湘莲不同器官中常见重金属含量检测及富集特征分析

戴 慧

赵文玉2,3

王建辉4,5

贺湘怡2

龙 潇2

(1. 长沙理工大学化学化工学院,湖南 长沙 410114;2. 长沙理工大学水利与环境工程学院,湖南 长沙 410114;3. 国家环境保护重金属污染监测重点实验室,湖南 长沙 410114;4. 长沙理工大学食品与生物工程学院,湖南 长沙 410114;5. 湖南省水生资源食品加工工程技术研究中心,湖南 长沙 410114)

莲,在中国种植历史悠久,品种丰富,分布广泛,是一类重要的水生经济作物,根据用途可分为观赏和食用两大类,或进一步细分为藕莲、子莲、花莲三大类[1]。其中,湘莲特指湖南地区栽种的籽莲品种,主要包括寸三莲和以其为亲本培育的芙蓉莲、太空莲。莲作为一类典型的水生植物,多种植于水田中,种植周期长,维管束组织发达,易从底泥中吸收富集重金属[2]。其生长过程中需定期施加化肥农药、引水灌溉等,是其可能的重金属来源[3-4];且荷塘多位于内湖,换水周期长,自我调节能力相对较弱[5],因此荷塘存在一定的重金属污染风险,如王婧文等[5]发现东洞庭湖莲藕种植区底泥中Cd含量均值为26.85 mg/kg,处于极重度生态风险水平。

现有的莲重金属含量检测分析及研究主要集中于藕莲[5-9],对籽莲的种植环境以及不同器官的重金属研究较少。叶宏萌等[10]仅探究了福建白莲种植区荷塘底泥、莲子及莲叶中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等7种重金属含量及富集特征。湘莲重金属研究主要集中在莲子[11-12]、Cd在各器官中的分布规律[2]以及种植区底泥重金属风险评价[13]。Cd主要分布在湘莲莲根,与底泥中Cd含量存在明显正相关[2];而莲子(未去芯)中Cu、Cd含量与底泥之间存在明显的正相关[13]。湖南作为有色金属大省,土壤环境中存在多种重金属,背景值相对偏高[14]。但多种常见重金属在湘莲不同器官中的富集及转移规律尚不明确,有关湘莲不同部位的多种重金属元素富集特征的研究尚未见报道。

目前,环境样品中重金属含量的检测方法主要包括原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)、同位素稀释质谱法(IDMS)和电化学法等传统方法,以及如基于脱氧核酶的新兴检测法等[15-18],其中AAS法和AFS法的检出限较差;ICP-MS法和ICP-OES法的设备成本较高,但灵敏度较高且能够多元素同时分析;IDMS法的准确度高但操作复杂;电化学法的成本低、便于携带但检测限及稳定性有待提高;而基于脱氧核酶的检测法检测快速、可设计性强但尚不成熟。ICP-MS法和ICP-OES法也是湘莲样品及底泥样品中的重金属含量检测的常用方法[11-13]。

研究拟以湖南省典型人工种植区的湘莲(包括根、茎、叶、莲蓬、莲壳、去芯莲肉及莲芯在内的7种器官)及其底泥为研究对象,采用ICP-OES法检测当地7种常见重金属元素(Cd、Cr、Pb、Ni、Cu、Zn、Mn)含量,基于生物富集系数(BCF)和生物转移系数(TF)评价湘莲对7种常见重金属元素的富集转移特征,旨在揭示常见重金属在底泥—湘莲系统中的富集与转移规律,为研究区莲籽的绿色安全生产研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

湘莲:太空莲,湘潭市湘潭县石鼓镇荷花基地和娄底市双峰县荷叶镇荷花基地;

硝酸、盐酸、氢氟酸、高氯酸:分析纯,国药集团化学试剂有限公司;

铅、镉、铬、锰、铜、锌、镍混合标液:1.0 mg/mL,国家标准物质中心。

1.1.2 主要仪器设备

电子天平:ME204型,上海梅特勒—托利多仪器公司;

粉碎机:FW-100型,北京中兴伟业仪器有限公司;

石墨消解器:HD-X30型,湖南昊德仪器设备有限公司;

微波消解仪:multiwave 5000型,安东帕(上海)商贸有限公司;

电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES):5100VDV型,安捷伦科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品采集及预处理方法 按图1在湘莲种植基地各采集10组湘莲植株样品和对应的底泥样品(X1～X20)。将每个采样点采集的生长状况良好且长势、株高大致相同的4株植物拆分成根、茎、叶、莲蓬、莲壳、去芯莲肉及莲芯,均匀混合并编号分装;用木铲采集植物根际四周底泥(0～20 cm)均匀混合,封装于洁净的500 mL玻璃瓶中,贴上标签;准确记录采样点经纬度及周边情况,并及时将样品运回实验室。植物样品依次用自来水、纯水清洗,晾干,105 ℃下杀青,鼓风干燥至恒重,粉碎过60目尼龙筛。采用四分法将底泥样品缩分至100 g,鼓风干燥至恒重,碾磨过100目尼龙筛。

图1 研究区采样点位分布图

1.2.2 样品溶液制备

(1) 植物样品溶液:称取0.500 0 g植物样品于四氟乙烯消解罐中,加入10 mL硝酸,120 ℃预消解至黄烟殆尽,加盖后微波消解30 min,取出,160 ℃赶酸至糊状,加入0.25 mL硝酸,纯水定容。

(2) 底泥样品溶液:称取0.250 0 g底泥样品于四氟乙烯消解罐中,依次加入10 mL硝酸、5 mL氢氟酸、2 mL高氯酸,140 ℃消解60 min,升至180 ℃赶酸,待烟雾快消失升至210 ℃。赶酸至呈黄绿色不流动状态,加入0.5 mL硝酸,纯水定容。

1.2.3 检测方法 采用电感耦合等离子体发射光谱法,Cd、Cr、Pb、Ni、Cu、Zn和Mn的检测限分别为0.2,0.2,3.0,0.9,0.2,0.5,0.1 μg/L。

1.2.4 生物富集系数(BCF)和生物转移系数(TF)测定

BCF为湘莲某器官内某种重金属含量与底泥中对应的重金属含量的比值[19],TF为湘莲地上某器官内某种重金属含量与莲根中对应的重金属含量的比值[20-21]。

1.2.5 数据处理 采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26软件进行统计学数据处理,采用ArcMap 10.7、BigmapGIS Designer以及Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 底泥重金属含量特征

由表1可知,底泥pH为6.92±0.32,偏中性。底泥重金属平均含量为Mn(311.68 mg/kg) >Cr(176.28 mg/kg)> Zn(95.57 mg/kg)> Pb(40.48 mg/kg)> Cu(28.07 mg/kg)> Ni(27.61 mg/kg)> Cd(0.73 mg/kg),分别为湖南省土壤背景值[14]的0.72,2.84,0.96,1.50,1.04,0.86,4.60倍。变异系数可反映重金属受到人为干扰的程度与其空间分布的均匀性[23],研究区重金属变异系数表现为Cr>Mn>Cu>Ni>Cd>Pb>Zn,呈中等变异性,即受到一定的人为因素干扰。经单因素方差分析,重金属Cd、Pb、Ni、Cu含量差异性不明显;Cr、Zn、Mn含量与其他重金属含量之间差异性明显(P<0.05)。

表1 研究区底泥理化指标†

与NY/T 391—2021限量值相比,研究区Cd含量均显著超过限量值,平均超标2.43倍;多数采样点Cr含量显著高于限量值,超标率为75%,Pb超标率为10%,其余重金属含量未超过限量值;研究区Cd与Cr含量超过湖南省农田土壤Cd与Cr平均值水平[24]。现有标准暂未明确规定Mn含量的限量值,但根据已有研究,土壤中Mn的含量适中标准为170～2 200 mg/kg,研究区底泥的Mn含量在此范围内。

综上,研究区底泥存在一定浓度的重金属,且其空间分布不均匀。湖南省主要水系底泥重金属Cd污染相对严重[25],该研究区底泥同样存在局部Cd、Cr与Pb污染风险,属于复合型污染,尤以Cd污染相对严重,应引起关注。

2.2 湘莲不同器官中的重金属含量

由图2可知,除莲根中Cd含量最低外,其余器官基本表现为Mn含量最高、Pb含量最低。莲根、莲茎、莲叶、莲蓬、莲壳中仅Mn含量显著高于其他6种重金属(P<0.05);去芯莲肉及莲芯中表现为Mn、Zn、Cu含量显著高于Cd、Cr、Pb、Ni含量(P<0.05)。

大写字母不同表示同一重金属元素不同器官内差异显著(P<0.05);小写字母不同表示同一器官不同重金属元素间差异显著(P<0.05)

从单种重金属元素来看,Cd、Cu、Zn在莲芯中的平均含量相对较高;Cr、Pb在莲根中的平均含量相对较高,Ni在去芯莲肉中的平均含量相对较高;而Mn在莲叶中的平均含量相对较高。Cd在莲茎中的含量相对较低,Cr在莲芯中的含量相对较低,Pb、Mn在去芯莲肉中的含量相对较低,Ni、Zn在莲蓬中的含量相对较低,Cu在莲根中的含量相对较低。于辉等[2]研究表明,籽莲根部中Cd含量最高,其次是籽粒,而莲壳中含量最低,与试验结论存在差异。这可能是同一品种对同种重金属的吸收富集能力与植株根际环境中重金属的浓度、形态以及植株的基因组成、生长状况等有关[26-27]。有研究[28]表明,若籼稻品种缺少OsHMA3基因,将极大提高地上部分器官中的Cd含量。

去芯莲肉中Ni含量和莲芯中Cd、Cu、Zn含量高于其他器官,与叶宏萌等[10]的结论相似,即莲子中Cd、Cu、Zn含量比莲叶高。这可能由于莲根吸收土壤中Cd、Ni、Cu与Zn等重金属后,经木质部运输到茎、叶等器官,并通过再分配最终被固定在籽粒中。重金属元素会随植物主动/被动运输、光合作用产物等在植物体内进行重新分配[29],该过程受植物体内螯合素等重金属化合物以及植物基因组成等多重因素影响[30]。Mn是植物进行光合作用的重要元素[31],而莲叶是湘莲进行光合作用的主要器官,因此其Mn含量高于其他器官,与胡子逸等[32]的结论类似。

2.3 湘莲不同器官对重金属的富集特征

由表2可知,湘莲不同器官对不同重金属的富集、转移均存在较大差异。对于Cd、Pb等植物所非必需重金属元素BCF的变化范围为0.00～0.19,TF的变化范围为0.01～3.78;对于Cr、Ni、Cu、Zn、Mn植物所必需重金属元素BCF的变化范围为0.00～3.14,TF为0.03～4.71。这是由于作物会主动吸收生长所必需的重金属元素[33],因此莲子及莲叶对必需重金属元素的富集性高于非必需重金属元素。湘莲不同器官对常见重金属的BCF值和TF值基本表现为富集系数低但转移系数高。

表2 湘莲不同器官对重金属元素的生物富集系数(BCF)和生物转移系数(TF)†

2.3.1 对重金属的富集系数 植物对某重金属存在超富集能力的特征之一是BCF值>1[34],由表2可知,湘莲各器官对Cd、Cr、Pb、Ni、Cu、Zn的BCF值均<1,富集能力较弱。而莲叶对Mn的BCF值为3.14,与其他元素差异显著(P<0.05),莲茎对Mn的BCF值>1,说明莲叶、莲茎对Mn有较强富集作用。结合底泥中相应重金属含量可知,底泥中存在不同程度的Cd、Cr、Pb污染,但湘莲对Cd、Cr、Pb的富集能力较弱,而底泥中Cu、Zn、Mn含量未超过相应限量范围,但湘莲对Cu、Zn、Mn的富集能力较强。这可能说明研究区湘莲对重金属富集能力受底泥中重金属含量影响较小。Xiong等[19]也发现莲藕中重金属的积累量与底泥中重金属含量无明显正相关。但于辉等[13]研究表明,莲子与底泥中的Cu、Cd含量之间存在显著正相关(P<0.01),而Cr、Pb、Mn则无相关性。

土壤—植株间富集机制复杂[35-36],不同产地、作物以及品种之间的重金属富集转移的研究结果间存在一定的差异性。不同产地的莲藕对Pb、Cd的吸收富集不同[7];水稻对Cd、Cr、Pb、Cu、Zn的富集能力均表现为茎>米粒[37];新疆红枣对Ni的吸收富集存在较大的品种差异[38]。总体上蔬菜对Cr、Pb、Ni的富集能力较弱[39],该试验也存在相同现象,表现为湘莲各器官对Cd、Cr、Pb和Ni的BCF值均<0.30。这可能是在淹水条件下,Cd的溶解度较低[40],而Pb又易与底泥中的有机物等结合[41],均不易被湘莲吸收富集。Cr和Ni作为植物生长必需的重金属元素,其在湘莲内富集不明显,可能与重金属在底泥中的存在形态等有关[42]。有研究[43-44]表明,植物不易吸收Cr3+。底泥pH是影响底泥中重金属的结合形态和生物有效性的重要因素[35],试验研究区的底泥pH偏中性,可能导致底泥中重金属的生物有效性偏弱,进而影响湘莲对重金属的吸收富集。综上,有必要进一步检测底泥中重金属赋存形态,并分析其对重金属在湘莲不同器官中富集转移的影响。

2.3.2 对重金属的转移系数 TF值>1,表示该重金属在植物体内具有较强的转移能力[44]。由表2可知,7种重金属在湘莲各器官的转移系数顺序为Cd:芯>去芯莲肉>叶>莲蓬>壳>茎,且在前4个器官中具有较强的转移能力;Cr:茎>莲蓬>去芯莲肉>壳>叶>芯;Pb:叶>茎=莲蓬>芯=壳>去芯莲肉,且Cr、Pb在湘莲内转移能力较弱;Ni:去芯莲肉>叶>芯>壳>茎>莲蓬,且在去芯莲肉及莲叶中具有较强的转移能力;Cu:芯>去芯莲肉>壳>莲蓬>叶>茎,且在湘莲各器官中均具有较强的转移能力;Zn:芯>去芯莲肉>壳>叶>茎>莲蓬,且在莲芯、去芯莲肉、莲壳及莲叶中具有较强的转移能力;Mn:叶>茎>莲蓬>壳>芯>去芯莲肉,且在莲叶、莲茎及莲蓬中具有较强的转移能力。

总体上看,Cd、Ni、Cu、Zn更倾向于转移进入莲子中,Pb、Mn则在莲叶中较高,而Cr易在茎中富集,与双燕等[45]的结论类似。植物主要通过根系吸收重金属,也有部分通过大气沉降吸收[46],莲叶表面积大,受大气沉降影响相对显著,而大气沉降是Pb进入土壤及植株的重要途径[47],这可能是莲叶对Pb生物转移系数较大的原因。Zheng等[48]研究发现,叶类蔬菜比其他蔬菜具有更高的Pb效应风险。

3 结论

分析了底泥—湘莲系统中湘莲各器官对底泥多种常见重金属的富集转移特征。结果表明,湘莲种植区底泥表现为多种重金属复合型污染,其中Cd超标需重点关注;湘莲不同器官中同一重金属含量存在显著差异(P<0.05),同一器官中不同重金属间也存在显著差异(P<0.05),表现为莲芯中Cd、Cu、Zn,莲根中Cr、Pb,去芯莲肉中Ni,莲叶中Mn的平均含量相对较高;湘莲各器官对重金属总体表现为低富集高转移。但底泥—湘莲系统微环境及重金属的不同赋存形态对重金属的富集转移影响效应有待进一步探究。