蚌埠市水稻籽粒重金屬污染及健康風險評價

朱蘭保，盛蒂，戚曉明，杜慶才，丁艷

（蚌埠學院化學與環境工程系，安徽蚌埠233030）

蚌埠市水稻籽粒重金屬污染及健康風險評價

朱蘭保，盛蒂，戚曉明，杜慶才，丁艷

（蚌埠學院化學與環境工程系，安徽蚌埠233030）

對蚌埠市水稻籽粒重金屬質量比進行測試，并采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法以及健康風險指數法對其污染程度和健康風險性進行了評價。結果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金屬Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg質量比的平均值分別為0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。單因子污染指數法評價結果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金屬Cd、Pb為輕污染，其他5種元素均為清潔水平。綜合污染指數范圍為0.23～1.84，平均值為1.18，表明水稻籽粒中重金屬污染總體情況為輕污染程度。健康風險指數評價結果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金屬的攝入對兒童造成的健康風險高于成人，Cd對成人和兒童健康風險都較高，As、Cu、Zn、Cr等對兒童健康風險較高。

水稻籽粒，重金屬，風險評價，蚌埠市

隨著環境污染的加劇，重金屬可通過多種渠道進入農田土壤，而其具有毒性大、易富集的特點，對農產品安全性的影響受到社會、政府和科學界的共同關注[1-3]。重金屬在土壤和水中不能被分解，但可通過食物鏈富集于動植物體內，引起生物體蛋白質變性，使酶失活，還可誘導細胞內致癌因子，引起頭暈、頭痛、失眠、健忘、癌癥等癥狀，尤其對消化、泌尿、神經系統破壞最為嚴重[4]。水稻是我國主要的糧食作物，它對Pb、Zn、Cu、Cd等多種重金屬有較強的吸收特性[5]，引起了水稻的食品安全問題。目前，我國還沒有形成一個對糧食作物重金屬污染監測的全局體系，因此，分析和評價糧食作物重金屬污染水平，對保障人們的飲食安全，促進食品生產可持續發展具有重要意義。地處安徽省北部的蚌埠市，近年來城市化、工業化快速發展，人類活動對生態環境的影響越來越明顯，而關于該城市谷類作物重金屬污染的研究鮮有文獻報道。本文分析了蚌埠市水稻籽粒中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、As和Hg等7種重金屬元素的質量濃度，并對其污染程度及食用健康風險進行了評價，以期為蚌埠地區大米生產的質量控制、農業管理和農產品質量的安全防護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

2013年10月水稻收割之前，根據蚌埠市基本農田分布情況，共選擇了36個采樣區，144個采樣單元，在每個采樣單元按S形多點采樣，采集4～5個點位水稻籽粒，混合均勻后裝袋，作為1個樣品，采樣量約為1kg，共采集樣品144個。

TAS-990型石墨爐原子吸收分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；AF-640A型雙道原子熒光光譜儀 北京北分瑞利分析儀器（集團）有限責任公司；DGT型電熱鼓風干燥箱 合肥華德利科學器材有限公司；FA2004型電子天平 上海衡平儀器儀表廠。

1.2 樣品前處理

將所采集的樣品帶回實驗室，去殼后將籽粒用自來水沖洗，然后用去離子水沖洗，瀝去水分，平攤在干凈的塑料薄膜上，放在陰涼處、室溫自然風干，樣品風干后用瑪瑙研缽研磨，過0.25mm（60目）孔徑的尼龍篩，備用。整個過程無外來重金屬污染。

1.3 樣品分析與質量控制

采用石墨爐原子吸收分光光度計測定水稻籽粒中Pb、Cu、Zn、Cr和Cd的質量濃度，采用雙道原子熒光光譜儀測定As和Hg的質量濃度，各元素測定方法均按照國家標準[6-12]執行。重金屬含量測定由空白樣和加標回收樣進行質量控制，加標回收率均在90%～106%范圍內，相對標準偏差均＜5%。實驗所用試劑均為優級純，用水均為超純水，所用的器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上。

1.4 評價方法

1.4.1 水稻籽粒重金屬污染評價 依據《食品安全國家標準-食品中污染物限量》（GB 2762-2012），采用單因子污染指數法[13]和綜合污染指數法[13]對水稻籽粒重金屬污染程度進行評價。

單因子污染指數計算方法如下：

式中，Pi為某種重金屬的污染指數；Ci為重金屬的實測濃度；Si為重金屬的評價標準。

綜合污染指數法采用國內相關研究常用的內梅羅（Nemerow）公式計算，其兼顧了單因子污染指數平均值和最高值，突出了較重要的污染物對水稻籽粒質量的影響，計算方法如下：

式中，P綜為內梅羅綜合污染指數；Pi為某種重金屬的單因子指數；max（Pi）為多種重金屬單因子指數中的最大值；n為重金屬種類數。

表1 重金屬污染指數分級標準Table.1 Classification of pollution index of heavy metals

1.4.2 農產品攝入的健康風險評價[14]對于水稻籽粒中重金屬攝入的健康風險評價，采用臨界攝入量來評價大米的食用安全性。本研究參照US EPA暴露因子手冊，結合實地調查，確定該地區成人稻米攝入量為0.25kg·d-1，兒童稻米攝入量為0.15kg·d-1。農產品攝入的健康風險指數計算方法為：

單一重金屬健康風險指數計算公式：

多種重金屬復合健康風險指數計算公式：

式中，HQ為健康風險指數；CDI為污染物經農產品攝入的平均日攝取量（mg·kg-1·d-1）；RfD為重金屬暴露參考劑量（mg·kg-1·d-1）。HQ＞1，表明該污染物可引起人體的健康風險；HQ≤1，表明該污染物不會引起人體的健康風險。HQ值越大表明該污染物對人體健康風險越嚴重。

表2 水稻籽粒重金屬質量比及分析（n=144）Table.2 Grain heavy metal mass ratios and analysis（n=144）

2 結果與討論

2.1 水稻籽粒重金屬質量比分析

對每個水稻籽粒樣品分別進行5次平行實驗測定其重金屬質量比，結果見表2。從表2可知，蚌埠市水稻籽粒中重金屬Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg質量比的平均值分別為0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。與國家糧食衛生標準相比，蚌埠市水稻籽粒中Pb、Cd的平均質量比均高于國家標準，Cd平均質量比為國家標準的1.53倍，Pb為國家標準的1.04倍；Cu、Zn、Cr、As和Hg質量比均低于國家標準。從樣品重金屬質量比的超標率來看，Cd超標率為13.6%，Pb超標率為8.2%，Zn超標率為7.7%，Cu、Cr、As和Hg在所有采樣點均不超標。與相關研究結果[15-17]相比，蚌埠市水稻籽粒中重金屬Cd、Pb、Cr和Hg的含量均高于長江三角洲地區和浙江慈溪市水稻籽粒，Cu和As含量比其低，Zn含量相當。與同類城市相比，蚌埠產水稻籽粒中Cd、Pb、Cr和Hg含量略高。

通過計算變異系數[18]可知，蚌埠市水稻籽粒中重金屬Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As、Hg元素的變異系數依次為22.67%、20.15%、12.56%、24.71%、15.05%、48.63%、72.92%，As和Hg為強變異，其他5種重金屬元素均為中等變異，說明蚌埠市水稻籽粒中As和Hg含量的空間分布差異較大，來源受人為干擾比較明顯。

2.2 水稻籽粒重金屬污染評價

根據式（1）和式（2），計算出蚌埠市水稻籽粒中7種重金屬的單因子污染指數（P）i和綜合污染指數（P綜），見表3。

表3 水稻籽粒重金屬單因子污染指數（Pi）和綜合污染指數（P綜）Table.3 Grain heavy metals single factor pollution index and comprehensive pollution index

從表3可知，所調查的蚌埠市水稻籽粒中7種重金屬單因子污染指數（Pi）平均值依次為：Cd（1.53）＞Pb（1.04）＞As（0.53）＞Hg（0.48）＞Zn（0.46）＞Cu（0.45）＞Cr（0.21）。根據重金屬污染指數分級標準（表1）可知，水稻籽粒中Cd、Pb為輕污染，其他各元素均為清潔水平。內梅羅綜合污染指數（P綜）為0.23～1.84，平均值為1.18，表明蚌埠市水稻受上述7種重金屬污染總體為輕污染程度。

2.3 水稻籽粒重金屬攝入的健康風險評價

利用式（3）分別計算該地區成人和兒童通過大米攝入重金屬的CDI值和HQ值，結果見表4。

表4 水稻籽粒重金屬攝入的健康風險Table.4 Intake health risk of heavy metals by rice grains

由表4可知，兒童的健康風險指數值均高于成人，分別是成人的3.85（Pb）、4.00（Cu）、3.94（Zn）、3.90（Cr）、3.92（Cd）、4.33（As）、1.97（Hg）倍，表明通過食用本地水稻籽粒攝入的重金屬對兒童造成的健康風險顯著高于成人，而且在調查的7種重金屬元素中有5種元素會對兒童造成健康風險，這也明顯多于成人。這可能是由于兒童身體各組織器官尚未發育完全，特別是肝腎等代謝器官的解毒、排泄功能較弱，相對于成人來說，兒童更具有健康風險。就成人而言，重金屬Cd健康風險指數較高，達到了1.30，會引起當地成人的健康風險，其他各元素每日攝入量均低于US EPA的參考暴露劑量，安全性較好。對兒童來說，重金屬Cd、As、Cu、Zn、Cr、Pb、Hg的健康風險指數分別為5.10、4.33、1.88、1.26、1.17、1.00、0.57，除Hg、Pb外，其他5種重金屬均會對兒童引起健康風險。總體來說，無論對成人還是兒童，水稻籽粒中重金屬Cd對人體的健康風險最高，這可能與當地土壤中Cd背景值較高有關。

蚌埠市水稻籽粒中7種重金屬的成人和兒童的復合健康風險指數分別為3.94和15.31，表明兒童長期食用本地產水稻籽粒攝入的重金屬會對兒童的身體健康造成明顯的危害。因此，兒童不宜食用。不同重金屬對復合健康風險的貢獻率存在明顯差異，但同種重金屬對成人和兒童的復合健康風險貢獻率是一致的，如圖1所示。重金屬的健康風險主要由Cd和As引起，對成人的健康風險貢獻率分別為32.99%和25.38%，對兒童的健康風險貢獻率分別為33.31%和28.28%，健康風險較大。

圖1 單一重金屬對人體的復合健康風險貢獻率Fig.1 Contribution ratio of single heavy metal to HQ of human body in rice grain

3 結論

3.1蚌埠市水稻籽粒中重金屬Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg質量比的平均值分別為0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。與國家糧食衛生標準相比，蚌埠市水稻籽粒中Pb、Cd的平均質量比均高于國家標準；Cu、Zn、Cr、As和Hg質量比均低于國家標準。從樣品重金屬質量比的超標率來看，Cd超標率為13.6%，Pb超標率為8.2%，Zn超標率為7.7%，Cu、Cr、As和Hg在所有采樣點均不超標。

3.2單因子污染指數評價結果表明蚌埠市水稻籽粒中Cd、Pb為輕污染，其他5種元素均為清潔水平；綜合污染指數法評價結果表明，蚌埠市水稻籽粒受7種重金屬污染總體為輕污染程度。

3.3蚌埠市水稻籽粒攝入重金屬對兒童造成的健康風險高于成人。重金屬Cd會引起成人的健康風險，其他6種元素安全性較好；除Hg、Pb外，其他5種重金屬均會對兒童引起健康風險。

3.4總體來說，無論對成人還是兒童，水稻籽粒中重金屬Cd對人體的健康風險最高，這可能與當地土壤中Cd背景值較高有關。

3.5食用蚌埠本地產水稻籽粒能夠對兒童引起健康風險，這應引起相關部門的高度重視，積極采取應對措施。可以從以下幾個方面來考慮：a.對受重金屬污染的農田土壤采取適當的治理和修復，傳統的方法如客土換土法、吸附固定法、電化學法和生物修復技術等，以減少土壤中重金屬向農作物的富集；b.調整地區的種植產業結構，在重金屬含量高的土壤上種植非食用的經濟作物，可以種植速豐林木或花卉；c.嚴格控制含有重金屬的污廢水向農田排放；d.加強植物修復技術在本地區的實驗和應用研究。

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Heavy metal pollution and health risk assessment of rice grain in Bengbu city

ZHU Lan-bao，SHENG Di，QI Xiao-ming，DU Qing-cai，DING Yan
（Department of Chemistry and Environmental Engineering，Bengbu College，Bengbu 233030，China）

The concentrations of heavy metals in rice grain collected from Bengbu were measured.The method of single factor pollution index，comprehensive pollution index and health risk index were used to assess pollution levels and health risk of heavy metals in rice grain.The results showed that the average of Pb，Cu，Zn，Cr，Cd，As and Hg element’s concentrations in rice grain were 0.2073，4.5061，22.7308，0.2104，0.3057，0.0802 and 0.0096mg·kg-1，respectively.The single factor pollution index assessment showed that Cd and Pb were above the national standards and could be categorized as light pollution.However，other elements could be regarded as clean levels.The omprehensive pollution index of heavy metals in rice grain ranged from 0.23 to 1.84，with the average of 1.18，which was considered to be in the level of light pollution.The health risk index of heavy metals in rice grain collected from Bengbu for children was higher than that for adults.Moreover，Cd had an especially high risk for children and adults，and As，Cu，Zn，Cr had an especially high risk for children.

rice grain；heavy metals；risk assessment；Bengbu city

TS201.6

A

1002-0306（2014）04-0053-04

2013－11－11

朱蘭保（1979-），男，講師，研究方向：環境質量與安全研究。

國家自然科學基金項目（41001292）；安徽高校省級自然科學研究項目（KJ2010B106，KJ2011B088）；蚌埠學院自然科學研究項目（2010ZR03）；蚌埠學院優秀人才計劃項目；蚌埠學院重點實驗室資助項目。