薏苡（Coix lacryma-jobi L.）甲基汞累积特征及其人群膳食暴露风险评估

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Methylmercury accumulation patterns in Coix lacryma-jobi L. and its associated human exposure risks

　　

摘要专业翻译 汞（Hg）是一种全球性污染物，具有长距离迁移、生物累积和毒性等特征。在汞的各类形态中，甲基汞（MeHg）因其高效的食物链传递效率和强效神经毒性而备受关注，对生态系统和人体健康均构成显著风险。农业土壤中汞的累积受大气沉降和人为输入共同驱动，包括金属冶炼、工业排放、肥料施用和污水灌溉等途径。汞在农业系统中的累积不仅威胁作物生产力，还通过食物消费增加膳食汞暴露风险。因此，阐明汞在粮食作物中的累积规律及其调控机制对保障食品安全至关重要。 薏苡（Coix lacryma-jobi L.）是中国西南地区广泛种植的小宗谷物作物，贵州省是其主要种植区和重要生产基地。薏苡兼具主食和传统药用作物双重属性，因其丰富的营养成分和多种生物活性化合物（如多糖、生物碱和萜类化合物）而备受重视。已有研究表明，薏苡籽实消费与降低血胆固醇水平、降低心血管疾病风险以及通过抑制NF-κB和蛋白激酶C信号通路发挥潜在抗癌活性相关。因此，保障薏苡籽实的食品安全对维护公众健康具有重要意义。 以往关于薏苡的研究主要关注总汞（THg）在植物组织间的分布与吸收。主产区薏苡籽实中汞浓度总体处于安全水平。汞矿区田间调查表明，薏苡根部可保留大部分汞，其次为叶片，表明根部对汞向可食用组织转移具有有效的保留屏障效应。类似元素特异性限制在铊（Tl）中也有报道，节点I在控制铊向穗部和籽粒分配中发挥重要屏障作用。然而，土壤-薏苡系统中MeHg（最具生物可利用性和毒性的汞形态）的吸收、来源贡献、组织分配和转运机制仍知之甚少。 植物中汞的累积不仅受植物生理过程调控，还受土壤环境条件影响。大气和土壤是陆生植物的两个主要汞来源。叶片主要通过气孔吸收大气汞（主要为无机汞（IHg）），使其成为地上组织的主要来源，而植物中MeHg主要来源于土壤微生物甲基化后的根系吸收。由于IHg和MeHg来源和转运途径不同，二者在植物体内的吸收、转运和转化行为预期存在显著差异。土壤理化特性强烈影响汞对植物的可利用性。已有研究确定土壤pH、溶解性有机碳（DOC）和离子组成是影响汞在土壤中转化和迁移的关键因素。与淹水水稻田不同，薏苡通常在好氧旱地条件下种植，这种条件不利于汞的甲基化。然而，薏苡中MeHg累积在很大程度上仍未得到探索，考虑到IHg和MeHg在来源、迁移性、生物可利用性和毒性方面的显著差异，土壤性质如何影响薏苡中IHg和MeHg的累积更是知之甚少。 区分IHg和MeHg的累积过程对于理解汞向籽粒分配的机制和准确评估膳食汞暴露至关重要。本研究测定了采自中国西南贵州省主要薏苡产区薏苡植株中的THg和MeHg浓度，同时测定了生物可利用汞和关键土壤理化性质（包括pH、C、H、S含量、土壤有机质（SOM）、DOC、阴离子和阳离子），以阐明控制汞吸收的关键环境因子。研究采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析土壤性质对IHg和MeHg累积的直接和间接效应，并进一步评估通过薏苡消费导致的人体MeHg暴露风险。本研究结果将为薏苡中汞的形态特异性累积提供机制性见解，并为缓解汞影响农业区膳食汞暴露和促进薏苡安全生产提供科学依据。

论文解读

一、研究背景与科学问题

汞是一种全球性环境污染物，具有长距离迁移、生物累积和毒性等特征。在汞的各种形态中，甲基汞（MeHg）因高效的食物链传递效率和强效神经毒性而备受关注，对生态系统和人体健康均构成显著风险。农业土壤中汞的累积主要来源于大气沉降和人为输入，包括金属冶炼、工业排放、肥料施用和污水灌溉等途径。汞在农业系统中的累积不仅威胁作物生产力，还通过食物链传递增加人体膳食汞暴露风险。

薏苡（Coix lacryma-jobi L.）是中国西南地区广泛种植的小宗谷物作物，贵州省是其主要种植区，其中兴仁县薏苡种植面积和产量居全省之首，占全省总量的41.4%，种植面积达2万公顷，年产原粮超过10万吨。兴仁县作为全球薏苡加工和集散中心，年加工量达45万吨，供应全球70%以上的市场份额，产业链综合产值超过50亿元人民币。薏苡兼具粮食和传统药用作物双重属性，富含多糖、生物碱和萜类化合物等多种生物活性成分，其消费与降低血胆固醇、降低心血管疾病风险及潜在抗癌活性相关。因此，保障薏苡籽实的食品安全对公众健康具有重要意义。

以往对薏苡中汞的研究主要集中于总汞（THg）在植物组织间的分布与吸收，主产区薏苡籽实汞浓度总体处于安全水平。汞矿区田间调查表明，薏苡根部可保留大部分汞，其次为叶片，表明根部对汞向可食用组织转移具有有效屏障效应。然而，MeHg（最具生物可利用性和毒性的汞形态）在土壤-薏苡系统中的吸收、来源贡献、组织分配和转运机制仍不清楚。与淹水水稻田不同，薏苡通常在好氧旱地条件下种植，这种环境不利于汞的甲基化。此外，考虑到无机汞（IHg）和MeHg在来源、迁移性、生物可利用性和毒性方面的显著差异，土壤理化性质如何分别影响二者的累积也缺乏系统研究。因此，区分IHg和MeHg的累积过程对于理解汞向籽粒分配的机制和准确评估膳食汞暴露风险至关重要。

二、研究内容与结论概述

研究人员于2023年薏苡成熟期，在贵州省兴仁县和贞丰县主要产区共20个采样点采集了27对薏苡植株和根际土壤配对样品，其中兴仁县18个采样点分布于9个乡镇，贞丰县2个采样点分布于2个乡镇，巴铃镇贡献了11个样品。每个采样点从7至15株薏苡个体采集混合样品以提高代表性。研究人员测定了薏苡各组织（根、茎、叶、籽粒）和土壤中的THg与MeHg浓度，计算了生物富集因子（BCF）和转运因子（TF），分析了土壤理化性质（pH、C、H、S含量、土壤有机质（SOM）、溶解性有机碳（DOC）、阴离子和阳离子）及生物可利用汞，并采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析土壤性质对IHg和MeHg累积的直接和间接效应，最后基于美国环保署（USEPA）推荐模型进行了人体健康风险评估。

研究得出以下主要结论：薏苡籽实可高效累积MeHg，其BCF达到3.44；MeHg通过根-茎-叶途径转运，茎是主要蓄积库；由于土壤汞形态和植物屏障作用，薏苡籽实中IHg维持在较低水平；风险商（HQ）值低于1，表明食用薏苡的膳食健康风险较低。

三、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：冷蒸气原子荧光光谱法（CVAFS）测定THg和MeHg浓度，其中MeHg提取采用KOH-甲醇消解和二氯甲烷萃取，土壤MeHg采用CuSO₄和HNO₃浸提后以气相色谱-冷蒸气原子荧光光谱法（GC-CVAFS）测定；采用0.01 mol/L CaCl₂提取土壤生物可利用汞；利用离子色谱分析水溶性离子，TOC分析仪测定DOC，重铬酸钾氧化法测定SOM，元素分析仪测定C、H、S含量；采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进行多变量统计分析；依据USEPA推荐模型计算风险商（HQ）进行健康风险评估。样本来源于贵州省兴仁县和贞丰县20个采样点的27对薏苡植株与根际土壤配对样品。

四、研究结果

薏苡组织中MeHg的分布与累积特征。 研究发现薏苡籽实中MeHg的BCF达到3.44，表明薏苡籽实对MeHg具有高效的富集能力。MeHg在薏苡植株内通过根-茎-叶途径进行转运，其中茎是MeHg的主要蓄积库，这一发现揭示了MeHg在薏苡体内的独特分配模式。

薏苡组织中IHg的分布与累积特征。 与MeHg不同，薏苡籽实中IHg维持在较低水平，这归因于土壤汞形态分布特征和植物自身的屏障机制。根部的保留屏障效应有效限制了IHg向可食用组织的转移，保障了籽实中IHg的低累积。

土壤性质对汞累积的影响。 通过PLS-PM分析，研究人员解析了土壤理化性质对IHg和MeHg累积的直接和间接效应。土壤pH、有机质（SOM）、溶解性有机碳（DOC）和离子组成等关键因子对汞的形态转化、迁移性和生物可利用性具有显著调控作用，进而影响薏苡对IHg和MeHg的吸收。

人体健康风险评估。 基于USEPA推荐模型，研究人员计算了通过食用薏苡籽实、手-口摄入、吸入和皮肤接触四种途径的汞暴露剂量，并计算了相应的风险商（HQ）值。结果显示各途径的HQ值均低于1，表明研究区域食用薏苡导致的膳食汞暴露健康风险处于较低水平。

五、讨论与结论

讨论部分指出，薏苡在好氧旱地条件下种植，这种环境不利于土壤微生物的汞甲基化过程，这可能是土壤中MeHg浓度相对较低的重要原因。同时，土壤理化性质对IHg和MeHg的形态转化、迁移性和生物可利用性具有差异化的调控作用，进而影响二者在薏苡体内的吸收和分配。MeHg通过根-茎-叶途径转运且茎为主要蓄积库的特征，与IHg主要滞留于根部的模式形成鲜明对比，反映了两种汞形态在植物体内截然不同的迁移行为。

研究结论表明，尽管薏苡籽实对MeHg具有较高的富集能力（BCF达3.44），但由于研究区域土壤汞含量总体处于较低水平，加之薏苡自身的根部保留屏障效应，最终薏苡籽实中MeHg和IHg浓度均处于安全范围，各暴露途径的风险商（HQ）值均低于1，表明通过食用薏苡导致的膳食汞暴露健康风险较低。该研究为理解薏苡中汞的形态特异性累积机制提供了重要见解，也为汞影响农业区域薏苡的安全生产和膳食汞暴露风险管控提供了科学依据。