土壤地球化学特性对凤丹皮品质的影响

沈章军,郑颜晨,戚雨晨,赵晶晶,徐书睿

(合肥师范学院 生物与食品工程学院,安徽 合肥 230601)

丹皮是芍药科药用植物凤丹(PaeoniaostiiT. Hong et J. X. Zhang)和牡丹(Paeoniasuffruticosa)的根皮的统称。丹皮味辛、苦、性凉,有清热、凉血、和血、消淤的功能。药理学证明,丹皮有抗凝血、降压、抗炎、抑制中枢神经系统等功能[1]。安徽省铜陵市是我国著名的凤丹之乡,不仅药材品质上乘,生产规模也位列全国第一,尤其以凤凰山地区最为出名[2]。同时,铜陵又是我国重要的产铜地区之一,冶铜历史悠久,尤其是新中国成立后大规模开采过程中形成的大量尾矿占用了大面积土地,其中大型尾矿库有五公里尾矿库、黑沙河尾矿库、铜官山尾矿库、凤凰山尾矿库和狮子山尾矿库五处[3],总面积约280万平方米。矿业废弃地所富含的重金属会通过扬尘、地表径流和其他人为活动进入周边环境,给环境中的生物造成毒害,影响生物的正常生长定居和代谢产物的产生[4]。

前期调查发现,在铜陵市矿区内大量种植药用植物凤丹,凤凰山老尾矿库在2010年之前曾覆土种植凤丹,并获得成功[5]。但在如此环境中生长的药科植物,其药用成分是否受到重金属的影响,尚未见有相关报道。本文拟通过对不同土壤重金属污染条件下生长的凤丹根皮中重金属残留状况以及药用化学成分的检测,探究丹皮质量与土壤重金属含量之间的相关关系,为丹皮的生产和相关研究提供科学依据。

1 实验方法

1.1 样地概况和取样处理

2017年8月,采样于铜陵市凤凰山矿区相思树尾矿库至下游地区。凤凰山(30°41′18.42″-30°64′78.26″N,118°01′11.23″-118°02′42.47″E)属亚热带湿润季风气候,年平均日照时间2025 h,年平均气温17.4℃,无霜期230 d,年平均降雨量为1300～1450 mm,主要发生在5月至8月。

采样区具体位置如图1所示,沿着相思树当地的一条道路(以前为用铜尾矿铺成的运输通道,目前已改成水泥路)从尾矿坝出发按照不同距离设置三个采样区。第一个采样区(PP)距离尾矿坝约500米,第二个采样区(SP)位于道路附近,离尾矿坝约6000米,第三个采样区位于公路旁(距100米左右),距尾矿坝约8000米。

图1 凤凰山矿区和采样点示意图

每个采样区按梅花形采5个样点,采样土壤装入无菌纸袋带回实验室,风干研磨后,过120目筛,用以测量土壤中的重金属含量;植株取最适采挖的6年龄株,整株取回,根经洗净剥离根皮,去离子水冲洗3次,70 ℃烘48 h,研磨,过尼龙筛(0.15 mm),装封口袋后,用于丹皮中重金属和主要药用成分检测。

1.2 检测仪器和检测条件

丹皮挥发油提取器(上海玻璃仪器厂);HP1100高效液相色谱仪(美国安捷纪公司)。丹皮中挥发油化学成分的检测色谱柱:C18 250 mm×4.0 mm,流动相∶(甲醇:水)=(45∶55),流速:0.8 mL/min,检测波长:芍药苷230 nm,丹皮酚274 nm[6]。

1.3 重金属检测

土壤中重金属的总量提取采用浓H2SO4+ HClO4混合消化提取,丹皮中重金属含量采用浓HNO3―HClO4―H2SO4(8∶1∶1)高温消化提取,重金属Pb、Zn、Cu、Cd用ICP方法检测,Mn、Ca、Mg和Fe通过火焰—原子吸收分光光度计(WFX-IF2)测定[2]。

1.4 数据分析

采用Excel分析数据平均值和标准误,采用Spss23.0软件统计分析数据间的差异性和相关关系。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属的污染状况

如表1所示,样区土壤pH值约为6.27～6.81。PP样区土壤pH最低,可能主要是由于尾矿库的土壤侵蚀和酸性的矿井排水。SP和CS样区土壤pH值无显著差异性。与《GB15618—2018 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(风险筛选值标准:Cu≤100 mg·kg-1,Cd≤0.3 mg·kg-1,Pb≤120 mg·kg-1,Zn≤250 mg·kg-1)进行比较,分析结果表明:PP、SP和CS处土样中Cu的含量分别是农田土壤风险筛选值的8.88、2.23和0.42倍,Pb的含量分别是农田土壤风险筛选值的4.06、1.26和0.92倍;PP处土样Cd、Zn的含量分别是农田土壤风险筛选值的1.17和2.36倍,其他2处采样区土壤样品中Pb和Zn皆未超标。

表1 土壤中重金属元素含量

与中国土壤环境背景值做比较发现,PP、SP和CS处土样中Cu的含量分别是背景值的13.83、6.92和1.31倍,Cd的含量分别是背景值的3.89、2.67和2.44倍,Zn的含量分别是背景值的5.52、2.48和1.49倍,Pb的含量分别是背景值的7.66、3.17和2.30倍,Mn的含量分别是背景值的1.84、1.19和1.06倍。

2.2 丹皮中重金属的残留状况

如表2所示,除Cd外,凤丹皮中Cu、Zn、Pb、Mn的生物累积量差异显著(P<0.05)。在3处采样区中,PP处丹皮样品中Cu(30.64 mg·kg-1)、Zn(23.85 mg·kg-1)和Pb(4.57 mg·kg-1)均达到最大值。参照中华人民共和国外经贸行业标准中的药用植物及制剂进出口绿色行业标准(Wm2-2001)的重金属最高残留限量,5种重金属在丹皮内皆检出残留,PP处凤丹皮Cu超标,成为影响丹皮质量的主要因素;与世贸组织和欧盟的药剂重金属含量标准比较,发现3处采样区凤丹皮中的Pb超标。不过,PP处凤丹种植区已开发成相思树旅游景点,并种植了其它品种的牡丹,此处的凤丹目前主要用于观赏。

表2 丹皮中重金属和其它矿质元素的残留状况

2.3 重金属对丹皮药用成分的影响

2.3.1 对丹皮酚含量的影响

丹皮中主要有效成分是丹皮酚[8],对3处所产丹皮内丹皮酚的含量进行了检测(图2)。3处丹皮内丹皮酚的含量有差异,但并不显著,变化范围为27.48～30.26 mg·kg-1。对照表1中3处土样矿质元素含量,分析发现丹皮内丹皮酚的含量与矿质元素间相关关系(表3)。丹皮酚含量与土壤中重金属Pb、Cd和Zn表现出极显著的负相关关系(p< 0.01),但与其它元素间关系不显著。

表3 凤丹皮中主要药用成分与土壤中重金属含量的相关性分析

注:柱状图上字母相同表示数据差异性不显著(p < 0.05),下图同。图2 三处采样区丹皮酚含量

2.3.2 对芍药苷含量的影响

芍药苷是丹皮中含量仅次于丹皮酚的重要药用成分,同时检测了3处所产丹皮内芍药苷的含量(图3)。3处所产丹皮内芍药苷的含量表现为CS>SP>PP,其中CS和PP处芍药苷含量差异性显著(p<0.05),CS处所产丹皮内芍药苷的含量分别是PP和SP处的1.45、1.24倍。参照表1,发现3处所产丹皮内芍药苷的含量差别趋势大体与土样中重金属含量表现趋势相反;分析之间的相关性,表明该矿区凤丹皮中的芍药苷含量与土壤中重金属Pb、Cd和Zn表现出极显著的负相关关系(p< 0.01),与金属Fe为极显著的正相关关系(p<0.01),与Ca为显著相关关系(p<0.05)(表3)。可见,土壤中重金属的污染会减少丹皮中有效成分芍药苷的含量,严重影响丹皮的药用价值。

图3 三处采样区芍药苷含量

3 讨论

近几十年来,人类活动加速了重金属进入土壤生态系统的进程,其中矿业过程是造成环境中重金属污染的最主要原因之一。矿区中重金属的积累是一个不容争议的环境问题。本研究表明,随着距离尾矿库距离的增加,凤凰山矿区土壤中Cu、Cd、Zn、Pb的累积量有规律地下降。除了重金属表现出与尾矿库距离的相关性以外,Ca和Fe元素也有同样的规律,尾矿库附近的采样区PP处显著高于其他两处,而SP和CS两处之间差异不显著。

中药材中所含微量元素能对人体所缺乏的各种微量元素起到重要的补充与调节作用,同时也能对各种微量元素在人体新陈代谢中的吸收、排泄产生影响,还能通过络合、螯合间接起到解毒作用,从而达到治病的目的。现代医学研究表明,Zn元素对人体有清热、凉血、消炎、生肌的功能;8例实验性治疗验证了使用中药补充Cu、Zn元素,当Cu、Cu/Zn比值均恢复到正常水平时,气、阴两虚病人的症状消失,说明了中药所含微量元素对人体起到了补充与重要的调节作用[9]。但同时,人们又发现重金属对人体的新陈代谢及正常的生理作用具有明显的伤害作用,会抑制人的正常生理作用,人体内重金属含量过量会导致各种疾病[10]。中成药中重金属含量的限量标准是我国药学研究亟待解决的重大课题。本实验研究表明,凤凰山矿区3处采样区所产丹皮中Cu、Cd、Zn、Pb和Mn 5种重金属均有残留,且PP处Cu超标,说明该矿区土壤中重金属的污染已严重影响了丹皮的质量,必须采取科学手段,改良土壤,通过改变土壤中重金属的赋存形态或减少重金属的含量,从而有效地控制丹皮中重金属含量,保证生产出符合国际通行标准的中药材。

丹皮酚作为丹皮可提取挥发油总量70.58%的重要组分[8],学界已有大量对其抗炎免疫药理的研究,确证了丹皮酚具有抗菌消炎等生理活性。本研究测定的3处丹皮中丹皮酚含量差异并不显著,但总体上表现出重金属对药用成分丹皮酚和芍药苷生成有抑制性作用,两种药用成分与土壤中重金属Pb、Cd和Zn含量表现出极显著的负相关关系。可见,土壤中重金属污染直接影响了丹皮中的重要药用成分的含量,影响了丹皮的药用价值。从丹皮中重金属含量与重要药用组分含量的大小来考虑,3处所产丹皮的质量总体表现为CS>SP>PP。