生石灰类处理对川芎5种重金属含量及产量和品质的影响研究- 大数跨境

天然产物研究与开发

2022-01-02

导读：本文探究生石灰类处理对川芎药材重金属含量、产量及质量的影响，筛选适宜的降低川芎重金属含量的方法。

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川芎是伞形科植物川芎(Ligusticum chuanxiong Hort.)的干燥根茎，是中医临床上重要的活血止痛药，被誉为“血中之气药”，具有活血行气、祛风止痛之功效，常用于胸痹心痛、月经不调、头痛、风湿痹痛等症。川芎药效成分主要包括内酯类、酚酸类和生物碱类等化合物，如: 阿魏酸、洋川芎内酯A、洋川芎内酯I、Z-藁本内酯、阿魏酸松柏酯和绿原酸等。现代药理研究表明，川芎具有抗炎、镇痛、抗肿瘤、抑制血小板聚集和扩张血管等多方面的作用。

川芎是著名的川产道地药材，也是常用大宗药材和重要的出口品种，具有近千年的栽种历史，主产于四川，以四川都江堰、彭州、郫县等地为道地，当前以彭州和眉山两地产量最大。市售川芎均为人工种植，其中90%以上产自四川。川芎是重金属镉(Cd)富集植物，近年来因川芎重金属含量超标(主要是Cd) ，严重影响了川芎的出口创汇、用药安全以及地方经济的发展和药农的收入。据不完全统计，川芎Cd含量超标高达87.99%，川芎药材Cd含量超标给产品安全和产业健康发展带来了不利影响。

土壤修复技术是缓解土壤重金属超标使用的常规土壤改良方法，该技术通常是施用改良剂改变土壤理化性质，减少土壤中有效态重金属含量，降低植物对重金属的吸收。前人研究证实影响川芎药材Cd含量的主要因素是其Cd富集特性和土壤中离子态Cd浓度，而生石灰可通过提高土壤pH、降低土壤中离子态 Cd浓度，进而降低川芎药材Cd含量。Dong等研究发现交联氨基淀粉与Cd²⁺可通过配位作用结合，吸附水中的Cd²⁺。Lu等报道，石灰、钙镁磷肥、泥炭、活性炭和聚丙烯酸钠组成的复合改良剂的施用不仅能够明显提高蕹菜地上部分生物量，还可以降低蕹菜中Pb、Cd的含量。目前，川芎降低重金属含量的方法研究主要集中在单施生石灰、硅肥、KH2PO4-NaOH缓冲液等土壤改良剂，而采用复合形式研究仅课题组前期报道过一些探索性工作。本文在课题组研究的基础上，采用大田试验，探究生石灰单施或与淀粉、活性炭、磷酸二氢钾、聚丙烯酸钠复合施用对川芎重金属含量、药材产量和质量的影响，并采用多元统计分析方法比较各指标含量差异，以期筛选出能有效降低川芎重金属含量，同时保障药材产量和质量的方法，为川芎优质绿色生产提供参考。

生石灰类处理对川芎5种重金属含量、药材产量及质量影响不一，且产地和处理方法均对各指标有影响。综合考虑降低重金属效果(主要是Cd) 、药材产量及质量，T-1(生石灰6.67kg/hm2)、T-2(生石灰6.67kg/hm2+磷酸二氢钾1.33kg/hm2)可作为彭州、眉山川芎生产中降低重金属的方法，T-3(生石灰6.67kg/hm2+淀粉6.67kg/hm) 、T-4(生石灰6.67kg/hm2+聚丙烯酸钠10kg/hm2)可分别作为眉山、彭州川芎生产中降低重金属的方法。T-2处理能显著降低川芎Cd、As含量，显著增加川芎醇溶性浸出物和洋川芎内酯I含量，并且能一定程度地提高药材产量; T-1、T-3、T-4能显著降低川芎Cd含量，提高药材产量，上述方法既达到了降低重金属的效果，同时也保障了药材产量和质量。此外，上述方法的降Cd效果与课题组人员Ren前期报道结果基本一致，进一步说明上述方法在川芎降Cd效果方面的稳定性较好，可以为川芎主产区低Cd川芎药材的生产提供参考。

单独施用生石灰(T-1生石灰6.67kg/hm2)在眉山(26.85%) 、彭州(35.18%) 均取得较好的降Cd效果，川芎生产过程中添加生石灰可提高土壤pH、降低土壤有效性Cd含量，降低川芎药材Cd含量。因此，生产上通过施用生石灰等土壤改良剂适当提高土壤pH是有效降低川芎中Cd含量的有效措施之一。然而，添加生石灰的同时增加了土壤中Ca浓度，有研究发现土壤中施加Ca可以减少玉米、小油菜等植物对Cd的吸收和富集，而He等研究表明Ca对Cd有一定的活化作用，能够提高互花米草对重金属Cd的吸收积累和向地上部分的转移能力。因此，川芎生产过程土壤中Ca的增加是否对其Cd吸收和富集有影响有待进一步研究阐释。

土壤中P与Cd存在密切关系，磷酸盐可通过诱导吸附和沉淀作用影响Cd的有效性。将磷酸二氢钾施入土壤中，可提高土壤pH，促进Cd生成难溶性磷酸盐沉淀和羟基磷铅镉矿物，降低Cd有效性。有研究报道，磷酸二氢钾能显著降低水稻镉积累。6个处理中，眉山T-2(生石灰6.67kg/hm2+磷酸二氢钾1.33kg/hm2)、彭州T-3(生石灰6.67kg/hm2+淀粉6.67kg/hm2)处理降Cd效果优于T-1，说明磷酸二氢钾、淀粉与生石灰复合使用，可以增强降Cd效果。然而相同措施在两地对川芎Cd含量的影响存在差异，推测生石灰类处理对植物降镉Cd效果受到土壤理化性质的影响，相关分析和聚类分析显示，产地和处理方式均对各指标有影响，进一步证实了此猜想。因此，筛选最佳降重金属方法时应因地制宜。同时也说明了适宜的土壤改良剂复合使用能取得更好地降低重金属的效果。

研究结果显示，14份川芎样品中7份样品Cd含量超标，超标率达50%，并且超标的7份样品均来自彭州试验点，这与彭州土壤Cd背景值(0. 54mg/kg)高于眉山土壤Cd背景值(0.22mg/kg)以及眉山土壤pH(7.53)大于彭州土壤pH(5.47)有关。川芎药材Cd含量的主要影响因素除了土壤Cd高背景值外，其自身的高Cd富集特性仍是主要因素之一。本研究发现彭州6个处理组川芎Cd含量较CK降低了15.42%～39.05%，但其镉含量仍在0.42～0.59mg/kg之间，基于川芎传统优质产区C超标现状，课题组正在开展低Cd富集川芎新品种的筛选，拟为解决川芎重金属Cd超标问题提供更多的可能性。

通过各指标的相关性分析，我们发现Pb与Cd显著负相关，推测川芎在吸收Pb和Cd时存在竞争性抑制，许中坚等在油菜中发现相同规律，Cd对Pb的吸收积累具有明显的抑制作用; Pb与洋川芎内酯A、As显著正相关，推测川芎生长发育过程中植株体内Pb含量对洋川芎内酯A合成有一定的影响，川芎吸收As和Pb时有相互促进的作用，Hu在水稻中发现水稻根系吸收As、Pb时有相互促进的作用。该研究成果发表在《天然产物研究与开发》2021年第11期，欢迎引用(点击左下方“阅读原文”可查看全文)。

引用格式：

张德林,喻文,王梅,等.生石灰类处理对川芎5种重金属含量及产量和品质的影响研究[J].天然产物研究与开发,2021,33:1925-1935.

Zhang DL,Yu W,Wang M,et al.Improvement effects for the content of five heavy metals，the yield，and quality of ChuanxiongＲhizoma via quicklime treatments[J].Nat Prod Res Dev,2021,33:1925-1935.