镉在典型蔬菜可食部位富集特征及其健康风险评价

万家悦,彭位华,贺希格都楞,杨佳敏,朱 诚

(中国计量大学 生命科学学院,浙江 杭州 310018)

随着经济的发展与矿产资源的开发及含镉农药和化肥的广泛使用,土壤镉污染日趋严重。土壤中的镉主要通过食物链进入人体,若在人体内积累超过一定含量将伤害到肠胃、肺、循环系统和神经系统等,对人类健康产生极大的危害[1]。蔬菜作为人们日常饮食中不可或缺的食物,对土壤中的镉具有较强的吸收能力,因此也成为了镉转移到人体内的重要媒介[2]。大量调查研究发现市售蔬菜普遍存在一定比例的重金属超标现象,主要以镉、铅和砷为主[3],其中镉含量超标尤为严重[4]。

不同的种类蔬菜对镉的富集能力差异显著,甚至同一种类的不同蔬菜基因型品种对镉的富集能力也会存在差别,如叶菜类中不同基因型品种对镉的富集程度可差数十倍[5]。这样的差异对我国食品安全污染物限定标准的制定带来了极大挑战。针对不同蔬菜存在的极大镉富集差异,国内外学者开展了大量调查研究。ALEXANDER等[6]等研究表明豆荚类和根茎类蔬菜对镉的富集能力小于叶菜类。同时,通过利用低积累茄果类蔬菜在轻度重金属复合污染土壤中种植,可食部位镉含量能达到安全标准,说明在中轻度污染条件下部分低积累品种仍可实现安全生产的目的[7]。但大部分研究还在探讨不同种类间蔬菜对镉积累的差异,对于同一种类蔬菜不同基因型的调查研究甚少。然而,对于一类蔬菜的镉富集水平若只建立在几个基因型品种上,得到的结果仍不够科学。

本研究在模拟镉污染土壤条件下,分析了不同基因型品种的四类蔬菜不同可食部位对镉的富集特征,并以世界卫生组织推荐的镉对人体参考暴露剂量为标准评价镉暴露风险指数,开展健康风险评价。研究结果可为蔬菜的安全种植提供科学依据,以及对人们食用蔬菜提供合理建议。同时,对健全我国农产品中镉限量标准及农产品产地环境质量安全评价标准体系有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试土壤采自台州临海的未被污染水稻土。试验于2017年11月至2018年9月在浙江省台州市农业科学院蔬菜大棚内进行。土样经风干、压碎和过筛预处理后,Cd污染土壤的目标模拟质量分数为3 mg·kg-1,加标时向2000 kg土样中添加一定量的CdSO4水溶液搅拌均匀后稳定60 d,期间每隔5 d彻底翻一次土。60 d后将土壤装入盆中供作物栽培,每盆装Cd加标土壤20 kg。稳定后土壤镉含量(即质量分数，下文同)为2.94 mg·kg-1,其他理化指标测试结果为:pH6.32、全氮0.086%、速效钾120 mg·kg-1、有效磷57.2 mg·kg-1、有机质14.4 g·kg-1。供试蔬菜为长江中下游地区常见品种,购于浙江省杭州市种子站和国家蔬菜工程技术研究中心,包含四大类:叶菜类(小白菜、大白菜),根茎类(萝卜),豆荚类(豌豆、豇豆等),茄果类(茄子、番茄),共86个品种(表1)。

试剂:硫酸镉、高氯酸(分析纯)、硝酸(优级纯),纯度≥99%,国药集团化学试剂有限公司。

表1 供试蔬菜品种名及编号

续表1

1.2 试验方法

根据不同种类蔬菜生长习性不同,于不同时间段种植。茄果类和豆荚类蔬菜先在泥炭和蛭石(V∶V=1∶1)育苗盘中育苗,待幼苗长出四片真叶时,每盆移栽两株。叶菜类和根茎类采用直播方式,待幼苗长出后,每盆间苗至6株幼苗,所有处理设3个重复。大棚内培养,根据天气和作物生长情况适当浇灌去离子水、施加复合肥、喷洒农药。待作物成熟时采样,小白菜30 d,大白菜55 d,根茎类为80 d,豆荚类为120 d,番茄95 d,茄子120 d。

1.3 镉含量的测定方法

蔬菜中镉含量测定参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15-2014)石墨炉法,试样消解采用HNO3-HClO4(V∶V=4∶1)混合酸消解法[8]。将样品用去离子水洗净,擦干,称鲜重后放入烘箱先105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干样品至恒重,称干重,使用磨样机粉碎样品。镉含量由原子吸收分光光度计测定(AA-7000,日本岛津)。

1.4 蔬菜中重金属富集系数的计算

以《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)作为蔬菜中镉的最大允许限量(表2),根据不同种类蔬菜中镉含量来评价蔬菜镉污染程度,用可食部位对镉的富集。

表2 蔬菜中镉限量指标

系数BCFCd来表示可食部位对镉的富集能力[9]。计算公式如下:

富集系数(BCF)=可食部位镉含量/土壤镉含量。

(1)

1.5 蔬菜中重金属健康风险评价

为评价受镉污染蔬菜给人体带来的健康风险,用蔬菜摄入产生的重金属平均日摄入量[10,11]计算公式。如下:

CDI蔬菜=(C×I×103)/BW,

(2)

C×I=∑(ci×Di×F蔬菜)。

(3)

式中,CDI蔬菜为重金属污染物通过蔬菜进入人体的平均日摄入量,μg·kg-1·d-1;C为蔬菜重金属质量分数,mg·kg-1;I为接触率,kg·d-1;BW为体质量,kg,按人均体质量60 kg计算;ci为某类蔬菜鲜重的重金属平均质量分数,mg·kg-1;Di为每日对某类蔬菜的食用量,kg,在中国人均蔬菜的日食用量为0.3 kg·d-1[12];F蔬菜为蔬菜鲜质量,kg。

根据美国环保局(United States Environmental Protection Agency)[13]和世界卫生组织(World Health Organization)[14]推荐评价有毒污染物镉的参考暴露剂量RfDCd为1.0 μg·kg-1·d-1。以HQ蔬菜表征由蔬菜摄入引起的重金属暴露风险指数。HQ蔬菜的计算公式如下:

HQ蔬菜=CDI蔬菜/RfD。

(4)

式(4)中,HQ为发生某种特定有害健康效应而造成等效死亡的终身危险度;RfD为化学污染物在某种暴露途径下的日参考计量(μg·kg-1·d-1)。如果HQ蔬菜值小于1,说明没有明显的风险;反之,如果大于或等于1,相关暴露人群就会有健康风险。

1.6 数据处理

主要利用单因素方差分析(LSD)比较检测数据的差异性,一般认为P<0.05有显著性差异。数据分析主要利用IBM SPSS Statistics软件,图形绘制主要由GraphPad Prism 5完成。

2 结果

2.1 蔬菜可食部位镉含量差异分析

各类蔬菜不同可食部位镉含量测定结果见图1。其中,为直观地展示不同样品镉含量变化的离散程度,采用变异系数(标准偏差/平均值×100%)来表示。四类蔬菜可食部位镉含量在0.159～66.119 mg·kg-1DW之间,平均值为18.538 mg·kg-1,变异系数为77.70%,各种类间存在显著差异。叶菜类中,小白菜可食部位镉含量在8.584～43.443 mg·kg-1DW之间,平均值为20.940 mg·kg-1,变异系数为42.89%。大白菜可食部位镉含量在15.987～66.119 mg·kg-1DW之间,平均值为36.228 mg·kg-1,变异系数为37.97%。根茎类中,各种类萝卜可食部位镉含量在7.355～26.084 mg·kg-1DW之间,平均值为12.867 mg·kg-1,变异系数为44.03%。豆荚类中,各种类豆类可食部位镉含量在0.260～1.512 mg·kg-1DW之间,平均值为0.784 mg·kg-1,变异系数为49.18%。茄果类中,番茄可食部位镉含量在3.928～4.628 mg·kg-1DW之间,平均值为4.270 mg·kg-1,变异系数为6.64%。茄子可食部位镉含量在8.444～12.156 mg·kg-1之间,平均值为9.731 mg·kg-1,变异系数为12.29%。从镉含量结果来看,四类蔬菜不同可食部位对镉的富集能力为叶菜类(大白菜>小白菜)>根茎类>茄果类(茄子>番茄)>豆荚类。

2.2 蔬菜可食部位镉富集系数层次聚类分析

富集系数通常能直观地表征植物对重金属的吸收积累能力。层次聚类是自动按照聚类数从1到对象总数进行聚类,根据对象之间的距离将对象分到不同分支上[15]。根据层次聚类结果(图2),可将这86种蔬菜可食部位镉富集系数由大到小分为四类,分别为Ⅰ类(13.62～22.49)、Ⅱ类(6.48～12.32)、Ⅲ类(2.50～5.83)、Ⅳ类(0.09～1.57)。

聚类结果显示本试验叶菜类中31.58%大白菜属于Ⅰ类,63.16%大白菜属于Ⅱ类,5.26%大白菜属于Ⅲ类;4.00%小白菜属于Ⅰ类,56.00%小白菜属于Ⅱ类,40.00%大白菜属于Ⅲ类。根茎类中萝卜14.29%属于Ⅱ类,85.71%属于Ⅲ类。茄果类中所有茄子品种属于Ⅲ类,所有番茄品种属于Ⅳ类,豆荚类也均属于Ⅳ类(表3)。所有豆荚类蔬菜可食部位对镉的富集系数小于1,其余几种蔬菜可食部位对镉的富集系数均大于1。说明本试验中几类蔬菜除豆荚类外对镉均具有较强的吸收能力。

2.3 蔬菜食用健康风险评价

将种植在相同镉污染(2.94 mg·kg-1)盆栽条件下四类蔬菜进行健康风险评价,以风险暴露指数(HQ)表征蔬菜的健康风险,HQ值越大代表食用给人体带来的健康风险越大。

叶菜类的可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数见表4,所有叶菜类蔬菜可食部位鲜重镉含量均超出了国家食品中镉限量标准(<0.2 mg·kg-1),超出最高的小白菜(夏绿2号)达到了10倍,大白菜(京箭70)达到了9倍。从风险暴露指数(HQ)来看,所有叶菜类蔬菜风险暴露指数均大于1,达到了发生有害健康效应而造成等效死亡的终身危险度指数,若被人体食用就会有健康风险。

表3 各类蔬菜可食部位镉富集能力层次聚类分类

表4 叶菜类可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数

注:表中同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

根茎类(萝卜)的可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数见表5左列,所有萝卜可食部位鲜重镉含量均超出了国家食品中镉限量标准(<0.1 mg·kg-1),超出最高的萝卜品种(法国富红八寸参)达到了16.5倍,超出最低的胡萝卜品种(四季红萝卜)为2.6倍。所有根茎类蔬菜HQ值均大于1,也具有极大的健康风险。

表5 根茎类(萝卜)及豆荚类可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数

豆荚类的可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数见表5右列,所有豆荚类蔬菜可食部位鲜重镉含量均未超出了国家食品中镉限量标准(<0.1 mg·kg-1),含量最高的豆荚类品种(浙鲜九号)接近了镉限量标准。豆荚类蔬菜HQ值均小于1,未达到了发生有害健康效应而造成等效死亡的终身危险度指数,说明该评价条件下没有健康风险。

茄果类的可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数见表6,所有茄果类蔬菜可食部位鲜重镉含量均超出了国家食品中镉限量标准(<0.05 mg·kg-1),超出最高的番茄品种(金凤1号)达到了10倍,茄子品种(京茄30号)达到了14倍。所有茄果类蔬菜HQ值均大于1,具有健康风险。番茄HQ值在1.265～2.286之间,茄子HQ值在2.495～3.525之间,表明相同污染情况下茄子比番茄健康风险更大。

表6 茄果类可食部位鲜重镉含量及镉风险暴露指数

结合表4～表6,该盆栽条件下叶菜类、根茎类、茄果类蔬菜的HQ均大于1,其中大部分叶菜类和根茎类的HQ大于3,茄果类的HQ在大部分集中在1～3之间,说明食用这三类蔬菜的重金属风险较高且叶菜类和根茎类的重金属风险比茄果类更高,而豆荚类蔬菜HQ小于1,说明豆荚类蔬菜的镉含量在安全食用范围内。由此可看出食用豆荚类蔬菜健康风险较低,而食用叶菜类、根茎类和茄果类蔬菜,可能产生由重金属超标导致的健康风险。

3 讨 论

蔬菜对镉的吸收、转运和积累受土壤中镉的质量分数和有效性影响,土壤中镉的质量分数通常短期内比较稳定且不易受影响[16],但影响有效性的因素诸多,如土壤pH值、有机质含量、可能产生拮抗的其他金属元素等[17]。但有大量研究发现植物对镉的吸收能力强弱取决于植物本身基因调控,在水稻[18]、烟草[19]、油菜[20]等植物中均有报道。本试验基于相同镉污染条件下对四类蔬菜的进行试验,从蔬菜可食部位镉含量和镉暴露风险指数两方面对86个蔬菜品种进行健康风险评价,得出初步结果:四类蔬菜不同可食部位镉含量差异较大,其中叶菜类含量最高,小白菜和大白菜可食部位平均镉含量为别为20.940 mg·kg-1和36.228 mg·kg-1,豆荚类最低为0.784 mg·kg-1,且四类蔬菜中叶菜类、根茎类和豆荚类的不同品种间镉含量差异较大,茄果类差别较小。从对镉的富集能力来看,表现为为叶菜类>根茎类>茄果类>豆荚类,且叶菜类中大白菜>小白菜,茄果类中茄子>番茄,这与YANG等[21]和李富荣[22]的研究结果一致。通过重金属镉风险评价分析,本试验中几类蔬菜除豆荚类外对镉均具有较强的富集能力[23],叶菜类和根茎类健康风险大,茄果类其次,豆荚类处于安全水平,按照正常食用不会影响居民身体健康。但种植过程中需选择适宜种植的农田,ZENG等[24]研究发现城市土壤种植蔬菜比郊区土壤种植的风险更高,可能由于城市中汽车尾气排放导致大气沉降更严重,以及工业生产排放的“三废”直接造成污染或导致酸雨产生,从而增加了土壤中镉的生物有效性。因此,在城市中靠近工业区的地区应尽量少种植易富集重金属的作物。

为了保障农产品的安全生产和人类健康,筛选镉低积累农作物品种已成为国内外研究热点[25]。本试验筛选出若干低积累品种蔬菜,小白菜骑士3号、金棚3号;大白菜新选中狮头、娃娃菜;萝卜四季红萝卜、早春红水萝卜;豆荚类日本大白蚕;番茄佳红4号、浙杂203;茄子京茄1号。镉低积累品种筛选是从遗传学角度研究蔬菜镉耐性机制的基础,同时为农业生产提供了科学依据,通过低积累品种配以安全调控措施达到生产出安全可食用的农产品的目的,符合“边生产边治理”的绿色农业理念。到目前为止,已有研究筛选出的镉低积累作物还有番茄[26]、萝卜[27]、水稻[28]、玉米[29]等,但仍存在许多蔬菜仍缺乏系统的镉耐性方面的研究。

优化蔬菜种植模式,合理选择轮作套作方式也是有效降低蔬菜食用风险的途径之一[30]。据报道,在重金属污染尚不严重的土壤上,通过合理的轮间套作模式可以有效降低蔬菜可食部位重金属含量,特别是利用超富集植物与普通植物的轮间套作,如油葵(SolanumnigrumL.)、东南景天(SedumalfrediiHance)等,修复效果十分明显[30]。轮间作系统中,作物从土壤中吸收的Cd分别占土壤总Cd的2.30%和1.16%,而在单作体系中只占0.21%[32,33]。另外,通过分子育种手段培育对镉的具有高耐性或低积累的作物也成为解决土壤镉污染的新途径[34]。

4 结 论

本研究通过盆栽试验发现几类蔬菜不同可食部位的镉含量叶菜类(大白菜)最高为36.228 mg·kg-1DW,豆荚类最低为0.784 mg·kg-1DW,且叶菜类、根茎类和豆荚类的不同基因型品种间镉含量差异较大。镉富集特征为叶菜类(大白菜>小白菜)>根茎类>茄果类(茄子>番茄)>豆荚类。通过对86种蔬菜的健康风险评价得出结论:在本试验条件下,叶菜类和根茎类蔬菜健康风险较大,茄果类其次,豆荚类健康风险处于安全水平,按照正常食用不会影响居民身体健康。