近年来我国菜地土壤镉(Cd)污染状况堪忧, 由此带来的蔬菜镉污染问题频发, 而蔬菜是人体膳食Cd摄入的重要来源^[1~3], 因此有必要采取高效措施降低蔬菜Cd质量分数, 减少人体Cd摄入.有研究表明, 喷施锌(Zn)肥, 利用Zn/Cd交互作用, 可以有效抑制蔬菜及其他农作物对Cd的吸收转运, 显著降低作物可食部分Cd质量分数^[4~6].

与Cd质量分数相比, 蔬菜Cd的生物可给性(bioaccessibility), 即Cd在胃肠环境中被消化溶出的量, 代表Cd被人体消化吸收的最大潜力, 能更准确地反映蔬菜Cd污染对人体的健康危害^{[7, 8]}.近年来发展的体外消化实验已被用来研究蔬菜Cd的生物可给性, 其中大多数研究分析了污染农田生长或市场销售的蔬菜中Cd的生物可给性, 并评估其健康风险^[9~11].也有一些研究通过盆栽和模拟试验探究蔬菜种类、污染水平、消化实验参数等对Cd生物可给性的影响^{[12, 13]}, 然而尚未有农艺调控措施影响蔬菜Cd生物可给性的研究见诸报道.另外, 与土壤-植物系统中相似, 动物对食品中Cd的吸收也受到Zn/Cd交互作用的影响.研究发现, 提高食品中Zn含量或添加外源Zn可以显著降低动物对食品中Cd的吸收^{[14, 15]}, 然而Zn影响动物Cd吸收是在消化溶出环节, 还是肠道吸收环节发生的作用, 目前尚不明确.

近年来本团队开展的研究表明, 喷施ZnNa₂EDTA和ZnSO₄可有效降低不同品种油菜地上部Cd质量分数, 显著提高其Zn质量分数^[16].基于以上研究, 本文采用水培和体外消化实验, 研究不同Zn营养条件下, 喷施两种Zn肥对油菜Cd、Zn质量分数以及生物可给性的影响, 评估施用Zn肥降低人体Cd摄入提高Zn吸收的潜力, 以期为农艺措施治理菜地Cd污染提供新的思路.

供试的叶用油菜(Brassica chinensis)为前期研究筛选的Cd低积累品种华骏和天津本地广泛栽种的普通品种寒绿, 种子由天津市农业科学院提供^[17].喷施的化学试剂包括：ZnSO₄·7H₂O和乙二胺四乙酸锌二钠四水合物(C₁₀H₁₂N₂O₈Na₂Zn·4H₂O), 体外消化实验所用的化学试剂包括：胃蛋白酶、胰酶、胆盐以及有机酸(柠檬酸、苹果酸、乳酸和醋酸), 均为分析纯, 购自国药集团化学试剂有限公司和Sigma-Aldrich公司.

采用水培试验, 营养液组成如下(μmol·L^-1)：K₂SO₄ 750, KCl 100, KH₂PO₄ 250, Ca(NO₃)₂ 2000, MgSO₄ 650, H₃BO₃ 10, Fe-EDTA 100, MnSO₄ 1.0, CuSO₄ 0.1, (NH₄)₆Mo₇O₂₄ 0.005^[18]; 营养液中ZnSO₄浓度根据不同试验处理确定.营养液pH值为6.5, 用1.0mol·L^-1的HCl和NaOH调节.

该试验采用三因素完全组合设计, 第一个因素为油菜品种, 设置两种油菜.第二个因素为营养液的Zn营养水平, 设置Zn缺乏和正常两个水平, Zn浓度分别为0.1和1.0 μmol·L^-1.第三个因素为喷施不同种类和质量浓度的Zn肥, 设置4个水平, 包括：①对照(CK), 不喷施Zn肥; ②ZnSO₄处理(Zn-S), 喷施3.52 g·L^-1ZnSO₄溶液; ③低浓度ZnNa₂EDTA处理(Zn-E1), 喷施0.88 g·L^-1ZnNa₂EDTA溶液; ④高浓度ZnNa₂EDTA处理(Zn-E2), 喷施1.76 g·L^-1 ZnNa₂EDTA溶液.所有处理的营养液中均添加1.0μmol·L^-1 Cd(CdCl₂·2.5H₂O, 分析纯).共设16个处理(2×2×4), 3次重复, 共计48盆.

试验于2016年8~10月在农业部环保所玻璃温室内进行, 室内温度为19~30℃, 光照为自然光照, 水培器皿按随机区组排列.供试油菜采用装有蛭石的穴盘育苗, 长出4片真叶后, 选择长势一致的幼苗, 移栽至容积为1.5 L的塑料培养皿中, 每个容器种植4株苗, 每天24 h不间断曝气, 每2 d更换1次营养液.在不加Cd的营养液中预培养6 d后, 向营养液中添加Cd, 在加Cd处理的第4、8、12 d分3次喷施相应浓度的Zn肥, 用微型喷雾瓶向每盆喷施15 mL溶液, 在加Cd处理16 d后收获油菜.

油菜收获后取地上部, 采用0.01mol·L^-1 HCl浸泡10 min, 以除去表面残留的Zn^[19].浸泡后的样品经去离子水和超纯水洗净, 吸干水分后称量鲜重, 然后分成两份, 一份在冰箱中4℃下保存, 用于分析样品中Cd、Zn的生物可给性, 另外一份样品在90℃下杀青30 min, 70℃下烘干至恒重, 称量干重, 粉碎混匀, 采用HNO₃-H₂O₂法消解, 消解后样品溶液中的Cd、Zn质量分数采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, ICAPQc, Thermo Fisher Scientific, Germany)测定, 采用波兰核化学与技术学院提供的东方巴斯马烟叶INCT-OBTL-5作为油菜元素质量分数分析的质量控制样品, 两种元素的回收率均在95%~105%范围内.

本研究主要采用Ruby等^[20]提出的实验方法, 并参考Fu等^[7]的方法, 进行了改进.

将冷藏的油菜鲜样用高通量组织研磨仪研磨成匀浆, 称取1.50 g样品, 加入5 mL超纯水摇匀, 然后加入25 mL模拟胃液(每升胃液含有柠檬酸0.50 g、苹果酸0.50 g、乳酸0.42 mL、醋酸0.50 mL、胃蛋白酶1.25 g, 用浓盐酸调整pH值至1.50).将样品置于37℃恒温空气浴摇床中以150 r·min^-1转速振荡1 h, 结束后准确吸取3 mL反应液, 用0.45 μm滤膜过滤, 滤液放在冰箱中4℃保存待测.

用NaHCO₃饱和溶液将上述反应液pH值调至7.0, 向反应液中添加胆盐50 mg和胰酶15 mg, 再将样品置于37℃恒温空气浴摇床中以150 r·min^-1转速振荡4 h.结束后将反应液转移至50 mL离心管, 常温下3 800 r·min^-1离心10 min, 记录溶液体积, 用针筒吸取5 mL上清液, 用0.45 μm滤膜过滤, 置于冰箱中4℃保存待测.待测溶液经稀释后采用ICP-MS测定样品中的Cd、Zn质量分数.

蔬菜中Cd、Zn在胃或小肠阶段的生物可给性由公式(1)计算：

(1)

式中, BAC为蔬菜中Cd、Zn在胃或小肠阶段的生物可给性, %; C₁为体外消化实验胃或小肠阶段反应液中Cd、Zn的可溶态质量浓度, μg·mL^-1; V₁为各阶段的反应液体积, mL; C₂为样品中Cd、Zn质量分数, μg·g^-1; M为消化实验中加入样品的质量, g.

参考Wei等的研究^[21], 基于生物可给性的人体每日Cd、Zn摄入量(bioaccessible established daily intake, BEDI)由公式(2)计算：

(2)

式中, BEDI是人体食用蔬菜单位体重日均摄入Cd、Zn的量, μg·(kg·d)^-1; C₂为蔬菜中Cd、Zn质量分数, μg·g^-1; BAC为蔬菜中Cd、Zn的生物可给性, %, 由于人体对重金属的吸收主要在小肠部分进行, 因此该处采用小肠阶段的生物可给性; M_v为人均每日蔬菜食用量, 取269.4 g·d^-1; BW为中国18岁及以上居民平均体重, 取61.8 kg^[22].

试验数据采用Excel 2010和SPSS 11.5软件进行统计分析.采用三因素、单因素方差分析以及新复极差法(Duncan法)分析不同处理间油菜Cd、Zn质量分数和生物可给性的差异显著性, 采用Pearson相关阵法分析不同指标之间的相关性.

由图 1(a)可见, 不同Zn营养条件下喷施Zn肥对两种油菜的地上部Cd质量分数影响不同.就普通品种寒绿来说, 缺Zn条件下喷施Zn肥未能显著降低其地上部Cd质量分数, Zn-E2处理下Cd质量分数反而显著升高; 而在Zn正常营养下, 喷施高浓度的ZnNa₂EDTA使其地上部Cd质量分数显著低于对照处理, 降幅为14.46%.对于Cd低积累品种华骏, 缺Zn条件下Zn-S和Zn-E1处理的地上部Cd质量分数显著低于对照, 降幅分别为23.84%和45.62%;在Zn正常条件下, 喷施低浓度和高浓度的ZnNa₂EDTA均使其地上部Cd质量分数显著降低, 与对照处理相比分别减少23.03%和26.87%.

图 1

Fig. 1

图中不同字母代表处理间有显著差异(P＜0.05), 下同 图 1 不同处理下两种油菜地上部镉和锌质量分数(鲜基) Fig. 1 Cd and Zn concentrations in shoots from two cultivars of pakchoi under different treatments (fresh weight basis)

三因素方差分析表明(见表 1), 油菜品种、Zn营养条件以及喷施处理对油菜Cd质量分数都有极显著的影响(P＜0.01).就品种因素来看, 寒绿的Cd质量分数均值为华骏的2.99倍, 表明两种油菜在地上部Cd累积能力上有明显的基因型差异.就Zn营养因素来看, 正常Zn条件下油菜Cd质量分数均值比缺Zn条件下降低42.01%, 表明Zn缺乏时在生长介质中补充Zn肥可有效抑制油菜地上部Cd累积.

表 1 (Table 1)

表 1 油菜地上部镉锌质量分数的三因素方差分析和多重比较结果1) Table 1 Results of analysis of variance and multiple comparisons of the Cd and Zn concentrations in pakchoi shoots 项目 类型 镉质量分数 锌质量分数 油菜品种 P=0.000 1 P=0.953 4 方差分析结果 锌营养水平 P=0.000 1 P=0.000 1 喷施处理 P=0.001 7 P=0.000 1 寒绿 0.89±0.37a2) 16.05±14.91a2) 华骏 0.30±0.12b 16.01±16.15a 缺锌 0.75±0.45a3) 13.73±11.03b3) 多重比较结果 正常锌 0.44±0.27b 18.33±18.72a CK 0.57±0.29bc4) 3.43±0.60d4) Zn-S 0.65±0.37ab 40.01±10.18a Zn-E1 0.48±0.28c 6.76±1.41b Zn-E2 0.67±0.60a 13.92±2.22c 1)表中不同字母代表处理间有显著差异(P＜0.05); 2)各油菜品种的地上部镉、锌质量分数均值; 3)不同锌营养条件下油菜地上部镉、锌质量分数的均值; 4)不同喷施处理下油菜地上部镉、锌质量分数的均值; 下同

表 1 油菜地上部镉锌质量分数的三因素方差分析和多重比较结果1) Table 1 Results of analysis of variance and multiple comparisons of the Cd and Zn concentrations in pakchoi shoots

由图 1(b)可知, 喷施Zn肥可显著提高两种油菜地上部Zn质量分数.在Zn缺乏条件下, 喷施ZnSO₄和高浓度的ZnNa₂EDTA显著提高两种油菜地上部Zn质量分数, 与对照相比增幅范围为2.93~8.09倍; 在Zn正常条件下, 所有喷施Zn肥处理均能显著提高油菜Zn质量分数, 与对照相比增幅范围为1.01~17.67倍.三因素方差分析结果(见表 1)显示, 油菜品种对地上部Zn质量分数没有显著影响, 而Zn营养和喷施处理对Zn质量分数则有极显著的影响.其中, Zn正常条件下油菜Zn质量分数比Zn缺乏条件下增加33.49%.

图 2显示了两种油菜地上部Cd在胃和小肠阶段的生物可给性随Zn营养条件和喷施处理的变化规律.在模拟胃消化阶段, 所有喷施处理均使油菜Cd的生物可给性显著降低, 与对照处理相比降幅范围为10.82%~35.81%.三因素方差分析结果(表 2)显示, 油菜品种对Cd的生物可给性没有显著影响; 而Zn营养和喷施处理两个因素则对Cd的生物可给性有显著或极显著的影响, 其中, 正常Zn条件下油菜Cd的生物可给性显著高于缺Zn条件下; 不同喷施处理下, ZnSO₄降低生物可给性的效果最佳.

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理下油菜地上部镉在胃和小肠阶段的生物可给性 Fig. 2 Bioaccessibility of cadmium in shoots of pakchoi in the gastric and small intestinal phases under different treatments

表 2 (Table 2)

表 2 油菜地上部镉在胃和小肠阶段生物可给性的三因素方差分析和多重比较结果 Table 2 Results of analysis of variance and multiple comparisons of bioaccessibility of cadmium in shoot of pakchoi in the gastric and small intestinal phases 项目 类型 胃阶段 小肠阶段 油菜品种 P=0.899 3 P=0.424 7 方差分析结果 锌营养水平 P=0.036 8 P=0.045 7 喷施处理 P=0.000 1 P=0.000 1 寒绿 65.71±10.84a 30.71±9.78a 华骏 65.59±10.74a 31.36±9.19a 缺锌 64.63±11.95b 30.20±9.29b 多重比较结果 正常锌 66.67±9.38a 31.87±9.62a CK 81.74±4.98a 34.94±2.88a Zn-S 58.16±4.66c 15.77±3.17b Zn-E1 61.85±4.92b 37.21±3.12a Zn-E2 60.86±5.64b 36.21±2.68a

表 2 油菜地上部镉在胃和小肠阶段生物可给性的三因素方差分析和多重比较结果 Table 2 Results of analysis of variance and multiple comparisons of bioaccessibility of cadmium in shoot of pakchoi in the gastric and small intestinal phases

在模拟小肠消化阶段, 单因素和三因素的多重比较结果都表明, 喷施ZnSO₄处理下油菜Cd的生物可给性最低, 比对照减少46.40%~59.24%;而绝大多数喷施ZnNa₂EDTA处理与对照相比没有显著差异.另外, 三因素方差分析结果显示, 油菜品种同样对小肠阶段Cd的生物可给性没有显著影响, 而Zn营养和喷施处理两个因素则有显著或极显著的影响, 其中, 正常Zn条件下油菜Cd的生物可给性显著高于缺Zn条件下.

总体上, 油菜品种对Cd在胃和小肠阶段的生物可给性没有显著影响, 而Zn营养和喷施处理都有显著影响; 在模拟胃消化阶段, 所有喷施Zn肥处理均能显著降低Cd的生物可给性, 而在模拟小肠消化阶段, 只有喷施ZnSO₄能显著降低Cd的生物可给性.另外, 油菜Cd在胃阶段的生物可给性明显高于小肠阶段.

不同处理下油菜Zn在胃和小肠阶段生物可给性的变化特征如图 3所示.在模拟胃消化阶段, 油菜品种和Zn营养因素对Zn的生物可给性都没有显著影响.在不同喷施处理中, ZnSO₄和高浓度ZnNa₂EDTA可显著降低Zn的生物可给性, 其均值与对照处理相比降幅分别为28.02%和16.04%, 喷施ZnSO₄处理降低效果更强.

图 3

Fig. 3

图 3 不同处理下油菜地上部锌在胃和小肠阶段的生物可给性 Fig. 3 Bioaccessibility of zinc in shoot of pakchoi in the gastric and small intestinal phases under different treatments

在模拟小肠消化阶段, 图 3(b)显示, 绝大多数喷施Zn肥处理显著降低了油菜Zn的生物可给性, 与对照相比降幅范围为33.49%~68.90%, 其中ZnSO₄处理降低效果最强.三因素方差分析表明(见表 3), 油菜品种对小肠阶段Zn的生物可给性有显著影响, 华骏体内Zn的生物可给性显著高于寒绿; 而Zn营养条件对油菜Zn的生物可给性没有显著影响.

表 3 (Table 3)

表 3 油菜地上部锌在胃和小肠阶段生物可给性的三因素方差分析和多重比较结果 Table 3 Results of analysis of variance and multiple comparisons of bioaccessibility of zinc in shoot of pakchoi in the gastric and small intestinal phases 项目 类型 胃阶段 小肠阶段 油菜品种 P=0.666 4 P=0.000 1 方差分析结果 锌营养水平 P=0.582 1 P=0.848 4 喷施处理 P=0.000 1 P=0.000 1 寒绿 64.21±11.20a 40.53±13.61b 华骏 63.48±11.61a 46.68±18.07a 缺锌 64.31±12.79a 43.73±16.71a 多重比较结果 正常锌 63.38±9.81a 43.47±15.88a CK 72.00±9.95a 65.27±10.44a Zn-S 51.83±5.89c 25.08±4.28d Zn-E1 71.10±7.55a 45.75±7.06b Zn-E2 60.45±7.33b 38.29±3.41c

表 3 油菜地上部锌在胃和小肠阶段生物可给性的三因素方差分析和多重比较结果 Table 3 Results of analysis of variance and multiple comparisons of bioaccessibility of zinc in shoot of pakchoi in the gastric and small intestinal phases

综上所述, Zn营养条件对油菜Zn在胃和小肠阶段的生物可给性没有显著影响; 喷施ZnSO₄处理显著降低Zn在胃和小肠阶段的生物可给性, 且效果明显强于喷施ZnNa₂EDTA处理.另外, 配对t检验表明, 油菜Zn在胃阶段的生物可给性极显著高于小肠阶段.

为了评价人体因食用油菜摄入Cd、Zn的健康风险, 本文采用油菜地上部Cd、Zn质量分数和生物可给性数据, 计算了基于生物可给性的单位体重每日摄入Cd、Zn的量(BEDI).

Cd对于人体是一种有毒元素, 联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会推荐Cd暂定每月耐受摄入量为25 μg·kg^-1, 换算成每日耐受值(provisional tolerable daily intake, PTDI)为0.83 μg·(kg·d)^-1[23].如图 4(a)所示, 对于寒绿, 在两种Zn营养条件下, 只有喷施ZnSO₄处理下BEDI值低于推荐的PTDI值, 而其余处理的BEDI值都超过推荐值, 食用这种Cd污染的油菜会给人体带来较高的健康风险.对于低积累品种华骏, 所有处理的BEDI值都低于推荐的PTDI值, 其中喷施ZnSO₄和低浓度ZnNa₂EDTA处理的BEDI值显著低于对照处理.另外, 三因素方差分析(表 4)表明, 油菜品种、Zn营养以及喷施处理对油菜Cd的BEDI值都有极显著的影响.具体来看, 华骏的BEDI均值显著低于寒绿, 正常Zn条件下的BEDI均值显著低于缺Zn条件, 喷施ZnSO₄处理的BEDI值最低.综上所述, 食用Cd污染的普通油菜寒绿会因Cd摄入过量而有较高的健康风险, 而通过选择低积累油菜华骏或喷施ZnSO₄可以有效降低这种健康风险.

图 4

Fig. 4

图 4 不同处理下人体每日通过食用油菜摄入镉和锌的量 Fig. 4 Values of daily intakes of cadmium and zinc via consumption of pakchoi under different treatments

表 4 (Table 4)

表 4 人体每日镉锌摄入量的三因素方差分析和多重比较结果 Table 4 Results of analysis of variance and multiple comparisons of values of daily intakes of cadmium and zinc 项目 类型 镉摄入量 锌摄入量 油菜品种 P=0.000 1 P=0.003 5 方差分析结果 锌营养水平 P=0.000 1 P=0.015 4 喷施处理 P=0.000 1 P=0.000 1 寒绿 1.15±0.57a 25.10±20.24b 华骏 0.40±0.19b 28.61±24.24a 缺锌 0.98±0.67a 25.44±20.33b 多重比较结果 正常锌 0.57±0.35b 28.28±24.21a CK 0.88±0.46b 9.44±1.72d Zn-S 0.43±0.22d 61.72±14.12a Zn-E1 0.77±0.42c 13.01±1.47c Zn-E2 1.03±0.86a 23.26±3.72b

表 4 人体每日镉锌摄入量的三因素方差分析和多重比较结果 Table 4 Results of analysis of variance and multiple comparisons of values of daily intakes of cadmium and zinc

作为一种人体必需的重金属元素, Zn对人体健康作用具有两面性, 摄入不足和过量都有不良影响.文献[24]提出膳食Zn的推荐摄入量为12.5 mg·d^-1, 可耐受最高摄入量为40 mg·d^-1[24], 将这两个数值分别除以居民平均体重61.8 kg, 得到膳食Zn摄入量的推荐值和上限值, 另据调查表明, 食用蔬菜摄入的Zn占膳食Zn总量的比例为10.2%^[25], 将上述数值乘以该比例, 即可得到蔬菜膳食Zn摄入量的推荐值和上限值, 分别为20.63 μg·(kg·d)^-1和66.02 μg·(kg·d)^-1.由图 4(b)可知, 对于在不同Zn营养条件下的两种油菜, 对照处理和喷施低浓度ZnNa₂EDTA处理下Zn的BEDI值都低于推荐值, 喷施高浓度ZnNa₂EDTA处理Zn的BEDI值则高于推荐值, 低于上限值, 而喷施ZnSO₄处理下Zn的BEDI值最高, 除了缺锌条件下的寒绿以外都略低于上限值.三因素方差分析(表 4)表明, 油菜品种、Zn营养以及喷施处理对油菜Zn的BEDI值都有显著或极显著的影响, 其中, 华骏的BEDI均值显著高于寒绿, 正常Zn条件下的BEDI均值显著高于缺Zn条件.综上所述, 食用未喷施Zn肥或喷施低浓度ZnNa₂EDTA的油菜有Zn摄入不足的风险, 而食用喷施ZnSO₄或高浓度ZnNa₂EDTA的油菜可以满足蔬菜膳食Zn摄入的需要, 其中喷施ZnSO₄效果更好.

通过体外消化实验测定植物中重金属的生物可给性, 实质就是采用人工配制的消化液来提取重金属在植物中的某些可溶形态, 因此重金属的生物可给性受到元素、植物以及消化方法三大类因素的影响^[26].首先就元素来说, 重金属的种类、质量分数、在植物体内的亚细胞分布以及赋存形态都会影响它的生物可给性. Intawongse等的研究发现^[12], 在污染土壤中栽培的蔬菜可食部分累积不同浓度的多种重金属, 它们的生物可给性存在明显差异, 例如蔬菜中的Pb在胃阶段的生物可给性范围为7%~27%, 而Cd的可给性范围为19%~58%, 前者明显低于后者.本研究中油菜中的Cd在胃和小肠阶段的生物可给性均值分别为65.65%和31.03%, 而Zn在胃和小肠阶段的可给性均值分别为63.85%和43.60%, 两种元素在胃阶段的可给性相近, 而在小肠阶段Zn则高于Cd.本研究测定油菜Cd的生物可给性范围与Fu等^[7]以及Wei等^[21]的研究结果基本一致, 明显高于Aziz等^[8]的分析结果; 油菜Zn的生物可给性则高于Hu等^[9]在香港调查的芸苔属蔬菜的Zn可给性, 上述差异可能与供试蔬菜品种、元素质量分数以及具体消化方法不同有关.另外在本研究中, 油菜Zn在胃和小肠阶段的生物可给性和Zn质量分数均呈现极显著的负相关性(见表 5), 这和Intawongse等^[12]的研究结果一致, 他们发现生菜叶片中的Cd和Zn以及菠菜叶片中的Zn在小肠阶段的可给性都随元素质量分数升高而降低.

表 5 (Table 5)

表 5 油菜镉、锌质量分数以及镉、锌在胃和小肠阶段生物可给性的相关性分析1) Table 5 Correlation coefficients for cadmium and zinc concentrations in pakchoi and bioaccessibilities of cadmium and zinc in the gastric and small intestinal phases 镉在胃阶段生物可给性 镉在小肠阶段生物可给性 锌质量分数 锌在胃阶段生物可给性 锌在小肠阶段生物可给性 镉质量分数 -0.104 -0.160 0.085 -0.124 -0.235 镉在胃阶段生物可给性 0.388** -0.527** 0.484** 0.763** 镉在小肠阶段生物可给性 -0.842** 0.571** 0.601** 锌质量分数 -0.663** -0.742** 锌在胃阶段生物可给性 0.753** 1) n=48; **表示在0.01水平(双侧)显著性相关

表 5 油菜镉、锌质量分数以及镉、锌在胃和小肠阶段生物可给性的相关性分析1) Table 5 Correlation coefficients for cadmium and zinc concentrations in pakchoi and bioaccessibilities of cadmium and zinc in the gastric and small intestinal phases

其次就植物因素来看, 植物的种类、品种以及体内相关成分诸如膳食纤维、多酚、植酸以及蛋白质等的质量分数和形态, 都会影响植物体内重金属的生物可给性.盆栽试验和市场调查都表明, 重金属的生物可给性存在显著的种间差异, 例如香港市场上芸苔属蔬菜Cd在胃阶段的生物可给性均值为71%, 茎菜类为32%, 鳞茎类则为56%^[9]. Wei等^[21]和Khan^[27]的研究表明, 油菜Cd的生物可给性上还存在明显的种内差异, 即不同品种间生物可给性差别较大.在本研究中, 油菜品种因素对Cd在胃和小肠阶段以及Zn在胃阶段的生物可给性没有显著影响, 对Zn在小肠阶段的可给性则有极显著影响, 有趣的是, 两个油菜品种在地上部Cd累积上有显著差异, 在Zn累积上没有明显差异, 这表明重金属生物可给性的种内差异和重金属质量分数的种内差异没有直接联系, Wei等的研究也发现^[21], 20个油菜品种在Cd质量分数上的差异和排序与生物可给性的并不一致.

最后就消化方法来看, 消化液的pH值、酶组分、固液比例以及消化时间等都会影响重金属的生物可给性测定结果, 其中pH值影响最大.研究发现, 蔬菜特别是叶菜类蔬菜中的Cd和Zn在胃阶段的生物可给性都明显高于小肠阶段, 一般认为这和两个阶段消化液的pH值和组分不同有关.具体来说, 胃阶段消化液有较低的pH值(1~4), 含有胃蛋白酶, 由于Cd、Zn在植物细胞内多分布在细胞质以及液泡中, 为可溶状态, Cd多与金属硫蛋白等低分子量可溶蛋白结合, 因此较低的pH值和分解蛋白的酶能显著促进Cd、Zn在胃阶段的溶出^{[7, 21]}; 在小肠阶段pH值显著升高(5~8), 蛋白酶在较高pH值下失去活性, 而新加入的胰酶和胆盐则主要分解淀粉等多糖组分以及脂肪, Waisberg等的研究发现^[13], 提高pH值会使得消化液中溶解的Cd重新被蔬菜样品吸附, Cd可能与膳食纤维结合或与植酸生成沉淀, 从而导致消化液提取Cd的量明显降低.在本研究中, Cd、Zn在胃阶段的可给性明显高于小肠阶段, 也证实了这一点.

本研究发现喷施Zn肥对油菜Cd的生物可给性有极显著的影响, 相关性分析结果显示(见表 5), 油菜地上部Zn质量分数与Cd在胃和小肠阶段的可给性呈现极显著的负相关性, 这表明, 喷施Zn肥显著提高油菜Zn质量分数, 进而通过Zn/Cd拮抗作用显著抑制油菜Cd的消化溶出.研究发现, 添加外源物质或烹饪措施会通过改变重金属在植物体内的结合形态, 来影响重金属的生物可给性^[26]; 而Fu等认为^[7], 叶菜类蔬菜中Cd和Pb的生物可给性存在差异主要是因为二者的亚细胞分布不同, Cd主要分布在细胞质和液泡等可溶组分中, 而Pb则主要分布在细胞壁中, 与多糖组分结合, 因此Pb比Cd更难消化溶出.基于以上研究, 笔者推断喷施Zn肥可能改变了Cd在油菜体内的化学形态或亚细胞分布, 进而影响其生物可给性.陈贵青等的研究发现^[28], 喷施Zn肥处理下辣椒果实中乙醇、水以及NaCl提取态Cd的比例显著降低, 而醋酸提取态和残渣态Cd的比例显著升高, 这表明Zn/Cd交互作用可以改变辣椒体内Cd的化学形态, 减少易溶态质量分数, 增加难溶态质量分数; 而周小勇等的研究表明^[29], 在Zn/Cd复合处理下, 提高Zn处理浓度使长柔毛委陵菜叶片的Cd在细胞壁中分配比例显著升高, 在细胞质中分配比例显著降低.上述研究表明, 添加外源Zn确实可以改变植物体内Cd的化学形态和亚细胞分布, 而喷施Zn肥对油菜Cd的化学形态和亚细胞分布是否也有相同的作用, 则需要进一步研究证实.

(1) 正常Zn营养下油菜Cd质量分数显著低于缺Zn条件下, 喷施ZnNa₂EDTA可以显著降低油菜Cd质量分数; 正常Zn营养下油菜Zn质量分数显著高于缺Zn条件下, 喷施Zn肥可显著提高油菜地上部Zn质量分数, 其中喷施ZnSO₄处理效果最佳.

(2) 正常Zn营养下油菜Cd的生物可给性显著低于缺Zn条件下, 喷施Zn肥显著降低油菜Cd在胃阶段的生物可给性, 与对照相比最大降幅为35.81%, 喷施ZnSO₄显著降低Cd在小肠阶段的可给性, 最大降幅为59.24%;喷施Zn肥使油菜Zn在胃和小肠阶段的生物可给性显著低于对照处理, 最大降幅为68.90%, 其中ZnSO₄降低效果明显强于ZnNa₂EDTA; 油菜Cd、Zn在胃阶段的生物可给性明显高于小肠阶段, 油菜地上部Zn质量分数与Cd、Zn的生物可给性呈现极显著的负相关性.

(3) 食用Cd污染的普通油菜寒绿摄入Cd的量超过暂定每日耐受摄入量, 通过选择低积累油菜华骏或喷施ZnSO₄可以显著减少人体摄入Cd的量, 使其低于每日耐受值; 食用未喷施Zn肥或喷施低浓度ZnNa₂EDTA的油菜有Zn摄入不足的风险, 而食用喷施ZnSO₄或高浓度ZnNa₂EDTA的油菜可以满足蔬菜膳食Zn摄入的需要, 其中喷施ZnSO₄效果更好.

(4) 总体上来看, 喷施Zn肥可显著降低油菜地上部Cd、Zn的生物可给性, 同时有效减少人体食用油菜摄入Cd的量, 提高摄入Zn的量, 其中喷施ZnSO₄处理的效果最佳.