土壤铜对凤丹籽油含量和成分的影响

赵晓菊 秦 薇 陈华峰*

(1.东北林业大学，哈尔滨 150040； 2.大庆师范学院生物工程学院，大庆 163712)

土壤铜对凤丹籽油含量和成分的影响

赵晓菊1,2秦 薇1陈华峰1*

(1.东北林业大学，哈尔滨 150040；2.大庆师范学院生物工程学院，大庆 163712)

高含量不饱和脂肪酸，特别是高含量亚麻酸是牡丹籽油品质的主要体现，但到目前为止，在凤丹传统栽培区(铜矿区)土壤铜含量是否影响牡丹籽油品质并没有被调查。本研究通过调查安徽省凤凰山—丫山30个凤丹(Paeoniaostii)栽培区土壤Cu元素含量和凤丹籽油组成，显示凤丹栽培区土壤铜含量为18.98～298.82 mg·kg-1，变异系数为83.06%；凤丹籽油中棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸5种主要脂肪酸含量分别为5.62%、1.89%、24.59%、29.76%、38.13%，变异系数在5.66～9.72，其中亚油酸变异系数最高为9.72；土壤和叶片中Cu含量与亚油酸和不饱和脂肪酸含量均存在明显的负相关性，与亚麻酸含量没有显著相关性；土壤和叶片中Cu含量呈显著正相关，r=0.778。以上表明以油用为目的的凤丹栽培应该避免土壤中铜含量过高影响牡丹籽油品质。

凤丹；籽油；脂肪酸；不饱和脂肪酸；Cu污染

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)原产中国为芍药科(Paeoniaceae)芍药属(PaeoniaL.)落叶灌木，分布广泛，具有观赏、药用和油用价值[1]。其中，凤丹(Paeoniaostii)原产安徽铜陵，种子较大，胚乳中油脂含量丰富，含油率可达24.12%～37.83%，主要成分为亚麻酸、油酸、亚油酸等17种脂肪酸，其中亚麻酸含量高达31.56%～66.85%，近橄榄油的40倍，不饱和脂肪酸含量90%以上，是一种蕴含重要营养价值的新型木本植物油资源[2～4]，2011年前作为药用植物广泛栽培于铜陵一带(包括南陵县丫山)，规模全国第一[5]，2011年我国卫生部批准牡丹籽油为新资源食品，凤丹栽培面积扩大并在全国推广。

安徽铜陵又是我国重要的产铜基地之一，铜矿开采历史悠久，被称为中国古铜都[6]，以前的调查显示矿区土壤和地下水都存在不同程度的铜污染[6～7]，凤丹栽培区也存在较高的土壤铜元素含量[8]。铜是植物、动物和人体生长必须元素，但也是一种重金属元素，环境中铜过量会对生物体产生毒害作用[9～10]，但到目前为止，铜是否会对凤丹籽油品质产生影响仍然不清楚。

本文调查凤丹原产区土壤铜含量和凤丹籽油组成，探索铜与凤丹籽油之间可能存在的相关关系，为扩大凤丹栽培、提高凤丹籽油品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点与材料

本研究在安徽省南部铜陵一带(包括凤凰山区域和丫山山区)进行，地理坐标为：30°49′～30°52′N,117°59′～118°02′E，该区域位于长江南岸，属亚热带湿润气候区，海拔200～280 m，土壤以黄红壤为主，年平均气温为16.2℃、降水量1 370 mm、蒸发量1 517 mm，相对湿度77%，全年无霜期230 d，光照充足，日照2 000～2 050 h。采样时间为2013年7～8月。

随机选取30个样地(表1)，每个样地取十个点混合收集作为一个样品，包括成熟的蒴果、叶片和土壤。所有土壤样品自然风干后，去除砂砾，根系等过2.00 mm的尼龙筛；叶片80℃烘干至恒重；蒴果在60℃烘干48 h至恒重，低温保存，供提取测试。

表1 研究样地分布和土壤特征

1.2 铜元素含量测定

土壤中Cu元素含量经HCl-HNO3-HF-HClO4消解后，用火焰原子吸收光谱仪(NOVAA350)测定。称取0.3 g土壤样品放于聚四氟乙烯坩埚中，加入8 mL王水加热至190℃，10 min，温度上升至240℃，蒸至将干，使样品初步分解，然后再加入3 mL HF，3 mL HClO4，240℃蒸至粘稠，用1% HNO3溶解，定容至25 mL备用。叶片中Cu含量的测定方法大体同土壤中测定方法，用0.5 g叶片，省略HF消解的过程。

1.3 GC-MS分析籽油含量和成分

采用Phippen改良方法[11]，取压榨油4.0 g加入0.5 mol·L-1氢氧化钾—甲醇溶液40 mL于圆底烧瓶，60℃水浴回流10 min，冷却后加入20 mL正己烷和40 mL H2O转入分液漏斗，震荡萃取分离，用玻璃吸管吸取上层正乙烷相，按气相色谱—质谱(gas chromatography-mass,GC-MS)条件进行分析。

HP6890-5973N气相色谱—质谱连用仪；色谱柱：HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱；载气：高纯氦气；升温程序：70℃保持1 min，以5℃·min-1的速率升至100℃，停留2 min，以10℃·min-1速率升至175℃，停留40 min，再以15℃·min-1速率升至225℃，停留40 min；进样量：1.0 μL；进样口温度：250℃。

1.4 数据处理

相同提取条件下，每个样品3次重复，应用SPSS18.0对土壤和叶片中Cu含量及籽油成分含量进行Pearson相关分析。

2 实验结果与分析

2.1 凤丹栽培区土壤和叶片铜含量分布特征

由表2可知，土壤铜含量为18.98～298.82 mg·kg-1，变异系数为5.68%，属于中等程度变异，平均值为4.73 mg·kg-1，显著高于全球非铜污染土壤的平均值(30 mg·kg-1)[12]。由图1可知，76.67%的样地铜含量低于中国土壤环境质量二级标准(100 mg·kg-1，土壤环境质量标准GB 15618-1995)，所有样地土壤铜含量均低于中国土壤环境质量标准中的三类标准值400 mg·kg-1。

凤丹叶片铜含量为3.80～6.49 mg·kg-1，变异系数为5.68，平均值为4.73。由图1可知，叶片铜含量频率属于正偏态分布。土壤铜含量和凤丹叶片铜含量存在显著正相关关系(图2)，相关系数达到0.606 1，表明土壤铜含量对叶片铜含量存在显著影响。

表2凤丹栽培区土壤铜含量和凤丹叶铜含量分布特征

Table2DistributioncharacteristicsofcoppercontentinP.ostiiculturalregions

采样部位Samplingpart范围Range(mg·kg-1)均值Mean标准差Standarddeviation变异系数Coefficientofvariation(%)土壤Soil(mg·kg-1)18.98～298.8284.6870.3483.06叶片Leaf(mg·kg-1)3.80～6.494.730.275.68

图1 凤丹传统栽培区土壤和凤丹叶片铜含量分布频率Fig.1 The distribution frequency of copper content about the soil and the leaves of P.ostii in traditional cultivation regions

图2 土壤铜含量与凤丹叶片铜含量的相关性Fig.2 The linear correlation of soil copper content and leaf copper content

2.2 凤丹籽油脂肪酸组成特征

凤丹籽油脂肪酸组成丰富，主要成分为亚麻酸、油酸、亚油酸等17种脂肪酸，其中相对含量超过0.1%为棕榈酸(C16:0)硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)、亚油酸(C16:2)和亚麻酸(C18:3)，5种脂肪酸含量平均值分别为9.41、3.17、41.12、49.76和63.75 g·kg-1，不饱和脂肪酸含量平均为92.48%，与前人测定结果基本一致[13～17]。5种脂肪酸中油酸变异系数最小是5.66，其中亚油酸变异系数最高9.72，变化从41.68～57.92 g·kg-1(25.97%～36.82%)，平均值为49.76 g·kg-1(表3)。

2.3 Cu元素对凤丹籽油脂肪酸含量的影响

对铜含量与凤丹籽油组成进行Pearson相关分析，并进行双尾检验，结果如表4。亚油酸含量与土壤铜和叶片铜含量均存在极显著负相关关系，硬脂酸含量与叶片铜含量存在显著负相关关系。将凤丹籽油脂肪酸分成两类，饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸，结果表明不饱和脂肪酸含量与土壤铜含量和叶片铜含量存在极显著负相关关系，相关系数分别为0.478和0.514。土壤铜和叶片铜含量与其他脂肪酸相关性不明显。

表3凤丹籽油主要脂肪酸组成特征

Table3Thecompositivecharacteristicsofmainfattyacidsintraditionalcultivationregions

类型Type范围Range(g·kg-1)均值Mean标准差Standarddeviation变异系数Coefficientofvariation(%)棕榈酸C16:0(g·kg-1)8.31～11.219.41(5.62%)0.798.43硬脂酸C18:0(g·kg-1)2.77～3.563.17(1.89%)0.288.75油酸C18:1(g·kg-1)37.22～45.9841.12(24.59%)2.335.66亚油酸C16:2(g·kg-1)41.68～57.9249.76(29.76%)4.839.72亚麻酸C18:3(g·kg-1)54.87～72.1563.75(38.13%)5.578.73饱和脂肪酸Saturatedfattyacid(g·kg-1)11.13～14.4312.58(7.52%)1.007.97不饱和脂肪酸Unsaturatedfattyacids(g·kg-1)139.69～168.50154.63(92.48%)9.436.1

表4 土壤和叶片铜含量与凤丹籽油脂肪酸组成的相关性

注：*在0.05水平上显著相关；**在0.01水平上显著相关。

Note:*and**indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 level.

3 讨论

铜在植物代谢中发挥重要作用，通过多种氧化还原酶直接参与植物氧化还原反应，例如酪氨酸酶、多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、细胞色素氧化酶等[18]。同时铜在植物体内具有积累性，铜过量将影响植物新陈代谢过程，对植物产生毒害[19]。种子油和膜脂共同起源于细胞前体[20]。质体是脂肪酸合成的主要细胞器[21]，并且也是高等植物中Cu积累的主要位点[22]。前期研究已经发现铜过量抑制植物光合作用、色素合成，导致脂质过氧化，破坏类囊体膜，进而影响脂肪酸的积累[22～24]。本研究也表明铜含量和脂肪酸含量存在一定负相关关系，但并没有达到显著性水平。Jones等首先报道了重金属影响脂肪酸合成可能与金属毒害灭活含巯基的酶和辅因子有关[25]。Sinha等研究表明氧化还原金属Cu、As和Cr过量，植物脂肪酸合成存在下降趋势，可能是柠檬酸裂解酶催化合成脂肪酸前体乙酰辅酶A时ATP供应被阻断[22]，更多的研究认为铜胁迫导致活性氧过量产生，引起脂质过氧化[26]。但是关于重金属胁迫导致哪种脂肪酸含量变化的研究较少，Chaffai研究表明Cu胁迫导致玉米根部总脂肪酸中不饱和脂肪酸水平从1.42下降到1.28[27]，Baryla研究表明亚油酸和亚麻酸与植物中Cu浓度存在明显相关性[28]。本研究发现Cu积累与不饱和脂肪酸和亚油酸含量存在相关性。这些可能反应出Cu过量首先影响不饱和脂肪酸合成，尤其是不饱和脂肪酸中的亚油酸合成。

凤丹在安徽铜陵铜尾矿区有悠久的栽培历史，已有研究表明，凤丹可耐受一定浓度的Cu胁迫[29～31]，并且，凤丹对Cu污染土壤具有明显的修复效果[8]。本研究显示土壤Cu含量和凤丹叶Cu含量存在明显的正相关关系，表明Cu在叶片中存在积累，而未发现18.98～298.82 mg·kg-1土壤铜对凤丹生长产生明显抑制作用，表明以上铜含量在凤丹的耐受范围之内。本研究在凤丹种子中没有检测到Cu的积累，一个可能原因是胚胎在种子干重中占据非常小的部分，果实和种子被看做是一个低蒸腾速率的储藏器官而不积累重金属元素[22]。

近几年，凤丹栽培范围逐渐从北纬30°扩展到北纬38°，光照、温度和湿度等环境因子一直是栽培中主要考虑的因素[32]。作为油料作物，其体内脂肪酸含量尤其是不饱和脂肪酸含量是其质量控制的关键，凤丹籽油中不饱和酸脂肪酸明显受到土壤Cu元素和植物体内Cu积累的影响，尽管植物对金属可利用性还受pH和其它多种因素的影响[33]，但以油用为目的的凤丹栽培仍需要避免土壤中铜含量过高，建议土壤铜含量在100 mg·kg-1以下。

1.洪德元,潘开玉.芍药属牡丹组的分类历史和分类处理[J].植物分类学报,1999,37(4):351-368.

Hong D Y,Pan K Y.Taxonomical history and revision ofPaeoniasect.Moutan(Paeoniaceae)[J].Acta Phytotaxonomica Sinica,1999,37(4):351-368.

2.李晓青,韩继刚,刘炤,等.不同地区凤丹经济性状及其籽油脂肪酸成分分析[J].粮食与油脂,2014,27(4):43-46.

Li X Q,Han J G,Liu Z,et al.Economic characteristics investigation and seed oil fatty acid composition analysis ofPaeoniaostiiplants in different areas[J].Cereals & Oils,2014,27(4):43-46.

3.韩继刚,李晓青,刘炤,等.牡丹油用价值及其应用前景[J].粮油与油脂,2014,27(5):21-25.

Han J G,Li X Q,Liu Z,et al.Potential applications of tree peony as an oil plant[J].Cereals & Oils,2014,27(5):21-25.

4.Zhang Z H,Wang H,Liu J,et al.The effects of soil metals on the composition of oil ofPaeoniaostiiseeds[J].Journal of Plant Interactions,2015,10(1):288-295.

5.刘登义,沈章军,严密,等.铜陵铜矿区凤丹根际和非根际土壤酶活性[J].应用生态学报,2006,17(7):1315-1320.

Liu D Y,Shen Z J,Yan M,et al.Enzyme activities inPaeoniaostiirhizosphere and non-rhizosphere soil of Tongling copper mining[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,17(7):1315-1320.

6.Xu D C,Zhou P,Zhan J,et al.Assessment of trace metal bioavailability in garden soils and health risks via consumption of vegetables in the vicinity of Tongling mining area,China[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2013,90:103-111.

7.王少华,杨劼,刘苏明,等.铜陵狮子山杨山冲尾矿库重金属元素释放的环境效应[J].高校地质学报,2011,17(1):93-100.

Wang S H,Yang J,Liu S M,et al.Environmental effects of heavy metal elements release in Yangshanchong tailing pool,Shizishan,Tongling,Anhui province[J].Geological Journal of China Universities,2011,17(1):93-100.

8.沈章军,王友保,王广林,等.铜陵铜尾矿凤丹种植基地重金属污染初探[J].应用生态学报,2005,16(4):673-677.

Shen Z J,Wang Y B,Wang G L,et al.Heavy metals pollution ofPaeoniaostiiland at copper-tailings reservoir of Tongling city:a preliminary study[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16(4):673-677.

9.陈怀满.土壤中化学物质的行为与环境质量[M].北京:科学出版社,2002.

Chen H M.Behavior of chemicals in soils and its relation to environmental quality[M].Beijing:Science Press,2002.

10.沈昌高,高超,王登峰,等.铜陵矿区土壤和油菜中铜的分布特征[J].应用生态学报,2007,18(10):2374-2378.

Shen C G,Gao C,Wang D F,et al.Distribution characteristics of copper in soil and rape around Tongling mining area[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2007,18(10):2374-2378.

11.Phippen W B,Isbell T A,Phippen M E.Total seed oil and fatty acid methyl ester contents ofCupheaaccessions[J].Industrial Crops and Products,2006,24(1):52-59.

12.Adriano D C.Trace elements in terrestrial environments:biogeochemistry,bioavailability and risks of metals[M].2nd ed.New York:Springer-Verlag,2001.

13.韩雪源,张延龙,牛立新,等.不同产地‘凤丹’牡丹籽油主要脂肪酸成分分析[J].食品科学,2014,35(22):181-184.

Han X Y,Zhang Y L,Niu L X,et al.Fatty acid composition of ‘Fengdan’ peony seed oils from different growing regions[J].Food Science,2014,35(22):181-184.

14.史国安,郭香凤,金宝磊,等.牡丹籽油超临界CO2萃取工艺优化及抗氧化活性的研究[J].中国粮油学报,2013,28(4):47-50,107.

Shi G A,Guo X F,Jin B L,et al.Optimization of supercritical CO2extraction and analysis of antioxidation activity of peony seed oil[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2013,28(4):47-50,107.

15.高婷婷,王亚芸,任建武.GC-MS法分析牡丹籽油的成分及其防晒效果的评定[J].食品科技,2013,38(6):296-299.

Gao T T,Wang Y Y,Ren J W.Analysis of the composition in peony seed oil by GC/MS and evaluation in the sunscreen effect[J].Food Science and Technology,2013,38(6):296-299.

16.周海梅,马锦琦,苗春雨,等.牡丹籽油的理化指标和脂肪酸成分分析[J].中国油脂,2009,34(7):72-74.

Zhou H M,Ma J Q,Miao C Y,et al.Physicochemical indexes and fatty acid composition of peony seed oil[J].China Oils and Fats,2009,34(7):72-74.

17.王昌涛,张萍,董银卯.超临界CO2提取牡丹籽油的工艺以及成分分析[J].中国粮油学报,2009,24(8):96-99,107.

Wang C T,Zhang P,Dong Y M.The technique of the extraction of oil from peony seed with supercritical CO2extraction method and the analysis of the composition[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2009,24(8):96-99,107.

18.Khurana N,Singh M V,Chatterjee C.Copper stress alters physiology and deteriorates seed quality of rapeseed[J].Journal of Plant Nutrition,2006,29(1):93-101.

19.De Vos C H R,Vonk M J,Vooijs R,et al.Glutathione depletion due to copper-induced phytochelatin synthesis causes oxidative stress inSilenecucubalus[J].Plant Physiology,1992,98(3):853-858.

20.Ohlrogge J,Browse J.Lipid biosynthesis[J].The Plant Cell,1995,7(7):957-970.

21.Hills M J.Control of storage-product synthesis in seeds[J].Current Opinion in Plant Biology,2004,7(3):302-308.

22.Sinha S,Sinam G,Mishra R K,et al.Metal accumulation,growth,antioxidants and oil yield ofBrassicajunceaL.exposed to different metals[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2010,73(6):1352-1361.

23.Fernandes J C,Henriques F S.Biochemical,physiological,and structural effects of excess copper in plants[J].The Botanical Review,1991,57(3):246-273.

24.Lidon F C,Henriques F S.Changes in the thylakoid membrane polypeptide patterns triggered by excess Cu in rice[J].Photosynthetica,1993,28:109-117.

25.Jones G L,Nichols P D,Johns R B,et al.The effect of mercury and cadmium on the fatty acid and sterol composition of the marine diatomAsterionellaglacialis[J].Phytochemistry,1987,26(5):1343-1348.

26.田生科,李廷轩,杨肖娥,等.植物对铜的吸收运输及毒害机理研究进展[J].土壤通报,2006,37(2):387-394.

Tian S K,Li T X,Yang X E,et al.Mechanisms of copper uptake,transportation and detoxification in plants[J].Chinese Journal of Soil Science,2006,37(2):387-394.

27.Chaffai R,Elhammadi M A,Seybou T N,et al.Altered fatty acid profile of polar lipids in maize seedlings in response to excess copper[J].Journal of Agronomy and Crop Science,2007,193(3):207-217.

28.Baryla A,Laborde C,Montillet J L,et al.Evaluation of lipid peroxidation as a toxicity bioassay for plants exposed to copper[J].Environmental Pollution,2000,109(1):131-135.

29.刘雁丽,史萍,夏妍,等.Cu和丹皮酚磺酸钠处理对凤丹根系生长、丹皮酚含量及H+-ATPase活性的影响[J].植物资源与环境学报,2012,21(1):20-27.

Liu Y L,Shi P,Xia Y,et al.Effects of Cu and sodium paeonol sulfonate treatments on growth,paeonol content and H+-ATPase activity in root ofPaeoniasuffruticosa‘Feng Dan’ seedling[J].Journal of Plant Resources and Environment,2012,21(1):20-27.

30.张敏,江建华,徐洁.铜矿尾矿库复垦种植牡丹可行性研究[J].上海环境科学,2000,19(12):585-587.

Zhang M,Jiang J H,Xu J.Feasibility study of reclamation of copper-ore-tailings reservoir for planting peony[J].Shanghai Environmental Science,2000,19(12):585-587.

31.周燕,张桂花,徐迎春,等.铜对凤丹生长、生理及体内矿质元素吸收分配的影响[J].生态学杂志,2011,30(3):415-423.

Zhou Y,Zhang G H,Xu Y C,et al.Effects of Cu onPaeoniaostiigrowth,physiology,and element absorption and allocation[J].Chinese Journal of Ecology,2011,30(3):415-423.

32.张衷华,唐中华,杨逢建,等.两种主要油用牡丹光合特性及其微环境影响因子分析[J].植物研究,2014,34(6):770-775.

Zhang Z H,Tang Z H,Yang F J,et al.Photosynthetic characteristics and its micro-environmental limiting factors of two main oil peony[J].Bulletin of Botanical Research,2014,34(6):770-775.

33.邹佳佳,孟梅,张云,等.农田土壤铜污染评价和油菜铜积累特征研究[J].土壤通报,2015,46(3):621-627.

Zou J J,Meng M,Zhang Y,et al.Evaluation on copper pollution status of soil and copper accumulation features of rapes in farm land[J].Chinese Journal of Soil Science,2015,46(3):621-627.

This study was financially supported by Natural Science Foundation of Heilongjiang province(QC2015042)；The Special Fund for Forest Scientific Research in the Public Welfare(20140470102)；The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2572015CA05)

introduction：ZHAO Xiao-Ju(1978—),female,Associate professor,major in Plant Physiology and Molecular Biology research.

date:2016-08-30

EffectofCuonCompositionsofSeedOilinPaeoniaostii

ZHAO Xiao-Ju1,2QIN Wei1CHEN Hua-Feng1*

(1.Northeast Forestry University,Harbin 150040；2.Bioengineering Institute,Daqing Normal University,Daqing 163712)

The unsaturated fatty acids, especially linolenic acid are the main embodiment of the quality of peony seed oil. But so far, in traditional cultivation area ofPaeoniaostii, it has not been investigated whether the soil copper content affected the quality of peony seed oil. In this study, we investigated copper content in soil and the composition of the seed oil in 30P.ostiicultivation areas in Anhui Province. The copper content in the soil was 18.98-298.82 mg·kg-1, and the variation coefficient was 83.06%. The contents of palm acid, stearic acid, oleic acid, linoleic acid and linoleic acid were 5.62%, 1.89%, 24.59%, 29.76% and 38.13%, respectively. The variation coefficient was between 5.66 and 9.72, among which the highest one was linoleic acid. There was a significantly negative correlation between copper content and unsaturated fatty acid content, linoleic acid content, and there was no significant correlation between the content of copper and linolenic acid content. And there was a significantly positive correlation between soil copper content and leaf copper content,r=0.778. The cultivation ofP.ostiifor oil production should avoid the high copper content in the soil to keep the quality of peony seed oil.

Paeoniaostii;seed oil;fatty acid;unsaturated fatty acids;copper pollution

黑龙江省青年科学基金(QC2015042)；林业公益性行业科研专项经费(20140470102)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2572015CA05)

赵晓菊(1978—)，女，副教授，主要从事植物生理与分子生物学方面的研究。

* 通信作者：E-mail：biginsect@163.com

2016-08-30

* Corresponding author：E-mail：biginsect@163.com

Q945.79；S567.1+5

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.01.020