3类朝天椒重金属健康风险评价与镉吸收累积差异

柴冠群， 王丽， 刘桂华， 罗沐欣键， 蒋亚， 梁红， 范成五*

（1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006； 2.贵州大学农学院，贵阳 550025）

辣椒富含维生素和矿质元素，尤其是维生素C含量丰富，被誉为“蔬菜之冠”[1]。辣椒叶、辣椒籽、辣椒杆等也富含蛋白质、多酚、氨基酸、不饱和脂肪酸等，具有良好的医药保健开发前景[2]。此外，辣椒是世界上最大的调味料作物，以我国贵州为例，人均辣椒食用量为6.84 g·d-1[3]。中国年种植辣椒133万hm2左右，约占全球辣椒种植面积的40%，辣椒产业已成为我国多地重要的经济支柱产业，尤其是贵州，其辣椒种植规模居全国首位，约占全国的25%[2]。贵州是我国典型重金属地质高背景区，其耕层土壤镉（Cd）、砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）背景值分别为0.40、13.48、33.57、34.50、104.21 mg·kg-1，均高于我国平均土壤背景值[4]。研究表明，辣椒是重金属富集能力较强的蔬菜作物，对Cd的生物富集系数最高可达3.04[3,5]，食用重金属高地质背景区种植的辣椒可能存在健康风险。因此，根据当地人均辣椒食用量，评估食用不同类型辣椒造成的人体健康风险对当地居民膳食结构调整具有一定的指导意义。

明确不同基因型辣椒风险元素Cd积累转运差异，了解辣椒果实Cd低积累机制，能够为种质资源创新与实际生产提供理论支撑。研究表明，影响作物吸收重金属的因素较为复杂，主要分为外部因素和内部因素，外部因素主要包括土壤因素（土壤类型、有效Cd含量、pH、有机质、黏粒含量、CaCO3等）与环境要素（降雨、污灌、大气沉降、矿产开采等）等[6]，但土壤与作物重金属富集水平无明显的定量关系，说明在重金属高地质背景区种植辣椒并不一定存在健康风险[7-8]；内部因素主要是作物品种，作物品种间积累重金属的能力差异主要与作物基因型有关，不同基因型的作物品种对重金属的吸收存在显著差异[9]。关于Cd低累积辣椒品种筛选已开展了一定研究，赵首萍等[10]通过水培试验从浙江39个辣椒品种中筛选出朝天黄小辣椒和渝椒13号辣椒2个Cd低累积品种；刘峰等[11]通过盆栽试验和田间小区试验从71个辣椒品种中筛选出5个Cd低累积品种；Luo等[12]和Wang等[13]发现Cd在辣椒不同部位的累积量表现为根＞茎＞叶＞果实；赵首萍等[14]报道Cd在辣椒不同部位的累积量表现为茎＞叶＞果实＞根，说明不同试验条件下，辣椒对Cd的吸收累积特征可能不同；Kashiwagi等[15]发现稻米中Cd含量主要来自茎叶Cd的再分配，辣椒是否存在类似机理，目前尚未有相关报道。因此，针对特定地区，开展当地代表性辣椒品种Cd富集、转运累积特征的研究，对当地辣椒Cd安全生产具有重要意义。

遵义市是贵州黔北干制辣椒主产区，种植的朝天椒可分为指型朝天椒、锥型朝天椒和圆型朝天椒3种，本研究协同采集遵义市3种类型朝天椒果实与根际土壤，分析其对重金属（Cd、As、Pb、Cu、Zn）的富集特征，并采用目标危害系数法(target hazard quotient,HQ)综合评价当地食辣人群的健康风险，明确风险元素，以期为当地居民膳食结构调整提供指导意见。此外，通过盆栽试验研究当地具有代表性的3种类型朝天椒对风险元素的吸收转运差异，明确朝天椒果实对其低积累的机制，以期为种质资源创新与实际生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 野外调查

1.1.1 研究区概况 研究区位于遵义市南部某乡镇，属亚热带季风气候，海拔900～1 300 m，年平均气温11.5～17.5 ℃，降雨量900～1 250 mm，指型朝天椒、锥型朝天椒与圆型朝天椒为当地主栽辣椒类型，耕地土壤类型主要为黄壤与石灰土。

1.1.2 样品采集 2020年8月，在研究区内协同采集了116对朝天椒果实样品与土壤样品，其中指型朝天椒、锥型朝天椒与圆型朝天椒分别为42、46与28件果实样品，每个样品约1 kg，采样点附近（约3 km）均无工矿企业。朝天椒果实样品采用超纯水润洗，用吸水纸擦干备用。指型朝天椒农学特性表现为：果实朝天，单生或簇生，尖椒，果长4～10 cm，果宽0.8～1.5 cm，未成熟时青绿色，成熟时红色；锥型朝天椒的农学特性表现为：果实朝天，单生，圆锥状，似子弹头，长约1.5～3.0 cm，未成熟时青绿色，成熟时红色或紫色；圆型朝天椒的农学特性表现为：果实朝天，单生，樱桃状，果径约3 cm，未成熟时青绿色，成熟时红色或紫色。

1.2 盆栽试验

选取研究区种植面积较大的辣椒品种：指型朝天椒（青小米）、锥型朝天椒（卓椒8号）与圆型朝天椒（湄江明珠），供试辣椒品种购自播州区龙程枫种植合作社。于2021年4—10月，在贵州省土壤肥料研究所温室大棚内开展盆栽试验，1个品种为1个处理，每个处理种植5盆。将肥料与5 kg过5 mm尼龙筛的风干土充分混匀后装盆（直径×高=30 cm×25 cm），N、P2O5与K2O分别为180、100和150 mg·kg-1（材料与土壤质量比），其中N、P2O5与K2O分别以尿素、过磷酸钙和硫酸钾的形式加入。选取长势良好、大小一致的5叶1心辣椒幼苗移栽，每盆移栽1株，用去离子水浇灌，保持土壤田间持水量的约60%。以辣椒果实进入转色期为统一采收标准，自下而上分批次采集成熟度一致的辣椒果实，共采集4次。辣椒各部位采摘后及时用去离子水清洗干净，并用吸水纸将其表面擦干，最后1次采集果实时，采集辣椒根、茎、叶与根际土。供试土壤的基本理化性质为pH 6.02、有机质 20.14 g·kg-1、全氮 1.86 g·kg-1、全磷1.05 g·kg-1、全钾 14.02 g·kg-1、碱解氮 146.63 mg·kg-1、有效磷 22.43 mg·kg-1、速效钾 320.82 mg·kg-1、全 Cd 0.42 mg·kg-1、有效 Cd 0.13 mg·kg-1。

1.3 样品处理及测定

朝天椒样品置于恒温鼓风干燥箱中于105 ℃杀青30 min，40 ℃烘干至恒重，采用FW-100高速万能粉碎机磨碎，装入自封袋中，密封保存。称取辣椒样品0.200 g于微波消解罐中，加入5～10 mL浓硝酸，加盖放置过夜，旋紧罐盖，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解。冷却后取出，缓慢打开罐盖排气，用少量水冲洗内盖，将消解罐放在控温电热板上，于100 ℃加热30 min，用超纯水定容至50 mL，混匀备用，同时做空白试验，用电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）测定辣椒Cd、As、Pb、Cu与Zn含量[16]。野外调查辣椒果实样品检测Cd、As、Pb、Cu与Zn含量，盆栽试验检测辣椒根、茎、叶与果实Cd含量。采用植物标准样品（GBW10045）进行质量控制，标准物质回收率为98.7%～105.4%。

野外调查与盆栽试验土壤仅检测Cd含量。土壤样品风干过程中剔除植物残根等，用球磨仪研磨，过0.149 mm尼龙筛，装入自封袋中，密封保存。土壤重金属Cd经HNO3-HF-HClO4法微波消解，使用ICP-MS测定其含量[17]。试验用酸均为优级纯，试验用水均为超纯水，所有试验用品均经稀酸浸泡，减少器皿对重金属的吸附。采用土壤标准样品（GBW07405）进行质量控制，标准物质回收率为96.3%～103.2%。

1.4 评价方法与评价标准

采用目标危害系数法（HQ）评价食用3种类型朝天椒人体健康风险[18-20]，其是假定吸收剂量等于摄入剂量，以人体摄入剂量与参考剂量的比值为评价标准，若HQi＜1，说明暴露人群通过食用辣椒摄入的重金属i不会造成明显的健康风险；反之，则存在健康风险，HQi越大，表明该污染物对人体健康风险越大。具体计算公式如下。

暴露人群摄入辣椒中多种重金属造成的复合健康风险，即综合危害指数用HI（hazard index）表示，当HI≤1时，重金属不会对人体产生不良影响，当HI＞1时，重金属可能对人体产生危害，健康风险随数值增加而增加，当HI＞10时，重金属对人体产生慢性中毒的危害。其计算公式如下[18-20]。

计算公式（1）、（2）中，Ci为辣椒中重金属i的质量浓度（mg·kg-1）；IR 为人均辣椒日食用量（6.84 g·d-1）[3]；EF为暴露频率（365 d·年-1），ED为暴露年限（70年），BW为我国成人平均体重（60 kg），AT为平均暴露时间（25 550 d）[18]；RfDi为重金属i经口摄入参考剂量，参考美国国家环保局综合风险信息系统及其他来源针对主要污染指标的参考剂量，Cd、As、Pb、Cu、Zn 分别为 0.001、0.000 3、0.003 5、0.04、0.3 mg·kg-1·d-1[19]。

采用富集系数（biological enrichment factor，BCF）[3]评估不同类型朝天椒对土壤Cd的富集能力，用整株朝天椒Cd质量浓度与土壤Cd质量浓度比值表示，其计算公式如下。

采用转运系数（transport factor, TF）[5]评估不同类型朝天椒b部位向a部位转运Cd的能力，用朝天椒a部位与其b部位Cd质量浓度比值表示，其计算公式如下。

计算公式（3）、（4）中，CCd为整株朝天椒中Cd的质量浓度（mg·kg-1），SCd为根际土Cd的质量浓度（mg·kg-1），Ca与Cb分别为朝天椒a部位与b部位Cd的质量浓度（mg·kg-1）。

1.5 数据分析

试验数据均采用Microsoft Office 2010软件进行计算处理，运用IBM SPSS 20 Statistics（美国IBM公司）进行统计分析，差异显著采用Duncan法进行分析，显著水平为P＜0.05，相关性分析采用Pearson双侧检验，采用Sigmaplot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 3种类型朝天椒果实重金属含量特征

研究区3种类型朝天椒果实重金属含量见表1，指型朝天椒、锥型朝天椒与圆型朝天椒果实Cd、As、Pb与Zn含量均值均表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒，3种类型朝天椒果实Cd含量均值分别为 0.29、0.19 与 0.11 mg·kg-1，独立样本t检验显示，指型朝天椒与锥型朝天椒果实Cd含量均值显著高于NY/T 1711—2020《绿色食品 辣椒制品》[21]中Cd含量限值（0.1 mg·kg-1），3种类型朝天椒果实As与Pb含量均值均显著低于国标对应限值。

表1 辣椒样品中重金属含量Table 1 Heavy metal concent in pepper samples （mg·kg-1）

2.2 食用3种类型朝天椒人体健康风险评估

辣椒果实中重金属的健康风险指数如图1所示，3种类型朝天椒单一重金属的目标危害系数（HQ）均小于1，且表现为HQCd最高，HQPb最低，其HQCd大小依次为：指型朝天椒（0.033）＞锥型朝天椒（0.022）＞圆型朝天椒（0.012）；3种类型朝天椒重金属综合危害指数（HI）也均小于1，表现为指型朝天椒（0.080）＞锥型朝天椒（0.071）＞圆型朝天椒（0.047）。综上，食用指型朝天椒危害指数最高，主要受Cd元素影响；食用圆型朝天椒危害指数最低。

图1 3种类型朝天椒重金属平均摄入量健康风险Fig. 1 Health risks of average heavy metals intake of three types of peppers

2.3 3种类型朝天椒果实Cd超标样品占比与富集特征

由图2可知，研究区指型朝天椒、锥型朝天椒与圆型朝天椒果实Cd超标（＞0.1 mg·kg-1）样本占比分别为100%、63.04%与42.85%。指型朝天椒、锥型朝天椒与圆型朝天椒果实对土壤Cd的富集系数分别为0.35、0.25与0.15，说明指型朝天椒果实对Cd的富集能力较强，圆型朝天椒果实对Cd的富集能力较弱。

图2 3种类型朝天椒果实Cd超标样品占比与果实Cd富集系数Fig. 2 Proportion of samples of Cd concent in three types of pepper fruit exceeding standard and biological enrichment factor of soil Cd by fruits

2.4 3种类型朝天椒对Cd的吸收、累积与转运差异

2.4.1 3种类型朝天椒对Cd的吸收累积特征 3种类型朝天椒不同部位Cd含量特征见图3。3种类型朝天椒的果实、叶、茎与根Cd含量均表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒。就不同部位Cd含量而言，3种类型朝天椒均表现为：叶＞茎＞根＞果实。就果实Cd含量而言，指型朝天椒（0.37 mg·kg-1）＞锥型朝天椒（0.16 mg·kg-1）＞圆型朝天椒（0.08 mg·kg-1），三者之间差异显著，指型朝天椒和锥型朝天椒果实Cd含量显著超标（＞0.1 mg·kg-1），而圆型朝天椒果实Cd含量未超标；指型朝天椒与锥型朝天椒的叶、茎和根Cd含量均差异不显著，但均显著高于圆型朝天椒。

图3 3种类型朝天椒不同部位Cd含量Fig. 3 Cd contents in different part of three types of peppers

由图4可知，3种类型朝天椒各部位Cd累积量均表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒，3种类型朝天椒果实Cd含量差异显著，指型朝天椒果实Cd累积量分别是锥型朝天椒与圆型朝天椒的2.27与3.15倍；3种类型朝天椒叶、根Cd累积量差异均不显著；指型朝天椒和锥型朝天椒茎Cd累积量差异不显著，但显著高于圆型朝天椒。3种类型朝天椒整株Cd累积量表现为：指型朝天椒（30.23 µg·盆-1）＞锥型朝天椒（21.44 µg·盆-1）＞圆型朝天椒（15.78 µg·盆-1），三者之间差异显著。

图4 3种类型朝天椒不同部位及整株的Cd累积Fig. 4 Cd accumulation in different part and whole plant of three types of peppers

2.4.2 3种类型朝天椒向果实转运Cd的差异 由表2可知，3种类型朝天椒对土壤Cd的富集系数（BCF）为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒，差异显著，指型朝天椒的BCF分别是后两者的1.23与1.79倍。3种类型朝天椒从根向地上部转运Cd的能力（TF地上部/根）差异不显著。3种类型朝天椒从叶向果实转运Cd的能力（TF果/叶）与从茎向果实转运Cd的能力（TF果/茎）均表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒，锥型朝天椒和圆型朝天椒的TF果/叶与TF果/茎差异均不显著，但均显著低于指型朝天椒。

表2 3种类型朝天椒对Cd的富集与转运系数Table 2 Enrichment and transport coefficients of Cd in three types of peppers

2.5 辣椒果实Cd含量影响因素分析

从表3可知，辣椒果实Cd含量与辣椒对土壤Cd的富集系数（BCF）呈显著相关，与茎叶向果实Cd的转运能力（TF果/茎与TF果/叶）呈极显著相关，与根向地上部转运Cd的能力相关性不显著，而与果实重量呈显著负相关。说明基因型对辣椒富集转运Cd有影响，且辣椒果实Cd含量可能存在“质量稀释”或“质量浓缩”效应。

表3 辣椒果实Cd含量与各参数相关性Table 3 Correlation coefficients between Cd content in pepper fruit and tissues of plant

3 讨论

土壤中重金属可以经手-口途径直接摄入、经皮肤接触吸收、经呼吸吸入和经食物链摄入[18-20]，对于除职业暴露途径外的普通人群，其重金属暴露主要以日常饮食中食物摄入为主[22]。辣椒是我国西南地区饮食的常见佐料，以贵州为例，人均辣椒食用量为6.84 g·d-1[3]，而辣椒对Cd具有较强的富集能力[3,5]。Cd是一种高毒性且易于从土壤转移到植物，通过食物链暴露来危害人类健康的重金属元素，对人体内脏、免疫系统和生殖系统等均会造成不利影响[23]。因此，评估辣椒重金属污染状况及其对人体的健康风险具有重要意义。已有研究多是围绕工矿企业附近或污灌区种植农作物开展人体健康风险评价，例如欧灵芝等[18]对高砷煤矿周围农作物（玉米、辣椒、烟草、白菜与油菜）健康风险评价发现，农作物中重金属的潜在健康风险主要源于Cd和As，其中辣椒和烟草的健康风险最高；贾艳丽等[24]对锑矿区蔬菜开展人体健康风险评价发现，矿区成人长期食用白菜会对健康造成影响，重金属的健康风险主要源于Sb和As；赵颖等[25]对太原市小店污灌区农作物开展人体健康风险评价发现，食用根茎类蔬菜对成人具有潜在健康风险，重金属的潜在健康风险主要源于Cd。目前，鲜见针对单一作物开展人体健康风险评价研究，辣椒是研究区经济支柱产业，因此，明确食用研究区辣椒人体健康风险状况，对当地辣椒产业发展具有重要意义。本研究发现，食用研究区辣椒不存在综合健康风险（HI＜1），3种类型朝天椒综合健康风险表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒；3种类型朝天椒的Cd、As、Pb与Zn目标危害指数（HQ）中HQCd最高，这是因为辣椒对Cd富集能力较强[3,5]。综上，食用研究区朝天椒虽无健康风险，但应关注土壤Cd含量。

多项研究表明，同种作物不同品种在重金属吸收累积上存在明显差异，Luo等[12]和Wang等[13]发现在辣椒不同部位中，Cd在果实中的累积量最低，而本研究中3种类型朝天椒不同部位Cd累积量不同，但根中Cd累积量均最低，这与赵首萍等[14]报道一致。作物从土壤中吸收Cd并运输到可食用部分有3个主要步骤：①根系吸收Cd，该过程有共质体和质外体2种途径；②通过木质部负载转运至地上部；③通过韧皮部从叶片再动员最终运输至可食用部位[26]。作物对Cd的富集系数（BCF）和转运系数（TF地上部/根）在一定程度上能够分别反映作物对Cd的累积能力和Cd从根向地上部的转运能力[3,5]。本研究显示，3种类型朝天椒BCF差异显著，且3种类型朝天椒整株Cd累积量差异显著，而TF地上部/根差异不显著，说明基因型显著影响辣椒对土壤Cd的累积能力，而对根向地上部转运Cd无显著影响。此外，本研究发现3种类型朝天椒果实Cd含量和Cd累积量均表现为：指型朝天椒＞锥型朝天椒＞圆型朝天椒，这可能是因为指型朝天椒从茎叶向果实转运Cd的能力（TF果/茎、TF果/叶）均显著大于后两者。综上，3种类型朝天椒果实Cd吸收累积差异与基因型影响辣椒对土壤Cd的富集能力和地上部营养器官（茎叶）对Cd的再分配有关，而与根部Cd向地上部转运能力无关。辣椒果实Cd含量影响因素分析也说明了这点，这与Kashiwagi等[15]在水稻上的发现类似。本研究结果有利于指导研究区辣椒Cd安全生产，可通过叶面喷施阻控剂将Cd固定在辣椒叶片，从而限制叶片Cd向果实转运，降低辣椒果实Cd超标风险。