包頭工業(yè)區(qū)蔬菜重金屬富集及人群健康評價

栗利曼　劉菊梅　沈渭壽　蔣海明　卞曉燕　梁 棟　司萬童，*（內(nèi)蒙古科技大學數(shù)理與生物工程學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)生物質(zhì)能源化利用重點實驗室，內(nèi)蒙古包頭0400；環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇南京 004）

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包頭工業(yè)區(qū)蔬菜重金屬富集及人群健康評價

栗利曼1劉菊梅1沈渭壽2蔣海明1卞曉燕1梁 棟1司萬童1，*
（1內(nèi)蒙古科技大學數(shù)理與生物工程學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)生物質(zhì)能源化利用重點實驗室，內(nèi)蒙古包頭014010；2環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇南京 210042）

摘 要：利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜，測定內(nèi)蒙古包頭南海子工業(yè)區(qū)的土壤和芹菜、葉用萵苣、菠菜、芫荽、油麥菜、大白菜、普通白菜等7種主要蔬菜中Hg、Se、Zn、Cu、Pb、Mn、Cd等重金屬含量，并對土壤污染程度和7種蔬菜的食用健康風險進行評價。結(jié)果表明：包頭南海子工業(yè)區(qū)的土壤受到中度重金屬污染，其中Hg和Se污染非常嚴重；Zn、Mn、Cu向蔬菜中遷移的能力較大；不同種類蔬菜對重金屬的吸收能力不同，其中Zn在除大白菜外的其他6種蔬菜中含量均超標，Cu在油麥菜中含量超標，Hg在芹菜、油麥菜和菠菜中含量超標，大白菜對各種重金屬的吸收能力均較小，而油麥菜、菠菜、芹菜、葉用萵苣對這7種重金屬的富集程度普遍較高，與其他蔬菜相比食用風險較大；兒童的攝食健康風險高于成人。

關(guān)鍵詞：土壤污染；生物富集；土壤污染負荷指數(shù)；綜合金屬危害指數(shù)

栗利曼，碩士研究生，專業(yè)方向：環(huán)境生物學，E-mail：liliman0329@163.com

內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地和全球輕稀土產(chǎn)業(yè)中心，有“稀土之都”的稱號。然而，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，每年都有大量廢水、廢渣排放到黃河中，對黃河水造成了一定程度的污染（Si et al.，2015）。由于當?shù)剞r(nóng)業(yè)用水限制，黃河水灌溉歷史悠久，亦使農(nóng)田土壤中的重金屬逐年累積（Si et al.，2015）；同時，采礦業(yè)的發(fā)展致使許多重金屬直接進入大氣、水以及土壤中，通過揚塵大氣沉降和水體擴散作用，導致包頭地區(qū)農(nóng)田環(huán)境受到不同程度的重金屬污染（劉婷婷 等，2013）。重金屬通過食物鏈在人體內(nèi)富集，給人們的健康帶來風險，其中蔬菜攝取是主要途徑之一（Muchuweti et al.，2006）。有研究表明，蔬菜中重金屬的富集與蔬菜的品種、蔬菜對重金屬的吸收速率，以及重金屬在土壤—蔬菜間的轉(zhuǎn)移因子都有很大關(guān)系（Wang et al.，2012；馮玉蘭和周靜，2013）。

南海子是包頭地區(qū)較大的蔬菜、糧食生產(chǎn)區(qū)，主要利用黃河水進行灌溉，生產(chǎn)的蔬菜直接供應(yīng)包頭市區(qū)居民，其質(zhì)量關(guān)乎包頭市及其周邊地區(qū)居民的健康問題。本試驗以包頭市南海子工業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤和7種生產(chǎn)量較大的蔬菜為試驗材料，評價其中主要重金屬污染對當?shù)鼐用駭z入蔬菜造成的健康風險，以期為工業(yè)區(qū)居民對蔬菜的安全食用提供科學依據(jù)，為包頭工業(yè)區(qū)蔬菜污染做出合理評估。

1　材料與方法

1.1樣品采集

以包頭市南海子工業(yè)區(qū)生產(chǎn)的芹菜（Apium graveolens L.）、葉用萵苣（Lactuca sativa L.）、菠菜（Spinacia oleracea L.）、芫荽（Coriandrum sativum L.）、油麥菜（Lactuca sativa L. var. longifolia Lam.）、大白菜〔Brassica campestris L. ssp. chinensis （L.）Makino ssp. pekinensis（Lour）Olsson〕、普通白菜〔Brassica campestris L. ssp. chinensis （L. ）Makino var. communis Tsen et Lee〕等7種主要蔬菜為試材。2014年5～8月，于各種蔬菜成熟季節(jié)采集樣品，每種蔬菜隨機選擇3塊菜地，面積均大于10 m2，分別采集地上部分3份，每份大于500 g，帶回實驗室后依次用自來水、純凈水和超純水清洗，70 ℃烘干備用；同時，在選取的蔬菜樣品根部采集土壤樣品3份，每份大于100 g，分別裝入自封袋，帶回實驗室自然陰干后過200目篩備用。

1.2試驗方法

在包頭市環(huán)境監(jiān)測站分析測試中心，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）對蔬菜和土壤樣本進行Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、Se、Mn等7種重金屬含量測定（Si et al.，2011），并計算各評價指標。同時，利用各元素的標準品驗證試驗結(jié)果，回收率控制在（100±5）%以內(nèi)。

1.2.1土壤污染因子（contamination factor，CF）

式中，C重金屬為土壤中重金屬含量的實測值；C背景值為當?shù)乇尘昂俊?/p>

根據(jù)CF值大小，土壤污染程度可分為6個水平：＜1，無污染；1～2，輕度污染；2～3，中度污染；3～4，污染較為嚴重；4～5，嚴重污染；5～6，嚴重污染到非常嚴重污染；＞6，非常嚴重污染（Si et al.，2015）。

1.2.2土壤污染負荷指數(shù)（pollution load index，PLI）

根據(jù)PLI值大小，土壤污染程度可分為4個等級：＜1，無污染；1～2，中度污染；2～3，重度污染；≥3，非常嚴重污染（趙晶 等，2007）。

1.2.3生物富集系數(shù)（bioconcentration factor，BCF）

BCF代表了重金屬從土壤向作物中的轉(zhuǎn)移能力，是人類通過食物鏈攝取重金屬的重要指標之一（Huang et al.，2008）。

式中，C農(nóng)作物和C土壤分別為農(nóng)作物和干燥土壤中重金屬含量。

1.2.4單一和綜合重金屬風險評價 危險商數(shù)（hazard quotient，HQ）表示食用受污染糧食引起的單一重金屬健康風險評價。危險指數(shù)（hazard index，HI）是多種重金屬危險商數(shù)之和。HQ值或HI值＞1，表示單種重金屬或多種重金屬對人體具有潛在的健康風險（Si et al.，2011；Wang et al.，2012）。

式中，DIM（daily intake of metals）為重金屬日進食量；C重金屬為蔬菜中重金屬含量；D日進食量為蔬菜日進食量；B平均體重為不同人群平均體重；RfD為每天攝取而不會造成明顯毒性風險的安全劑量。

通過調(diào)查統(tǒng)計，當?shù)爻扇耍?8～60歲）和兒童（3～6歲）的蔬菜日進食量分別為0.47 kg·d-1和0.16 kg·d-1。內(nèi)蒙古地區(qū)成人和兒童的平均體重分別為63.1 kg和18.9 kg（國家體育總局，2012）。Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、Se、Mn的RfD值分別為0.000 3、0.04、0.3、0.004、0.001、0.005、0.14 mg·kg-1·d-1（US-EPA，2002）。

1.2.5聚類分析 采用歐氏距離法，利用非加權(quán)組平均法對7種蔬菜中重金屬含量的HQ值進行聚類分析。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件和Microsoft Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖，采用R語言進行聚類分析。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤中重金屬含量和CF值

由表1可知，包頭南海子工業(yè)區(qū)土壤中7種主要重金屬的CF值大小為：Hg＞Se＞Zn＞Cu＞Pb＞Mn＞Cd。其中，Hg和Se的CF值均＞6，說明這兩種重金屬污染非常嚴重；Zn的CF值在1～2區(qū)間，為輕度污染；而Cu、Pb、Mn、Cd的CF值均＜1。污染負荷指數(shù)PLI為1.368，在1～2區(qū)間，為中度污染。

表1　包頭南海子工業(yè)區(qū)土壤中重金屬含量和CF值

土壤中Mn、Zn、Cu的實測含量較高，但CF值卻是Hg、Se較高，這是由于CF值和當?shù)乇尘昂肯嚓P(guān)，而包頭地區(qū)Hg、Se含量本身較低。

與我國土壤重金屬含量標準進行比較，包頭南海子工業(yè)區(qū)土壤中7種主要重金屬含量均未超標。其中，我國綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準和蔬菜土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標限值對Pb、Cd、Hg的規(guī)定一致，說明我國對這3種重金屬污染比較重視；而對Cu的規(guī)定，在綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準中要求其含量更低；Zn在綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準中沒有進行相關(guān)限制，而在蔬菜土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標限值中有相關(guān)規(guī)定。與聯(lián)邦德國的土壤重金屬含量標準進行比較，包頭市南海子工業(yè)區(qū)土壤中Zn含量超標近3倍，由此可見國外重金屬含量標準總體上比我國嚴格。

2.2蔬菜中重金屬含量

由表2可知，不同重金屬在7種蔬菜中的含量均為：Zn＞Mn＞Cu＞Se、Pb＞Hg、Cd，其中Zn在除大白菜外的6種蔬菜中含量均超標。Cu含量：油麥菜＞菠菜＞葉用萵苣＞芫荽＞普通白菜＞芹菜＞大白菜，在油麥菜中含量超標；Zn含量：葉用萵苣＞油麥菜＞芫荽＞普通白菜＞菠菜＞芹菜＞大白菜，僅在大白菜中含量不超標；Mn含量：普通白菜＞芹菜＞葉用萵苣＞芫荽＞菠菜＞油麥菜＞大白菜；Hg含量：芹菜＞油麥菜＞菠菜＞葉用萵苣＞普通白菜＞芫荽＞大白菜，在芹菜、油麥菜和菠菜中含量超標；Pb、Cd、Se在7種蔬菜中含量均未超標。油麥菜、菠菜和芹菜中的Cd含量高于植株根部土壤中的Cd含量（表1，0.015 mg·kg-1），說明這3種蔬菜對重金屬Cd有較強的富集能力。

表2　包頭南海子工業(yè)區(qū)7種主要蔬菜中重金屬含量 　mg·kg-1；n=5

2.3蔬菜中重金屬BCF值

由表3可知，Cu、Zn、Cd在蔬菜中的富集系數(shù)較大，其中Cu在油麥菜、菠菜、葉用萵苣和芫荽中富集指數(shù)較高；Zn在葉用萵苣中富集指數(shù)最高，達到1.441，其次是油麥菜、芫荽和普通白菜；Cd在油麥菜、菠菜和芹菜中富集指數(shù)較高，均大于1，說明這3種蔬菜易于富集重金屬Cd。Se、Pb、Hg在蔬菜中的富集指數(shù)較小。方鳳滿等（2010）研究表明，Cu、Zn易通過蔬菜富集而對人體造成潛在傷害，屬于高富集元素；這與本試驗結(jié)果一致。

表3　包頭南海子工業(yè)區(qū)7種主要蔬菜中重金屬BCF值

2.4蔬菜中重金屬風險評估

圖1顯示了7種重金屬對成人和兒童HQ的累積值，總柱高表示某種蔬菜中重金屬對人體存在的潛在健康風險值。由圖1可知，Cu、Zn、Mn的HQ值較高，除大白菜中Cu、Zn、Mn及芹菜中Cu 的HQ值小于1外，其他均大于1；Hg、Pb、Cd、Se的HQ值均小于1。大白菜的HI值最小，約為1.7；葉用萵苣的HI值最大，達到6.5；芹菜、菠菜、芫荽、油麥菜和普通白菜的HI值在4～6之間。這7種蔬菜的HI值均大于1，對人體健康均存在一定的風險；兒童的HI值均高于成人，說明兒童對重金屬污染更為敏感，這和以往的研究相符（夏鳳英等，2011）。

由圖2可見，在不同種類蔬菜中，不同重金屬的HQ值對于HI值的貢獻度各不相同。其中Cu、Zn、Mn的貢獻度較大，均在20%以上，Mn在芹菜中達到最大貢獻度（42.58%），Cu在油麥菜中達到最大貢獻度（38.14%），Zn在葉用萵苣中達到最大貢獻度（36.00%）；Pb、Cd、Se的貢獻度較小。

圖1　包頭南海子工業(yè)區(qū)7 種主要蔬菜中重金屬對成人和兒童的HQ 值和HI 值

圖2　包頭南海子工業(yè)區(qū)7種主要蔬菜中各種重金屬HQ值對HI值的貢獻度

2.5蔬菜和重金屬聚類分析

由圖3-a可見，7種蔬菜對人體健康風險的大小可分為3類，其中大白菜為一類，對人體的健康風險最小；葉用萵苣、油麥菜、菠菜和芫荽為一類；芹菜和普通白菜為一類，對人體的健康風險較大。

圖3-b將重金屬通過蔬菜對人體的健康風險分為2類，其中Zn、Cu、Mn是對人體健康風險較大的一類重金屬；Hg、Cd、Pb、Se是對人體健康風險較小的一類重金屬。

圖3　包頭南海子工業(yè)區(qū)重金屬和蔬菜致毒性聚類結(jié)果

3　結(jié)論與討論

包頭市南海子工業(yè)區(qū)種植的蔬菜總體上存在一定的安全隱患。Zn在除大白菜外的其他6種蔬菜中含量均超標。Zn雖為人體必需元素，但過度攝入同樣也會給人體造成危害，并且會抑制體內(nèi)其他金屬元素的利用（Si et al.，2011）。Cu（除油麥菜外）、Pb、Cd在7種蔬菜中的含量均低于農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害蔬菜安全要求，且Pb、Cd對綜合重金屬風險評價貢獻較小，攝食時帶來的健康危害較小；然而這3種重金屬是環(huán)境中具有“三致”效應(yīng)的有害元素，在人群中的低劑量暴露就可造成多系統(tǒng)、多器官的損傷；本試驗中Cu、Pb、Cd在油麥菜、菠菜和芹菜中含量較高，經(jīng)常食用對人體具有一定的潛在健康風險，應(yīng)予以關(guān)注。

不同種類重金屬在蔬菜中的富集程度不同，鄒日等（2011）研究表明Mn元素在土壤中含量最高，但其遷移性不大。本試驗單一和綜合重金屬風險評價中Mn的貢獻率達到了20%，并且在聚類分析中屬于高風險性重金屬。但是在農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害蔬菜安全要求中并沒有對該元素進行規(guī)定，因此建議國家增加Mn等對人體有害的重金屬的標準限定。Cd在土壤中含量較低，因此雖然Cd的遷移率較大、屬于高富集元素（江解增 等，2006），但是其在蔬菜中的富集量較低，對人體造成的健康風險較小。張福金等（2008）研究表明內(nèi)蒙古地區(qū)土壤中Cd含量在0.02～0.18 mg·kg-1之間，符合無公害產(chǎn)品基地要求；蔬菜中Cd含量低于無公害蔬菜產(chǎn)地環(huán)境標準限值，與本試驗結(jié)果一致。Si等（2015）在內(nèi)蒙古包頭段黃河水中沒有檢測到Cd污染，且在三大控面的土壤中檢測到的Cd含量也很低（0.018～0.052 mg·kg-1），推測黃河包頭段可能是內(nèi)蒙古地區(qū)Cd污染最輕的區(qū)域。不同種類蔬菜對重金屬的吸收存在差異，夏鳳英等（2011）研究表明不同蔬菜樣品中Pb、Cd、Zn、Cu含量最大差異倍數(shù)分別達到105.0、18.0、29.8、25.9倍；本試驗中，大白菜中7種重金屬含量均較低；油麥菜（除Mn外）、菠菜（除Mn、Zn外）和芹菜（除Zn、Cu外）對7種重金屬的富集程度普遍較高，葉用萵苣對影響人體健康風險程度較大的Cu、Zn、Mn的富集程度較高，與其他蔬菜相比，這4種蔬菜的食用風險較大。

包頭市南海子工業(yè)區(qū)的土壤受到了中度重金屬污染，尤其是Hg和Se的污染非常嚴重。不同種類重金屬向蔬菜中的遷移能力不同，導致蔬菜受重金屬污染的程度不同，以葉片分散型蔬菜的食用風險較大。建議當?shù)鼐用裾{(diào)整蔬菜攝食種類，以減少重金屬的攝入。總體而言，重金屬污染對當?shù)鼐用竦纳眢w健康具有潛在的危害，且對兒童的危害較成人要大，因此該工業(yè)區(qū)蔬菜的重金屬污染以及市區(qū)兒童的飲食健康問題應(yīng)引起當?shù)卣途用竦年P(guān)注。

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Heavy Metal Enrichment and Population Health Risk Assessment of Vegetables in Baotou Industrial District

LI Li-man1，LIU Ju-mei1，SHEN Wei-shou2，JIANG Hai-ming1，BIAN Xiao-yan1，LIANG Dong1，SI Wan-tong1， 2*
（1Inner Mongolia Key Laboratory of Biomass-Energy Conversion，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China；2Nanjing Institute of Environmental Science，Ministry of Environmental Protection，Nanjing 210042，Jiangsu，China）

Abstract：The vegetable and soil were sampled in Baotou Nanhaizi Industrial District，and the heavy metals contents of all samples were determined with the inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）．The heavy metals were Hg，Se，Zn，Cu，Pb，Mn，Cd，and the vegetables were Apium graveolens L.，Lactuca sativa L.，Spinacia oleracea L.，Coriandrum sativum L.，Lactuca sativa L. var. longifolia Lam.，Brassica campestris L. ssp. pekinensis（Lour）Olsson，Brassica campestris L. ssp. chinensis（L. ）Makino var. communis Tsen et Lee．The soil pollution levels and the local resident health risk from vegetables intake was also assessed. The results showed that soil in Baotou Nanhaizi Industrial District was moderately polluted by heavy metals，among which Hg and Se pollution were very serious．The migration abilities to vegetables of different heavy metals were different， among them，those of Mn，Cu and Zn were bigger in all vegetables，and their risk to residents’health was also severer．Different vegetables had different absorption ability to heavy metals．Zn content was exceeded in every kinds vegetables except Brassica campestris L. ssp. pekinensis（Lour）Olsson．Cu content was exceeded in Lactuca sativa L. var. longifolia Lam．Hg content was exceeded in Apium graveolens L.，Lactuca sativa L. var. longifolia Lam. and Spinacia oleracea L．The absorption abilities of Brassica campestris L. ssp. pekinensis（Lour）Olsson for all heavy metals were smaller．The bioconcentration abilities of Lactuca sativa L. var. longifolia Lam.，Spinacia oleracea L. Apium graveolens L. and Lactuca sativa L. were generally stronger than other vegetables in this study，and so the edible risk of this three vegetables were bigger too．The health risk of vegetables feeding to children was higher than adults．

Key words：Soil pollution；Bio-concentration；Soil pollution load index；Comprehensive metal hazard index

*通訊作者（

Corresponding author）：司萬童，副教授，碩士生導師，專業(yè)方向：環(huán)境生物學，E-mail：siwt02@163.com

收稿日期：2015-07-17；接受日期：2015-11-25

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2015MS0332），國家科技基礎(chǔ)性工作專項（2014FY110800），內(nèi)蒙古科技大學創(chuàng)新基金項目（2014QDL006，2015QDL21）