區域小麥籽粒重金屬分布及暴露評估

趙多勇 魏益民 魏 帥 郭波莉 蔡先峰 吳小勝

區域小麥籽粒重金屬分布及暴露評估

趙多勇1，2魏益民1魏 帥1郭波莉1蔡先峰1吳小勝1

（中國農業科學院農產品加工研究所／農業部農產品加工重點實驗室1，北京 100193）
（新疆農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所／農業部農產品質量安全風險評估實驗室（烏魯木齊）／新疆農產品質量安全實驗室2，烏魯木齊 830091）

以某冶金和電廠工業園為研究區域，采集90份小麥籽粒樣品，用ICP－MS測定鉛、鎘元素含量，應用普通克里金法預測小麥籽粒鉛、鎘含量空間分布；用目標危害系數（THQ）法評估其食用安全性，以及當地居民鉛、鎘暴露風險。以明確區域小麥籽粒重金屬鉛、鎘污染水平及分布，評估當地居民鉛、鎘暴露風險。結果表明，該區域小麥籽粒鉛、鎘超過國家限量標準（GB 2762—2012）的比例為68.6%和34.3%；隨著距鉛鋅冶煉廠距離的增加，鉛、鎘含量逐漸下降，距鉛鋅冶煉廠東南側約1 km范圍內的小麥籽粒鉛、鎘含量最高；成人和兒童經小麥全粉攝入鉛暴露風險均大于1（THQ成人＝1.05，THQ兒童＝1.35），成人和兒童經小麥全粉攝入鎘暴露風險均小于1（THQ成人＝0.72，THQ兒童＝0.92）。該區域小麥籽粒已受到一定程度鉛、鎘污染。鉛、鎘含量空間分布圖表明鉛鋅冶煉廠是小麥鉛、鎘污染的重要來源。成人和兒童經小麥攝入鉛暴露風險均達到不可接受的水平，且兒童鉛暴露風險大于成人；成人和兒童鎘暴露風險均在可接受的水平。

小麥 重金屬 鉛 鎘 空間分布 暴露評估

鉛和鎘是一類廣泛存在于環境中的有毒有害重金屬，可通過膳食、呼吸、皮膚接觸等途徑進入人體蓄積［1－3］。世界衛生組織國際癌癥研究機構于1987年將鉛定為2B類致癌物，并于1993年將鎘定為1A類致癌物［4］。鉛和鎘在環境中可通過農作物根部和／或葉面被植物組織吸收和富集［5－9］?！按髿猓寥溃魑铮称罚梭w”途徑是鉛、鎘等重金屬遷移至人體的重要途徑之一。因此，研究小麥籽粒鉛、鎘含量、分布，以及評估由膳食途徑帶來的健康風險，對治理環境重金屬污染，控制消費者重金屬暴露風險具有重要意義。目標危險系數（Target Hazard Quentient，THQ）是美國環境保護署（USEPA）于2000年建立的一種評價人群健康風險的方法［2，10］。目前，國內外已有應用此方法進行健康風險評估的報道［10－15］。鄭娜等［10］研究了葫蘆島鋅冶煉廠周邊居民膳食鉛暴露風險，表明該區域人群攝入鉛的THQ大于1，存在健康風險。Zhuang等［1］研究了廣東大寶山礦區居民鉛膳食暴露風險，結果表明，該區域種植的稻谷和蔬菜鉛含量超過了FAO／WHO的限量標準，當地人群鉛的THQ為1.43～1.99，存在較大的膳食暴露風險。2009年8月，據媒體報道，某工業園發生嚴重的重金屬污染事件，當地政府公布的檢測結果顯示，在1 016名受檢的14歲以下兒童中，851名“血鉛超標”。本研究以該區域為采樣地，按地形和區域面積布點采集小麥樣品，用ICP－MS測定小麥籽粒鉛、鎘含量，評價該區域小麥籽粒鉛和鎘的水平及分布，以THQ法評估當地居民膳食鉛、鎘暴露風險，以期為管理部門制定風險控制措施提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于狹長的河谷地帶，河谷兩側地勢較高（海拔約800 m），中心較低（海拔約600 m），總面積約42 km2。一條河流穿過河谷中心，由西北流入東南方向的水庫（圖1）。該區域常年盛行西北風和東南風，屬于暖溫帶半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區。小麥、玉米為該區域種植的主要糧食作物。

該區域有一家鉛鋅冶煉廠和一家火力發電廠。鉛鋅冶煉廠自2006年開始從事鉛鋅冶煉，年產粗鉛和粗鋅分別為3.3×104t和6.6×104t。發電廠年發電能力80×108kW·h，年耗煤量約3.6×106t。

圖1 研究區域及小麥采樣點

1.2 樣品采集

小麥樣品分別采于2009年、2010年和2011年。共采集小麥樣品90個（2009年32個，2010年30個，2011年28個），小麥籽粒樣品采樣點見圖1，采樣點分布于河谷內和河谷兩側。在田間用剪刀剪下成熟的麥穗，手工分離小麥籽粒，自然曬干。用去離子水清洗，在38℃下烘干，旋風磨粉碎。將粉碎后小麥全粉樣品裝入聚乙烯塑料袋中待測。

1.3 重金屬含量測定方法

小麥全粉樣品采用Mars 240／50型微波消解儀（美國CEM公司）進行消解。稱樣量為0.200 g，酸體系為8 mL HNO3（65%）＋2 mL H2O2（30%）；采用逐步升溫的方式消解，消解溫度為180℃；消解完畢后，用超純水（18.2 MΩ）定容后待測。

鉛、鎘元素含量用7500 ce型ICP－MS（美國安捷倫科技公司）測定。為保證測定結果的可靠性，樣品在測定過程中，每測定10個樣品，測定1次鉛、鎘元素標準物質。

1.4 小麥籽粒鉛、鎘含量空間分布分析

通過分析2010年和2011年采集的58份小麥籽粒樣品鉛、鎘含量，結合采樣點的精確坐標（圖1），運用ArcGIS軟件（9.3 Ver.）中地統計分析模塊普通克里金插值法分析研究區域小麥籽粒鉛、鎘含量空間分布。

1.5 膳食消費量調查

根據當地人群的膳食習慣，以24 h膳食回顧法，結合食物頻率問卷法對該區域居民小麥攝入量進行調查。分別在2009年～2011年（每年2次，春季和秋季各1次）隨機調查30戶，其中，包括成人和14歲以下兒童各60名。按照食物頻率調查表調查過去1年中膳食攝入的食物種類、頻率和數量等，并折算為標準人日，得到食物消費量，即成人和兒童小麥攝入率分別為500、375 g·d－1。

1.6 健康風險評價

研究區域居民膳食鉛、鎘暴露風險用THQ計算。THQ是假定吸收劑量等于攝入劑量，以測定的人體攝入劑量與參考劑量的比值為評價標準。如果THQ＞1，即暴露于此劑量下的人群的健康風險達到了不可接受的程度，應當采取適當的風險管理措施；如果THQ＜1，即暴露于此劑量下的人群其健康風險是可以接受的。具體計算方法［13－14］：

式中：EF為人群暴露頻率／365 d·a－1；ED為暴露區間（70 a），通常等于人的平均壽命［16］；FIR為食品攝入率／g·d－1（成人和兒童小麥攝入率分別為500、375 g·d－1）；C 為小麥中的鉛、鎘含量／mg·kg－1；RFD為參考劑量／mg·kg－1·d－1；WAB為人體的平均體重（成人55.9 kg，兒童32.7 kg）；TA為非致癌性暴露的平均時間（365 d·a－1× 暴露時間／a）（USEPA，2000）。目前，USEPA推薦的鉛、鎘參考劑量分別為4、1 μg·kg－1·d－1。

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒鉛、鎘含量及空間分布

2.1.1 小麥籽粒鉛、鎘含量

小麥籽粒鉛、鎘含量見表1。與國家標準中規定的食品中污染物限量相比［17］，受調查區域內小麥樣品鉛、鎘超標率分別為68.6%和34.3%。由表1結果可知，小麥籽粒鉛超標率遠高于鎘超標率。

表1 小麥籽粒中鉛、鎘元素含量及超標率（N＝90）

2.1.2 小麥籽粒鉛、鎘含量空間分布

運用普通克里金法對研究區域小麥籽粒鉛、鎘含量進行插值分析，得到小麥籽粒鉛、鎘含量空間分布圖（圖2、圖3）。由圖2、圖3可知，在距離鉛鋅冶煉廠相同半徑內，冶煉廠東南側小麥籽粒鉛、鎘含量均較高，均超過了國家標準中規定的限量標準［17］。發電廠西北側小麥籽粒鉛、鎘含量顯著低于東南側小麥籽粒鉛、鎘含量，發電廠燃煤可能對區域內小麥籽粒鉛含量帶來一定的影響。鉛鋅冶煉廠東南側小麥籽粒鉛、鎘含量高于發電廠東南側（鉛鋅冶煉廠西北側）小麥籽粒鉛鎘含量，說明鉛鋅冶煉廠可能是小麥籽粒鉛、鎘的重要來源。

圖2 區域小麥籽粒鉛含量的空間分布

圖3 區域小麥籽粒鎘含量的空間分布

2.2 居民鉛、鎘暴露評估

人體鉛、鎘膳食攝入量的多少與食物攝入量及食物中鉛、鎘含量有關。通過計算區域不同人群每日膳食鉛、鎘攝入率，成人每日鉛、鎘攝入率高于兒童（表2）。由不同人群鉛、鎘暴露評估結果（以小麥全粉中平均鉛、鎘含量計算）可知，兒童鉛、鎘暴露平均風險（THQ鉛＝1.35、THQ鎘＝0.92）高于成人（THQ鉛＝1.05、THQ鎘＝0.72），特別是兒童鉛暴露風險明顯高于成人；研究區域受調查兒童和成人鉛暴露風險均達到了不可接受的程度。

因研究區域小麥籽粒鉛、鎘平均含量分別為0.47、0.08 mg·kg－1，若僅以小麥攝入率計算該區域人群鉛暴露風險，成人小麥攝入率低于475 g·d－1，鉛暴露風險分別在可接收水平（THQ≤1.0）；對于兒童來說，小麥攝入率低于278 g·d－1時，由小麥攝入導致的鉛暴露風險在可接受水平（THQ≤1.0）。若考慮鉛、鎘復合暴露風險，當成人小麥攝入率低于283 g·d－1時，其鉛、鎘復合暴露風險在可接收水平（THQ≤1.0）；對于兒童來說，小麥攝入率低于165 g·d－1時，由小麥攝入導致的鉛、鎘復合暴露風險在可接受水平（THQ≤1.0）。當然，若考慮其他食物攝入和暴露途徑帶來的健康風險，該區域人群小麥攝入率應低于推薦攝入量。

表2 區域居民鉛、鎘攝入量估計及THQ值

3 討論

3.1 小麥鉛、鎘含量及空間分布

通過比較研究區域小麥籽粒鉛、鎘含量與國標規定的最大允許限量，小麥籽粒樣品鉛超標率相對較高。在所有小麥樣品中，火力發電廠與鉛鋅冶煉廠之間的區域及鉛鋅冶煉廠東南側小麥樣品鉛含量污染相對嚴重，尤其是距鉛鋅冶煉廠東南側1 km范圍內的小麥籽粒鉛、鎘含量相對較其他區域高；這可能與鉛鋅冶煉活動及燃煤活動有關。盛行風向和地形也是影響區域環境重金屬污染的重要因素［18－19］。由于當地盛行風向為西北風或東南風，風向與川道地形一致。因此，小麥籽粒鉛、鎘污染的水平不僅與鉛鋅冶煉廠的距離緊密相關，而且還與風向及地形有關。

3.2 受調查人群鉛、鎘攝入量分析

食物攝入量調查是一項比較復雜的工作，需要考慮的因素較多，如調查方法、季節因素、年調查次數、抽樣量、受調查人群的文化素質差異等因素［20－22］。本研究使用了24 h膳食回顧法和食物頻率調查問卷法，分別在春秋兩季對該區域人群進行膳食調查。該區域主要以小麥為主食，獲得的小麥消費量數據與中國統計年鑒2008年各地區農村居民家庭平均每人主要糧食消費量（182.6 kg·a－1，即500.3 g·d－1）比較接近。

3.3 暴露評估的不確定性分析

由于當地種植的主要糧食作物為小麥、玉米和大豆，且主要以小麥為主食，因此選擇小麥作為膳食暴露評估的主要食物，結合其消費量和小麥籽粒中重金屬的含量，在進行鉛、鎘攝入量估計時，僅考慮了當地的主要糧食作物小麥，且以全籽粒小麥作為膳食消費量做了估計。由結果可知，僅由小麥作為食品攝入的鉛對受調查人群造成的風險已達到不可接受的程度。雖然風險評估以小麥全粉的形式估計當地居民鉛、鎘攝入量，會使風險評估結果偏高；若以小麥粉鉛、鎘含量計算其暴露風險，會更接近真實水平。然而，本研究中未考慮蔬菜、玉米、飲水、空氣（粉塵）等其他食品或暴露途徑攝入帶來的風險。若考慮蔬菜等食物攝入和呼吸暴露等其他暴露途徑，則其風險會比本研究中估計的風險更高一些。

在實際生活中，研究區域居民通過多途徑暴露于多種重金屬污染的多介質環境中，如飲水、空氣吸入、皮膚接觸等，當地居民實際的鉛暴露水平還有可能更為復雜。兒童作為特殊群體，接觸玩具、土壤、戶外活動等也會增加其鉛、鎘暴露風險［23－25］。本研究未對粉塵暴露、接觸、飲水等途徑的暴露風險做出估計，也未考慮其他有害重金屬的協同作用，其暴露途徑和介質相對單一。因此，本暴露評估結果只是局部的、單一食物消費的。若考慮蔬菜、飲水、粉塵暴露等途徑，當地居民（特別是兒童）的鉛、鎘暴露風險會更高一些，值得引起高度重視。

4 結論

4.1 在研究區域內采集的90份小麥樣品中，鉛含量超過限量標準的為68.6%；鎘含量超過限量標準的為34.3%。

4.2 隨著距鉛鋅冶煉廠距離的增加，小麥籽粒鉛、鎘含量逐漸下降；而距鉛鋅冶煉廠東南側1 km范圍內的小麥籽粒鉛、鎘含量明顯高于其他區域；說明鉛鋅冶煉廠是小麥鉛、鎘污染的重要來源。

4.3 僅僅以小麥籽粒中平均鉛、鎘含量計算，研究區域受調查成人和兒童小麥鉛攝入風險達到了不可接受水平（THQ鉛≥1.0）；成人和兒童鎘暴露風險在可接受的水平（THQ鎘≤1.0）；兒童小麥籽粒鉛、鎘攝入風險（THQ鉛＝1.35，THQ鎘＝0.92）大于成人（THQ鉛＝1.05，THQ鎘＝0.72）。由于未考慮當地居民其他食物和暴露途徑，因此本研究的暴露評估結果比較保守。

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Spatial Distribution of Heavy Metal in Wheat Kernal and Dietary Exposure Assessment of
Local Residents in an Industrial Area

Zhao Duoyong1，2Wei Yimin1Wei Shuai1Guo Boli1Cai Xianfeng1Wu Xiaosheng1
（Institute of Agro－Food Science and Technology／Key Laboratory of Agro－Products Processing，Ministry of Agriculture1，Beijing 100193）

（Institute of Quality Standards＆ Testing Technology for Agro－Products，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences／Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro －Products （Wulumuqi），Ministry of Agriculture／Xinjiang Laboratory of Agro－products Quality and Safety2，Wulumuqi 830091）

This study is based on one of the metallurgical and Power Plant Industrial Park as the study area.A total of 90 wheat kernel samples were collected.Pb and Cd concentrations were measured by inductively plasma mass spectrometry （ICP －MS）.The spatial distribution of heavy metal concentration in wheat kernel was predicted by Ordinary Krigging methods.The edible safety of wheat and dietary exposure risk of local residents were assessed by Target Hazard Quentient（THQ）.In order to explore the level of Pb and Cd contamination in wheat kernel in the studied area，the health risk of local residents via dietary Pb and Cd exposure were assessed.The results showed that the concentration of Pb（68.6%）and Cd （34.3%）in the wheat samples exceeded maximum permissible levels（GB 2762—2012）.The concentration of Pb and Cd proved to be significantly higher within 1 000 m in the southeast of the smelter.The concentration of Pb and Cd in wheat decreased gradually with distance from the smelter.The THQof Pb estimated merely for wheat was 1.05 and 1.35 for adults and children，while the THQof Cd was0.72 and 0.92 for adults and children，respectively.The wheat kernel in the studied area was polluted to some extent.The results of spatial distribution of Pb and Cd concentrations in wheat kernel in the studied area indicated that the smelter was the main source of heavy metal contamination of wheat.The risk exposure to Pb of local inhabitants via consumption of wheat could not be accepted.The risk for children was greater than adults.The risk exposure to Cd of local inhabitants via consumption of wheat could be accepted.

wheat，heavy metal，Pb，Cd，spatial distribution，exposure assessment

TS201.6，X56

A

1003－0174（2016）07－0006－06

國家自然科學基金（31201457），國家科技支撐計劃（2012BAK17B06），國家博士后基金面上項目（2014 M562484），新疆農科院青年基金（xjnkq－2013 037）

2014－11－13

趙多勇，男，1980年出生，副研究員，食品質量與安全

魏益民，男，1957年出生，教授，食品質量與安全