2020, Vol. 39
2. 农业农村部产地环境污染防控重点实验室, 天津 300191
2. Key Laboratory of Original Agro-Environmental Pollution Prevention and Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tianjin 300191, China
小麦是我国乃至全球的主要粮食作物之一，全球一半以上人口以小麦为主食，其年产量超过6.5亿t[1]。近年来，小麦的镉(Cd)污染问题引起广泛关注。Liu等[2]在甘肃白银大东沟流域的采样调查表明，春小麦籽粒Cd含量均值为1.88 mg·kg-1，超过我国食品安全标准限值的17.8倍。而在河南新乡市Cd污染农田中，小麦籽粒Cd含量超标1.7~12.8倍[3]。局部地区严重的小麦Cd污染问题亟待解决。有研究表明，喷施锰(Mn)和锌(Zn)等微量元素肥料，通过元素间的拮抗作用可以显著降低小麦籽粒Cd含量，同时提高小麦微量养分含量，改善其营养品质，对于治理小麦Cd污染具有重要的应用价值[4-5]。
小麦Cd污染对人体健康的影响不仅取决于籽粒Cd含量，还与Cd的生物可给性密切相关。生物可给性是指在胃肠环境中食品中的污染物消化溶出的比例，它能准确地表征污染物被人体消化吸收的潜力[6]。近年来，人们采用多种体外模拟消化方法分析了小麦、稻米以及蔬菜等农作物中Cd的生物可给性，并评估了食用这些农产品对人体的健康风险[7-10]。少数学者还采用该类方法研究了喷施微素肥料对作物营养元素和污染物生物可给性的影响。例如，Wei等[11]通过大田试验研究了喷施不同形态Zn肥对水稻籽粒Zn生物可给性的影响，发现喷施ZnSO4和氨基酸结合态Zn可显著提高水稻籽粒Zn生物可给性。王林等[12]通过水培试验研究了喷施不同形态Zn肥对叶用油菜(Brassica chinenesis)Cd生物可给性的影响，发现喷施ZnSO4可以显著降低油菜Cd在胃和小肠阶段的生物可给性，最大降幅分别为35.81%和59.24%。然而，有关喷施微素肥料对小麦籽粒Cd生物可给性的研究尚未见报道。鉴于此，本文通过大田试验，采用体外模拟消化方法，研究喷施Zn肥和Mn肥对小麦籽粒Cd、Mn和Zn含量及其生物可给性的影响，定量评价喷施Zn肥和Mn肥对人体因食用小麦而摄入Cd、Mn和Zn健康风险的影响，以期为我国小麦Cd污染的治理提供新的思路。
1 材料与方法 1.1 试验地点与材料试验地点位于河南省新乡市某Cd污染农田。当地从20世纪80年代开始生产镍镉电池，工厂排放的含Cd废水导致河水污染，农户使用污染河水灌溉导致土壤Cd污染。土壤类型为石灰性潮土，基本理化性质如下：pH 7.89，有机质含量为21.05 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为158.01、44.25、289.32 mg·kg-1，总Cd、Mn和Zn含量分别为3.52、346.90 mg· kg-1和54.58 mg·kg-1，有效态Cd、Mn和Zn含量(DTPA法浸提)分别为1.22、17.80 mg·kg-1和5.50 mg·kg-1。
供试冬小麦品种为金穗116，播种量为150 kg· hm-2。喷施的化学试剂包括MnSO4·H2O和ZnSO4· 7H2O，皆为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。
1.2 试验设计与方法试验采用随机区组设计，设置10个处理，分别为：对照(CK，喷施自来水)；3个Mn肥单一处理，喷施MnSO4·H2O，剂量分别为4、8、12 mmol·L-1，分别记作Mn1、Mn2、Mn3；3个Zn肥单一处理，喷施ZnSO4 · 7H2O，剂量分别为4、8、12 mmol·L-1，分别记作Zn1、Zn2、Zn3；3个Mn肥和Zn肥复配处理，喷施MnSO4· H2O和ZnSO4·7H2O，剂量分别为：(2+2)、(4+4)、(6+6)mmol·L-1，分别记作Mn-Zn-1、Mn-Zn-2、Mn-Zn-3。每个处理设置3个重复，共计30个小区，每个小区面积为32 m(2 4 m×8 m)，按照随机区组排列，小区之间通过覆盖塑料布的田埂和0.5 m宽的保护行区隔。
小麦于2018年9月下旬播种，在小麦的拔节期(2019年4月上旬)、抽穗期(2019年4月下旬)以及灌浆期(2019年5月上旬)喷施3次肥料，每个小区每次喷施体积为2 L。在2019年5月底收获小麦，每个小区按照五点法采集50个麦穗样品。其田间管理与当地小麦管理措施一致，在小麦播种前按照N 150 kg· hm-2和P2O5 100 kg·hm-2施用尿素和过磷酸钙作为基肥，在小麦越冬前、返青、拔节以及灌浆期使用地下水灌溉。
1.3 样品处理与Cd、Mn和Zn含量分析麦穗经人工脱壳得到麦粒，用自来水和去离子水清洗，然后在95 ℃下杀青30 min，75 ℃下烘干至恒质量，粉碎并过40目筛混匀备用。每份样品分为两部分，一部分用于分析样品中Cd、Mn和Zn的生物可给性，另一部分称取0.25 g加入8 mL优级纯浓HNO3，在电热消解仪(DigiBlock ED54，北京莱伯泰科)上消解[13]，消解后样品溶液中的Cd、Mn和Zn含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，ICAPQc，Thermo Fisher Scientific，Germany)测定，采用国家粮食局科学研究院提供的小麦粉标准物质(GBW08503c)作为金属元素含量分析的质量控制样品，各元素的回收率均在95%~105%范围内。
1.4 体外模拟消化试验采用体外模拟消化试验测定小麦籽粒中Cd、Mn和Zn的生物可给性，所用试验方法主要参考Ruby等[14]提出的PBET(Physiologically based extraction test)方法和Fu等[15]的研究方法。在模拟胃消化阶段，称取1.50 g小麦粉，加入30 mL模拟胃液，振荡1 h后离心，然后吸取5 mL溶液待测；在模拟小肠消化阶段，补充5 mL胃液，保证固液比不变，然后加入猪胆盐和胰酶，振荡4 h后离心，准确记录上清液体积。胃和小肠阶段消化滤液经稀释后采用ICP-MS测定溶液中的Cd、Mn和Zn含量。
1.5 数据统计与分析参考王林等[12]的研究，根据模拟消化试验中消化液体积、元素含量以及小麦粉的质量和元素含量计算小麦样品中Cd、Mn和Zn在胃阶段或小肠阶段的生物可给性(%)。
参考Wei等[11]的研究，根据小麦中相关元素的生物可给性、元素含量、人体每日摄入量以及居民平均体质量，计算基于生物可给性的人体每日Cd、Mn和Zn摄入量(Bioaccessible established daily intake，BEDI，μg·kg-1·d-1)。其中，生物可给性采用小肠阶段数据；人体每日小麦类食物摄入量取142.8 g·d-1[16]；我国居民平均体质量取61.8 kg[16]。
试验数据采用Excel 2016和SPSS 24软件进行统计分析。采用单因素方差分析以及新复极差法(Dun-can法)分析不同处理下小麦Cd、Mn和Zn含量及生物可给性的差异显著性。
2 结果与分析 2.1 喷施MnSO4和ZnSO4对小麦籽粒Cd、Mn和Zn含量的影响由图 1(a)可知，喷施不同浓度的Mn肥和Zn肥均可显著降低小麦籽粒中Cd的含量(P < 0.05)。在Mn肥和Zn肥单一处理下，与对照相比小麦Cd含量的降幅范围分别为9.28%~35.25%和31.85%~36.85%；其中，喷施MnSO4处理下小麦中Cd的含量随Mn肥处理浓度升高而减小，而喷施ZnSO4处理的降Cd效果受Zn肥处理浓度影响不大。在Mn和Zn肥复配处理下，小麦Cd含量降幅范围为21.26%~47.45%，其中MnZn-2处理下小麦Cd含量降幅最大。总体来看，单独喷施Zn肥和复配处理降低小麦Cd含量的效果优于单独喷施Mn肥处理。
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不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同 The different letters show significant differences among treatments at the 0.05 level. The same blow 图 1 不同处理下小麦籽粒Cd、Mn和Zn含量 Figure 1 Cd, Mn and Zn concentrations in wheat grains under different treatments |
由图 1(b)可知，喷施Mn肥可显著提高小麦籽粒Mn含量(P < 0.05)。单独喷施MnSO4提高小麦Mn含量的效果最为显著，增幅范围为17.72%~32.75%，其中高浓度MnSO4处理效果最好。Mn和Zn肥复配处理也能显著提高小麦Mn含量，与对照相比增幅为12.84%~19.62%。而单独喷施ZnSO4对小麦Mn含量无显著影响。
由图 1(c)可以看出，喷施不同浓度的Mn肥和Zn肥对小麦籽粒Zn含量影响不同。单独喷施MnSO4对小麦Zn含量无显著影响。而Zn2、Zn3以及Mn-Zn-3处理下小麦Zn含量显著提高(P < 0.05)，分别比对照处理增加了22.32%、36.39%以及25.18%；其余Zn肥单一及复配处理下小麦籽粒Zn含量没有显著变化。
2.2 喷施MnSO4和ZnSO4对小麦籽粒Cd生物可给性的影响图 2显示了小麦籽粒Cd在胃和小肠阶段的生物可给性。小麦Cd在胃阶段生物可给性变化范围为58.15%~88.31%，而在小肠阶段可给性变化范围为47.97%~56.95%，前者明显高于后者。如图 2(a)所示，在模拟胃消化阶段，单独喷施Mn肥和中低水平的Zn肥对小麦Cd的生物可给性没有显著影响；而喷施高水平Zn肥则显著降低其生物可给性，降幅为14.12%。Mn和Zn肥复配处理均使胃阶段Cd生物可给性上升，增幅为4.39%~16.04%，其中Mn-Zn-2处理下生物可给性显著升高。在模拟小肠消化阶段[图 2 (b)]，所有喷施处理对小麦Cd生物可给性均无显著影响。
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图 2 不同处理下小麦籽粒Cd在胃和小肠阶段的生物可给性 Figure 2 Cd bioaccessibility in wheat grains in the gastric and small intestinal phases under different treatments |
不同喷施处理下小麦籽粒Mn在胃和小肠阶段生物可给性的变化特征如图 3所示。小麦Mn在胃阶段的生物可给性明显高于小肠阶段，前者变化范围为69.54%~96.62%，而后者变化范围为31.43%~ 42.10%。在模拟胃消化阶段[图 3(a)]，在Mn肥单一处理下，随着Mn处理浓度升高，Mn的生物可给性呈现逐步降低趋势；在Mn和Zn肥复配处理下，随着处理浓度升高，Mn的生物可给性却呈现逐步升高趋势；然而，总体上来看，喷施处理对小麦Mn在胃阶段的生物可给性没有显著影响。在模拟小肠消化阶段[图 3(b)]，喷施高浓度MnSO4可显著提高小麦Mn的生物可给性，增幅为5.64%；而高浓度Mn和Zn肥复配处理则显著降低Mn的生物可给性，降幅为5.03%。其余喷施处理对小肠阶段小麦Mn的可给性都没有显著影响。
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图 3 不同处理下小麦籽粒Mn在胃和小肠阶段的生物可给性 Figure 3 Mn bioaccessibility in wheat grains in the gastric and small intestinal phases under different treatments |
图 4所示为小麦籽粒Zn在胃和小肠阶段的生物可给性。图 4(a)显示，在模拟胃消化阶段，喷施高浓度ZnSO4显著提高小麦Zn的生物可给性，与对照相比增幅为12.16%。喷施MnSO4处理使小麦Zn的生物可给性呈现逐步降低趋势，但是变化并不显著。在Mn和Zn肥复配处理下，随着处理浓度升高，小麦Zn的生物可给性也不断增加，但是变化也不显著。在模拟小肠消化阶段[图 4(b)]，喷施高浓度MnSO4显著提高小麦Zn的生物可给性，与对照相比增加了19.63%。中高水平的ZnSO4处理以及Mn和Zn肥复配处理均显著降低了小麦Zn的生物可给性，降幅范围为6.94%~ 20.59%；其中Mn和Zn肥复配处理下随着处理浓度升高，小麦Zn的生物可给性逐步降低。
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图 4 不同处理下小麦籽粒Zn在胃和小肠阶段的生物可给性 Figure 4 Zn bioaccessibility in wheat grains in the gastric and small intestinal phases under different treatments |
利用不同喷施处理下小麦Cd、Mn和Zn含量以及生物可给性进行计算，获得了人体通过食用小麦而摄入Cd、Mn和Zn的量(BEDI)，以此来评价喷施措施对人体食用小麦导致健康风险的影响。
Cd元素对人体有严重的毒害作用，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建议Cd的每日允许暴露剂量为0.83 μg·kg-1·d-1[17]，根据有关调查数据[18]，米面制品对我国膳食Cd摄入的贡献率为34%，假设全部为小麦制品，可以计算得到小麦膳食Cd摄入量的上限值，为0.28 μg·kg-1·d-1。据图 5 (a)所示，CK、Mn1、Mn2和Mn-Zn-1处理下小麦中Cd的BEDI值均高于推荐的上限值，其余喷施处理的BEDI值则低于上限值。喷施MnSO4和ZnSO4均可显著降低小麦Cd的BEDI值，随着处理浓度升高，BEDI值逐步降低，与对照相比降幅范围分别为16.92%~ 37.29%和33.39%~39.88%。Mn和Zn肥复配处理也可显著降低小麦Cd的BEDI值，最大降幅为42.86%。喷施处理显著降低小麦Cd的BEDI值的作用主要与小麦Cd含量显著降低有关。食用Cd污染的小麦人体会产生Cd摄入过量的健康风险，而通过喷施ZnSO4、高浓度MnSO4或中高浓度Mn和Zn肥可以有效降低这一健康风险。
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图 5 不同处理下人体每日通过食用小麦摄入Cd、Mn和Zn的量 Figure 5 Values of daily intakes of Cd, Mn and Zn via consumption of wheat under different treatments |
Mn元素是人体必需的微量元素之一，然而摄入过量则会引起Mn中毒[19]。文献提出，中国18岁及以上居民Mn每日适宜摄入量为4.5 mg，每日可耐受最高摄入量为11 mg[20]，将这两个数据分别除以居民平均体质量61.8 kg，可以得到膳食Mn摄入量的适宜值和上限值，分别为72.82、177.99 μg·kg-1·d-1。由图 5(b)可知，所有处理下小麦Mn的BEDI值均低于适宜值，可达到适宜值的43.95%~69.42%。其中，单独喷施MnSO4处理显著提高小麦Mn的BEDI值，增幅为11.92%~53.30%；该组处理下Mn的BEDI值提高主要因为小麦Mn含量显著升高。其余处理下Mn的BEDI值与对照相比无显著差异。喷施MnSO4可以有效提高小麦Mn的膳食摄入量，满足人体膳食Mn摄入的部分需要。
Zn元素对人体健康具有双重影响，摄入不足和过量都有危害作用。文献提出，中国18岁及以上居民膳食Zn的每日推荐摄入量为12.5 mg，每日可耐受最高摄入量为40 mg[20]，根据居民平均体质量61.8 kg可以计算膳食Zn摄入量的推荐值和上限值；而据有关调查表明，食用小麦制品摄入Zn占膳食Zn总量的18.2%[21]，根据该比例计算得出小麦膳食Zn摄入量的推荐值和上限值，分别为36.81、117.80 μg·kg-1·d-1。由图 5(c)可知，所有处理下小麦Zn的BEDI值均高于推荐值，低于上限值。其中，喷施高浓度MnSO4处理下Zn的BEDI值显著高于对照处理，增幅为35.17%；而Mn和Zn肥复配处理下Zn的BEDI值显著低于对照处理，且随处理浓度升高Zn的BEDI值逐步降低。对比小麦Zn含量和生物可给性变化可知，上述处理对小麦Zn的BEDI值的显著影响主要因为Zn生物可给性的显著变化。食用喷施MnSO4和ZnSO4处理下的小麦可满足膳食Zn摄入的需要，没有健康风险，其中喷施高浓度MnSO4处理效果最优。
综合比较不同喷施处理下小麦Cd、Mn和Zn的BEDI值可知，喷施高浓度MnSO4处理下Mn和Zn的摄入量最高，显著高于对照处理，而Cd的摄入量显著低于对照处理和上限值，因此该处理是降低人体Cd摄入而提高Mn和Zn吸收的最优处理。
3 讨论Mn和Zn是植物必需的微量元素，由于植物吸收转运Mn2+、Zn2+和Cd2+会使用相同的载体蛋白，如IRT、ZIP和NRAMP等，因此在植物体内Cd与Mn、Zn的累积常表现为拮抗作用[22-23]。闫秀秀等[24]研究发现，喷施0.4 g·L-1 Mn的MnSO4和0.2 g·L-1 Mn的Mn(CH3COO)2可以显著降低Cd低积累油菜地上部Cd含量，降幅分别为29.2%和31.0%。索炎炎等[25]研究表明，在含有5 mg·kg-1Cd的土壤中，叶面喷施ZnSO4可使水稻糙米Cd含量降低15.4%。王林等[12]研究发现，在正常Zn营养下，喷施3.52 g · L-1 ZnSO4可使叶用油菜地上部Cd含量降低27.22%。本研究发现，喷施MnSO4和ZnSO4的单一和复配处理均可显著降低小麦籽粒Cd累积，与上述研究结果一致。其中，MnSO4、ZnSO4单一以及复配处理组小麦Cd含量平均降低率分别为21.96%、34.96%和35.78%，由此可知ZnSO4处理组和复配处理组的降Cd效果优于MnSO4处理组。另外，单一和复配处理对小麦籽粒Mn和Zn含量也有不同影响。由于复配处理下Mn和Zn的添加浓度为单一处理的1/2，因此单一处理提高小麦Mn或Zn含量的效果均明显优于复配处理。即使在相同Mn处理浓度下，Mn1处理的小麦Mn含量也显著高于Mn-Zn-2处理；而Mn-Zn-1和Mn-Zn-2处理对小麦Zn含量无显著提高作用；但是在高浓度Mn和Zn肥复配处理下小麦Mn和Zn含量都显著提高，这个优势是单一喷施处理所不具有的。综合比较不同喷施处理对小麦Cd含量的降低以及对Mn和Zn含量的提升作用可知，MnZn-3处理效果最佳，该处理下小麦Cd含量降幅达38.63%，而Mn和Zn含量都显著提高。
金属元素在作物籽粒中的生物可给性受多种因素影响，包括元素种类、浓度以及作物种类等。在本研究中，小麦籽粒Cd在胃和小肠阶段的生物可给性均值分别为73.80%和52.30%，Mn的可给性均值分别为80.68%和35.12%，Zn的可给性均值分别为60.57%和42.52%。由此可知，3种元素在胃和小肠阶段的生物可给性具有明显差异。在胃阶段，Mn的可给性最高，Zn最低；而在小肠阶段，Cd的可给性最高，Mn最低。对比其他采用PBET方法分析作物籽粒中金属元素生物可给性的研究发现，本研究中Cd的生物可给性范围与Zhuang等[26]以及Liu等[27]的研究结果相近，明显高于Liu等[2]的分析结果；Mn在胃阶段的可给性范围与Erdemir等[28]的研究结果相近；Zn在胃阶段的可给性范围与Liu等[7]的分析结果相近，但是在小肠阶段的可给性却明显高于该研究的结果。出现这些差异的原因可能与供试作物品种和元素含量不同有关。
本研究发现，3种元素在胃阶段的可给性都明显高于小肠阶段的可给性，这与前期对小麦[7]和蔬菜[29]中Cd、Mn以及Zn的生物可给性分析结果一致。杨居荣等[30]的研究表明，Cd在小麦籽粒中主要以蛋白结合态存在，其中与球蛋白和谷蛋白结合比例最高。在模拟胃消化阶段，酸性环境和胃蛋白酶有助于蛋白质分解和Cd的溶出。而在小肠消化阶段，随着pH值升高，溶出的Cd、Mn以及Zn等元素易与蛋白质分解产生的含硫氨基酸以及谷胱甘肽等结合，这些络合物在碱性环境中会形成不溶性沉淀，吸附在食糜上，从而导致金属元素在小肠阶段的生物可给性降低[31-32]。本研究发现，喷施Mn肥和Zn肥对小麦籽粒Mn和Zn的生物可给性有相同的影响规律。以胃阶段为例，单独喷施Mn肥使小麦籽粒Mn和Zn的生物可给性逐步降低，而单独喷施Zn肥和Mn、Zn肥复配处理下Mn和Zn的生物可给性则呈现升高趋势。相关性分析也表明，小麦Mn和Zn在胃部和小肠的生物可给性呈现显著或极显著的相关性，相关系数分别为0.739 (P < 0.05)和0.899(P < 0.01)。Wei等[33]的研究发现，喷施Zn肥可有效降低水稻籽粒中植酸含量，进而有效提高Zn的生物可给性。本研究的部分结果与此一致。不同喷施处理对小麦Cd的生物可给性也有不同影响，其作用机理可能与小麦籽粒中矿质元素、植酸以及含硫氨基酸变化有关[34]，具体原因有待进一步研究。
4 结论(1) 喷施MnSO4和ZnSO4显著降低小麦籽粒Cd含量，Zn肥和Mn、Zn肥复配处理的降Cd作用显著优于Mn肥处理，最大降低率可达47.45%；Mn肥的单一和复配处理显著提高小麦Mn含量，中高水平Zn肥处理和高水平Mn、Zn肥复配处理显著提高小麦Zn含量。
(2) 小麦Cd、Mn和Zn在胃阶段的生物可给性明显高于小肠阶段；喷施高浓度ZnSO4显著降低小麦Cd在胃阶段的生物可给性，显著提高Zn在胃阶段的生物可给性；喷施高浓度MnSO4显著提高小麦Mn和Zn在小肠阶段的生物可给性，而高浓度Mn和Zn肥复配处理则显著降低其可给性。
(3) 食用Cd污染小麦摄入Cd的量超过基于每日耐受量的上限值，通过喷施ZnSO4、高浓度MnSO4或中高浓度Mn和Zn肥可显著减少人体Cd摄入量，使其低于上限值，最大降低率达42.86%；喷施MnSO4可以有效提高小麦Mn的膳食摄入量，满足人体膳食Mn摄入的部分需要；食用喷施MnSO4和ZnSO4处理的小麦可满足膳食Zn摄入的需要，其中喷施高浓度MnSO4处理效果最优。
(4) 喷施高浓度MnSO4可显著降低小麦Cd含量和人体Cd摄入量，显著提高小麦Mn含量以及Mn和Zn的生物可给性，从而显著提高人体Mn和Zn的摄入量，因此该处理是降低人体Cd摄入而提高Mn和Zn吸收的最佳处理。
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