含量(mg·kg-1)，W为人均消费烟量(g)，T为烤烟中砷在人体中的残留率(%)。

中部叶砷含量与土壤有效砷含量的相关性分析所用的数据为各个重复组的试验数值，每个品种有6个处理，每个处理3重复，共18组数据。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 砷对3种烟草生长的影响

砷对烟草的毒害外观症状较为明显，表现为根条数减少，根系变短，根重量、根体积均下降，高浓度的砷毒害使植株变得矮小，叶片失绿发黄，植株长势弱。这是由于烟草在高浓度砷毒害作用下会导致净光合速率下降，叶绿素含量、水分利用率、RuBP羧化效率以及光能利用效率等均降低[23]。而且砷对烟草不同生长时期株高的影响不同(图1)，在移栽期和成熟期时，砷对烟草株高的影响不显著；但在团棵期、旺长期和现蕾期，随着砷添加量的增加，烟草株高表现为显著降低(P<0.05)。从烟草在旺长期的照片可以看出，当砷添加量为70和100 mg·kg-1时，烟草的生长受到明显的抑制。

表1 供试土壤的理化性质Table 1 Physicochemical properties of the soil

图1 砷对烟草不同生长时期株高的影响注：CK、T1、T2、T3、T4和T5组中砷添加量为0、10、20、40、70和100 mg·kg-1；图中数据为平均值±标准差(n = 3)，采用Duncan’s多重比较方法进行显著性差异性分析，不同英文字母表示株高显著差异(P<0.05)；图(d)为旺长期K326烟草品种的照片记录。Fig. 1 The effects of arsenic on the height of tobacco in different growth stageNote: In the CK, T1, T2, T3, T4 and T5 group, the As addition is 0, 10, 20, 40, 70 and 100 mg·kg-1, respectively; different letters above each bar indicate significant differences (P<0.05) among the treatments according to Duncan’s multiple range test; data showed as the means ± SD (n = 3); (d) was the photo of K326 at the flourishing stage.

为了探讨烟草受砷毒害的情况，对比了不同浓度砷胁迫下3种烟草的株高(现蕾期)、地上部生物量(鲜重)和根部生物量(鲜重)3个生长效应指标的耐性指数并作相关分析。研究表明，低浓度砷(0～20 mg·kg-1)对部分烟草(翠碧1号、云烟87)的生长有一定的促进作用，但是随着砷处理浓度的升高，烟草株高、根部和上部叶生物量的受抑程度也逐渐增大。相似的结果在印度芥菜、蓝藻、水稻和水花生等的研究中也得到证实[24-26]。前人的研究表明，低浓度的砷胁迫能够提高植物叶片的光合速率，但过多的砷进入植物体内时，会损害其细胞器，导致叶绿体功能失调[26-27]。砷对烟草的影响因品种不同而异，如表2所示。在0～100 mg·kg-1砷处理下，翠碧1号株高、地上部鲜重和根鲜重的耐性指数变幅分别为107.8%～74.45%、108.3%～91.34%和100.0%～66.11%；K326的三者耐性指数变幅分别为100.0%～63.72%、102.7%～89.19%和100.0%～60.02%；云烟87的三者耐性指数变幅分别为101.7%～81.44%、103.0%～96.02%和100.0%～62.68%，显然根受砷毒害的敏感性高于地上部鲜重和株高。

2.2 砷在烟草不同部位的分布

植物体内的砷含量与土壤有效态砷含量之间存在相关性[28]，因此，本研究对土壤有效砷进行分析。土壤有效砷的浸提剂有很多，如NH4Cl、(NH4)2SO4、HCl、NaHCO3和NaH2PO4等[29-30]。本研究按照福建省地方标准《酸性土壤中有效砷、有效汞的测定原子荧光法》(DB35/T 1459—2014)[16]，采用NaH2PO4溶液进行浸提。由于磷与砷为同族元素，电子分布较相似，且都能形成三元酸，但砷酸根和亚砷酸根的半径比磷酸根大，磷酸根还具有较强的电荷密度，所以磷酸根可以替换土壤颗粒表面的砷[16,30]。从表3中可知，随着砷添加量的提高，土壤中NaH2PO4浸提的有效态砷含量表现为显著增加的趋势，当砷的外源添加量达到100 mg·kg-1时，土壤中有效态砷含量约为30 mg·kg-1，约是对照的120倍。而且随着土壤有效态砷含量的提高，烟草各部位砷含量表现为显著增加的趋势。以翠碧1号为例，当砷的外源添加量达到100 mg·kg-1时，根、茎、下部叶、中部叶和上部叶中砷含量分别是对照的54.66倍、29.92倍、60.9倍、47.92倍和60.5倍。同一砷添加量的烟草植株各部位砷含量存在明显差异，其大小顺序为：根>叶>茎。其中根最为突出，砷含量明显高于其他部位；而茎中的砷含量最低。这与前人研究结果一致，吴玉萍等[31]发现烤烟各部位砷含量大小顺序为下部叶>下部叶脉、中部叶片>上部叶片>中部叶脉>上部叶脉>茎。这表明，砷在烟草体内的累积主要是根和叶片，而叶片又是烟草收获的重要部位。在砷添加量少于40 mg·kg-1时，上部叶的砷含量较少，当砷的添加量大于40 mg·kg-1时，上部叶的砷含量高于中、下部位，说明土壤砷含量超过40 mg·kg-1时，会促进砷往上部叶中的迁移。

表2 不同砷处理浓度下3种烟草的耐性指数Table 2 Tolerance indexes of the tobaccos under arsenic stress

注：表中数据为平均值±标准差(n= 3)，采用Duncan’s多重比较方法进行显著性差异性分析，同列不同英文字母表示耐性指数显著差异(P<0.05)。
Note: Data in the table are represented as mean ± S.D., different letters in the same column indicate signicifant difference (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test.

表3 砷在烟草体内含量的分布Table 3 The concentrations of arsenic in tobacco tissues

注：表中数据为平均值±标准差(n= 3)，采用Duncan’s多重比较方法进行显著性差异性分析，同列不同英文字母表示显著差异(P<0.05)。
Note: Data in the table are represented as mean ± S.D., different letters in the same column indicate signicifant difference (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test.

2.3 砷从土壤到烟草各部位的转移系数

砷从土壤转移到植物的可食用部位是其进入人类食物链的关键环节[32]。往往砷从土壤到植物体内的迁移需要经过根系的吸收，再通过韧皮部运输到茎中，进而分配到各部位的叶片中[33-34]。表4为不同外源砷添加量下，砷从土壤到根系、根系到茎、茎到下部叶、茎到中部叶和茎到上部叶的转移系数。前人研究表明，与土壤砷全量相比，土壤有效砷含量与植物体内砷含量的相关性更好[32,35-36]，因此，本研究采用土壤有效砷含量来计算砷从土壤到根系的转移系数。从表中可知，在未添加砷的处理中，各部位的转移系数由大到小依次为：TF(土-根)> TF(茎-中部叶)> TF(茎-下部叶)> TF(茎-上部叶)> TF(根-茎)。当土壤中添加外源砷时，砷在各部位间的转移系数大致表现为：TF(茎-叶)> TF(土-根)> TF(根-茎)，可见，外源砷添加改变了砷在土壤-烟草体系中的迁移，促进了砷从茎到叶片中的转移。且外源砷添加量为10～70 mg·kg-1时，砷在3种烟草中茎到叶的转移系数(TF(茎-上部叶)、TF(茎-中部叶)和TF(茎-下部叶))均随着添加量的增加而增加；但与添加量为70 mg·kg-1相比，当添加量达到100 mg·kg-1时，3种烟草的TF(土-根)增加，而TF(茎-上部叶)、TF(茎-中部叶)和TF(茎-下部叶)均降低。这说明，在高浓度砷(100 mg·kg-1)毒害下，虽然有较多的砷进入到烟草体内，但砷从烟草茎到叶片中的转移受到抑制。这可能是烟草对高浓度砷毒害的一种自我保护机制，减少砷进入叶片中。研究表明，植物在受到砷毒害时，植物体内的超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧物酶(APX)、过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性均明显上调，从而排除自由基对植物细胞膜的氧伤害[37]。另外，外源砷进入到植物细胞中会与植物螯合蛋白结合形成低分子复合物，再被运送到液泡中，以此降低植物体中砷的移动性[38]。

表4 砷在土壤-烟草系统中的转移系数(TF)Table 4 Transfer factors (TF) of arsenic in soil-tobacco system

注：表中数据为平均值±标准差，采用Duncan’s多重比较方法进行显著性差异性分析，同列不同英文字母表示显著差异(P<0.05)。
Note: Data in the table are represented as mean ± S.D., different letters in the same column indicate signicifant difference (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test.

2.4 砷在烟草各部位的富集量

烟草各部位砷的富集量是通过各部位砷含量与其干重的乘积计算得到的，具体数值如表5所示。从表中可知，3种烟草各部位砷富集量由高到低依次为：根>茎>中部叶>下部叶>上部叶，有38.28%～74.37%的砷富集在根系当中，而只有4.61%～11.7%的砷富集在上部叶中。在对照处理中，砷在3种烟草体内的总富集量分别为K326(15.23 μg)>翠碧1号(11.82 μg)>云烟87(7.68 μg)。虽然高浓度的砷会抑制烟草的生长，但在烟草体内的浓度也随之增加；因此，随着外源砷添加的增加，砷在烟草体内的富集量总体表现为显著提高。当外源砷添加达到100 mg·kg-1时，3种烟草体内的砷总富集量分别为翠碧1号(467.4 μg)>云烟87(333.5 μg)>K326(325.0 μg)；与对照相比，分别提高了39.54倍、42.32倍和28.21倍。砷在烟草各部位的富集量也随添加量的增加而表现出显著提高的趋势，尤其是上部叶中砷的富集量增加最为显著；以云烟87为例，与对照相比，砷添加量为100 mg·kg-1时，砷在烟草根、茎、下部叶、中部叶和上部叶中的富集量分别提高了35.33倍、38.70倍、42.20倍、81.11倍和173.7倍，这表明，土壤中砷浓度的提高促进了砷在叶片中富集，尤其是上部叶。

表5 砷在烟草各部位的富集量Table 5 The accumulations of arsenic in tobacco tissues

注：表中数据为平均值±标准差，采用Duncan’s多重比较方法进行显著性差异性分析，同列不同英文字母表示显著差异(P<0.05)。
Note: Data in the table are represented as mean ± S.D., different letters in same column indicate significant difference (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test.

2.5 植烟土壤有效砷安全临界值的计算

《中华人民共和国国家标准 食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)对谷物、蔬菜、食用菌、肉制品、乳制品和饮料等食品中砷的总量进行限制，但标准中并未涉及烟叶及其制品的限值。国际粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)的食品添加剂联合专家委员会规定每周耐受无机砷摄入量为15 μg·kg-1BW。根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》，中国成年男性和女性平均体重分别为66.2和57.3 kg。虽然吸烟群体大多为男性，但女性吸烟群体也不在少数；《第四次国家卫生服务调查分析报告》中指出：在调查地区15岁及以上人口男性吸烟率为48.0%，女性吸烟率为2.6%。本研究分别计算男性和女性吸烟者从烟草中吸收砷的限量。男性每人每日最多可摄入砷的量为141.9 μg，女性每人每日最多可摄入砷的量为122.8 μg。若吸烟者对砷的摄入有10%是来自吸烟[39]，则男性和女性吸烟者每人每日从烟草中吸收砷的限量分别为14.2和12.3 μg。而市场上较为常见规格的滤嘴烟质量为0.92 g·支-1，其中烟丝质量为0.70 g·支-1[40]。根据《第三次国家卫生服务调查分析报告》，吸烟者平均每人每天吸烟量为15.9支，但《第四次国家卫生服务调查分析报告》显示，每天吸烟20支以上的烟民高达61.6%，与第三次卫生服务调查结果相比，吸烟者的吸烟量明显增加。因此，假设每人每天吸烟量为20支，则每人每天抽吸的烟丝量为14 g。吸烟时，烟气中砷含量占香烟砷含量的30.9%[41]。根据最差情景假设，进入人体的烟气中，砷的生物利用率为100%；则烤烟中砷在人体的残留率为30.9%。因此，根据吸烟进入人体的砷含量，可推算出砷在烟草中最高限量。为保证女性吸烟者不受砷毒害，则砷在烟草中的最高限量为2.84 mg·kg-1，为保证男性吸烟者健康，则砷在烟草中的最高限量为3.28 mg·kg-1。综上，为保证全体吸烟者避免香烟的砷毒害，砷在烟草中的最高限量为2.84 mg·kg-1。

由于烟草叶片是烟丝的生产原料，且中部叶是烟叶收获的主要组成部分，因此，本研究将烟草中部叶作为代表部位。根据3个烟草品种的中部叶砷含量和土壤有效态砷含量的相关关系，建立回归方程，如图2所示。当烟草中砷含量为2.84 mg·kg-1时，种植烟草翠碧1号、K326和云烟87的土壤有效砷含量分别为14.17、14.31和11.86 mg·kg-1。因此，为了降低吸烟者对烟草的砷摄入风险，本研究将云烟87的安全临界值11.86 mg·kg-1(NaH2PO4浸提)作为福建省植烟土壤有效砷含量的安全临界值。

图2 中部叶砷含量与土壤有效砷含量的相关性Fig. 2 Correlationships between the contents of As in middle leaves and soil available As concentrations

综上，本研究得到以下结论：

(1)随着外源砷含量的提高，烟草的株高、植物鲜重均受到抑制，且根受砷毒害的敏感性高于地上部鲜重和株高。砷对3种烟草根生长的抑制程度为K326>云烟87>翠碧1号。

(2)随着外源砷添加量的增加，土壤中有效态砷含量和烟草各部位中砷含量均随之增加。且砷在烟草各部位中的含量表现为根>叶>茎。土壤中添加外源砷时，各部位间砷的转移系数大致表现为TF(茎-叶)> TF(土-根)> TF(根-茎)。外源砷的增加促进砷从茎到叶片中转移。砷在烟草各部位中的富集量由高到低依次为根>茎>中部叶>下部叶>上部叶；大部分的砷(38.28%～74.37%)富集在烟草根部。

(3)根据通过吸烟进入人体砷的限量以及土壤有效砷含量与烟草中部叶砷含量的回归模型，推算出翠碧1号、K326和云烟87这3种烟草的植烟土壤砷的安全临界值分别为14.17、14.31和11.86 mg·kg-1(NaH2PO4浸提)。并将福建省植烟土壤有效砷的安全临界值拟定为11.86 mg·kg-1(NaH2PO4浸提)。