硒鎘高背景區(qū)茶葉中硒和砷、汞、鎘的積累與浸出特征研究

楊如意，楊 程，石曉菁，張夢婷，高業(yè)能

（1.安徽師范大學環(huán)境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241002；2.安徽省水土污染治理與修復工程實驗室，安徽 蕪湖 241002）

茶居于全球三大非酒精飲料之首，飲茶對人類健康有多重益處。大量研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中的多酚、多糖等物質(zhì)具有抗炎癥、抗氧化、抗腫瘤等多種功效[1-2]。然而，茶葉的品質(zhì)會受到產(chǎn)地環(huán)境、生產(chǎn)工藝、存貯和運輸條件的顯著影響。茶葉中的重金屬[3]、氟化物[4]、持久性有機污染物[5]、殺蟲劑[6]等殘留超標會對飲用者的健康產(chǎn)生威脅。硒是人體必需的微量元素之一，硒的生物學功能和對人體健康的重要作用近年來正受到越來越廣泛的關(guān)注[7]。研究表明，施硒不僅可以提高茶葉產(chǎn)量、改善品質(zhì)[8]，而且能夠提高茶葉的抗氧化[9]和抗腫瘤功能[10]、增強對肝損傷的保護作用[11]。此外，近年來發(fā)現(xiàn)在土壤-水稻系統(tǒng)中硒與砷、汞、鎘、銻等重金屬之間存在明顯的拮抗作用[12-15]，這種現(xiàn)象在其他谷物[16]、蔬菜[17]和水果[18]中也同樣存在。但是，硒能否減少茶葉對重金屬的積累，進而降低其健康風險，目前尚無相關(guān)研究報道。由于硒通常與重金屬伴生，因此無論硒是來自于天然富硒土壤還是外源人工添加，均有可能增加茶葉積累重金屬的風險。另外，硒攝入過量也會引起硒中毒。因此，闡明富硒茶中硒和重金屬的積累與浸出特征，對于有效降低飲用富硒茶帶來的健康風險十分必要。

本研究從安徽省石臺縣的一處硒鎘地質(zhì)高背景區(qū)采集了土壤和茶葉樣品，主要研究目的包括：（1）分析土壤中硒、砷、汞、鎘的存在形態(tài)，在茶葉中的積累特征，以及兩者的相關(guān)性；（2）研究采茶時間、茶葉成熟度和炒制溫度對茶葉中硒和重金屬含量的影響；（3）研究最佳的富硒茶沖泡條件，以及該條件下硒和重金屬的浸出特征和健康風險。本研究結(jié)果對闡明地質(zhì)高背景區(qū)微量元素的生物地球化學循環(huán)，以及在農(nóng)作物中的積累和潛在健康風險具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 采樣點位置Figure 1 The location of study site

采樣點（30°01′20.5″～30°02′39.48″N，117°17′16.66″～117°22′34.46″E）位于安徽省池州市石臺縣仙寓鎮(zhèn)大山村的富硒茶園（圖1）。該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16℃，平均降雨量1 626.4 mm，蒸發(fā)量1 256.2 mm。氣溫和降雨季節(jié)變化明顯，最低和最高氣溫出現(xiàn)在1月和7月，分別為3.5℃和27.9℃。大部分（71%）降雨集中在4月到7月，月平均降雨量在57 mm（12月）到414 mm（6月）。全年日照時間1 704.4 h，無霜期234 d。

采樣點位于黃山風景區(qū)西面約70 km，是皖南山區(qū)主要產(chǎn)茶區(qū)之一。石臺縣是我國除湖北恩施州和陜西紫陽縣以外的第三大天然富硒區(qū)。與其他兩地一樣，石臺縣土壤中的硒主要來源于寒武系荷塘組的石煤層[19]，其土壤類型屬黃棕壤。大山村位于石臺縣的富硒核心區(qū)，也是國際硒研究學會（International Society for Se Research）的研究基地之一，2012年石臺富硒茶被授予“中國地理標志產(chǎn)品”稱號。

1.2 土壤與茶葉采集

茶園海拔為200～350 m，坡度45～60°。2016年9月（非采茶期），從10個分散的茶園共采集30份成對的土壤和茶葉樣品。每個茶園隨機設(shè)置3個樣方（2 m×2 m），采集3份土壤樣品（0～20 cm），每份約 450 g。同時，分別采集約100 g頂芽（一芽二葉）和150 g成熟葉。樣品采集后立即帶回實驗室，采樣點位置用GPS進行定位。

2017年4月（采茶期），采用同樣的方法采集同一株茶樹的頂芽和成熟葉，分析采茶時間對茶葉中硒和重金屬含量的影響。

1.3 土壤化學性質(zhì)測定及元素分析

土壤樣品風干后用研缽磨碎，分別過10目與100目篩，室溫保存、備用。新鮮的茶葉嫩芽一部分85℃殺青30 min，60℃烘干；另一部分按照當?shù)馗晃璧闹谱鞴に囘M行加工，主要工序包括：攤青（含水量70%～75%）、炒青（220～260℃）、冷卻（室溫）、理條（110～120℃，含水量 30%～40%）、烘干（毛火，90～120℃，含水量20%～30%；足火，80～90℃，含水量≤6.5%）、攤涼等。成熟葉全部85℃殺青30 min，60℃烘干至恒質(zhì)量。所有茶葉樣品均研磨成細粉，過40目篩，室溫干燥保存。

土壤pH值采用1 mol?L-1的KCl制成水、土混合液（土∶溶液=1∶2.5），pH計測定。氧化還原電位（Eh）采用鉑電極直接測定法測定。有機質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定[20]。土壤總磷采用H2SO4-HClO4消解，鉬銨藍比色法測定[21]。土壤速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰原子吸收分光光度計（AA-6650，島津，日本）測定[20]。

土壤中的硒、汞、砷含量按照《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定》（HJ 680—2013）進行測定；土壤中的鎘含量按照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定》（GB/T 17141—1997）進行測定；茶葉中硒、汞、砷、鎘的含量分別按《食品安全國家標準食品中硒的測定》（GB 5009.93—2017）、《食品安全國家標準食品中總汞及有機汞的測定》（GB 5009.17—2014）、《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》（GB 5009.11—2014）和《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）等標準方法進行測定。

采用改進的BCR連續(xù)提取法分析土壤中硒、汞、砷、鎘的化學形態(tài)[22]，采用原子熒光或原子吸收分光光度法測定其含量。

1.4 富硒茶沖泡條件的優(yōu)化

以沖泡時間、溫度和次數(shù)3個條件設(shè)計混合正交試驗，茶葉的用量為0.5 g，沖泡用水量為25 mL（W/V，1∶50）。沖泡時間分別為0.5、3、5、10 min和15 min；溫度分別為100、95、90、85℃和80℃；次數(shù)分別為1、2次和3次。正交試驗共計25個組合，茶湯中硒和重金屬的測定方法同1.3。

1.5 質(zhì)量控制

硒、砷、汞和鎘的標準溶液購自北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司，4℃冰箱保存?zhèn)溆谩｜S棕壤（GBW07405，GSS-5）和灌木枝葉（GBW07603，GSV-2）標準物質(zhì)購自國家標準物質(zhì)研究中心。實驗用水為超純水，試劑均為優(yōu)級純。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用單因子指數(shù)法（公式1）評價土壤重金屬背景值超標情況。

式中：Pi為污染物i的單因子指數(shù)；Ci為污染物i的背景值；Si為污染物i的風險篩選值，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）。

對土壤理化性質(zhì)和重金屬含量（總量和形態(tài)）進行Pearson相關(guān)分析。采用獨立樣本t檢驗分析采集時間、葉片成熟度、炒制溫度3個因子對茶葉中硒、砷、汞、鎘的影響。富硒茶最佳沖泡條件采用正交試驗設(shè)計，利用多因素方差分析（MNOVA）研究沖泡時間、次數(shù)和溫度的影響。

通過以下兩個公式計算飲用富硒茶產(chǎn)生的重金屬暴露量：

式中：EDI（Established daily intake）為日均攝入量；LC（Leaching concentration）為茶湯中重金屬的浸出含量，mg?kg-1；TC（Tea consumption）為日均茶葉消費量，按11.4 g?人-1?d-1計；BW為人均體重，成人按63.7 kg計[23]。目標危害系數(shù) THQ（Target hazard quotient）表征茶湯中硒、砷、汞的長期暴露風險，用公式（3）計算：

式中：EF為暴露頻率（Exposure frequency），365 d?a-1；ED為暴露時長（Exposure duration），按70年計；RfD為美國環(huán)保局（USEPA）建議的硒、砷、甲基汞經(jīng)口暴露的參考劑量，分別為 5×10-3、3×10-4、1×10-4mg?kg-1?d-1；AT為非致癌暴露的平均時間，365 d?a-1×70 a；10-3為單位轉(zhuǎn)換因子。THQ大于1表示健康風險高。

所有統(tǒng)計分析均由SPSS軟件（V.20.0,SPSS,Inc.,Chicago,USA）完成，顯著性水平分別為P＜0.05和P＜0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學性質(zhì)和重金屬含量

如表1所示，土壤pH為3.78～5.02，平均值4.10，低于茶樹生長最適宜的pH范圍（4.5～6.0）。土壤有機質(zhì)達42.23 g·kg-1，含量豐富。氧化還原電位為356.63 mV，土壤通氣性良好。土壤總硒為0.90～9.93 mg·kg-1，平均值3.60 mg·kg-1，數(shù)據(jù)空間變異較大。根據(jù)我國表層土壤中硒元素的生態(tài)景觀閾值[24]，53.33%的土壤樣品硒含量達到高硒水平（0.40～3.00 mg·kg-1），46.67%的土壤樣品硒過量（＞3.00 mg·kg-1）。土壤砷、汞總量均低于GB 15618—2018中的土壤污染風險篩選值，Pi分別為0.43和0.058。但是，土壤總鎘含量達1.35 mg·kg-1，Pi為4.5，所有樣點均遠高于風險篩選值，其中8個樣點高于風險管控值（1.5 mg·kg-1）。

土壤中微量元素形態(tài)差異較大。硒主要以殘渣態(tài)為主，占50.44%，其次為可交換態(tài)，占17.54%；砷以殘渣態(tài)和可氧化態(tài)為主，占87.42%，可交換態(tài)僅占1.54%；汞以可氧化態(tài)和殘渣態(tài)為主，占79.80%，可交換態(tài)僅為0.51%；而鎘的可交換態(tài)占總量的比例高達57.31%，表明此茶園土壤中鎘的活性遠高于其他3種重（類）金屬。

土壤中硒、砷、汞、鎘的總量和可交換態(tài)含量與土壤pH、Eh、有機質(zhì)之間均沒有顯著相關(guān)性（P＞0.05）；可交換態(tài)汞、鎘與其總量之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），但可交換態(tài)硒、砷與總硒、總砷之間并無顯著相關(guān)性；總硒、可交換態(tài)硒與砷、汞、鎘的總量和可交換態(tài)含量之間也不存在顯著相關(guān)性。

2.2 采樣時間、葉片成熟度和炒制溫度對茶葉中硒和重金屬含量的影響

從表2中可以看出，清明采集的茶葉頂芽60℃烘干處理，硒含量為0.88 mg·kg-1，滿足《富硒茶》（NY/T 600—2002）標準（0.25～4.00 mg·kg-1）。春茶在60 ℃烘干條件下，茶葉對硒、砷、汞、鎘的富集系數(shù)分別為0.24、0.02、0.26和0.08，均低于1。對照《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》（NY 659—2003）相關(guān)標準，本研究茶葉中砷、汞、鎘均未超標。土壤總硒與春茶（烘干）的硒、汞含量極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與砷、鎘含量呈負相關(guān)，但未達到顯著水平。

表1 土壤化學性質(zhì)和重金屬含量（n=30）Table 1 Soil chemical properties and heavy metal concentrations（n=30）

樣品采集時間、葉片成熟度、炒制溫度等3個因子對茶葉中硒和重金屬含量的影響有明顯差異。秋季采集時，茶葉中積累的硒沒有明顯變化，鎘的含量下降了54.55%，但是砷和汞含量均顯著增加，尤其是砷含量，增加了1.86倍。而同在清明采集的成熟葉片中硒的含量與嫩芽相比沒有明顯變化，但是砷、鎘含量顯著增加，其中砷增加了4.36倍，汞含量則顯著下降。高溫炒制使茶葉中硒的含量明顯降低，而其他3種重金屬的含量沒有明顯變化。

2.3 富硒茶沖泡條件的優(yōu)化

沖泡后，富硒茶茶湯中的鎘含量均低于檢出限。多因素方差分析結(jié)果表明，校正模型對硒、砷、汞3種元素的P值均小于0.01，模型極顯著，對茶湯中硒、砷、汞含量變化的解釋能力分別為80.2%、87.8%和93.8%。如表3所示，沖泡溫度和次數(shù)均對硒的浸出有極顯著影響（P＜0.01），但沖泡時間的影響不明顯（P＞0.05）。硒的浸出受溫度影響最大，其次是沖泡次數(shù)，最佳的沖泡條件是100℃、沖泡1次、時間10 min，此時浸出量可達0.083 mg·kg-1（浸出率為26.06%），此條件下砷和汞的浸出量分別為0.056 mg·kg-1和0.002 mg·kg-1。

2.4 茶葉中重金屬的健康風險

由于茶湯中鎘的浸出量低于檢出限，因此僅計算茶湯中硒、砷、汞的EDI和THQ。從結(jié)果可以看出（表4），成人通過飲茶攝入硒、砷、汞的EDI分別為1.07×10-2、6.46×10-3和 2.43×10-4μg·kg-1·d-1。按照 FAO/WHO設(shè)定的硒、無機砷、甲基汞的PTMI（Provisional tolerable monthly intake）或 PTWI（Provisional tolerableweekly intake）可計算出每日耐受攝入量TDI（Tolerable daily intake）分別為6.28、2.1、0.23μg·kg-1·d-1。可見茶湯中的硒、砷和汞遠低于其TDI，較為安全。THQ的排序為砷＞汞＞硒，但THQ值均遠小于1，表明不存在明顯的健康風險。

表3 沖泡溫度、次數(shù)和時間對茶湯中硒、砷、汞浸出量的影響Table 3 The effect of brewing temperature,times and duration on the concentrations of selenium（Se）,arsenic（As）and mercury（Hg）in the infusion

表4 茶湯中硒、砷、汞的日均攝入量和目標危害系數(shù)Table 4 The established daily intake（EDI）and target hazard quotient（THQ）of selenium（Se）,arsenic（As）and mercury（Hg）in the infusion

3 討論

產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量是決定農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。我國耕地土壤污染嚴重，點位超標率達19.4%，以重金屬為代表的無機污染尤為突出。近年來，采礦、施肥等人類活動引起的重金屬污染問題引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。但是，地質(zhì)高背景區(qū)土壤中的重金屬受自然過程和人為過程的共同影響，其遷移、轉(zhuǎn)化、富集特征與機制，以及相關(guān)的健康效應(yīng)與人為污染區(qū)存在明顯區(qū)別。因此，研究這類區(qū)域重金屬在農(nóng)作物中的富集作用和潛在的健康風險對于選擇合適的作物類型、保障食品安全都具有重要意義。

表2 采樣時間、葉片成熟度和炒制溫度對茶葉中硒、砷、汞、鎘含量的影響（n=30）Table 2 The concentrations of selenium（Se）,arsenic（As）,mercury（Hg）and cadmium（Cd）in tea leaves as functions of harvest season,leaf maturity and drying temperature（n=30）

3.1 硒地質(zhì)高背景區(qū)硒和砷、汞、鎘在茶葉中的富集特征

石臺縣大山村是國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的典型硒高背景區(qū)，土壤中的硒主要來源于黑色巖系中的炭質(zhì)頁巖[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，該地茶園土壤均達到富硒水平，總硒遠高于江蘇省的茶園土壤[25]，且有46.67%的土壤樣品存在硒過量問題，但可交換態(tài)硒的占比僅為17.54%。硒的形態(tài)差異大也可能與使用的提取方法和提取劑不同有關(guān)。土壤中鎘的背景值遠超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中的土壤污染風險篩選值，這與鄰近的浙西地區(qū)和我國西南地區(qū)廣泛分布的黑色巖系的特征一致[26-27]。鎘的可交換態(tài)高達57.31%，在作物中富集的風險很大。無論黑色巖系風化土壤還是普通茶園土壤，鎘的生物有效性都很高，這可能與我國南方土壤pH普遍較低、離子交換態(tài)鎘的占比高有關(guān)[28]。但是，本研究中鎘的可交換態(tài)含量與土壤pH、Eh和有機質(zhì)的相關(guān)性均不顯著，這與該地水稻土的情況也有明顯差異。影響鎘形態(tài)的關(guān)鍵環(huán)境因子還需進一步研究。

土壤硒對茶葉中硒和汞的富集有促進作用，對砷和鎘的積累無明顯拮抗現(xiàn)象。硒與重金屬元素的相互作用與雙方的含量、形態(tài)，進入土壤和作物的方式，以及作物類型可能都有關(guān)系[29-30]。因此，雖然本研究沒有發(fā)現(xiàn)硒能夠降低砷、汞、鎘3種重金屬的積累，但并不能說明添加外源硒沒有拮抗重金屬的作用。茶葉中硒的含量較適宜，3種有毒重金屬也均未出現(xiàn)超標。雖然，土壤中鎘的背景值和有效性很高，但茶葉對鎘的富集能力遠低于水稻和葉類蔬菜[27，29]。茶葉加工過程中高溫炒制會導致大量的硒損失，比例高達63.51%，表明硒對高溫十分敏感，而其他3種重金屬無明顯變化。因此，在不影響茶葉品質(zhì)的前提下可以考慮適當精簡加工程序，降低炒制溫度。采集時間和葉片成熟度對茶葉中砷、汞、鎘的含量均有顯著影響，但變化規(guī)律有所差異。砷和汞在秋季茶樹生長速度較慢時積累量較高，而鎘與此相反；成熟葉積累的砷和鎘顯著高于頂芽，而汞卻更易于在頂芽中積累。這些規(guī)律對于重金屬背景值較高或中低度污染區(qū)保障茶葉的食品安全具有一定的指導意義。

3.2 硒地質(zhì)高背景區(qū)茶葉中硒和砷、汞、鎘的浸出特征和健康風險

茶葉與水稻不同，只有在沖泡過程中進入茶湯的硒和重金屬才可能對人體健康產(chǎn)生影響。稻米中硒90%以上以硒代蛋氨酸（SeMet）等有機硒形式存在[31]，茶葉中也主要是有機硒，但比例低于水稻[32]。高溫炒制導致茶葉中硒大量損失可能跟硒的賦存形態(tài)有關(guān)；同時，這也可能對沖泡過程中硒的浸出量產(chǎn)生明顯影響。沖泡溫度和次數(shù)對硒浸出的影響十分明顯，溫度越高浸出量越大，而隨著沖泡次數(shù)的增加，硒的浸出量快速降低。本研究表明，在最佳的沖泡條件下，茶葉中最高只有26.06%的硒能進入茶湯，高于Chen等[32]獲得的結(jié)果（18.3%），但是兩項研究中所使用的浸提方法有差異。與硒不同，砷主要受沖泡次數(shù)和時間影響，而汞主要受沖泡溫度影響，其最大浸出量分別為0.056 mg·kg-1和0.002 mg·kg-1。本研究中，鎘的浸出量低于檢出限，這與前人的研究結(jié)果有明顯不同，可能與鎘在茶葉中的結(jié)合形態(tài)有關(guān)。

本研究以硒和重金屬在茶湯中的浸出量為依據(jù)，計算了EDI和THQ。結(jié)果表明，所有元素的EDI均遠低于FAO/WHO設(shè)定的耐受值，THQ均小于1，無明顯健康風險。這比此前以茶葉中重金屬含量為基礎(chǔ)得到的結(jié)果更加準確。但是，目前關(guān)于茶葉中重金屬賦存形態(tài)和毒理的相關(guān)研究還很少。USEPA和FAO/WHO只設(shè)定了甲基汞的RfD和無機砷的TDI值（2011年已被撤消），上述情況會對計算結(jié)果和結(jié)論的可靠性有較大影響。另外，進入消化系統(tǒng)的重金屬也并不能全部被機體所吸收，因此利用體外胃腸道消化模擬系統(tǒng)分析重金屬的生物可給性（Bioaccessibility）對于準確預(yù)測其健康風險十分必要[33]。

4 結(jié)論

（1）研究點茶園土壤硒鎘背景值高，茶葉均達到富硒茶標準，砷、汞、鎘未出現(xiàn)超標現(xiàn)象。土壤硒與茶葉中硒和汞的含量極顯著正相關(guān)，對砷、鎘的積累無拮抗作用。

（2）高溫炒制導致茶葉中63.51%的硒損失。秋季采集時，茶葉中鎘的含量下降了54.55%，但砷和汞含量均顯著增加。成熟葉片中砷、鎘含量顯著增加，汞含量則顯著下降。

（3）茶葉中硒的浸出主要受沖泡溫度和次數(shù)影響，最大浸出量為0.083 mg·kg-1，浸出率為26.06%。

（4）富硒茶硒、砷、汞、鎘的EDI均低于TDI值，THQ遠小于1，無明顯健康風險。