祁紫菀中5种重金属元素富集特性及净化方法研究

马晓莉，梁翠云,王虎，张逸

(1.河北大学护理学院，河北 保定071000; 2.河北大学中医学院,河北 保定071000)

紫菀为菊科植物紫菀(AstertataricusL.f.)的干燥根和根茎，为常用大宗中药材。紫菀具有润肺下气、消痰止咳之功效[1]，镇咳、祛痰、抗菌、抗病毒、利尿等药理作用[2]，在抗击新冠肺炎疫情中被广泛应用。紫菀为栽培品入药，河北省安国市为其道地产区。由于安国所产紫菀根粗长，有效成分含量高、疗效好，成为“八大祁药”之一，得名“祁紫菀”。

药用植物对重金属的吸收及积累对人类健康构成潜在威胁[3]，重金属具有较低的肾脏排泄率，低浓度也可能对人体产生不利影响[4]。重金属超标问题在国际中药材市场备受关注，也是制约我国中药出口的主要因素。为了与国际接轨，尽快提升中药品质，《中国药典》(2005年版)增加了中药材重金属检测，涉及8个中药品种，《中国药典》(2010年版)规定了6种中药的重金属限量，《中国药典》(2020 年版)检测品种增至28种。检测元素包括汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)、铜(Cu)。近年来，相关学者进行了中药重金属富集规律及净化措施、污染现状及健康风险评估等[5-8]相关研究，但紫菀的相关报道较少。本文对安国道地药材祁紫菀中Cd、Cu、Pb、As、Hg 等5种重金属元素的含量、不同入药部位中重金属分布规律、重金属富集规律及净化措施进行了研究，为祁紫菀的安全生产提供参考。

1 实验材料

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

Agilent7900电感耦合等离子体质谱仪(美国安捷伦公司)；TAS-990AFG石墨炉原子吸收光谱仪(北京普析通用公司)；PreeKem TOPEX微波消解仪(中国上海人和科学仪器公司)；电子天平(梅特勒-托利多公司)；QE-50粉碎机(浙江屹立工贸公司)。

1.1.2 试剂

Hg、As、Pb、Cd、Cu标准液(1 000 mg·L-1，中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究院)；内标元素锗(72Ge)、铑(103Rh)、铼(185Re)、金(Au)标准物质溶液(1 000 mg·L-1，安捷伦科技有限公司)；硝酸为优级纯，其他试剂均为分析纯，实验用水为一级水。紫菀样品经河北大学梁宪茂老师鉴定，为菊科植物紫菀(AstertataricusL．f．)的干燥根和根茎。

2 方法

2.1 仪器参数

参照文献《中国药典》(2020年版)、国标GB5009.268—2016[9]方法，用ICP-MS测定祁紫菀药材样品中As、Hg的含量，用GFAAS测定Pb、Cd、Cu的含量。

ICP-MS参数：射频功率为1.550 KW，采样深度8.0 mm，雾化器流速0.95 L·min-1，辅助气流速0.15 L·min-1，蠕动泵转速0.10 r·min-1，碰撞池氦气流速4 L·min-1。

GFAAS参数：测定参数及石墨炉升温程序见表1。

表1 GFAAS测定参数

2.2 标准溶液配制

Hg、As标准溶液：取适量Hg标准溶液，用Hg标准稳定剂稀释，配制成浓度为 0、0.100、0.500、1.00、1.50、2.00 μg·L-1的Hg标准溶液。另取适量As标准溶液，用5% HNO3溶液配制成浓度为0、1.00、5.00、10.0、30.0、50.0 μg·L-1的As标准溶液，备用。

取适量锗、铑、铼标准溶液，用5% HNO3溶液配成浓度为10 μg·L-1混合内标溶液，备用。

Cd、Cu、Pb标准溶液：取适量Cd、Cu、Pb标准溶液，用2% HNO3溶液分别稀释成Cd浓度为0、0.800、2.000、4.000、6.000、8.000 ng·mL-1，Cu浓度为0、50.0、100.0、150.0、200.0 ng·mL-1，Pb浓度为0、5.0、20.0、40.0、60.0、80.0 ng·mL-1的标准溶液，备用。

2.3 标准曲线

取“2.2”项下配制的标准溶液，按照“2.1”项条件测定，分别以浓度为横坐标，以待测元素与内标元素响应信号值比值或吸光度值为纵坐标，绘制As、Hg、Pb、Cd和Cu的标准曲线，见表2。

表2 Hg、As、Pb、Cd、Cu元素的线性方程、线性范围相关系数及检出限

2.4 样品采集

2021年7-11月每月采集安国基地种植的紫菀，取根及根茎晾干后备用；2021年11月采集安国7个种植区域种植的紫菀样品，晾干后备用；采集10月份紫菀全株，将根、根茎和叶分别干燥后备用。测定时取样品60 ℃烘干2 h，粉碎过80目筛。

2.5 供试品溶液的制备

2.5.1 As、Hg供试品溶液的制备

精密称取0.3 g紫菀粉末，加硝酸浸泡过夜。置微波消解仪中消解，冷却后排气，置于赶酸器中100 ℃加热30 min，加水定容至50 mL，同法做空白对照溶液。

2.5.2 Pb、Cd、Cu供试品溶液的制备

精密称取0.4 g紫菀粉末，置三角瓶中，用10.0 mL混酸(高氯酸：硝酸=1：4)浸泡过夜。取下玻璃塞，使用控温电热板140 ℃进行消解，产生深棕色烟雾，待棕色烟雾散尽，产生白色烟雾，待烟雾不再产生，且溶液澄清透明，即为消解完全(此时锥形瓶的液体不能蒸干见底)，冷却后定容至50 mL，混匀备用。同时做空白对照溶液，用于Cd、Cu、Pb的测定。

2.6 样品溶液的测定

取按“2.5”项下制得的各供试品溶液，按“2.1”项下条件分别测定，根据标准曲线得到样品液5种重金属元素的浓度。

2.7 方法学考察

2.7.1 精密度与重复性试验

取同一份样品溶液，按“2.6”项连续测定6次，考察精密度，计算得出Cd、Pb、Cu、Hg、As的RSD值分别为1.88%、2.61%、2.47%、0.86%、1.95%。同一份紫菀样品，称取6份，按“2.5”项制备供试液，测定元素含量，Cd、Pb、Cu、Hg、As的RSD值分别为4.27%、3.59%、4.37%、0.66%、0.78%，表明仪器精密度、重现性良好。

2.7.2 加样回收率试验

取同一份紫菀供试品粉末，精密称取5份，分别加入一定量的各元素标准溶液，测定元素含量，计算Cd、Cu、Pb、As、Hg的加样回收率分别91.58%～102.35%、93.98%～106.19%、92.04%～104.00%、94.14%～104.66%、100.02%～103.91%。

2.8 评价方法

单因子污染指数Pi=Ci/Si，其中Ci、Si为污染物的测量值和理论限量值。

其中，Pmax：单因子污染指数最大值，Pave：单因子污染指数平均值。

3 结果

3.1 不同批次祁紫菀样品中重金属含量分析

7批紫菀样品中Hg、As、Pb、Cd、Cu含量测定结果见表3。《中国药典》(2020年版)并未对紫菀药材做重金属元素限量要求，按药典要求的重金属限量值，除了1份样品中的Pb超标外，其它紫菀样品均合格。Cu元素的含量接近药典标准的限度，但是并未超出限量标准。

表3 7批祁紫菀样品中Hg、As、Pb、Cd、Cu含量测定结果 mg·kg-1

3.2 不同生长期祁紫菀中重金属元素吸收累积规律

于2021年7—11月每月采集安国基地种植的紫菀，取根及根茎晾干，按“2.6”项方法测定重金属含量，结果见图1。分析结果表明，随着生长时间的延长，各重金属元素的含量也随之变化：Cu元素的含量随着生长时间的延长逐渐增加，11月份达到最高值，为16.922 mg·kg-1；随着生长时间的延长，Cd、Pb、As和Hg元素的含量均呈现先升高，8月份达最高值，然后逐渐降低的变化趋势；Hg、As、Pb、Cd 四种元素含量最高值分别为0.088、1.039、2.988、0.240 mg·kg-1；祁紫菀对金属元素Cu的吸收能力最强，对金属元素Hg和Cd的吸收能力最弱。

A Cu、Pb元素；B Cd、As、Hg元素图1 不同采收期祁紫菀中Cu、Pb、Cd、As、Hg含量比较

3.3 祁紫菀不同部位重金属元素富集特征

采集10月份紫菀全株，将根、根茎、叶分别干燥粉碎，测得重金属元素含量，结果见图2。结果表明，祁紫菀不同部位中5种重金属元素含量均未超出药典限度；紫菀叶、须根、根茎对各重金属元素的吸收富集能力各不相同：Cu、Hg元素含量由高到低顺序依次为叶、根茎、须根；Pb元素含量由高到低顺序依次为须根、根茎、叶；As元素含量由高到低顺序依次为根茎、须根、叶，Cd元素含量在须根、叶中较高，根茎中最低；紫菀叶中Cu、Cd、Hg含量均较高，须根中Cd、Pb含量较高，根茎中As含量较高，其中只有须根中的Pb元素含量超出了药典限量标准，其它均在合格范围内。由此可见，祁紫菀不同部位对重金属的富集能力不同，采收加工中应除净非药用部位——叶，减少重金属污染。

A Cu、Pb元素；B Cd、As、Hg元素图2 不同部位祁紫菀中Cu、Pb、Cd、As、Hg含量比较

3.4 初加工方法对祁紫菀样品中重金属含量的影响

市场调研发现，导致中药重金属及农残超标的一个主要原因是由于药材附着的土壤及非药用部位未完全去除导致。为此，实验考察了水洗对紫菀药材重金属含量的影响。取3份未水洗的紫菀样品，每株样品从中间纵向刨开平均分成两份，将3份样品平行分成6份，编号分别为1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2。将1-2、2-2、3-2三份样品水洗，60 ℃烘干，1-1、2-1、3-1不作处理作为对照。分别测定重金属含量，结果表明，水洗均能降低祁紫菀中Hg、As、Pb、Cd、Cu 五种重金属元素含量，降低程度由大到小依次为Pb、Hg、Cd、As、Cu，其中Pb降低的最多，Cu降低的最少，结果见表4。对类似的实验结果由江滨等[10]报道。因此应合理制定祁紫菀产地初加工方法，降低重金属污染。

表4 水洗对祁紫菀中重金属含量的影响 mg·kg-1

3.5 祁紫菀重金属污染评价

祁紫菀不同部位的重金属单因子污染指数(Pi)分析结果见表5，结果表明，除了紫菀须根中Pb的Pi值大于1之外，祁紫菀各部位其它重金属元素Pi值均小于1。7批次祁紫菀样品的重金属Pi分析结果见表6，结果表明：除了1份样品中的Pb大于1外，7批次紫菀样品中Cd、Pb、Cu、As、Hg的Pi值均小于1；各元素的Pi值依次为Cu>Pb>As>Hg>Cd；各元素的PN值依次为Pb、Cu>As>Cd、Hg，其中Pb、Cu的PN值大于0.7，但小于1，为警戒级，其余均小于0.7，为安全等级。

表5 紫菀不同部位中Cd、Pb、Cu、As、Hg单因子污染指数Pi值

表6 7批次祁紫菀样品中Cd、Pb、Cu、As、Hg单因子污染指数Pi值

4 讨论

重金属含量超标问题一直是中国中药出口贸易的“绿色壁垒”，中国相继出台了《中医药发展战略规划纲要》等文件，明确中药产业发展目标，要推进中药规范化种植，提升中药产业发展水平。药用植物对重金属的吸收及积累对人类健康构成潜在威胁，必须严格控制中药中重金属限量。

紫菀为常用大宗药材，为栽培品入药，相关栽培技术较成熟，但重金属富集相关研究报道较少。席荣英等[11-12]用原子吸收分光光度法测定了紫菀中矿质元素含量，结果显示：紫菀含有丰富的微量元素，Cu、Zn、Fe、Mg、Ca、Mo、Mn、Se的含量分别为42.89、58.14、920.93、2548.25、3925.43、0.65、52.18 mg·Kg-1、< 0.0005 mg·Kg-1，紫菀中Cu、Zn和Mn含量较高，Cu含量超出了现行药典限量标准。刘洋等[6]用ICP-MS测定了10种药材中As、Cd、Cu、Hg、Pb等8种元素含量，结果表明8种元素含量多数在限定范围内，紫菀的含量高于其他药材。

本研究的7批紫菀样品中Hg、As、Pb、Cd、Cu 5种重金属的含量，除了1份样品中的Pb超标外，其它项目均合格，Cu元素的含量较高。对不同生长期祁紫菀中重金属元素吸收累积规律分析表明，Cu元素的含量随着生长时间的延长逐渐增加，采收期11月份达到最高值；Cd、Pb、As和Hg元素含量呈现先升高，然后逐渐降低的变化趋势。本研究结果表明祁紫菀对金属元素Cu的吸收富集能力较强，此结果与席荣英等报道的紫菀中Cu含量较高的结果一致。

污染程度评价分析结果表明，除了1份样品中的Pb的单因子污染指数Pi大于1外，7批次紫菀样品中Cd、Pb、Cu、As、Hg的单因子污染指数均小于1，Pb、Cu对紫菀的综合污染指数大于0.7但小于1，为警戒级，Cd、As、Hg均小于0.7。

研究表明[13-16]，药材的不同入药部位重金属含量存在显著差异，主要原因与其对重金属元素的吸收富集及迁移能力不同有关。本文对祁紫菀的研究结果也得出了类似的结论。对祁紫菀不同部位重金属元素富集特征分析，紫菀叶、须根、根茎对5种重金属元素的吸收富集能力各不相同，紫菀叶中Cu、Cd、Hg含量均较高，提示采收加工中应除净非药用部位——叶，减少重金属污染。

市场调研发现，药材附着的土壤及非药用部位残留是导致中药重金属超标的主要原因。江滨等[10]研究了云南三七中重金属含量与三七的产地、生产年限及规格等级间无相关性，结果证实，重金属主要来源于三七表面的浮土。本研究证实，水洗能显著降低祁紫菀中Hg、As、Pb、Cd、Cu 五种重金属元素含量，其中Pb降低的最多，Cu降低的最少。建议应合理制定祁紫菀产地初加工方法，降低重金属污染。

中药重金属污染与产地地理因素、土壤、水、大气等自然因素关系密切。同时亦有研究提出，低浓度的重金属胁迫可以提高药用植物产量和次生代谢产物的积累[17]。中药作为一种防病治病的特殊药品，日益受到世界各国人民的关注，加强药材重金属含量相关研究，可以做到从源头上控制重金属限量，并为种植土壤环境的质量评价提供科学依据。同时应关注次生代谢产物的积累、有益微量元素等相关研究，全方位多因素评价中药质量和功效。