石柱黄连及根际土壤中矿质元素特征分析

2022-11-23曾婷婷付婷婷黄永川杨晓霞唐明凤

中国无机分析化学 2022年6期

曾婷婷付婷婷黄永川张伟杨晓霞唐明凤*

(1.重庆市农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，重庆 401329；2.农业农村部农产品质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆 401329)

商品黄连主要为毛茛科黄连属植物(Coptis Chinensis Franch.)，习称味连、鸡爪连，富含生物碱、黄酮类化合物，具有抗心律失常、抗氧化、调血脂、抗菌、抗病毒等作用[1]。石柱县是黄连的原始产区，拥有国家黄连GAP示范基地，其黄连年产量占全国总产量的60%，占全世界黄连产量的40%[2]。石柱黄连品质优异，1954年曾被列为国药，1989年在“全国地道药材研讨会”上被确认为“地道药材”，2009年获得国家地理标志产品保护。大量研究表明，中药中无机元素以含水络合离子、有机金属配合物、有机药成分-微量元素复合物等形式组合以发挥药效[3]，并且与中药中寒、热、温、凉四种药性和辛、甘、酸、苦、咸五种药味有一定关联[4]。土壤是植物生长最直接的环境，与中药材的质量紧密相关[5]。无机元素是药材质量控制中必不可少的一项。近年来矿质元素在中药材中的分布特征及其与土壤中矿质元素的相关性备受研究者的关注。研究者对延胡索[6]、明党参[7]、当归[8]等药材及其根际土壤的矿质元素分布特征进行了分析与评价，为药材质量的评价、优质药材的栽培、道地药材的识别等提供了重要参考依据。鉴于石柱黄连的道地性，本研究从石柱县不同村庄采集黄连样品及其对应根际土壤各15份，分别测定根茎、须根、地上部和根际土壤中18种矿质元素含量，评价黄连及土壤的安全性，探究黄连根茎矿质元素与土壤环境的关系。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

石柱县位于重庆东部，东经107°59′～108°34′、北纬29°39′～30°33′，属中亚热带湿润季风区，其年降雨量为1 300～1 700 mm，年平均气温为10 ℃左右，海拔为1 000～1 800 m，相对湿度为80%～90%。由于黄连需要荫蔽栽培，栽培区域多位于栎木类阔叶林带、松杉针叶林带、针阔混交林带和竹木混交林带[9]。

1.2 样品采集与制备

样品从重庆石柱不同村庄采集，共计15份，具体采样信息见表1。样品采集时间为2019年10月。所有黄连样品经重庆市中药研究院李隆云研究员鉴定为毛茛科植物黄连(Coptis Chinensis Franch.)。新鲜黄连样品采集后，分成须根、根茎和地上部分三部分。样品经自来水及一级纯水清洗后，自然晾干后，50 ℃烘干至恒重。所有植物样品经研磨机粉碎后，过0.25 mm孔径的尼龙筛，备用。

表1 黄连及土壤采样地点信息

采集新鲜黄连样品的同时采集对应地块的土壤样品。根据地块形状按梅花形或S形布点，采集0～20 cm的根际土壤样品，保存于聚乙烯塑料袋中，带回实验室。土壤样品在室内经风干后，去除石头、枯枝、杂草等杂质，用玛瑙研钵磨碎，过0.15 mm孔径的尼龙筛，保存于塑封袋中备用。

1.3 样品的测定

1.3.1 黄连样品的测定

黄连样品中As、Hg含量的测定参照GB 5009.11—2014、GB 5009.17—2021，采用硝酸-微波消解-原子荧光光谱法(AFS)，Fe、K、P、Mg、Mn、Ca、Zn、Sr、V、Cu、Mo、Co、Ni、Pb、Cd、Cr含量的测定参照GB 5009.268—2016，采用硝酸-微波消解-电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)或发射光谱法(ICP-OES)。每批次样品测定加入空白样、国家标准物质(GBW 10052)进行质量控制。

1.3.2 土壤样品的测定

土壤pH值的测定采用电位法，水土体积比为2.5∶1；土壤中As、Hg含量的测定参照 GB/T 22105.1—2008采用王水浸提-AFS法；Fe、K、P、Mg、Mn、Ca、Co、Mo、Sr、V、Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr含量的测定参照HJ 766—2015，采用硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢四酸消解；经ICP-OES或ICP-MS上机测定。每批次样品测定加入空白样、国家标准物质(GBW 07456)进行质量控制。

1.4 黄连矿质元素富集能力评价

通过计算生物富集系数BCF(Bio-Concentration Factor)评价黄连根茎(BCFr)、须根(BCFf)、地上部(BCFs)对土壤中矿质元素生物累积的潜在能力。BCFr(f/s)值越大，说明黄连根茎(须根或地上部)对土壤中矿质元素的富集能力越强。具体计算公式如下：

BCFr(f/s)=黄连根茎(或须根或地上部)中矿质元素含量(mg/kg)/土壤中矿质元素含量(mg/kg)

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010软件对数据进行初步整理、绘图，采用SPSS 22.0进行单因素方差分析、LSD多重比较分析、Spearman相关性分析，相关性热图利用微生信平台绘制(http：//www.bioinformatics. com.cn/plot_basic_cor-rplot_corrlation_plot_082)。

2 结果与分析

2.1 黄连根际土壤矿质元素特征

从表2可以看出，土壤中18种矿质元素平均含量依次是Fe>K>Mg>Ca>P>Mn>Zn>V>Sr>Cr> Pb>Ni>Cu>Co>As>Mo>Cd>Hg。与中国土壤元素背景值[10]相比较，石柱黄连根际土壤中K、Mg、Ca、Sr、Cu、Co、As等7种元素平均含量均小于背景值，Fe、Mn、V、Ni、Cr、Mo等6种元素平均含量与背景值相当。Pb、Zn、Cd、Hg等4种元素平均含量均大于背景值，其平均含量分别为34.34、87.97、0.28、0.10 mg/kg，是全国土壤元素背景值的1.5、1.3、2.9、2.5倍。在检测的18种矿质元素中，Mn、P、Mg、Cd、Hg等元素的变异系数位于34.8%～53.6%，属于中等变异性，表明研究区域土壤中上述元素可能因人为活动导致分布不均匀。其余元素的变异系数6.3%～28.9%，变异性较低。

土壤中5种有害重金属含量依次为：Pb 30.01～39.85 mg/kg、Cd 0.10～0.50 mg/kg、Cr 54.27～72.86 mg/kg、As 4.67～11.46 mg/kg、Hg 0.05～0.18 mg/kg。石柱黄连根际土壤pH值范围在4.38～6.70，说明土壤主要呈酸性或中性。参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[11]中限量要求，15份土壤中Pb、Cr、As、Hg含量均小于风险筛选值，但部分样品(pH<7.5)中Cd含量大于0.3 mg/kg，说明部分采样区域可能存在黄连Cd超标的风险，应加强土壤环境和黄连协同监测。

表2 黄连根际土壤矿质元素特征(n=15)

2.2 黄连植株中矿质元素特征分析

黄连不同器官中矿质元素平均含量的测定结果见表3。总的来看，黄连植株中常量元素以K、Ca含量较高，微量元素以Fe、Mn、Zn含量较高，重金属元素以Pb、Cd、Cr含量较高。不同器官中矿质元素含量差异有统计学意义(P<0.05)。黄连根茎中含量最高的元素为P、K，须根和地上部中含量最高的元素为K和Ca。黄连栽培过程中可适当补充钙肥、磷肥、钾肥以满足其生长需求。具体来看，Fe、Pb、Cd、As含量表现为须根>根茎≈地上部；Mg、Ni、Hg、V含量表现为须根>地上部>根茎，Mn、Co含量表现为须根>根茎>地上部；Cu含量表现为须根≈根茎>地上部；K、P、Cr含量表现为地上部>须根≈根茎；Ca、Sr、Mo含量表现为地上部>须根>根茎；Zn含量表现为根茎>须根≈地上部。

表3 黄连植株中矿质元素特征(n=15)

整体而言，黄连植株对Ca、P、Zn、Cu、Cd的生物累积能力最强，对Cr、As、V的生物累积能力最弱(图1)。黄连不同器官对同一矿质元素的富集能力有一定差异，其中黄连须根对Cd的富集能力分别是根茎和地上部的9倍、15倍。黄连地上部对Ca的富集能力分别是须根和根茎的3倍、8倍。黄连须根对Cd、Ca、P、Cu、Zn的富集系数均大于1，处于强累积水平，对Mg、Sr、Mn、Hg、Mo、Co的富集系数位于0.5～1，处于较强累积水平；黄连根茎对土壤中P、Zn、Cu的富集系数大于1，处于强累积水平，对Cd、Ca、Mo的富集系数位于0.5～1，处于较强累积水平；黄连地上部对Ca、P、K、Zn的富集系数均大于1，处于强累积水平。黄连须根对Cd(7.77)、Ca(2.42)的富集能力均较强，可能与Cd和Ca在物理结构上具有相似性有关[12]。黄连根茎和地上部对Cd的富集系数大大低于7.77，可能的原因是黄连吸收的Cd大部分被保留在细胞壁中，而细胞壁中的多种有机配体与Cd2+进行鳌合，限制了其进一步在细胞内的传输[12]。

图1 石柱黄连不同器官矿质元素富集系数Figure 1 The bio-concentration factor of mineral elements in different organs of Coptis Chinensis Franch.

2.3 黄连不同器官的矿质元素指纹图谱

矿质元素指纹图谱的建立常用于中药材产地[13]、生长年限[14]的区分。根据测定结果对黄连植株须根、根茎及地上部分矿质元素的分布图进行绘制，以更加直观地比较。为了绘图方便，将部分元素含量缩小或放大一定倍数(K、P、Mg、Ca均缩小10 000倍，Mn、Zn、Fe均缩小50倍，Cu、Sr均缩小5倍，Cd、V、As均扩大5倍)。从图2可以看出黄连同一部位不同元素的形成的指纹图谱峰形较为一致，说明其具有相似的分布特点。比较图2A和图2B可以看出须根中Fe、V相对含量明显高于Zn含量，可以此作为特征峰形，以鉴别黄连须根冒充黄连根茎粉末的情况。

注：图中不同颜色代表不同须根、根茎或地上部样品图2 石柱黄连不同器官矿质元素指纹图谱Figure 2 Mineral elemental fingerprints of Coptis Chinensis Franch.

2.4 黄连根茎中矿质元素间的相关分析

采用SPSS 22.0统计软件对黄连根茎矿质元素间的元素进行Spearman相关分析，并利用微生信平台进行可视化处理，结果见图3。结果表明黄连根茎中Mg与K、Cu、Mo，As与Ca、Fe、V，Hg与Mn，V与Ca、Fe，Co与Mn、Hg呈极显著正相关关系(P<0.01)；Zn与Pb、Cd、Mn，Pb与Mn、Hg，Ca与Fe，Cu与P、K、Ni、Mo，P与K、Mo、Mg，Ni与Co呈显著正相关关系(P<0.05)；说明黄连根茎中前述元素之间的累积存在协同作用。Cd与Cu，Mo与Hg，V与Zn呈现极显著负相关关系(P<0.01)，Cu与Sr，Mo与Mn、Co、Cd，Cd与P呈现显著负相关关系(P<0.05)，说明黄连根茎中上述元素之间的累积存在拮抗作用。其余元素间相关性不显著，其中Cr与其余17种元素均无显著相关关系。

注：R表示黄连根茎，用双尾显著性检验*P<0. 05，**P<0. 01。图3 黄连根茎中矿质元素间相关性分析Figure 3 Correlation analysis of mineral elements in rhizomes of Coptis Chinensis Franch.

2.5 黄连根茎与土壤矿质元素间的相关分析

黄连根茎中18种矿质元素含量与根际土壤环境的Spearman相关分析结果见表4。黄连根茎中的K、Ca、Cu、Cr、As等5种元素含量与根际土壤环境18种矿质元素无显著相关关系，根际土壤中的P、Mg、Sr、Ni、Cu、Cr、As、Hg、Mo、Co等10种矿质元素与黄连根茎中18种矿质元素无显著相关关系(均未在表中列出)。由表5可知，黄连根茎中Fe与土壤中Pb、根茎中Hg与土壤中K、根茎中Mo与土壤中Fe、根茎中Co与土壤中Cd、Mn、K，根茎中Zn与土壤中Ca存在极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数均大于0.6；黄连根茎中P与土壤中Pb，根茎中Mn、Pb与土壤中Ca，根茎中Ni与土壤中Cd，根茎中Hg与土壤中Mn、Cd，根茎中V与土壤中Pb、根茎中Mo与土壤中V呈显著负相关关系(P<0.05)；说明黄连根茎中元素与土壤中元素存在一定程度的拮抗作用。根茎中Cd与土壤中Pb、Zn，根茎中Mo与土壤中K存在极显著正相关关系(P<0.01)，黄连根茎中的Mg与土壤中K，根茎中Sr与土壤中Cd、根茎中Cd与土壤中Fe、根茎中V与土壤中Ca、根茎中Zn与土壤中Pb呈显著正相关关系(P<0.05)；说明黄连根茎中Mg、Sr、Cd、V、Zn元素可能存在被动吸收的情况[15]。

表4 黄连根茎与根际土壤矿质元素间的相关性分析(n=15)

3 讨论

中药材中Pb、Cd、As、Hg、Cu属于有害残留物[16]。黄连的入药部位为根茎，15份根茎样品中5种重金属的平均含量由高到低依次为Cu、Pb、Cd、As、Hg，其中Cu的平均含量为26.35 mg/kg，与郭兰萍等[17]对黄连根茎中重金属检测结果相近。与其它根茎类中药材如人参[18]、三七[19]相比(Cu含量通常小于10 mg/kg)，黄连根茎中Cu含量较高。根据《中国药典》2020年版四部“9302中药有害残留物限量制定指导原则”中对于重金属一致性限量指导值[16]，本研究中有8份黄连根茎存在超过指导值(Cu≤20 mg/kg)现象。ISO国际标准、其他国家标准对中药材中Cu无限量要求或限定为150 mg/kg，这与我国绿色行业标准[20]相比较为宽松。鉴于此，黄连根茎中铜的限量值是否过严、中药材铜残留风险仍需进一步讨论与研究。参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》[20]中限量要求，15份样品中有1份黄连根茎中Cd含量超过标准值(0.3 mg/kg)。德国、美国、韩国、马来西亚等国家对中草药中镉含量要求小于等于0.3或0.2 mg/kg。为促进石柱黄连产业的高质量发展，应加强产地环境监测，在栽培、田间管理、采收、加工、储藏、运输等环节中避免或减少人为活动导致的重金属污染。

植物在生长过程中，为适应环境和自身发展的需要，会对不同器官的营养元素进行权衡与分配[21]。周利等[22]研究发现在收获期川穹根茎中P、Fe、Cu、Mn、Cr、Cd 等含量大于茎中含量。陈晓红等[23]发现青麻果籽中K、Ca、Fe、Zn含量较青麻果叶更高。本研究所测的18种矿质元素中，同一元素在黄连不同器官中具有明显差异。Zn含量最高的是黄连根茎。根据管竞环等[24]制定的“植物类重要无机元素含量区间表”，黄连根茎中Zn含量达到10级，表明黄连根茎与其它中药材中Zn含量相比处于较高水平。而Zn含量与黄连中小襞碱、黄连碱等有机成分含量正相关[25]。黄连不同部位对Cd的富集能力由强到弱的顺序为须根、根茎、地上部，这与朱海兰等[26]的研究结果一致。黄连须根对其它重金属Pb、As、Hg的含量也相对较高，可能的原因是新陈代谢旺盛的器官对重金属的富集能力较强[27]。据报道黄连须根中含有相当数量的生物碱，可以用作兽药[28]。须根中重金属含量较高的问题应引起重视，避免通过食物链对消费者的身体健康造成损害。

植物主要通过根系从土壤中汲取所需营养元素，但黄连植株中矿质元素平均含量次序与土壤中矿质元素含量次序不完全一致。相关性分析表明，黄连根茎中矿质元素(如Cd)与土壤中对应元素(Cd)相关性均不显著，而与土壤中的其它矿质元素存在相互作用；黄连根茎中元素间存在不同程度的相关性。综上，黄连根茎中矿质元素含量不仅与其自身对矿质元素的吸收、土壤中矿质元素含量有一定关系，其他环境因子如气候、光照、降水等也会影响黄连根茎中矿质元素的累积。黄连根茎中Cd与土壤中Zn、Fe存在显著正相关关系，施用微量元素肥料时，应考虑其对根茎中Cd累积的影响。