不同样地小檗及背景土壤重金属污染风险分析

吴先亮，黄先飞*，林世鹏，张珍明

(1. 贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001；2. 贵州师范大学 数学科学学院，贵州 贵阳 550001；3. 贵州省生物研究所，贵州 贵阳 550009)

【研究意义】小檗属植物在中国约有200余种，其主要分布于西南及西北各省区。小檗属植物花、果及叶均具有观赏价值，树皮、根皮含有小檗碱(Berberine)、药根碱(Jatrorrhizine)、巴马汀(Palmatine)和小檗胺(Berbamine)等生物碱等成分，可用于药疗。此外，小檗属植物果实中含有大量果酸、VC、VB和VE等营养成分，其枝叶茂盛、耐旱性强，对土壤要求不高，为优良的水土保持植物[1]。【前人研究进展】基于小檗属植物某些优异的特性，许多科研工作者已对其进行研究及开发。如向前胜等[2]采用HPLC法测定了青海省某地3种小檗属植物(西北小檗、鲜黄小檗和直穗小檗)根部小檗的碱含量。崔现亮等[3]研究了青藏高原东缘11种小檗属植物的种子萌发特性，且分析了种子萌发能力与种子大小和海拔之间的关系。李路扬等[4]测定了5种小檗属药用植物(拟豪猪刺、川鄂小檗、芒齿小檗、湖北小檗、汉源小檗)总生物碱及小檗碱的含量。综上，学者针对小檗属植物的生物碱含量及其药用开发作了大量工作，但对小檗属植物中重金属及营养元素含量的研究甚少，且鲜见小檗属植物根际土壤重金属污染情况及其体内重金属元素含量的相关研究。土壤与植物之间作用非常复杂[5]，植物对金属的吸收量依赖于土壤中金属的化学形态和生物可利用性[6]。【本研究切入点】高丽英[7]测定了6种小檗果实中的微量元素。胡迎芬[8]研究了金属离子(钠、钙、锌、铜、镁、锰和铝)对紫叶小檗色素稳定性的影响。但文献距今久远，且未发现有对小檗属植物金属形态的相关报道。地累积指数法是评价土壤中重金属污染的常用方法之一，其不仅可以反映沉积物中重金属的变化特征，还可反映人类活动对环境的影响[9]，且目前未发现有相关文献对小檗根际土壤重金属进行评价。靶标危害系数方法(Target hazard quotients，THQ) 是美国环保局(USEPA) 提出的一种用于评估人体通过食物摄取重金属风险的方法[10]，已被用于评估植物重金属对人体危害情况。此外，生物富集系数是描述化学物质在生物体内累积趋势的重要指标，已广泛用于重金属在植物体内积累情况[11]。【拟解决的关键问题】因此，以8个不同样地小檗及其根际土壤为研究对象，采用地累积指数评价法、靶标危害系数方法及生物富集系数法对不同样地小檗根际土壤重金属含量、小檗体内重金属对人体健康的影响及小檗对重金属和营养元素的富集情况进行分析与评估，以期对小檗属植物的相关研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区包括云南的易门县，湖北的巴东县，贵州的毕节市、平坝区和威宁县。易门县地处云南中西部，位于东经101°54′～102°18′、北纬24°27′～24°57′，隶属玉溪市；地形特征为东、北、西三面高山屏立，中部是溶蚀性盆地，东南面为中山河谷地带；属中亚热带气候，受地形地貌的影响，立体气候明显，县内具有热带到温带的气候类型。巴东县位于湖北省西南部，隶属恩施土家族苗族自治州，位于东经110°04′～110°32′、北纬30°28′～31°28′，地形狭长，西高东低，南北起伏，地表崎岖，山峦起伏，峡谷幽深，沟壑纵横，是典型的喀斯特地貌。威宁县地处贵州省西北部，位于东经103°36′～104°45′，北纬26°36′～27°26′，平均海拔2200 m，是贵州省面积最大、海拔最高的县，属亚热带季风性湿润气候，年日照时数1812 h，无霜期180 d，年降雨量926 mm，年温差小，日温差大，冬暖夏凉，夏季平均气温18 ℃。毕节市位于贵州西北部，属北亚热带季风湿润气候，季风气候比较明显，降雨量较为充沛，立体气候突出。平坝区是贵州省安顺市的一个市辖区，境内地势平坦，河流纵横，最高海拔1645.6 m，最低海拔963.0 m，平均海拔为1250.0 m，属亚热带湿润型季风气候。

1.2 样品采集与处理

2018年在研究区采集小檗属植物样品8个，分别为易门小檗、威宁小檗、巴东小檗、威宁永思小檗、威宁古宗金花小檗、威宁壮刺小檗、毕节小檗及平坝小檗，并采集植物根际土壤表层(0～20 cm)土壤样品8个。土样剔除石块、植物根茎等杂质，带回实验室，经风干、研磨及过筛(200目)后保存备用。植物样品采集后置于干燥箱干燥48 h，保存于自封袋备用。各样点的土壤与植物样品编号见表1。

1.3 样品分析

1.3.1 金属总量及形态测定 土壤样品中金属总量均采用混酸消解 (HNO3∶HF∶HClO4=2∶2∶1)，植物样品中金属总量采用混酸消解 (HNO3∶HClO4=4∶1)，置夜。称取5 g土样，其碳酸盐结合态采用1 mol/L CH3COONa提取。消解及提取完毕，土壤样品、植物样品及土壤形态金属元素含量测定均采用5300 V型电感耦合等离子体-原子发射光谱仪(美国Perkin Elmer公司)。

1.3.2 质量控制 在试样的处理及测试过程中可能带入污染，为保证方法的精密度，测定时均做空白对照，并进行加标试验。分析过程中所用器皿均在5 %(v/v)的硝酸溶液中浸泡48 h以上。

1.4 评价方法

1.4.1 地累积指数法 地累积指数通常称为Mull指数，主要用于研究沉积物及其他物质重金属污染程度的定量指数[12]。其公式：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

式中，Cn指元素n在沉积物中含量；Bn指当地背景浓度，背景值参照《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)的一级标准，该级标准为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤质量的限制值，其中As、Cd、Cr、Ni和Pb的背景值分别为15.00、0.20、90、40和35.00 mg/kg；k为修正系数，用于表征沉积特征、岩石地址及其他影响，通常认为k=1.5。参照Forstner等[13]对重金属污染程度进行分级，分7个等级：0级为无污染(Igeo<0)，1级为无污染-中度污染(0≤Igeo<1)，2级为中度污染(1≤Igeo<2)，3级为中度污染-强污染(2≤Igeo<3)，4级为强污染(3≤Igeo<4)，5级为强污染-极强污染(4≤Igeo<5)，6级为极强污染(Igeo≥5)。

表1 各样地的土壤与植物样品编号

1.4.2 不同样地小檗健康风险评估 健康风险评估采用靶标危害系数(THQ)被运用于评估重金属经口摄入后的非致癌健康风险[14-15]。THQ是某种污染物的确定剂量与参考剂量的比率，且当比率小于1时表明人群不会因污染物而产生不良反应，即说明该污染物对人体健康不会造成危害。其公式：

式中，Ci为小檗中重金属i的质量分数(mg/kg)。EF为每年暴露于毒物(此处指含重金属的中药材)的天数(接触频率day /year，每年暴露天数EF设为30 d)；ED为暴露于毒物(此处指含重金属中药材)的年数( 30 a)；FIR每日摄取含污染物的食物的量(成人按平均1 d服用12 g 计，儿童按6 g计[16])；WAB为人体平均体重(采用国际通用标准，成人为55.9 kg，儿童为32.7 kg)；TA为平均接触非致癌毒物(此处指含重金属的中药材)的时间，以人的平均寿命70年计，70×365=25 550 d。RFD为参考剂量，参考文献[15，17]提供的参考剂量：As= 0. 0003 μg/(g·d)，Cd=0.001 μg/(g·d)，Cr=0.003 μg/(g·d)，Ni=0.02 μg/(g·d)，Pb=0.0035 μg/(g·d)。

危害指数(HI)表示当几种污染物/重金属同时

存在时，所有重金属的风险系数之和，其公式：

式中，i为第i种重金属。当危害指数小于1时，人体负荷的重金属对人体健康造成的影响不明显；若危害指数大于1时，人体负荷的重金属危害到人体健康。

1.4.3 富集系数法 生物富集系数(BCF)是指植物某个部位重金属浓度与其所在土壤中重金属含量之比，在一定程度上反映土壤重金属向植物体内迁移的难易程度[18]。其公式：

BCF=C植物体/C土壤

式中，C植物体指植物某个部位重金属浓度(mg/kg)；C土壤指对应土壤重金属浓度(mg/kg)。富集系数越大，则表示吸收金属元素能力越强[19]。

2 结果与分析

2.1 各样地小檗根际土壤重金属污染情况

从表2可知，各样地小檗根际土壤中重金属的含量存在差异，As含量：巴东小檗、威宁永思小檗、威宁古宗金花小檗、威宁壮刺小檗、毕节小檗及平坝小檗的远高于背景值，易门小檗与背景值相近，威宁小檗低于背景值。Cd含量：各样地的含量均高于背景值，其中威宁小檗的最高，为2.730 mg/kg，显著高于背景值；威宁永思小檗的次之，为2.150 mg/kg；威宁古宗金花小檗的虽最小，但也较背景值高351 %。Cr含量：威宁小檗的最高，为221.20 mg/kg；威宁永思小檗的次之，为191.90 mg/kg；平坝小檗和易门小檗的与背景值相当，其余均低于背景值。

表2 各样地小檗根际土壤中重金属的含量

注：As、Cd、Cr、Ni和Pb的背景值分别为15.00、0.20、90、40和35.00 mg/kg。

Note: Background values of As, Cd, Cr,Ni and Pb were 15.00, 0.20,90,40 and 35.00 mg/kg respectively.

Ni含量：巴东小檗、威宁古宗金花小檗和威宁壮刺小檗的均低于背景值，其余均高于背景值，其中威宁小檗的最高，为161.70 mg/kg；永昌小檗的次之，为148.00 mg/kg。Pb含量：除毕节小檗外均高于背景值，其中，威宁小檗的最高，为254.10 mg/kg；平坝小檗的次之，为127.9 mg/kg。

由表3可见，根据地累积评价法，各样地小檗根际土壤重金属的Mull污染指数与污染等级存在差异，As污染：巴东小檗、威宁永思小檗、威宁壮刺小檗、毕节小檗及平坝小檗的均达中度污染，易门小檗及威宁小檗的为无污染，威宁古宗金花小檗的为无-中度污染。Cd污染：威宁小檗的为强污染，易门小檗、巴东小檗、威宁永思小檗、威宁壮刺小檗及平坝小檗的为中度-强污染，威宁古宗金花小檗和毕节小檗的为中度污染。Cr污染：威宁小檗的为中度-强污染，威宁永思小檗的为中度污染，易门小檗、巴东小檗、威宁古宗金花小檗及平坝小檗的为无-中度污染，威宁壮刺小檗和毕节小檗的为无污染。Ni污染：威宁小檗和威宁永思小檗的为中度污染，易门小檗的为无-中度污染，其余均为无污染。Pb污染：仅威宁小檗的为无-中度污染，其余均无污染。

从各样地小檗根际土壤重金属碳酸盐结合态含量(表4)看出，As：平坝小檗的含量最高，为1.186 mg/kg，易门小檗次之，其余均未检出。Cd：各样地均有检出，且含量均较高，由高到低为威宁永思小檗>威宁壮刺小檗>威宁古宗金花小檗>毕节小檗>威宁小檗>巴东小檗>易门小檗>平坝小檗。Cr：威宁永思小檗和易门小檗的有检出，其余均未检出。Ni：易门小檗、威宁古宗金花小檗和平坝小檗均未检出，其余的高低为威宁壮刺小檗>巴东小檗>威宁永思小檗>毕节小檗>威宁小檗。Pb：仅易门小檗根际土壤重金属碳酸盐结合态含量为5.392 mg/kg，其余均未检出。

2.2 小檗健康风险评估

由表5看出，各样地小檗内重金属的含量存在差异，As含量：巴东小檗、威宁永思小檗、威宁古宗金花小檗、威宁壮刺小檗及平坝小檗的较高，易门小檗、威宁小檗及毕节小檗As含量较低。Cd含量高低为平坝小檗>毕节小檗>威宁古宗金花小檗>易门小檗>威宁壮刺小檗>威宁永思小檗>威宁小檗>巴东小檗。Cr含量：毕节小檗最高，为19.320 mg/kg，其余小檗均较低。Ni含量：各小檗内Ni含量差异不大。Pb含量：各样地小檗中差异较大，其中以威宁壮刺小檗的最高，达31.700 mg/kg，易门小檗、巴东小檗、威宁古宗金花小檗及平坝小檗的含量也较高。

表3 各样地小檗根际土壤重金属的Mull污染指数与污染等级

表4 各样地小檗根际土壤重金属碳酸盐结合态的含量

注：“-”表示未检出。

Note: ‘-’ indicates no detection.

由表6可知，As、Cd、Cr、Ni和Pb的靶标危害系数(THQ)最大值分别为0.4545、0.0011、0.0487、0.0021和0.0685，均出现在成人里；靶标危害系数和危害指数(HI) 均小于1，说明8个样地小檗中重金属暴露对人群造成的健康影响不明显。尽管成人和儿童的THQ值均小于1，但威宁壮刺小檗及平坝小檗在成人中的THQ值分别为0.4545和0.4383，在儿童中的THQ值也不低，分别为0.3884和0.3747，说明当地通过小檗摄入的Cd对人体具有潜在的健康危害。8个样地小檗重金属对成人的THQ值和HI值均大于对儿童的，需关注成人对小檗重金属作为药用摄入的健康风险。

2.3 各样地小檗吸收金属元素的能力

从表7看出，各样地小檗对重金属和营养元素富集存在差异，As的富集系数：威宁小檗最大，为0.95；毕节小檗的最小，为0.03；其余样地的相差不大，均在0.30左右。Cd的富集系数：各样地小檗对Cd富集系数不高，均在0.1以下。Cr的富集系数：除毕节小檗对Cr富集略高外，其余样地均不高。Ni的富集系数：威宁古宗花金花小檗和威宁壮刺小檗的富集系数相对较大，分别为0.34和0.54，其余均在0.1以下。Pb的富集系数：威宁壮刺小檗最大，为0.50；威宁小檗最小，为0.05。各样地小檗对营养元素富集系数仅有易门小檗对Ca富集系数大于1，说明，易门小檗对Ca的吸收最强。威宁古宗金花小檗和威宁壮刺小檗及毕节小檗对Al富集系数分别为0.59、0.38及0.70，总体对Al的吸收均不高。各样地小檗对K、Na及Mg富集系数均小于1，吸收能力均较弱。

表5 各样地小檗重金属的含量

表6 成人和小孩摄取各样地含重金属小檗的风险评估

表7 各样地小檗对重金属及营养元素的富集系数

3 讨 论

与GB 15618-1995《土壤环境质量标准》的一级标准相比较，各样地小檗根际土壤重金属含量均存在不同程度超标现象。在8个样地小檗根际土壤中Cd超标较为严重，其中威宁小檗Cd含量显著超过背景值，其余样地小檗根际土壤Cd含量也存在超标现象，其原因可能是由于样点距离公路近，其污染很可能是由于汽车尾气、大气污染及旅游活动等人为活动所致。此外，其余样地小檗根际土壤Cr及As也存在不同程度超标，其可能由居民燃煤、垃圾燃烧、大气沉降、废弃塑料及某些农事活动等导致。Ni及Pb在8个样地小檗根际土壤中含量超标最低，但威宁小檗的Ni和Pb含量稍高于背景值，威宁永思小檗Ni含量也稍高于背景值，结合整体小檗根际土壤与前人研究看，Ni主要受地球化学成因影响，主要为地质来源[20]，Pb极有可能来源于汽车尾气。地累积指数法评价不仅考虑了沉积成岩等自然地质过程造成的对背景值的影响，且考虑人为活动因素对重金属污染影响，故可反映自然变化特征下重金属分布，也可判断人为活动对环境的影响[9]。此外，由于一级标准为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤质量的限制值，采用地累积指数法评价结果有多种重金属超标，其结果与该级环境质量要求较高有关。

重金属形态试验结果显示，Cd的碳酸盐结合态含量较高。碳酸盐结合态的重金属在土壤中容易迁移转化，从而被植物吸收，通过食物链，进而威胁人类健康及生态环境[21]。总量及碳酸盐结合态均显示Cd对环境潜在危害较大，故应当高度重视各样地小檗根际土壤中Cd含量超标问题。

采用健康风险评估方法对小檗中重金属进行评价，8个样地小檗的重金属对暴露人群造成的健康影响不明显。若以重金属总含量衡量各样地小檗中重金属含量是否超标，则多数重金属均有超标现象。但研究采用重金属风险评估模型得出试验所用小檗样品重金属含量对于成人及儿童处于安全范围内。实际上，将小檗作为药用时，小檗中所含的重金属因人体对其吸收不同，其所含重金属并不会全部被人体吸收。中药材不同于食物，其服用频率不高和服用周期较短，因此，在中药材中借用绿色行业标准衡量中药材超标问题是不合理、不科学的[17]。故建议相关部门在制定有关小檗作为药用时，应同时考虑人体对药物中重金属总量与人体有效吸收间的关系。

富集系数法对各样地重金属及营养元素评价结果显示，仅有易门小檗对Ca有较强吸收。规避型植物可抵制植物根系对重金属的吸收，通常将土壤重金属沉淀在根系表面，使得植物体内吸收很少量的重金属，因此在其体内的重金属含量较低[22]。各样地小檗根际土壤中Cd、Cr和As虽存在不同程度的超标现象，但从富集系数看，一些小檗对某种重金属的富集系数小于0.1，说明，这些小檗属于对该种重金属规避型植物，但判断标准和对重金属的规避机理需进一步研究。此外，植物中重金属含量与土壤重金属含量密切相关，而对土壤重金属污染治理难度较大，故选择低富集重金属和高富集营养元素的小檗进行种植，对小檗作为药材进行推广具有重要意义。国内目前中药材重金属污染逐渐增多，但对药材中重金属对人体影响的评价方法较少[23]。重金属污染问题与多种因素相关，为保证药材质量及用药安全性，各样地小檗根际土壤重金属含量较高情况需从其生长环境及多方面着手进一步研究。

4 结 论

各样地小檗根际土壤重金属含量均存在不同程度超标现象，且总量及碳酸盐结合态均显示，Cd对环境潜在危害较大，应当高度重视各样地小檗根际土壤中Cd含量超标问题。富集系数法对各样地重金属及营养元素评价结果显示，仅有易门小檗对Ca有较强吸收。各样地小檗对重金属浓度吸收较低，结合8个样区小檗的重金属对暴露人群造成的健康影响不明显，故小檗可作为药材在试验涉及区域进行大量种植与加工。