藥用植物砷污染現狀及其對生長和藥效成分影響的研究進展

李祖然，祖艷群

（1.昆明理工大學環境科學與工程學院，云南昆明650500；2.云南農業大學資源與環境學院，云南昆明650201）

藥用植物砷污染現狀及其對生長和藥效成分影響的研究進展

李祖然1，祖艷群2

（1.昆明理工大學環境科學與工程學院，云南昆明650500；2.云南農業大學資源與環境學院，云南昆明650201）

我國及世界許多國家和地區均制定了有關藥用植物中砷含量的限量標準，藥用植物中砷污染的現狀不容忽視。藥用植物砷污染受到植物種類、品種、入藥部位、產地、土壤砷污染和炮制工藝等因素的影響。砷污染對藥用植物生長發育及其藥效成分產生較大的影響。

砷；污染；藥用植物；現狀；生長；藥效成分；影響

砷作為一種類金屬具有許多同素異形體。砷元素廣泛存在于自然界，有數百種的砷礦物已被發現［1，2］。砷及其化合物被廣泛運用在農藥、除草劑和殺蟲劑中進入農田和土壤，導致土壤砷污染和農產品砷超標。云南文山州由于地殼原始分化成分的作用、含砷礦的開采和含砷農藥的長期使用，使三七種植區存在普遍的土壤砷污染和三七砷含量超標的現象［3－5］。三氧化二砷作為砒霜，在微量條件下可能成為中藥配伍的成分之一。重金屬砷及其化合物具有較高的生物毒性，長期接觸As（Ⅲ）會引起細胞和毛細血管中毒，甚至誘發惡性腫瘤，已被列為中藥材重點檢測和限定的有害元素之一［6］。生長或種植于砷污染土壤的藥用植物對砷的累積和砷超標現象有大量的報道［7－9］。許多國家和地區對藥用植物中砷含量要求嚴格［4］，一旦超標就停售并銷毀。砷污染不僅導致藥用植物的砷超標，而且影響植物生長和藥效充分累積，導致藥用植物產量下降，藥效降低［10，11］。近年來關于砷影響藥用植物生長、藥效成分的相關研究日益增多，主要集中在砷對藥用植物中生物堿、皂苷、黃酮和糖苷類等成分影響方面的研究［12，13］。

我國草藥中砷污染，導致中藥材質量下降，嚴重影響我國中藥材的出口創匯和國際聲譽。隨著藥用植物產業的發展，關注藥用植物砷污染及其對藥用植物生長和藥效成分的影響具有重要的實踐意義。

1 藥用植物砷污染現狀及影響因素

1.1 藥用植物砷限量標準及污染現狀

藥用植物的砷污染問題廣泛存在。Ko報道，美國檢測的251種進口中藥中有36種中藥As含量超過了14.6mg／kg［14］。Cooper等調查澳大利亞247種市售傳統中藥制劑中5%～15%的樣品存在As超標現象［12］。因此，不同的國家和地區針對藥用植物均提出了一定的砷含量限定標準。我國 《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》 （WM2－2001）和2010年中國藥典標準對砷的限量指標為≤2.0mg／kg（表1）。其中，日本與我國標準一致，英國、加拿大、馬來西亞和新加坡對砷的限量標準達到5.0mg／kg（表1）［15－17］。世界衛生組織對大蒜、蘆薈、黃芪、邪膽子、柴胡、積雪草、甘菊花、黃連、銀杏葉、人參、甘草、白芍、車前子、桔梗、羅夫木、大黃、番泄果、麝香草和生姜中Pb、Cd、Hg和Cu等提出了0.3～10mg／kg的標準范圍，而對As含量沒有給出具體的限量標準［15］。糧食及農業組織／世界衛生組織暫定每周可容忍攝入無機砷含量為15mg／kg體重（2.1mg／kg體重／day）。因此，對藥用植物進行評價時，針對相應的標準進行評價具有重要的意義。如，川麥冬藥材中砷的含量范圍0.077～0.48mg／kg，低于《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》和 《中國藥典》（2010版）中限量標準，川麥冬作為保健食品，砷含量有超標現象［16，17］。

表1 國內外藥用植物中砷含量標準（部分） （mg／kg）

據不完全統計，我國有30%中草藥的重金屬和農藥殘留量不符合標準。我國中草藥砷超標現象時有發生［18］，李梅華等對我國各地生產的藥材進行檢測發現，56種藥材中多達73%以上砷含量超過2.0mg／kg［19］。馮江等普查了100種藥用植物中砷等重金屬的含量，結果顯示絕大部分中藥材中都含有一定量的砷，部分藥材中含量較高，特別是細辛，砷含量達到3.20mg／kg［7］。張暉芬等研究表明黃芪和當歸中砷含量分別為23.5mg／kg和7.5mg／kg，遠超出我國對藥用植物及制劑中砷的限量（2.0mg／kg）［20］。何首烏As的超標程度最高，達限量標準的5倍［21］。葉國華等分析了貴州省21種中藥材的砷含量，結果表現出As的超標率為0.60%。56種藥材中砷含量平均為3.20mg／kg，最高達到5.09mg／kg［8］。韓小麗等綜述了218種中藥材中砷（As）平均含量為1.13mg／kg，超標率為9.7%。砷含量最高的細辛，為26.39～33.82mg／kg，廣東的檳榔為25.04mg／kg，其余藥材中砷均在24.0mg／kg之下。高良姜、枳殼、羌活、黃芩、廣東的砂仁、四川的使君子、江蘇的蘇子、湖北的桃仁、河北的杏仁、四川的澤瀉砷含量均較低 （≤0.001mg／kg）［16］。

藥用植物中砷污染問題是一個值得引起高度關注的課題，相應的砷含量標準是藥用植物出口貿易中需要加以應對的關鍵。同時，需要考慮藥用植物的產地、種類和生長環境等因素的影響。

1.2 藥用植物砷污染影響因素分析

藥用植物的砷污染受到植物生長的產地、藥用植物種類和品種、入藥部位、土壤砷含量和生長環境、飲片切制或炮制工藝等因素的影響。

李衛東調查發現，在砒霜廠附近采集的三年生三七植株及其根際土壤樣品中砷含量達到莖葉平均值76.61mg／kg、塊根平均值4.04mg／kg和土壤平均值90.34mg／kg。塊根及莖葉的砷殘留量大大高出文山三七國家標準GB 19086－2003中規定的砷限量（2.0mg／kg），三七種植區土壤中砷的污染分擔率為52.1%，綜合污染指數為0.67，已接近警戒線。土壤中的砷殘留量也遠遠高于GB15618－1995《土壤環境質量標準》的二級標準限量 （＜30mg／kg，旱地pH：6.5～7.5或＜40mg／kg，旱地pH＜6.5）［3］。江霞等研究的12批天麻樣品中鎘殘留量均超過 《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》，砷含量符合該標準，天麻中重金屬殘留量源自土壤、水源及加工運輸的污染［22］。土壤中砷形態影響著砷的生物有效性，一般來講，土壤中砷形態分配比例大小順序為：結晶鐵錳或鐵鋁水化氧化物結合態＞殘余態砷＞無定形和弱結晶鐵或鐵錳水化氧化物結合態＞專性吸附態砷＞非專性吸附態砷［23］。不同產地藥材中砷污染程度均存在一定的差別，不同省區藥材砷含量及超標率不同，除與藥材本身的生物學特征有關外，還可能與各個采樣區域土壤元素背景值或生長地所處礦產類型有關［24］。據翁煥新等報道，中國表層土壤中砷含量的分布呈現出從西南到東北逐漸由高到低的趨勢，高海拔地區土壤砷含量高于低海拔地區，地形較高的土壤砷含量高于地形較低的土壤［1］。一般野生藥材多分布在甘肅、四川等西部地區，栽培藥材多分布在吉林、遼寧等東北地區，野生藥材中砷含量高于栽培藥材是否與海拔梯度帶來的土壤砷含量差異有關，是值得進一步探討的問題。

不同的種類和不同品種等對砷的累積具有一定的差異。不同品種金銀花藥材鉛的含量為0.16～1.56mg／kg，砷的含量為0.46～2.17mg／kg，不同產地、不同品種間鉛和砷的差異性較大［9］。13種河北省主要地產中草藥中，以地下部入藥的各種類中草藥砷含量平均值0.14～0.54mg／kg，以地上部入藥的中草藥，祁菊花砷含量平均值為1.42mg／kg，其它種類為0.09～0.27mg／kg。根據《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》對總砷的限量（2.0mg／kg），以地下部和地上部入藥草藥的超標率分別為3.27%和9.09%，全部樣品的總超標率為4.57%。中草藥的根部比地上部更易受土壤的影響而積累砷。菊科草藥砷含量范圍較寬，在0.08～7.05mg／kg，平均值為0.87mg／kg［24］。不同藥材中砷含量存在較大差別，藥材中砷量除受生長地條件影響外，與藥材種質、遺傳特性、生理生化代謝方面有一定的關系。因此，研究中藥材砷污染的同時，研究砷含量及其存在狀態與藥材有效成分含量、藥物功效的相關性，對于了解砷在治療疾病中的作用和科學評價砷污染的健康風險具有重要的理論價值。

不同的藥用植物有著不同的入藥方法，在市場上也以不同的形態出現。柳曉娟等研究發現從藥用植物的來源分析看，直接采集的藥用植物樣品砷含量范圍在0.03～0.73mg／kg，符合限量標準，而市場購買的半成品及飲片砷含量范圍在0.05～7.05mg／kg，其超標率為6.36%，來源于市場的藥用植物砷含量顯著高于種植區直接采集的藥用植物［24，25］。在生物體和植物中發現的主要砷化物有以無機形式存在的As2O3、亞砷酸鹽（AsⅢ）、砷酸鹽 （AsV）和以有機形式存在的一甲基腫酸（MMA，monomethylooni acid）、二甲基腫酸（DMA，dimethylarsnic acid），在海產品中多以砷甜菜堿（AsB，arsenobetaine）和砷膽堿（AsC，arsenocholine）的形式存在。一般說來，無機砷的毒性大于有機砷，其毒性順序由大到小為：AsH3、As（III）、As（V）、MMA、DMA、AsC和AsB，而AsB和AsC常被認為是無毒的［26］。中草藥中砷賦存的化學形態以無機As（Ⅲ）和As（Ⅴ）為主，其中無機砷占總砷的比例在86%以上；8%的樣品檢測出二甲基砷酸 （DMA），且全部為飲片，DMA占總砷的百分比不超過15%；在20%的知母樣品中檢測到了0.028mg／kg的單甲基砷酸（MMA）；在10%的樣品中檢測出未知砷形態，且這些樣品全部為半成品或飲片，各樣品中未知砷形態占總砷的百分比均不超過10%。種植區直接采集的草藥無機砷含量范圍在0.06～0.55mg／kg，平均值為0.21mg／kg；所有飲片無機砷含量范圍在0.095～8.68mg／kg，平均值為1.04mg／kg。種植區直接采集的草藥及飲片砷全量與其無機砷含量之間均存在顯著的線性正相關關系。研究也認為通過服用半成品及飲片得到砷的日攝入量為0.90～19.7μg／d，其占每日允許攝入量的比值范圍為0.70%～15.4%，其砷的健康風險顯著大于服用采自種植區的原藥，說明草藥飲片中砷對人體的健康風險不容忽視［24］。

分析原因可能是由于中藥材采收之后經過的加工炮制或者運輸過程，增加了其砷含量。例如菊花用硫黃熏制再曬干的傳統加工方法導致半成品和商品菊花砷含量偏高，這與硫磺的質量關系密切［27］。祁菊花的半成品和飲片都是利用傳統硫磺熏蒸的方法進行炮制，導致祁菊花半成品和飲片砷含量偏高［24］。而川附子炮制品中Cu、As等含量的增加與炮制用水和炮制容器有關［28］。因此，中藥飲片的砷污染主要受到人工種植區的土壤環境、化肥施用方法、不同品種草藥的遺傳多樣性、飲片切制或炮制工藝、草藥生產、貯藏和運輸過程中交叉污染等的影響。在中藥材倉儲過程中，用重金屬制品的倉儲熏蒸劑來防治霉變、蟲害和鼠害，也會給藥材造成一定的砷污染。

總之，藥用植物砷污染仍然廣泛存在，其主要原因包括土壤的污染、藥用植物的種類、入藥部位、炮制工藝等，特別是土壤的污染是值得關注的重要方面。

2 砷污染對藥用植物生長及藥效成分的影響

砷是植物生長的非必需元素，低濃度砷對植物生長具有一定的促進作用，高濃度砷脅迫條件下，植物的生長和生理生化代謝將受到抑制。

研究表明，砷化物有還原作用，可以提高植物細胞中氧化酶的活性，對植物生長具有刺激作用［2］。低濃度的As對魚腥草的生長發育有一定的刺激作用，As的還原作用提高了植物細胞中氧化酶的活性，使土壤中不可給態磷有效化，促進植物的營養吸收，AS還可以殺死或抑制對植物有害的病菌，從而減少病菌對植物的傷害，有利于植物正常生長［27，29］。隨著砷濃度升高，藥用植物黃芪中過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶 （SOD）的活性能夠維持，特別是POD活性顯著增加［11］。黃芪即使受到砷脅迫也能保持較高抗氧化酶活性，起到很好的抗氧化調節作用，抗逆能力有所增加。植物在逆境或衰老條件下，會發生膜脂過氧化作用，MDA就是膜脂過氧化產物之一，其濃度表示脂質過氧化程度和膜系統傷害程度。砷處理濃度增加，黃芪內MDA濃度有所上升，在砷脅迫下黃芪有阻止膜脂過氧化產物生成的能力。土壤噴灑低濃度砷酸鹽能促進藥用植物黃岑（Scutellaria baicalensis Georgi）生長及根系的發育，高濃度砷會降低其生物量［30］。

過量砷可降低植物的蒸騰作用，抑制根系活性，阻礙植物體內水分、養分的吸收和運輸并干擾酶促作用，導致植物生長發育受阻，產量、品質降低［31～33］。引起葉面蒸騰下降，阻礙作物中水分輸送，從根部到地上部的水分供給受到抑制。As對線粒體的呼吸有明顯的抑制作用，砷酸鹽可減弱線粒體氧化磷酸化反應，或使其過程解偶聯。As2O3能造成線粒體內膜電位差破壞，使ATP合成過程無法正常進行，從而不能為細胞提供充足的能量。As毒害能使作物的葉綠素含量隨土壤中的As含量增高而降低，莖葉蔗糖酶活性下降，因而使光合作用受抑制，營養轉化失調，營養生長不良，根重、莖葉重隨之下降［27］。

中醫中藥使用含砷中藥已有3000多年的歷史，砒石（As2O3）、毒砂、雄黃（As4S4或As2S2）、雌黃等均是典型的含砷中藥。 《神農本草》有云，“砒石，辛，大熱，有大毒。歸肺，肝，大腸經。外用蝕瘡去腐，攻毒殺蟲；內服化痰平喘”［34］。可見含砷藥物的功效和毒性是幾千年前古人已經認識并運用的，而且有相當一部分方劑至今還被廣泛應用［35］。然而，砷對健康的危害是多方面的，可引發多器官的組織學和功能上的異常改變，嚴重者還可導致癌變［34］。砷對人體的毒性作用，與砷的化合物形式及其價態、砷暴露時間、砷攝入量、個體敏感性、健康狀況、營養等因素有關。中草藥進入人工胃腸模擬系統后，其無機砷的生物可給性：除知母和天花粉在胃腸階段無機砷的生物可給性較高外，其它中草藥原藥樣品無機砷在胃階段的生物可給性范圍為29.4%～77.0%，草藥原藥中無機砷在小腸階段的生物可給性為29.3%～71.5%；對于煎煮樣品，無機砷胃階段的生物可給性范圍為3.35%～18.9%，無機砷腸階段的生物可給性范圍6.31%～18.4%。由于煎煮可以降低原藥中砷的攝入量，所以與原藥相比，煎煮藥液中無機砷的生物可給性明顯降低，并且對人體的健康風險也隨之降低［36］。砷在體內的毒性作用主要是與細胞中的酶系統結合，使許多酶的生物作用失掉活性而被抑制造成代謝障礙。長期攝入低劑量的砷經過十幾年甚至幾十年的體內蓄積才發病。砷慢性中毒主要表現為末梢神經炎和神經衰弱癥候群的癥狀。目前，砷毒性的研究大多集中在細胞、蛋白質、DNA等微觀水平上進行［37］。

除砷本身的藥效特征外，砷在藥用植物中的累積還會導致其藥效成分的改變。藥用植物的藥效成分包括：生物堿、皂苷、黃酮、多糖、氨基酸和揮發酚等。

皂苷是一類由甾體皂苷元或三萜皂苷元與糖或糖醛酸縮合而成的苷類化合物，分為甾體皂苷和三萜皂苷，廣泛存在于薯蕷科、百合科、五加科、傘形科、豆科、桔梗科、遠志科和葫蘆科等植物中，具有去痰、鎮痛、抗炎、抗疲勞、抗菌和促進核酸和蛋白質合成等作用。環境因子的改變能在一定程度上改變植物皂苷基因的表達和皂苷的合成，影響皂苷產量［38］。土壤As在低濃度時，可以刺激三七的生長，提高某些單體皂苷的含量，同時其他單體皂苷含量降低，且三七塊根中的單體皂苷R1、Rb1和Rg1之和也隨著外源As的增加而降低［10］。通過對不同入藥方式下三七中有效成分三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Rb1和砷的含量測定，研究了不同入藥方式對三七安全有效利用的影響，結果表明乙醇回流的提取方法與水煎煮的提取方法相比，其砷含量較低（平均值分別為0.0235，0.11mg／kg）且保留更多藥效成分含量（總皂苷含量平均值分別為9.098%，7.738%）［39］。因此，不同的入藥方式也將影響砷與藥效成分之間的相互作用。

黃酮作為藥用植物的藥效成分，對藥用植物的生理活性具有主要的作用。在環境脅迫條件下，植物通過增加植物體內黃酮化合物來防御環境脅迫，黃酮是植物綜合防御體系的一部分。黃酮具有一定的清除氧自由基的作用，能降低亞砷酸鹽對細胞的損傷，對細胞具有防護功能［40，41］。環境脅迫能使植物體內的黃酮含量增加，主要是由于環境脅迫可誘導黃酮的生物合成的關鍵酶苯丙氨酸解氨酶和查爾酮合酶的活性和數量的上升，已在燈盞花、草珊瑚和毛地黃等中藥材中得到了證實［13，42－43］。黃芩（Scutellaria baicalensis Georgi）的抗菌有效成分以黃酮類的化合物為主，其中以黃芩苷為最主要的活性成分。當土壤砷脅迫濃度低于200mg／kg時，隨著砷脅迫濃度的增大，黃芩根中黃酮類總量呈增加趨勢［44］。

3 小結與展望

近年來，由于環境砷污染問題的日益突出，藥用植物的砷污染問題不僅涉及到中藥毒性與安全性，而且對藥用植物的產業發展和出口貿易具有重要的影響。藥用植物的砷污染取決于植物的種類、品種、入藥部位、道地性分布、土壤砷含量和形態、大氣和灌溉水質量、化肥和農藥的施用、中藥飲片切制或炮制工藝、草藥生產、貯藏和運輸過程中的污染等。藥用植物的砷污染還影響著植物的生長、生理代謝以及藥效成分的形成和累積。但是，不同藥用植物的砷限量標準還不夠全面，砷污染對藥用植物的生長和不同藥效成分的研究還處于起步階段，亟待進一步深入研究和探討，特別是砷污染對藥效成分影響的生理和分子機制的研究將有助于豐富As影響藥用植物藥效成分代謝的理論和構建As調控提高藥效成分產量的理論與技術。

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Research Progress of Arsenic Pollution and Its Effects on M edicinal Com ponents and Grow th of M edicinal Plants

LIZu－ran1，ZU Yan－qun2
（1.Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China）

This paper reviewed the arsenic pollution in medicinal plants and its effects on medicinal components and growth ofmedicinal plants based on recent literature.The limited standard value of arsenic content inmedicinal plantswas formulated in China and many other counties and regions.It could not be ignored about the status of arsenic pollution in medicinal plants.The content of arsenic inmedicinal plantswas influenced by plant species，varieties，and parts used as medicine，where the plants grow，soil background，and processing technology.The growth ofmedicinal plants and the effects of the plants asmedicine were affected by arsenic pollution.

arsenic；medicinal plant；growth；medicinal components；effect

X173

A

1673－9655（2015）02－0011－06

2014－06－04

國家自然科學基金（41261096）。

李祖然（1992－），男，在讀研究生，主要從事土壤環境生態學方面的研究工作。

祖艷群。