芋和茭白重金属累积特性及主产区残留量检测与风险评估

摘要

通过盆栽试验，分别设计6个铅(Pb)和镉(Cd)浓度梯度预处理土壤，研究了不同浓度重金属胁迫下芋不同器官中Pb或Cd的富集规律及对生长发育的影响;同时，通过对5个芋产区和4个茭白产区进行取样调查，检测了各产区土样和植物样(芋各器官包括母芋、子芋、叶柄和叶片;茭白各器官包括茭白和叶片)中Pb、Cd和砷(As)的含量，并应用内梅罗综合污染指数法(NCPI)、潜在生态风险指数法(PERI)和地球累积指数法(GAI)三种指数法和富集因子对土壤重金属生态危害及在芋和茭白中的迁移与富集进行了分析和评价。每日可能摄入量(EDI)和目标风险系数(THQ)来评估重金属在可食用器官中累积的健康风险。主要结果如下:
　　 1.外施Pb、Cd，Pb和Cd能很好地在土壤中富集，土壤中Pb或Cd的含量与对照有显著差异，且有明显的剂量效应。在Pb污染土壤中(≥250 mg/kg)，芋各器官中Pb的富集均显著高于对照，在低外施浓度Pb(500 mg/kg)胁迫下，Pb的含量大小为叶片＞可食用球茎＞叶柄，而当外施浓度大于500 mg/kg时，可食用球茎＞叶片＞叶柄;低浓度Cd（0.5 mg/kg）胁迫下，芋各器官中Cd的富集与对照没有明显差异;继续增加Cd浓度到1.5 mg/kg时，Cd的富集有明显增加，且叶柄＞可食用球茎＞叶片。
　　 2.Pb或Cd胁迫下，芋的功能叶片数和子芋分蘖数的变化不大，但株高和叶长、叶宽有一定的变化，其中，Pb胁迫表现为抑制作用，Cd则相反;
　　 3.Pb或Cd胁迫对芋生理生化有一定的影响。在发棵期，Pb胁迫使叶绿素和可溶性糖含量先升高后下降，MDA和可溶性蛋白含量增加;Cd胁迫使叶绿素、MDA、可溶性糖和可溶性蛋白含量均增加，且Pb或Cd胁迫都导致SOD活性下降，CAT和POD活性增强。在膨大期，Pb胁迫下的叶绿素含量变化并不明显，但MDA含量增加，可溶性糖和可溶性蛋白含量先增加后下降;Cd胁迫使叶绿素含量下降，MDA和可溶性蛋白含量增加，可溶性糖先下降后上升。
　　 4.Pb或Cd胁迫可导致芋产量有一个明显的下降，其中不同浓度Pb胁迫分别导致芋产量比对照下降34.2％、46.6％、45.1％、52.2％和53.5％，不同浓度Cd胁迫则分别为56.5％、38.3％、21.9％、38.9％和31.8％。
　　 5.在芋、茭白产区土壤中，除GX-LJV、ZJ-WJW和ZJ-HZ样本中Cd的残留量超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，超标率分别为50％、20.8％和15.0％，其它产区土壤Pb、Cd和As都未超标。应用NCPI、PERI和GAI评价可以得到一致结果为:相比Pb和As，各产区土壤Cd的残留量更高，对农业生态环境的危害性更大。具体表现为:GX-LP和ZJ-YH样本Cd最大值处于较高生态风险，而综合评价为中度生态风险，相应地也有最高的SPI和Igeo; HB-HC、JX-YS、ZJ-JH和ZJ-TX样本最大和平均Cd都呈现中度生态风险;同时较高的地球累积指数(Igeo＞0)表明GX-LP、FJ-FD、JX-YS、ZJ-YH也可能受到Pb污染的威胁。
　　 6.富集因子(Bioaccumulation factor)结果表明，在芋产区，Pb和As从土壤向芋迁移的能力较小，Cd较大，富集因子大小表现为Cd＞As＞Pb，这和盆栽试验中Pb更多积累在地下球茎，而Cd在叶柄中富集最多的结果是一致的;但在茭白产区，茭白各器官对Pb、Cd和As的吸收和富集主要表现为:As＞Cd＞Pb，且Pb、Cd主要富集在叶片中，而As则主要富集在肉质茭中。
　　 7.芋产区Cd污染更严重，其中与GX-LP产区个别土壤样本受污染相对应地，个别植物样本也受到Cd的污染，以及在无Cd污染土壤下JX-YS所有植物样本Cd受到污染;在茭白产区，同一产区的样本表现出了不同步性，如AH-YX样本中的AH-YBV2、AH-DXV和AH-SJV叶片中Cd含量超过了相关限量标准，但其它样本甚至低于检出限，这进一步说明农业生产上重金属污染的来源更加复杂，人为因素可能是重金属污染的一个重要来源。
　　 8.参照中国国家《食品污染物限量》(GB2762-2005)，在外施Pb或Cd污染的土壤中，芋食用部位可高富集Pb而Cd相对较低，母芋和子芋中最高富集浓度分别是食品卫生限量标准的53.2和21.7倍，Cd仅为2.48和1.85倍。健康风险系数分析可知，尽管在芋、茭白各产区仅少数食用器官（母芋、子芋和茭白）样本受到Pb或Cd污染，其中，仅JX-YS产区芋产品器官Cd超标严重，对应地儿童THQ大于1.0而成人接近1.0，表明可能存在Cd的健康风险;各产区As残留量远低于中国国家标准，但多数芋地区和全部的茭白产区As的THQ（Target hazard quotient）及几乎所有的产区TTHQ(Total THQ)都大于1.0，暗示我国芋、茭白产区As的残留量可能导致高的健康风险。

目录

声明

摘要

缩写词英汉对照表

第一章 前言

1．1 课题的提出

1．2 我国水生蔬菜产业化发展概况

1．3 我国蔬菜重金属污染状况

1．4 水生蔬菜对重金属的富集

1．5 水生蔬菜重金属污染来源

1．6 重金属对人体的危害

1．6．1 铅

1．6．2 镉

1．6．3 汞

1．6．4 砷

1．7 重金属对水生蔬菜的毒害性

1．8 植物对重金属胁迫的响应及耐受机制

1．8．1 络合作用

1．8．2 植物抗氧化系统

1．8．3 金属离子的区隔化

1．8．4 重金属转运蛋白

1．9 课题的研究内容、目的、意义及技术路线

1．9．1 课题的研究内容、目的和意义

1．9．2 课题的技术路线

第二章 Pb和Cd在芋各器官中富集特征的研究

2．1 材料与方法

2．1．1．试验材料

2．1．2 试验设计

2．1．3 田间栽培与管理

2．1．4 试验方法

2．1．5 统计分析

2．2 结果与分析

2．2．1 土壤中Pb含量与芋各器官中Pb的富集特征

2．2．1 土壤中Cd含量与芋各器官中Cd的富集特征

2．3 讨论

2．3．1 外施Pb和Cd与土壤中Pb和Cd的富集

2．3．2 土壤中Pb和Cd的含量与芋各器官中Pb和Cd的富集

2．3．3 芋食用器官中Pb、Cd的含量与食品卫生限量

第三章 Pb和Cd对芋生长发育及产量的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验设计

3．1．3 田间栽培与管理

3．1．4 试验方法

3．1．5 统计分析

3．2 结果与分析

3．2．1 Pb和Cd胁迫对芋生长发育的影响

3．2．2 Pb和Cd胁迫对芋生理生化的影响

3．2．3 Pb和Cd胁迫产量的影响

3．3 讨论

3．3．1 重金属毒性及植物机体的调节响应平衡

3．3．2 重金属污染对芋产量的影响

第四章 芋和茭白主产区重金属残留调查与分析

4．1 采样区域

4．1．1 芋主产区采样区域

4．1．2 茭白主产区采样区域

4．2 样品采集和处理方法

4．3 土壤重金属污染评价方法

4．4 蔬菜重金属残留健康风险评价

4．5 数据统计与分析

4．6 结果与分析

4．6．1 各芋主产区重金属残留现状及评价

4．6．2 各茭白主产区重金属残留现状及评价

4．6．3 讨论

参考文献

致谢

已发表的文章