清鎮市煤礦周邊農田Cr、Pb水稻低積累品種篩選及健康風險評價

張容慧, 張秀錦, 柴冠群, 王國坤, 范成五, 秦 松, 何騰兵

(1.貴州大學農學院/新農村發展研究院, 貴陽 550025; 2.貴州民族大學, 貴陽 550025;3.貴州省農科院土壤與肥料研究所, 貴陽 550006; 4.清鎮市種植業服務中心, 貴州 貴陽 551400)

重金屬鉻(Cr)、鉛(Pb)被世界衛生組織認為是毒性最強的元素之一,在國內耕地土壤其點位超標率分別高達1.1%和1.5%,其中礦業和冶煉活動是其主要污染來源[1-2]。清鎮市礦產資源豐富,目前清鎮市已探明的礦產就達30多種,是我國南方鋁土礦儲存量最豐富的地區,且煤炭資源豐富,是貴州省三大煤化工工業基地之一[3]。由于歷史冶煉疊加人為因素,清鎮市的礦產資源被深度開發,產生的大量廢水、廢渣等直接或間接對周邊農田土壤造成了不同程度的重金屬污染[4],導致土壤中Cr、Pb等重金屬含量較高,嚴重影響土壤的農業生產力和農產品輸出潛力。土壤中的Cr、Pb可通過水稻根系吸收富集在其不同部位,糙米對Cr、Pb的累積比食品安全限量值高2～8倍,且Cr比較突出[5],對人體健康威脅較大[6-7]。因此,研究如何減少該區域農作物對重金屬的積累,保障農產品輸出潛力及人體健康安全具有重要意義。

目前,已有大量關于不同區域農田中重金屬污染的調查研究,結果表明,我國不同地區工礦區農田土壤重金屬含量均遠高于普通農田,稻米重金屬存在明顯的累積趨勢,尤其以工礦業及周邊農田污染較突出[5,8]。江蘇省16個鄉鎮稻米存在Cr、Pb污染,重慶典型區域和粵北礦區存在16.7%和54.2%的稻米Cr、Pb超標,而廣東大寶山礦區稻米Cd(100%)、Pb(74.3%)嚴重超過國家安全衛生標準[9-11]。不同品種的水稻對重金屬的累積及耐受性存在較大的差異。田美玲等[12]在Pb含量高達177 mg/kg的土壤上種植9個水稻品種,糙米Pb含量僅為0.004～0.050 mg/kg,相差10倍左右,綜合篩選出五優9708和Y兩優1號這兩個水稻品種為適宜粵北地區種植的重金屬低積累水稻品種。鄒艷虹等[13]以滇南礦區周邊受重金屬復合污染稻田為研究對象,進行2～3年的大田試驗,篩選出滇屯502、宜優2815、云恢290和豐優香占等4個品種為適宜種植推廣。在中、輕度重金屬污染土壤上篩選重金屬水稻低積累品種,可以達到農田重金屬污染的治理目標,同時抑制其進入食物鏈,有效降低農產品的重金屬污染風險,是水稻持續安全生產的一條現實可行的途徑[14-16]。

目前,針對不同礦業活動區域開展了大量水稻重金屬低積累優質品種研究,不同的礦區重金屬污染程度不同,且不同的水稻品種具有不同的生態區域適應性,而針對清鎮市煤礦區周邊農田進行水稻種間替代研究鮮見報道。基于此,本研究在貴州省清鎮市煤礦區周邊青黃泥田水稻土建立試驗小區,以當地主栽的10個水稻品種為受試對象,探討不同水稻品種對Cr、Pb的富集、轉運的潛力差異,并對其進行健康安全評價,以期篩選出具有Cr、Pb低積累潛力,無健康風險的水稻品種,為該礦區水稻安全生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概括

試驗地點位于貴州省清鎮市烏煤礦區周邊農田,地理位置東經106°30′,北緯26°55′,海拔1 259 m。供試土壤類型為青黃泥田土,屬于潛育型水稻土,呈弱酸性,pH值為5.73,有機質為122.20 g/kg,有機質含量較高,土壤肥力為高等水平。Cr含量為197.33 mg/kg,Pb含量為32.87 mg/kg,Cr含量超出了貴州土壤背景值(90 mg/kg)[17],且超出GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》中土壤污染風險篩選值(70 mg/kg)1.44倍,反映了區域內Cr污染狀況。

1.2 供試材料

供試水稻為清鎮市主栽的10個品種(表1),所有水稻秧苗均由貴州省農業科學院提供。

表1 供試水稻品種Table 1 Rice varieties tested

1.3 試驗設計

通過田間小區試驗開展研究,每個品種為1個處理,每個處理3次重復,共計30個小區,10個品種采用隨機區組排列,種植面積為15 m2,種植密度為15.15萬穴/hm2。于2021年4月10日育苗,秧齡52 d,6月2日移栽,9月24日收獲。田間管理與常年栽培措施保持一致。

1.4 樣品采集與處理

水稻樣品:水稻成熟期,每個小區按梅花形取樣法取5株水稻樣品,按同一小區組成混合樣,帶回實驗室測量農藝性狀,用自來水洗凈后再用純水沖洗3遍,置于烘箱105 ℃殺青2 h,80 ℃烘干至恒重后,脫粒、稱重,使用不銹鋼植物粉碎機粉碎,過60目篩后裝入聚乙烯自封袋備用。

土壤樣品:采集水稻植株樣品時,取相應各小區水稻根區土壤樣品,共30個,室內自然風干,剔除植株殘根等,用木錘磨碎,瑪瑙研缽研磨分別過10目和100目尼龍篩,用乙烯自封袋密封保存。

1.5 測定方法

pH值、有機質、總氮、總磷、速效鉀、有效磷、堿解氮等土壤基本理化性質測定參照文獻[18]的測定方法。水稻植株與糙米樣品采用VHNO3∶VHClO4=4∶1混酸濕法消解,土壤樣品采用VHNO3∶VHF∶VHClO4=3∶1∶1高壓密閉法消解,消解液均用ICP-MS(X2,賽默飛)測定。土壤重金屬有效態含量參照HJ804—2016土壤中8種有效態元素的測定,用DTPA-CaCl2-TEA緩沖液浸提,浸提液采用ICP-OES(X2,賽默飛)測定[8]。土壤、植物樣品分別采用空白、平行雙樣以及國家標準物質GBW10012(GSB-3)、(GSS-5)進行質控。

1.6 數據處理

所有數據采用Excel2019軟件計算整理;應用SPSS24.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANVOA),應用Origin2021軟件繪圖。

1.6.1富集、轉運系數

采用生物富集系數(BCF)、轉運系數(TF)表征水稻各部位對Cr、Pb的積累分配情況及吸收特征[19]:

BCF=Ci/Cs

TFa/b=Ca/Cb

式中,Ci為水稻各部位Cr、Pb含量(mg/kg);Cs為供試土壤Cr、Pb含量(mg/kg);a為植株后一部位(以根、莖、葉、稻殼和糙米為序)Cr、Pb含量(mg/kg);b為植株前一部位Cr、Pb含量(mg/kg)。

1.6.2健康風險評價

健康風險評價模型采用目標危險系數 (Target Hazard Quotient,THQ) 進行評價,THQ計算模型表示如下[20]:

式中,EF為暴露頻率 (以365 d/年計) ;ED為暴露年限或期望壽命(年),以70年計;Wrice為人體每日大米攝入量(bg/d);Chm表示大米中的重金屬含量 (mg/kg);RfDo代表口服參考劑量[mg/(kg·d)],Cr、Pb的口服參考劑量(RfDo)分別為0.003,0.004 mg/(kg·d);Bw表示人群的平均身體質量(kg) ,成人(18～45歲) 、青年(7～17歲)和兒童(2～6歲)體重分別為62.7 kg、54.4 kg和16.5 kg。稻米攝入量分別為0.279 4 kg/d、0.239 2 kg/d和0.065 1 kg/d;ATn為非致癌源的平均暴露時間(25 550 d)。

本研究中,土壤存在Cr、Pb復合污染, 因此,采用總目標危險系數(Total Targee Hazard Quotiene,TTHQ)對大米中Cr、Pb的危害進行綜合評價, 計算公式如下:

式中,THQi為第i種重金屬元素的目標危險系數,TTHQ<1表示沒有負面影響;TTHQ>1表示對人體健康產生負面影響的可能性很大;TTHQ>10表示存在慢性毒性效應。

2 結 果

2.1 不同水稻品種各部位Cr、Pb含量特征

參試水稻品種根、莖、葉、稻殼和糙米Cr、Pb含量見圖1,可以看出,Cr在水稻不同組織分布情況為根>莖>葉>稻殼>糙米。其中根、莖、葉、稻殼和糙米的Cr質量分數變化范圍分別為13.56～19.91,2.48～4.85,3.36～5.10,2.07～5.50 mg/kg和1.85～4.3 mg/kg,平均值分別為16.14,3.78,4.04,3.47 mg/kg和2.90 mg/kg,變異系數分別為12.05%,37.08%,46.11%,24.00%,11%。參試水稻品種糙米Cr含量最高和最低的品種為SD08和SD03,10個品種糙米的Cr含量均超出國家規定的標準食品安全物限量(1.0 mg/kg)。Pb在不同組織含量整體呈現為根>稻殼>糙米>莖>葉的分布規律,其中根、莖、葉、稻殼和糙米的Pb含量分別為0.55～0.95,0.03～0.58,0.08～0.23,0.23～0.97 mg/kg和0.08～0.46 mg/kg。平均值分別為0.24,0.47,0.15,0.21 mg/kg和0.79 mg/kg,變異系數分別為21.00%,18.03%,14.04%,44.15%和46.76%。SD01、SD07～SD10等5個品種糙米Pb含量超出國家規定的標準食品安全限值(0.2 mg/kg)。

注:圖中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(p<0.05)。圖1 不同水稻品種各部位Cr、Pb含量Fig.1 Cr and Pb contents in different rice varieties

2.2 不同水稻品種各部位對Cr、Pb富集及轉運特征

2.2.1不同水稻品種各部位對Cr富集及轉運特征

由圖2可見,水稻不同組織Cr的富集系數大小為根>莖≈葉>稻殼>糙米。不同水稻品種根、莖、葉、稻殼和糙米對Cr的富集系數分別為0.055～0.110,0.013～0.035,0.019～0.031,0.007～0.036和0.011～0.025,平均數分別為0.092,0.023,0.024,0.020和0.017,變異系數分別為16.576%,17.257%,15.966%,27.919%和31.935%。10個水稻品種均以根部富集能力最強,且富集系數均小于1。10個水稻品種莖/根、葉/莖、稻殼/莖及糙米/稻殼Cr的轉運系數分別0.134～0.348,0.772～1.700,0.561～1.580和0.420～1.324,糙米/稻殼、葉/莖轉運系數相對較高。Cr從稻殼到糙米的遷移轉運過程中,遷移能力最大的水稻品種為SD06,轉運系數為1.324,顯著高于其他水稻品種的糙米/稻殼,除SD01、SD07～SD09外,其他水稻品種糙米/稻殼的轉運系數均小于1。Cr從莖到葉的遷移轉運過程中,遷移能力最大的水稻品種為SD10,為1.602,除SD01～SD03外,其他品種葉/莖轉運系數均大于1,說明Cr在水稻體內從莖向葉遷移能力較強。

2.2.2不同水稻品種各部位對Pb富集及轉運特征

參試水稻品種根、莖、葉、稻殼和糙米對土壤Pb的富集系數和轉運系數見圖3,水稻不同組織Pb的富集系數分布為根>糙米>稻殼>莖>葉。不同水稻品種根、莖、葉、稻殼和糙米對Pb的富集系數分別為0.014～0.038,0.001～0.018,0.003～0.007,0.005～0.031和0.003～0.014,平均值分別為0.024,0.007,0.005,0.014和0.017,變異系數分別為24.590%,26.866%,34.042%,52.482%和49.813%。10個水稻品種均以根部富集能力最強,且富集系數均小于1。10個水稻品種莖/根、葉/莖、稻殼/莖及糙米/稻殼Pb的轉運系數分別0.022～0.933,0.190～9.876,0.810～11.115和0.420～1.324,稻殼/葉轉運系數最高。Pb從葉到稻殼的遷移轉運過程中,遷移能力最大的水稻品種為SD04,TF為11.115,顯著高于其他水稻品種的稻殼/葉的轉運系數,除SD09和SD10外,其他水稻品種糙米/稻殼的轉運系數均大于1,說明Pb在水稻體內從葉向稻殼遷移能力較強。

圖3 不同水稻品種各部位對Pb的富集和轉運系數Fig.3 Enrichment and transshipment coefficients of Pb in different parts of rice varieties

2.3 不同水稻品種Cr、Pb健康風險評價

表2可見,在Cr、Pb復合污染土壤上種植不同水稻,不同人群通過食用稻米途徑, Cr的THQ均大于1,最高和最低的品種分別為SD08和SD03,不同品種間Cr的THQ差異較大,表明攝入10個品種稻米對不同人群潛在Cr健康風險很大。不同人群通過食用稻米途徑攝入Pb的THQ均小于1, 因此,這10個品種稻米中Pb含量對人群無健康風險。但通過綜合分析總目標危險系數(TTHQ)發現,在同一栽培和管理條件下,所有品種TTHQ值均大于1,不同水稻品種對人體可能產生的健康風險總體表現為:SD08>SD01>SD06>SD02>SD09>SD10>SD04>SD07>SD05>SD03。攝入該研究區的水稻對成人、青少年和兒童的健康風險強弱呈現為成人>青少年>兒童,但同一品種對不同人群產生的健康風險差別不大。

表2 不同水稻品種糙米Cr、Pb健康風險評價Table 2 Health risk assessment of Cr and Pb in brown rice of different varieties

3 討 論

3.1 水稻品種對重金屬吸收的影響

有研究表明,水稻對重金屬元素的耐受性、吸收積累均存在明顯的種間和種內差異。田美玲等[12]研究發現,在同等環境、種植及管理條件下,不同基因型水稻品種稻米As、Cu、Pb和Zn含量較低,存在顯著的基因型差異。林小兵等[21]認為,三系雜交稻Cd、Cr和Hg顯著高于兩系雜交稻。馮愛煊等[22]研究重慶主推13個水稻品種,結果表明,不同水稻品種籽粒Cd、As、Pb和Cr含量極值相差分別超過3,4,20倍和3倍。本研究結果也顯示,不同水稻品種Cr、Pb的含量差異較大,如SD08品種糙米Cr含量是其他品種的1.31～3.86倍,Pb含量是其他品種的1.05～11.11倍。值得注意的是,在土壤Pb并未超過土壤環境限量值時,SD01、SD07～SD10等5個品種Pb含量均超過國家食品安全限量值,表明土壤-水稻系統中Pb累積并非簡單的線性關系[23]。由此可見,水稻對重金屬的積累存在種內基因型差異,三系雜交水稻品種對Cr、Pb的吸收積累能力也會因其基因型差異而不盡相同。王小玲等[24]發現,在Cr為296.48 mg/kg,Pb為193.02 mg/kg的污染土壤中,不同水稻品種根系Cr累積量可高達155.13～256.95 mg/kg,極顯著高于莖葉累積量(18.84～40.31 mg/kg),Pb元素也表現出類似的規律。馮蓮蓮等[25]研究表明,Pb在各組織中的含量表現為根>葉>莖>糙米。本研究中,水稻根系Cr含量是莖、葉、稻殼和糙米含量的4.45,4.08,5.11倍和5.85倍;Pb對應是12.82,6.05,2.05倍和4.25倍,不同品種水稻各部位對Cr、Pb 的吸收累積能力強弱分別為根>葉>莖>稻殼>糙米和根>稻殼>糙米>莖>葉。本研究中水稻不同部位以根部富集能力最強,與前人的研究結論一致,而在不同組織中分布規律不一致。水稻應對重金屬脅迫具有一定適應能力,吸收的重金屬大部分被重金屬螯合物固定在根部液泡中,只有少量向地上部轉運,這也是重金屬元素在水稻根部的含量遠高于地上部含量的重要原因[26]。不同區域研究涉及的土壤類型和土壤環境及農作物品種不盡一致,葉新新等[27]研究發現,9個水稻品種對不同類型土壤(紅泥田和黃泥田)Cd和As的吸收累積能力存在顯著差異,且對紅泥田的吸收能力強于黃泥田。另外,不同組織的重金屬運輸通道和轉運蛋白基因表達能力存在一定的差異,不同水稻品種分泌的成分和釋放速率存在差異,根系分泌的有機酸、酚類物質等種類和數量變化改變了根際Cr、Pb生物有效性,從而促進或抑制水稻對重金屬的吸收能力[26]。

3.2 不同水稻品種重金屬富集轉運特征分析

富集系數與轉運系數一定程度上直接反映水稻對重金屬的富集和轉運能力,且直接影響糙米重金屬含量[28]。王小玲等[24]和林華等[29]研究發現,水稻根系對重金屬吸收富集系數是地上部的0.85～100倍,各部位Cr、Pb的富集系數分別表現為根>葉>稻殼≥莖>糙米和根>莖>葉≥稻殼>糙米。而梁延鵬等[30]和劉志彥等[31]研究表明,重金屬復合污染下水稻不同部位的富集系數表現為根>葉>莖>稻殼>糙米,Pb為根>莖葉>稻殼>稻米。本研究中,水稻各部位Cr、Pb富集系數分別為根>葉≥莖>稻殼>糙米和根>稻殼>莖>糙米>葉,且均小于1,與鮑廣靈等[28]研究不完全一致,推測可能因水稻不同品種間生理特性差異及各組織對Cr、Pb的耐受性不同,導致在水稻體內各部位的轉運速率有差異。本研究Cr的葉/莖轉運系數大于1, Pb的稻殼/葉的轉運系數大于1(除SD09和SD10外),說明水稻葉是阻隔Cr,稻殼是阻隔Pb向糙米遷移的重要器官,稻殼和糙米分別對Cr、Pb具有一定的稀釋效應[32]。而馮愛煊等[22]則認為,Cr、Pb莖葉向籽粒的轉運系數是不同水稻品種基因型差異的重要體現。也有研究表明,隨著水稻生長到成熟期,莖部對重金屬的代謝機制弱化,致使從土壤和根部遷移轉運到莖部的重金屬易積累[33]。

本研究中,不同水稻品種對Cr和Pb的富集系數均較低,對Cr的富集系數明顯相對較高,但其轉運系數遠小于Pb。陳慧茹等[7]研究認為,Cr、Pb在水稻植株中的遷移能力依次為Cr>Pb。本研究結果與之不一致,可能是水稻品種的形態學、遺傳學或離子運輸機制的生理學特性差異,如在水稻根部相關Cr-ATP酶的參與下將提取的Cr區隔在液泡,限制其向地上部運輸[33],導致Pb向上轉能力強于Cr。除此之外,土壤受Cr、Pb復合污染時,Cr和Pb屬于不同族元素,物化性質不相似,水稻根系對Cr、Pb的吸收可能存在某種協同作用,水稻吸收Cr時,促進Pb元素在水稻體內的遷移[34]。可能還與水稻體內Ca離子通道有關,水稻體內Ca離子通道對Cr的轉運作用弱于Pb,導致水稻體內Cr轉運系數小于Pb[35-36]。

3.3 不同水稻品種重金屬健康風險評價分析

不同水稻品種可食用部位重金屬含量可直接影響人類攝入的健康風險,本研究參照健康風險評估模型(USEPA),對10個水稻品種糙米中Cr、Pb進行健康風險評估,結果表明,不同年齡人群攝入不同品種糙米Cr的THQ值均大于1,Pb的THQ均小于1,表明攝入這10個品種糙米對于人體健康有明顯的負面影響 (TTHQ≥1),且對成人的影響大于青少年,大于兒童,但同一個品種對成人、青少年和兒童的影響差別不大,其中Cr為主要貢獻因子。不同年齡段健康風險指數的參數主要為體重和稻米攝入量[37],雖然成人的體重高于青少年、高于兒童,但同時他們的水稻攝入量也高于青少年高于兒童,水稻攝入量與體重之間的比值沒有明顯差異,這可能是成人、青少年和兒童攝入本研究區水稻重金屬產生的健康風險差別不大的原因[38]。近幾年來,Cr、Pb暴露量整體較高,Cr、Pb的暴露量分別占居民總膳食的32.7%,32.3%[39],且大米是中國不同人群攝入Cr、Pb的主要途徑之一[40]。基于此,在培育水稻重金屬低積累水稻品種的同時,更應關注其健康風險指數,篩選對人體健康暴露風險低的水稻品種用于種植及推廣。

4 結 論

參試的10個水稻品種Cr、Pb吸收富集存在一定的差異,各組織對Cr的富集能力強于Pb,而轉運能力遠小于Pb。攝入不同品種稻米對不同人群存在明顯的健康影響,對成人的影響大于青少年和兒童,Cr為主要貢獻因子。所有品種均不適宜種植,健康風險需引起關注。