典型重金屬污染地區蔬菜中重金屬含量及健康風險*

楊 俊 呂府紅 宋永偉 張敬東

(1.中南財經政法大學環境與健康研究中心，湖北 武漢 430073； 2.中南財經政法大學環境管理與政策研究所，湖北 武漢 430073； 3.Department of Business Administration,Technology and Social Sciences,Lulea University of Technology,Lulea,Norrbotten 97187)

典型重金屬污染地區蔬菜中重金屬含量及健康風險*

楊 俊1,2呂府紅2宋永偉1,2張敬東1,2JerryBlomberg1,3

(1.中南財經政法大學環境與健康研究中心，湖北 武漢 430073； 2.中南財經政法大學環境管理與政策研究所，湖北 武漢 430073； 3.DepartmentofBusinessAdministration,TechnologyandSocialSciences,LuleaUniversityofTechnology,Lulea,Norrbotten97187)

在大冶市典型重金屬污染地區，選擇羅家橋街辦作為污染區、茗山鄉作為對照區，通過采集土壤和蔬菜樣品，分析5種重金屬(Cu、Zn、As、Cd、Pb)的含量，評價重金屬對當地居民的健康風險，評價參數根據當地居民調查得到。結果表明，污染區土壤樣品的5種重金屬的平均值均高于背景值，對照區土壤樣品的5種重金屬的平均值與背景值差異不顯著或低于背景值。污染區蔬菜樣品的5種重金屬的平均值也基本都高于對照區。因此，污染區土壤已經受到了重金屬的污染，對照區土壤幾乎未受到重金屬的污染。健康風險評價結果表明，污染區人群面臨著非致癌風險和致癌風險，而對照區健康風險較小。從年齡層看，對非致癌風險抵抗力最弱的是兒童，而對致癌風險抵抗力最弱的是成人。污染區最主要的風險元素是Cd和As。

重金屬污染 蔬菜 健康風險評價

Abstract: In typical heavy metal contaminated area in Daye City,the content of Cu,Zn,As,Cr and Pb for soil samples and vegetable samples in contaminated area (Luojiaqiaojieban) and reference area (Mingshanxiang) were determined. Health risks of vegetable heavy metal were evaluated according to the questionnaire for local parameters. Results showed that the average concentrations of Cu,Zn,As,Cr and Pb in contaminated area soils were higher than the background level,and those in reference area were the same as or even lower than the background level. The average concentrations of Cu,Zn,As,Cr and Pb in contaminated area vegetables were almost higher than those in reference area,too. In conclusion,the contaminated area had already been polluted by heavy metals while the reference area not. Health risk assessment results showed that people in the contaminated area were suffering both non-carcinogenic risks and the carcinogenic risks. In general,people in the reference area had a little health risk. Children were vulnerable to non-carcinogenic risks and adults were vulnerable to carcinogenic risks. The most risky heavy metals were Cr and As.

Keywords: heavy metal contamination; vegetable; health risk assessment

礦產開采所引起的重金屬污染是導致我國土壤環境質量惡化的重要原因[1]。重金屬由于難降解、難遷移[2]，易通過農作物富集而進入人體，進而危害人體健康[3]。研究表明，蔬菜在中國的飲食結構中占很大比例。因此，蔬菜對重金屬的富集是典型重金屬污染地區人群暴露于重金屬污染的重要媒介[4]。

目前，蔬菜的重金屬健康風險評估已成為國內外非常關注的課題之一[5-6]。關于礦業城市等典型重金屬污染地區飲食攝入重金屬的健康風險已有一定研究[7]。但對于健康風險評價模型所涉及的人群暴露參數，往往直接引用有關暴露參數手冊的數據[8-9]，對當地人群暴露參數進行實地調查的研究鮮有報道[10-12]。

湖北省大冶市有3 000多年的礦業開采歷史，礦區農田土壤受重金屬污染影響很大。大冶有色金屬公司冶煉廠周邊土壤中Cu、Zn、As、Cd、Pb等重金屬污染非常嚴重。本研究以大冶有色金屬公司冶煉廠周邊的羅家橋街辦作為污染區，以距離該冶煉廠約20 km的的茗山鄉作為對照區，調查了土壤和蔬菜中Cu、Zn、As、Cd、Pb等重金屬的污染狀況，同時對大冶市人群進行了膳食結構調查，獲得當地人群的蔬菜攝入途徑暴露參數，并采用美國環境保護署(USEPA)推薦的健康風險評價模型進行致癌和非致癌風險評價，以期為防止典型重金屬污染地區蔬菜等農作物富集的重金屬對人體健康造成危害提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

在污染區的衛王、王家莊、羅橋、長樂、團垴、春光、華井、官塘、金橋9個點位分別采集土壤和蔬菜樣品；在對照區的范道、上汪、屋段、朱山、茗山、楊橋、上莊7個點位分別采集土壤和蔬菜樣品。

土壤樣品采用隨機多點采樣法，采樣深度為0～20 cm，多點樣品混勻后用四分法取1 kg土壤作為樣品，經風干，除雜，研磨后備用。按USEPA《Microwave assisted acid digestion of siliceous and organically based matrices》(Method 3052)方法進行消解。

蔬菜樣品采集小白菜(BrassicacampestrisL. ssp.chinensisMakino)、紫菜苔(Brassicacampestrisvar.purpurea)、包菜(BrassicaoleraceaL. var.capitataL.)、白菜苔(BrassicaparachinensisL.)、香菜(CoriandrumsativumL.)、白蘿卜(Raphanussativus)6種蔬菜的可食用部分，清洗晾干后打成勻漿，冷凍備用。采用《食品中鉛、砷、鐵、鈣、鋅、鋁、鈉、鎂、硼、錳、銅、鋇、鈦、鍶、錫、鎘、鉻、釩含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)法》(DB53/T 288—2009)進行消解。

土壤和蔬菜樣品消解后用PerkinElmer NexIon350x電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)分析Cu、Zn、As、Cd和Pb的含量，其中As只計無機砷[13-14]。

1.2 健康風險評價模型

歐美國家的健康風險評價發展已較成熟，美國的RBCA模型和CLEA模型以及荷蘭的CSOIL模型使用較為廣泛[15-16]。我國健康風險評價研究起步較晚，多是引用國外成熟的評價模型進行評價，使用最廣泛的是美國的RBCA模型。本研究亦采用美國RBCA模型對蔬菜樣品中的5種重金屬進行人體健康風險評價，主要計算公式如下：

(1)

(2)

HI=∑HQ

(3)

Risk=ADD×SF

(4)

RiskT=∑Risk

(5)

式中：ADD為日均暴露劑量，mg/(kg·d)；c為蔬菜中重金屬質量濃度，mg/kg；IR為日均攝入量，kg/d；EF為暴露頻率，取365 d/a[17]；ED為暴露持續時間，a；BW為體重，kg；AT為平均暴露時間，d；HQ為單種重金屬的非致癌風險；RfD為參考劑量，mg/(kg·d)；HI為多種重金屬的總非致癌風險；Risk為單種重金屬的致癌風險；SF為致癌斜率因子，kg·d/mg；RiskT為多種重金屬的總致癌風險。

對于非致癌風險，若HI≤1，多種重金屬對人體造成的總非致癌風險可以忽略；若HI>1，多種重金屬對人體造成的總非致癌風險不可接受。對于致癌風險，若RiskT≤10-4，多種重金屬對人體造成的致癌風險可以忽略；若RiskT>10-4，多種重金屬對人體造成的總致癌風險不可接受。

1.3 模型參數的選取

IR和BW根據當地的問卷調查取平均值，ED取當地居民的平均年齡。在評價致癌風險時，AT取人群預期壽命，并換算成天數，按每年365 d計，其數據來自《2012中國衛生統計年鑒》；在評價非致癌風險時，AT取(ED×365) d。本研究考慮了人群的年齡差異，分成兒童(2～6歲)、青少年(7～17歲)和成人(18歲及以上)3類，其相應的IR、BW、ED和預期壽命數據列于表1中。對于RfD，本研究只考慮經口攝食途徑，Cu、Zn、As、Cd、Pb的RfD分別取0.037、0.3、0.3×10-3、1.0×10-3、4×10-3mg/(kg·d)。As、Cd、Pb的SF分別取1.5、0.38、0.008 5 kg·d/mg，Cu和Zn沒有SF數據，故不作致癌風險評價[18-20]。

表1 不同人群的調查參數

2 結果與討論

2.1 土壤中重金屬含量比較分析

由表2可見，污染區土壤樣品的5種重金屬的平均值均高于背景值；0.05顯著性水平下，Cu、Zn、Cd、Pd與背景值相比差異顯著，As不顯著；其中Cu和Cd的平均值超過了GB 15618—1995的二級標準，表明污染區土壤已經受到了重金屬的污染。由于不同重金屬在土壤中的濃度水平不同，為進一步明確不同重金屬的污染程度，計算了污染指數。從污染指數來看，5種重金屬的污染程度表現出Cd>Cu>Zn>Pd>As，且Zn、Pb、As的差異不顯著。

單樣本T檢驗結果表明，對照區土壤樣品中Cu、Zn平均值與背景值差異不顯著，As、Cd、Pd平均值顯著低于背景值，說明對照區土壤未受到重金屬的污染。從污染指數來看，5種重金屬的污染程度也無顯著差異。

表2 污染區與對照區土壤重金屬含量比較

注：1)背景值來自文獻[21];2)P1為單樣本T檢驗結果，表示污染區重金屬與背景值差異的顯著水平；3)污染指數為質量濃度平均值與背景值的比值，用以表征污染程度，其中字母標注為多重比較結果，相同字母表示重金屬污染程度在0.05顯著性水平下差異不顯著，不同字母表示重金屬污染程度在0.05顯著性水平下差異顯著；4)P2為單樣本T檢驗結果，表示對照區重金屬與背景值差異的顯著水平；5)P3為雙樣本T檢驗結果，表示污染區重金屬與對照區重金屬差異的顯著水平；6)指《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)的二級標準。

表3 污染區與對照區蔬菜重金屬含量比較

污染區與對照區比較發現，5種重金屬的平均值差異均顯著，污染區土壤的Cu、Zn、As、Cd、Pb平均值分別是對照區的4.5、1.6、2.5、9.7、2.6倍，與相關研究結果吻合[22-23]。

2.2 蔬菜中重金屬含量比較分析

圖1 蔬菜對重金屬的富集系數Fig.1 Enrichment factors for heavy metals by vegetables

污染區和對照區蔬菜中重金屬的平均值如表3所示。經單樣本T檢驗分析，除了包菜的Cu、As、Pb污染區與對照區差異不顯著外，污染區蔬菜中重金屬平均值普遍顯著高于對照區，與2.1節污染區土壤受到了重金屬污染，對照區未受到重金屬污染的結果一致。

不同蔬菜對重金屬的富集能力不同，6種蔬菜對5種重金屬的富集系數如圖1所示。6種蔬菜對Cu、As、Pb的富集系數較小且差異較小。6種蔬菜對Zn和Cd的富集系數明顯大于其他3種重金屬，特別是對Cd的富集系數。污染區和對照區中Cd的富集系數均表現出香菜>紫菜苔>白蘿卜>小白菜>白菜苔>包菜。

2.3 健康風險評價結果

非致癌風險評價結果見圖2。污染區各年齡層人群遭受的總非致癌風險均超過了最大可接受值1，而對照區均未超過，說明對照區蔬菜中重金屬對當地人群的非致癌風險在可接受水平之內，而污染區蔬菜中重金屬對當地人群存在一定的非致癌風險。就污染區而言，總非致癌風險兒童>成人>青少年，分別為6.2、4.7、4.0，兒童抵抗風險能力最弱，青少年抵抗風險能力最強。從不同重金屬對總非致癌風險的貢獻率來看，Cd>As>Pd>Cu>Zn。As的污染指數雖然很低，但其對當地人群的非致癌風險卻不容忽視。

圖2 對照區與污染區蔬菜中重金屬的非致癌風險Fig.2 Non-carcinogenic risk of heavy metals in vegetables of contaminated area and reference area

致癌風險評價結果見圖3。污染區各年齡層人群遭受的總致癌風險均超過了最大可接受值10-4，對照區只有成人的總致癌風險超出了10-4。致癌風險對兒童的威脅最小，隨年齡的增大可能致癌風險也增大。從不同重金屬對總致癌風險的貢獻率來看，污染區表現為Cd>As>Pb，其中Cd和As的貢獻率分別高達51.3%、47.6%。

圖3 對照區與污染區蔬菜中重金屬的致癌風險Fig.3 Carcinogenic risk of heavy metals in vegetables of contaminated area and reference area

綜上所述，污染區兒童、青少年和成人均遭受到較大的健康風險；而對照區僅成人的致癌風險略超出最大可接受值，健康風險較小。從年齡層看，對非致癌風險抵抗力最弱的是兒童，而對致癌風險抵抗力最弱的是成人，這是由于致癌風險具有累積性，成人暴露的時間比青少年、兒童長。污染區最主要的風險元素是Cd和As。

3 結論與建議

(1) 污染區土壤樣品的5種重金屬的平均值均高于背景值，其中Cu和Cd的平均值超過了GB 15618—1995的二級標準；對照區土壤樣品的5種重金屬的平均值與背景值差異不顯著或低于背景值。污染區蔬菜樣品的5種重金屬的平均值也基本都高于對照區。污染區土壤已經受到了重金屬的污染，對照區土壤未受到重金屬的污染。

(2) 污染區各年齡層人群遭受的總非致癌風險均超過了最大可接受值，而對照區均未超過。污染區各年齡層人群遭受的總致癌風險均超過了最大可接受值，而對照區只有成人的總致癌風險略超出了最大可接受值。因此，污染區存在一定的重金屬健康風險，而對照區健康風險較小，最主要的風險元素是Cd和As。

[1] 陶家元.礦區生態環境的初步研究[J].長江流域資源與環境,1997,6(4):355-361.

[2] 秦普豐,劉麗,侯紅,等.工業城市不同功能區土壤和蔬菜中重金屬污染及其健康風險評價[J].生態環境學報,2010,19(7):1668-1674.

[3] 李小飛,陳志彪,張永賀,等.稀土礦區土壤和蔬菜稀土元素含量及其健康風險評價[J].環境科學學報,2013,33(3):835-843.

[4] 程家麗,張信偉,唐陣武.典型燃煤電廠周邊蔬菜重金屬累積特征及人體健康風險[J].衛生研究,2016,45(2):241-245.

[5] MANSOUR S A ,GAD M F.Risk assessment of pesticides and heavy metals contaminants in vegetables:a novel bioassay method usingDaphniamagnaStraus[J].Food and Chemical Toxicology,2010,48(1):377-389.

[6] BACIGALUPO C,HALE B.Human health risks of Pb and As exposure via consumption of home garden vegetables and incidental soil and dust ingestion:a probabilistic screening tool[J].Science of the Total Environment,2012,423(8):27-38.

[7] 杜平,趙歡歡,王世杰,等.大冶市農田土壤中鎘的空間分布特征及污染評價[J].土壤,2013,45(6):1028-1035.

[8] 李有文,曹春,巨天珍,等.白銀市不同區域蔬菜地土壤重金屬污染特征及生態風險評價[J].生態學雜志,2015,34(11):3205-3213.

[9] 范拴喜.寶雞市長青鎮冶煉廠周邊居住區土壤重金屬污染特征與風險評估[J].環境污染與防治,2015,37(9):46-54.

[10] 齊鵬,張仁陟,張伯堯,等.蘭州市土壤-蔬菜系統典型重金屬空間評價及健康風險分析[J].干旱區地理,2012,35(1):162-170.

[11] 鄒曉錦,仇榮亮,周小勇,等.大寶山礦區重金屬污染對人體健康風險的研究[J].環境科學學報,2008,28(7):1406-1412.

[12] 向華麗,楊俊,仇珍珍,等.隧道工人的PM10職業暴露特征調查分析及其健康風險評價[J].環境科學,2015,36(8):2768-2774.

[13] 劉輝,黃利明,印曉虹.居民膳食砷攝入水平調查[J].浙江預防醫學,2015,27(6):547-550,571.

[14] 李筱薇,高俊全,王永芳,等.2000年中國總膳食研究——膳食砷攝入量[J].衛生研究,2006,35(1):63-66.

[15] FRYER M,COLLINS C D,FERRIER H,et al.Human exposure modeling for chemical risk assessment:a review of current approaches and research and policy implications[J].Environmental Science & Policy,2006,9(3):261-274.

[16] Environment Agency.Handbook and software to help assess the risks of contaminated land exposure for human health[EB/OL].[2016-12-31].https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/455747/LIT_10167.pdf.

[17] BENNETT D,KASTENBERG W E,MCKONE T E.A multimedia,multiple pathway risk assessment of atrazine:the impact of age differentiated exposure including joint uncertainty and variability[J].Reliability Engineering & System Safety,1999,63(2):185-198.

[18] EPA/540/1-86/060,Superfund public health evaluation manual[S].

[19] USEPA.Integrated risk information system[EB/OL].[2016-12-31].https://cfpub.epa.gov/ncea/iris/search/index.cfm?keyword=%20.

[20] JOHN D B,JEFFERSON R F,JUDY P,et al.Technical supper document for describing available cancer potency factors[R].Sacramento:California Environmental Protection Agency Office,2002.

[21] 王華東,朱耀明,曾連茂,等.黃石大冶地區土壤重金屬的背景值研究[J].華中師范大學學報(自然科學版),1982(1):96-109.

[22] 宋琪,祁士華,張蓓蓓,等.大冶銅綠山礦區周圍土壤重金屬分布特征及污染狀況評價[J].環境化學,2011,30(9):1672-1673.

[23] 尹春芹,孫清斌,鄧金鋒.環大冶湖農田土壤重金屬污染特征及潛在生態評價[J].湖北理工學院學報,2013,29(1):17-22.

Vegetableheavymetalcontentandhealthrisksinthetypicalheavymetalcontaminatedarea

YANGJun1,2,LYUFuhong2,SONGYongwei1,2,ZHANGJingdong1,2,JerryBlomberg1,3.

(1.InstituteofEnvironmentandHealth,ZhongnanUniversityofEconomicsandLaw,WuhanHubei430073;2.InstituteofEnvironmentalManagementandPolicy,ZhongnanUniversityofEconomicsandLaw,WuhanHubei430073;3.DepartmentofBusinessAdministration,TechnologyandSocialSciences,LuleaUniversityofTechnology,Lulea,Norrbotten97187)

楊 俊，男，1976年生，博士，副教授，主要從事環境與健康研究。

*中國博士后科學基金面上項目(No.2015M582316)；湖北省教育廳人文社科基金項目(No.17YJAZH105)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.005

2017-02-24)