李祖然，祖艳群

（1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500；2.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201）

药用植物砷污染现状及其对生长和药效成分影响的研究进展

李祖然1，祖艳群2

（1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500；2.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201）

我国及世界许多国家和地区均制定了有关药用植物中砷含量的限量标准，药用植物中砷污染的现状不容忽视。药用植物砷污染受到植物种类、品种、入药部位、产地、土壤砷污染和炮制工艺等因素的影响。砷污染对药用植物生长发育及其药效成分产生较大的影响。

砷；污染；药用植物；现状；生长；药效成分；影响

砷作为一种类金属具有许多同素异形体。砷元素广泛存在于自然界，有数百种的砷矿物已被发现［1，2］。砷及其化合物被广泛运用在农药、除草剂和杀虫剂中进入农田和土壤，导致土壤砷污染和农产品砷超标。云南文山州由于地壳原始分化成分的作用、含砷矿的开采和含砷农药的长期使用，使三七种植区存在普遍的土壤砷污染和三七砷含量超标的现象［3－5］。三氧化二砷作为砒霜，在微量条件下可能成为中药配伍的成分之一。重金属砷及其化合物具有较高的生物毒性，长期接触As（Ⅲ）会引起细胞和毛细血管中毒，甚至诱发恶性肿瘤，已被列为中药材重点检测和限定的有害元素之一［6］。生长或种植于砷污染土壤的药用植物对砷的累积和砷超标现象有大量的报道［7－9］。许多国家和地区对药用植物中砷含量要求严格［4］，一旦超标就停售并销毁。砷污染不仅导致药用植物的砷超标，而且影响植物生长和药效充分累积，导致药用植物产量下降，药效降低［10，11］。近年来关于砷影响药用植物生长、药效成分的相关研究日益增多，主要集中在砷对药用植物中生物碱、皂苷、黄酮和糖苷类等成分影响方面的研究［12，13］。

我国草药中砷污染，导致中药材质量下降，严重影响我国中药材的出口创汇和国际声誉。随着药用植物产业的发展，关注药用植物砷污染及其对药用植物生长和药效成分的影响具有重要的实践意义。

1 药用植物砷污染现状及影响因素

1.1 药用植物砷限量标准及污染现状

药用植物的砷污染问题广泛存在。Ko报道，美国检测的251种进口中药中有36种中药As含量超过了14.6mg／kg［14］。Cooper等调查澳大利亚247种市售传统中药制剂中5%～15%的样品存在As超标现象［12］。因此，不同的国家和地区针对药用植物均提出了一定的砷含量限定标准。我国 《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》 （WM2－2001）和2010年中国药典标准对砷的限量指标为≤2.0mg／kg（表1）。其中，日本与我国标准一致，英国、加拿大、马来西亚和新加坡对砷的限量标准达到5.0mg／kg（表1）［15－17］。世界卫生组织对大蒜、芦荟、黄芪、邪胆子、柴胡、积雪草、甘菊花、黄连、银杏叶、人参、甘草、白芍、车前子、桔梗、罗夫木、大黄、番泄果、麝香草和生姜中Pb、Cd、Hg和Cu等提出了0.3～10mg／kg的标准范围，而对As含量没有给出具体的限量标准［15］。粮食及农业组织／世界卫生组织暂定每周可容忍摄入无机砷含量为15mg／kg体重（2.1mg／kg体重／day）。因此，对药用植物进行评价时，针对相应的标准进行评价具有重要的意义。如，川麦冬药材中砷的含量范围0.077～0.48mg／kg，低于《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》和 《中国药典》（2010版）中限量标准，川麦冬作为保健食品，砷含量有超标现象［16，17］。

表1 国内外药用植物中砷含量标准（部分） （mg／kg）

据不完全统计，我国有30%中草药的重金属和农药残留量不符合标准。我国中草药砷超标现象时有发生［18］，李梅华等对我国各地生产的药材进行检测发现，56种药材中多达73%以上砷含量超过2.0mg／kg［19］。冯江等普查了100种药用植物中砷等重金属的含量，结果显示绝大部分中药材中都含有一定量的砷，部分药材中含量较高，特别是细辛，砷含量达到3.20mg／kg［7］。张晖芬等研究表明黄芪和当归中砷含量分别为23.5mg／kg和7.5mg／kg，远超出我国对药用植物及制剂中砷的限量（2.0mg／kg）［20］。何首乌As的超标程度最高，达限量标准的5倍［21］。叶国华等分析了贵州省21种中药材的砷含量，结果表现出As的超标率为0.60%。56种药材中砷含量平均为3.20mg／kg，最高达到5.09mg／kg［8］。韩小丽等综述了218种中药材中砷（As）平均含量为1.13mg／kg，超标率为9.7%。砷含量最高的细辛，为26.39～33.82mg／kg，广东的槟榔为25.04mg／kg，其余药材中砷均在24.0mg／kg之下。高良姜、枳壳、羌活、黄芩、广东的砂仁、四川的使君子、江苏的苏子、湖北的桃仁、河北的杏仁、四川的泽泻砷含量均较低 （≤0.001mg／kg）［16］。

药用植物中砷污染问题是一个值得引起高度关注的课题，相应的砷含量标准是药用植物出口贸易中需要加以应对的关键。同时，需要考虑药用植物的产地、种类和生长环境等因素的影响。

1.2 药用植物砷污染影响因素分析

药用植物的砷污染受到植物生长的产地、药用植物种类和品种、入药部位、土壤砷含量和生长环境、饮片切制或炮制工艺等因素的影响。

李卫东调查发现，在砒霜厂附近采集的三年生三七植株及其根际土壤样品中砷含量达到茎叶平均值76.61mg／kg、块根平均值4.04mg／kg和土壤平均值90.34mg／kg。块根及茎叶的砷残留量大大高出文山三七国家标准GB 19086－2003中规定的砷限量（2.0mg／kg），三七种植区土壤中砷的污染分担率为52.1%，综合污染指数为0.67，已接近警戒线。土壤中的砷残留量也远远高于GB15618－1995《土壤环境质量标准》的二级标准限量 （＜30mg／kg，旱地pH：6.5～7.5或＜40mg／kg，旱地pH＜6.5）［3］。江霞等研究的12批天麻样品中镉残留量均超过 《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》，砷含量符合该标准，天麻中重金属残留量源自土壤、水源及加工运输的污染［22］。土壤中砷形态影响着砷的生物有效性，一般来讲，土壤中砷形态分配比例大小顺序为：结晶铁锰或铁铝水化氧化物结合态＞残余态砷＞无定形和弱结晶铁或铁锰水化氧化物结合态＞专性吸附态砷＞非专性吸附态砷［23］。不同产地药材中砷污染程度均存在一定的差别，不同省区药材砷含量及超标率不同，除与药材本身的生物学特征有关外，还可能与各个采样区域土壤元素背景值或生长地所处矿产类型有关［24］。据翁焕新等报道，中国表层土壤中砷含量的分布呈现出从西南到东北逐渐由高到低的趋势，高海拔地区土壤砷含量高于低海拔地区，地形较高的土壤砷含量高于地形较低的土壤［1］。一般野生药材多分布在甘肃、四川等西部地区，栽培药材多分布在吉林、辽宁等东北地区，野生药材中砷含量高于栽培药材是否与海拔梯度带来的土壤砷含量差异有关，是值得进一步探讨的问题。

不同的种类和不同品种等对砷的累积具有一定的差异。不同品种金银花药材铅的含量为0.16～1.56mg／kg，砷的含量为0.46～2.17mg／kg，不同产地、不同品种间铅和砷的差异性较大［9］。13种河北省主要地产中草药中，以地下部入药的各种类中草药砷含量平均值0.14～0.54mg／kg，以地上部入药的中草药，祁菊花砷含量平均值为1.42mg／kg，其它种类为0.09～0.27mg／kg。根据《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》对总砷的限量（2.0mg／kg），以地下部和地上部入药草药的超标率分别为3.27%和9.09%，全部样品的总超标率为4.57%。中草药的根部比地上部更易受土壤的影响而积累砷。菊科草药砷含量范围较宽，在0.08～7.05mg／kg，平均值为0.87mg／kg［24］。不同药材中砷含量存在较大差别，药材中砷量除受生长地条件影响外，与药材种质、遗传特性、生理生化代谢方面有一定的关系。因此，研究中药材砷污染的同时，研究砷含量及其存在状态与药材有效成分含量、药物功效的相关性，对于了解砷在治疗疾病中的作用和科学评价砷污染的健康风险具有重要的理论价值。

不同的药用植物有着不同的入药方法，在市场上也以不同的形态出现。柳晓娟等研究发现从药用植物的来源分析看，直接采集的药用植物样品砷含量范围在0.03～0.73mg／kg，符合限量标准，而市场购买的半成品及饮片砷含量范围在0.05～7.05mg／kg，其超标率为6.36%，来源于市场的药用植物砷含量显著高于种植区直接采集的药用植物［24，25］。在生物体和植物中发现的主要砷化物有以无机形式存在的As2O3、亚砷酸盐（AsⅢ）、砷酸盐 （AsV）和以有机形式存在的一甲基肿酸（MMA，monomethylooni acid）、二甲基肿酸（DMA，dimethylarsnic acid），在海产品中多以砷甜菜碱（AsB，arsenobetaine）和砷胆碱（AsC，arsenocholine）的形式存在。一般说来，无机砷的毒性大于有机砷，其毒性顺序由大到小为：AsH3、As（III）、As（V）、MMA、DMA、AsC和AsB，而AsB和AsC常被认为是无毒的［26］。中草药中砷赋存的化学形态以无机As（Ⅲ）和As（Ⅴ）为主，其中无机砷占总砷的比例在86%以上；8%的样品检测出二甲基砷酸 （DMA），且全部为饮片，DMA占总砷的百分比不超过15%；在20%的知母样品中检测到了0.028mg／kg的单甲基砷酸（MMA）；在10%的样品中检测出未知砷形态，且这些样品全部为半成品或饮片，各样品中未知砷形态占总砷的百分比均不超过10%。种植区直接采集的草药无机砷含量范围在0.06～0.55mg／kg，平均值为0.21mg／kg；所有饮片无机砷含量范围在0.095～8.68mg／kg，平均值为1.04mg／kg。种植区直接采集的草药及饮片砷全量与其无机砷含量之间均存在显著的线性正相关关系。研究也认为通过服用半成品及饮片得到砷的日摄入量为0.90～19.7μg／d，其占每日允许摄入量的比值范围为0.70%～15.4%，其砷的健康风险显著大于服用采自种植区的原药，说明草药饮片中砷对人体的健康风险不容忽视［24］。

分析原因可能是由于中药材采收之后经过的加工炮制或者运输过程，增加了其砷含量。例如菊花用硫黄熏制再晒干的传统加工方法导致半成品和商品菊花砷含量偏高，这与硫磺的质量关系密切［27］。祁菊花的半成品和饮片都是利用传统硫磺熏蒸的方法进行炮制，导致祁菊花半成品和饮片砷含量偏高［24］。而川附子炮制品中Cu、As等含量的增加与炮制用水和炮制容器有关［28］。因此，中药饮片的砷污染主要受到人工种植区的土壤环境、化肥施用方法、不同品种草药的遗传多样性、饮片切制或炮制工艺、草药生产、贮藏和运输过程中交叉污染等的影响。在中药材仓储过程中，用重金属制品的仓储熏蒸剂来防治霉变、虫害和鼠害，也会给药材造成一定的砷污染。

总之，药用植物砷污染仍然广泛存在，其主要原因包括土壤的污染、药用植物的种类、入药部位、炮制工艺等，特别是土壤的污染是值得关注的重要方面。

2 砷污染对药用植物生长及药效成分的影响

砷是植物生长的非必需元素，低浓度砷对植物生长具有一定的促进作用，高浓度砷胁迫条件下，植物的生长和生理生化代谢将受到抑制。

研究表明，砷化物有还原作用，可以提高植物细胞中氧化酶的活性，对植物生长具有刺激作用［2］。低浓度的As对鱼腥草的生长发育有一定的刺激作用，As的还原作用提高了植物细胞中氧化酶的活性，使土壤中不可给态磷有效化，促进植物的营养吸收，AS还可以杀死或抑制对植物有害的病菌，从而减少病菌对植物的伤害，有利于植物正常生长［27，29］。随着砷浓度升高，药用植物黄芪中过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶 （SOD）的活性能够维持，特别是POD活性显著增加［11］。黄芪即使受到砷胁迫也能保持较高抗氧化酶活性，起到很好的抗氧化调节作用，抗逆能力有所增加。植物在逆境或衰老条件下，会发生膜脂过氧化作用，MDA就是膜脂过氧化产物之一，其浓度表示脂质过氧化程度和膜系统伤害程度。砷处理浓度增加，黄芪内MDA浓度有所上升，在砷胁迫下黄芪有阻止膜脂过氧化产物生成的能力。土壤喷洒低浓度砷酸盐能促进药用植物黄岑（Scutellaria baicalensis Georgi）生长及根系的发育，高浓度砷会降低其生物量［30］。

过量砷可降低植物的蒸腾作用，抑制根系活性，阻碍植物体内水分、养分的吸收和运输并干扰酶促作用，导致植物生长发育受阻，产量、品质降低［31～33］。引起叶面蒸腾下降，阻碍作物中水分输送，从根部到地上部的水分供给受到抑制。As对线粒体的呼吸有明显的抑制作用，砷酸盐可减弱线粒体氧化磷酸化反应，或使其过程解偶联。As2O3能造成线粒体内膜电位差破坏，使ATP合成过程无法正常进行，从而不能为细胞提供充足的能量。As毒害能使作物的叶绿素含量随土壤中的As含量增高而降低，茎叶蔗糖酶活性下降，因而使光合作用受抑制，营养转化失调，营养生长不良，根重、茎叶重随之下降［27］。

中医中药使用含砷中药已有3000多年的历史，砒石（As2O3）、毒砂、雄黄（As4S4或As2S2）、雌黄等均是典型的含砷中药。 《神农本草》有云，“砒石，辛，大热，有大毒。归肺，肝，大肠经。外用蚀疮去腐，攻毒杀虫；内服化痰平喘”［34］。可见含砷药物的功效和毒性是几千年前古人已经认识并运用的，而且有相当一部分方剂至今还被广泛应用［35］。然而，砷对健康的危害是多方面的，可引发多器官的组织学和功能上的异常改变，严重者还可导致癌变［34］。砷对人体的毒性作用，与砷的化合物形式及其价态、砷暴露时间、砷摄入量、个体敏感性、健康状况、营养等因素有关。中草药进入人工胃肠模拟系统后，其无机砷的生物可给性：除知母和天花粉在胃肠阶段无机砷的生物可给性较高外，其它中草药原药样品无机砷在胃阶段的生物可给性范围为29.4%～77.0%，草药原药中无机砷在小肠阶段的生物可给性为29.3%～71.5%；对于煎煮样品，无机砷胃阶段的生物可给性范围为3.35%～18.9%，无机砷肠阶段的生物可给性范围6.31%～18.4%。由于煎煮可以降低原药中砷的摄入量，所以与原药相比，煎煮药液中无机砷的生物可给性明显降低，并且对人体的健康风险也随之降低［36］。砷在体内的毒性作用主要是与细胞中的酶系统结合，使许多酶的生物作用失掉活性而被抑制造成代谢障碍。长期摄入低剂量的砷经过十几年甚至几十年的体内蓄积才发病。砷慢性中毒主要表现为末梢神经炎和神经衰弱症候群的症状。目前，砷毒性的研究大多集中在细胞、蛋白质、DNA等微观水平上进行［37］。

除砷本身的药效特征外，砷在药用植物中的累积还会导致其药效成分的改变。药用植物的药效成分包括：生物碱、皂苷、黄酮、多糖、氨基酸和挥发酚等。

皂苷是一类由甾体皂苷元或三萜皂苷元与糖或糖醛酸缩合而成的苷类化合物，分为甾体皂苷和三萜皂苷，广泛存在于薯蓣科、百合科、五加科、伞形科、豆科、桔梗科、远志科和葫芦科等植物中，具有去痰、镇痛、抗炎、抗疲劳、抗菌和促进核酸和蛋白质合成等作用。环境因子的改变能在一定程度上改变植物皂苷基因的表达和皂苷的合成，影响皂苷产量［38］。土壤As在低浓度时，可以刺激三七的生长，提高某些单体皂苷的含量，同时其他单体皂苷含量降低，且三七块根中的单体皂苷R1、Rb1和Rg1之和也随着外源As的增加而降低［10］。通过对不同入药方式下三七中有效成分三七皂苷R1、人参皂苷Rg1、人参皂苷Rb1和砷的含量测定，研究了不同入药方式对三七安全有效利用的影响，结果表明乙醇回流的提取方法与水煎煮的提取方法相比，其砷含量较低（平均值分别为0.0235，0.11mg／kg）且保留更多药效成分含量（总皂苷含量平均值分别为9.098%，7.738%）［39］。因此，不同的入药方式也将影响砷与药效成分之间的相互作用。

黄酮作为药用植物的药效成分，对药用植物的生理活性具有主要的作用。在环境胁迫条件下，植物通过增加植物体内黄酮化合物来防御环境胁迫，黄酮是植物综合防御体系的一部分。黄酮具有一定的清除氧自由基的作用，能降低亚砷酸盐对细胞的损伤，对细胞具有防护功能［40，41］。环境胁迫能使植物体内的黄酮含量增加，主要是由于环境胁迫可诱导黄酮的生物合成的关键酶苯丙氨酸解氨酶和查尔酮合酶的活性和数量的上升，已在灯盏花、草珊瑚和毛地黄等中药材中得到了证实［13，42－43］。黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）的抗菌有效成分以黄酮类的化合物为主，其中以黄芩苷为最主要的活性成分。当土壤砷胁迫浓度低于200mg／kg时，随着砷胁迫浓度的增大，黄芩根中黄酮类总量呈增加趋势［44］。

3 小结与展望

近年来，由于环境砷污染问题的日益突出，药用植物的砷污染问题不仅涉及到中药毒性与安全性，而且对药用植物的产业发展和出口贸易具有重要的影响。药用植物的砷污染取决于植物的种类、品种、入药部位、道地性分布、土壤砷含量和形态、大气和灌溉水质量、化肥和农药的施用、中药饮片切制或炮制工艺、草药生产、贮藏和运输过程中的污染等。药用植物的砷污染还影响着植物的生长、生理代谢以及药效成分的形成和累积。但是，不同药用植物的砷限量标准还不够全面，砷污染对药用植物的生长和不同药效成分的研究还处于起步阶段，亟待进一步深入研究和探讨，特别是砷污染对药效成分影响的生理和分子机制的研究将有助于丰富As影响药用植物药效成分代谢的理论和构建As调控提高药效成分产量的理论与技术。

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Research Progress of Arsenic Pollution and Its Effects on M edicinal Com ponents and Grow th of M edicinal Plants

LIZu－ran1，ZU Yan－qun2
（1.Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China）

This paper reviewed the arsenic pollution in medicinal plants and its effects on medicinal components and growth ofmedicinal plants based on recent literature.The limited standard value of arsenic content inmedicinal plantswas formulated in China and many other counties and regions.It could not be ignored about the status of arsenic pollution in medicinal plants.The content of arsenic inmedicinal plantswas influenced by plant species，varieties，and parts used as medicine，where the plants grow，soil background，and processing technology.The growth ofmedicinal plants and the effects of the plants asmedicine were affected by arsenic pollution.

arsenic；medicinal plant；growth；medicinal components；effect

X173

A

1673－9655（2015）02－0011－06

2014－06－04

国家自然科学基金（41261096）。

李祖然（1992－），男，在读研究生，主要从事土壤环境生态学方面的研究工作。

祖艳群。