土壤重金属含量对烟叶和烟气中重金属的影响

孟建玉，商胜华，陆 宁，曹 毅，陈兴江

（贵州省烟草科学研究所，贵阳 550081）

烟叶中重金属的含量受产烟区重金属背景值的影响，土壤中重金属含量直接影响着烟叶对重金属的吸收，一般土壤中可溶性重金属的含量越高，烟叶对重金属的吸收也越高[1]。烟叶加工成卷烟后，重金属在吸烟过程中可通过呼吸系统进入人体。由于不同种类的重金属在吸烟过程的挥发性和吸附性不同，故对主动吸烟者和周围环境造成的危害也有所不同[1-2]。目前，国内外重点开展了重金属对烤烟的毒害[3-5]、烤烟对重金属的吸收积累规律[6-9]、重金属对烤烟的作用机理[7,10]等方面的研究。在烟气重金属方面，主要集中在测定方法的优化探索方面[11-13]，马名扬等[14]采用原子荧光光谱、石墨炉原子吸收光谱法测定了吸烟过程中重金属的挥发量，黄海涛等[15]采用外加法于卷烟样品中添加重金属标样，检测了卷烟抽吸过程中重金属的转移量和转移率，巴金莎等[16]采用ICP-MS测定了烟叶中重金属铅向其主流烟气的迁移率，崔德松等[17]采用ICP-MS测定了香烟、香烟灰和过滤嘴中重金属的含量。本研究针对Cd、Pb、Hg、Cr四种元素，研究了土壤、烟叶、烟气三者间含量的定量关系，并对吸烟过程中各重金属元素的挥发量进行分析，以期为烟叶安全生产措施的制定提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试化学试剂 Cd(NO3)2、Pb(NO3)2、Hg(NO3)2、Cr(NO3)3为分析纯。供试烤烟品种为云烟85。供试土壤采自贵州省烟草科学研究所福泉基地的黄壤，经风干、细碎过5 mm筛，去除杂物后充分均匀备用。人工模拟污染土壤的制备：按试验设置浓度称取化学试剂，与足够量的备用土充分拌匀，然后喷施去离子水，保持土壤水分为田间持水量的70%左右，平衡10 d备用。试验中所用器皿均用1∶1硝酸浸泡，然后用去离子水冲洗干净，烘干后贮藏备用。

1.2 试验设计

采取大田换土法进行单一元素污染试验，即用模拟污染土换掉本土，换土深度为25 cm，宽度为30 cm。Cd和Hg的浓度设为0、0.5、1.5、2.5、4.5 mg/kg土，Pb和Cr的浓度设为0、50、150、300、600 mg/kg土，3次重复，共51个小区，每小区栽烟6株，随机区组排列。

1.3 取样方法

模拟污染土充分平衡后各取1个混合样，检测重金属含量。烟叶分别按小区取下部2～5位叶挂牌烘烤，然后将3个小区烤后叶混合且适当平衡等级，每小区各取1个混合样，将烟叶去主脉后分成两份，一份作烟叶对应重金属检测，另一份卷成带嘴烟支作烟气对应重金属检测。

1.4 检测方法

土壤和烟叶中重金属的检测均采用国家标准规定的方法。土壤样品检测标准：GB/T 17141、GB/T 17136、GB/T 17137；烟叶样品检测标准：GB/T 5009.15、GB/T 5009.12、GB/T 5009.17、GB/T 5009.123。

烟支中重金属的检测参照上述烟叶检测标准及马名扬等[14]的检测方法。每个处理选质量相近的10支用于本底值测定，10支用于残留量测定。即首先对烟支各部分进行准确称重后测定其重金属本底值，然后测定烟支吸过后过滤嘴、烟头和烟灰中的重金属残留量及其对应部分的质量。

1.5 计算公式

烟支中重金属的本底值W本=（W试/W样）×W，式中W试为1/3段烟支中含重金属的量（μg/支）；W样为1/3段烟支的质量（g）；W为去掉过滤嘴整支烟的质量（g）。

烟灰中重金属残留量W残=（W试/W灰）×W总，式中 W残为烟灰中重金属的残留量（μg/支）；W试为1份烟灰中含重金属的残留量（μg/支）；W灰为1份烟灰的质量（g）；W总为1支吸过烟支的烟灰总质量（g）。

烟支中重金属的总残留量（μg/支）=过滤嘴吸附量+烟头残留量+烟灰残留量。

百分挥发量（%）=（燃烧部分挥发量/燃烧部分本底值）×100。

烟头或过滤嘴吸附率（%）=（烟头或过滤嘴吸附量/燃烧部分挥发量）×100。

2 结 果

2.1 Cd

2.1.1 含量 从表1可看出，随土壤Cd处理浓度的增加，烟叶Cd浓度、烟支Cd本底值、烟支燃烧后的Cd挥发量（烟气中Cd含量）及残留量随之增加，处理间差异极显著。

2.1.2 相关性 在本试验中，烟气Cd含量（Y）与土壤Cd浓度（X1）、烟叶Cd浓度（X2）；烟叶Cd浓度与土壤Cd浓度的线性关系良好，存在极显著正相关，其回归方程分别为Y = 0.5875X1+ 0.3779（R = 0.9446**）、Y = 0.4746X2- 0.2281（R =0.9964**）、X2= 1.2373X1+ 1.2784（R=0.9476**）。2.1.3 吸烟过程中 Cd的挥发量与吸附量 由表 2可见，在烟支燃吸过程中，各处理Cd的挥发量在73.95%～87.57%，处理间有一定差异，但随处理浓度增加无明显变化。烟头和过滤嘴对Cd的吸附量较小，分别仅为挥发量的 9.72%～23.45%和5.38%～20.48%。

2.2 Pb

2.2.1 含量 由表3可见，在土壤Pb不同浓度下，烟叶及其烟支相应部分 Pb含量处理间多存在显著或极显著差异。随土壤 Pb浓度的增大，烟叶及其烟支相应部分的含量变化无明显规律。

2.2.2 相关性 在本试验中，烟气 Pb含量与烟叶Pb浓度间存在极显著正相关（P＜0.01），对烟气含量（Y）与烟叶浓度（X）进行回归分析，其回归方程为 Y=0.2143X - 0.2014（R=0.9949**）。

2.2.3 吸烟过程中 Pb的挥发量与吸附量 由表 4可见，在烟支燃吸过程中，各处理 Pb的挥发量在16.65%～44.39%，处理间有一定差异，但随处理浓度增加无明显变化规律。烟气通过烟头和过滤嘴时，分别被吸附了 89.55%～96.37%和 18.23%～50.65%。

2.3 Hg

2.3.1 含量 由表5可见，在不同土壤Hg浓度下，处理间烟叶及其烟支相应部分Hg含量多存在显著或极显著差异，随土壤Hg浓度的增大，烟叶及其烟支相应部分的Hg含量变化无明显规律。

表1 土壤Cd不同处理浓度对其在烟叶和烟气中含量的影响Table1 Effects of Cd content in soil on that in tobacco and smoke

表2 烟支燃烧部分Cd的挥发量与烟头和过滤嘴的吸附量Table2 Volatile quantity of Cd in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

表3 土壤Pb不同处理浓度对其在烟叶和烟气中含量的影响Table3 Effects of Pb content in soil on that in tobacco and smoke

表4 烟支燃烧部分Pb的挥发量与烟头和过滤嘴的吸附量Table4 Volatile quantity of Pb in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

2.3.2 相关性 在本试验中，烟气Hg含量与土壤Hg浓度、烟叶Hg浓度与土壤Hg浓度间相关性不显著，烟气Hg含量与烟叶Hg浓度间存在极显著正相关，对烟气含量（Y）与烟叶浓度（X）作定量关系分析，其回归方程为Y = 0.4922X - 0.0034（R =0.9842**）。

2.3.3 吸烟过程中 Hg的挥发量与吸附量 由表 6可见，在烟支燃吸过程中，各处理Hg的挥发量在95.58%～100%，随处理浓度增加呈增大趋势。烟头和过滤嘴对Hg的吸附量较小，分别仅为挥发量的0.8%～6.89%和2.03%～17.17%。

2.4 Cr

2.4.1 Cr含量 由表7可见，在不同土壤Cr浓度下，处理间烟叶及其烟支相应部分 Cr含量存在显著或极显著差异，随土壤 Cr浓度的增大，烟叶及其烟支相应部分的Cr含量变化无明显规律。

2.4.2 相关性 烟气Cr含量与土壤Cr浓度、烟叶Cr浓度与土壤 Cr浓度间无显著相关性，烟气 Cr含量与烟叶 Cr浓度间存在极显著正相关，对烟气含量（Y）与烟叶浓度（X）作定量关系分析，其回归方程为Y=0.0776X-0.0323（R=0.9841**）。

2.4.3 吸烟过程中Cr挥发量与吸附量 由表 8可见，在烟支燃吸过程中，各处理 Cr的百分挥发量在3.40%～15.91%，处理间有一定差异，但随处理浓度增加无明显变化规律。烟气通过烟头和过滤嘴时，分别被吸附了 90.99%～98.51%和 32.64%～63.68%。

表5 土壤Hg不同处理浓度对其在烟叶和烟气中含量的影响Table5 Effects of Hg content in soil on that in tobacco and smoke

表6 烟支燃烧部分Hg的挥发量与烟头和过滤嘴的吸附量Table6 Volatile quantity of Hg in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

表7 土壤Cr不同处理浓度对其在烟叶和烟气中含量的影响Table7 Effects of Cr content in soil on that in tobacco and smoke

表8 烟支燃烧部分Cr的挥发量与烟头和过滤嘴的吸附量Table8 Volatile quantity of Cr in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

3 讨 论

重金属在烟叶、烟气中的含量与其土壤浓度有关[1,9,16,18]，不同重金属元素在土壤-烟叶-烟气中的定量关系亦有所差别。Cd在烟叶中的浓度、烟支本底值、烟支燃烧部分挥发量、烟支总残留量均随土壤处理浓度的增加而增加，不同处理间差异达到极显著水平；不同处理浓度下Hg、Pb、Cr在烟叶及烟支相应部分的含量亦存在显著或极显著差异，但随处理浓度的增大无明显变化规律。相关性分析表明，Cd元素在土壤、烟叶、烟气中的含量两两间存在极显著正相关，即烟叶或烟气中含量高低主要取决于土壤浓度，所以，种植烤烟时要尽量选择 Cd含量较低的区域，不要使用城市废弃物等，因为城市废弃物可使土壤重金属含量增加，导致烟叶中的Cd浓度升高，从而增加烟气中的Cd含量[9,19]；Hg、Pb、Cr三种元素的烟气含量与烟叶浓度间均呈极显著正相关，与土壤浓度间相关性不显著，说明烟气中含量高低主要取决于烟叶浓度。

目前，对烟气重金属检测有直接检测法和间接检法，直接检测法是以主流烟气为主；间接检测法包含主流烟气和侧流烟气，除分析对吸烟者的影响外，还可分析对环境和其他人的影响[11-12,14]。本研究采用间接检测法研究了吸烟过程中Cd、Pb、Hg、Cr四种元素的挥发性与吸附性，在烟支燃吸过程中，Cd、Pb、Hg、Cr的平均挥发量（烟气重金属含量占烟支重金属含量的百分率）分别为79.66%、30.3%、97.39%、9.55%，烟气通过烟头时，烟气中的重金属分别被吸附了15.03%、93.42%、4.41%、95.54%，通过过滤嘴时又分别被吸附了 11.91%、36.31%、10.06%、51.74%。由此可见，烟头和过滤嘴对Cd和Hg的吸附量较小，而Pb和Cr经烟头和过滤嘴吸附后，其总吸附量已超过燃烧部分的挥发量。重金属的挥发性和吸附性与其熔点和沸点密切相关。Hg的熔点-38.7 ℃、沸点357 ℃；Cd的熔点320 ℃、沸点767 ℃；Pb的熔点327 ℃、沸点1525 ℃；Cr的熔点1857 ℃、沸点2672 ℃。据文献报道[20]，当卷烟在燃吸瞬间，其燃烧锥的温度可高达700～800 ℃，而自然燃烧时温度低于400 ℃。Hg和Cd因挥发温度比较低，在吸烟的瞬间或自燃过程中均可挥发，挥发量较大。Pb和Cr的挥发温度较高，开始挥发主要发生在烟支被吸瞬间，而在烟支自然燃烧时达不到其挥发温度，因此在烟支燃吸过程中的挥发量较小。该结果与马名扬等[14]的研究结果基本吻合。

4 结 论

Cd在烟叶及烟支相应部分的含量随土壤Cd处理浓度的增加而极显著增加，土壤、烟叶、烟气中的Cd含量两两间呈极显著正相关；不同处理下Hg、Pb、Cr在烟叶及烟支相应部分的含量亦存在显著或极显著差异，三种元素的烟气含量与烟叶浓度呈极显著正相关，为烟叶安全生产措施的制定提供了参考依据。

在烟支燃吸过程中，Cd和Hg的挥发性较大，烟头和过滤嘴的吸附量较小；Pb和Cr则反之。

[1]陈庆华，陈玉成.吸烟过程中的重金属来源解析及预防[J].微量元素与健康研究，2005，22（5）：47-49.

[2]张领弟，林春丽.吸烟过程香烟中铅和镉挥发性的研究[J].中国卫生检验杂志，2001，11（5）：520-521.

[3]Gichner T, Zdeňka Z, Szákovác et al.Toxicity and DNA damage in tobacco and potato plants growing on soil polluted with heavy metals [J].Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, 65: 420-426.

[4]Arain M B, Kazi T G, Jamali M K et al.Hazardous impact of toxic metals on tobacco leaves grown in contaminated soil by ultrasonic assisted pseudo-digestion:Multivariate study [J].Journal of Hazardous Materials,2008, 155: 216-224.

[5]Gichner T, Žnidar I, Szákovác.Evaluation of DNA damage and mutagenicity induced by lead in tobacco plants [J].Mutation Research, 2008, 652: 186-190.

[6]Fuhrmanna M, Lanzirotti A.241Am,137Cs, Sr and Pb uptake by tobacco as influenced by application of Fe chelators to soil [J].Journal of Environmental Radioactivity, 2005, 82: 33-50.

[7]Dguimi H M, Debouba M, Ghorbel M H, et al.Tissue-specific cadmium accumulation and its effects on nitrogen metabolism in tobacco (Nicotiana tabaccum,Bureley v.Fb9) [J].C.R.Biologies, 2009, 332: 58-68.

[8]Verma S, Yadav S, Singh I.Trace metal concentration in different Indian tobacco products and related health implications [J].Food and Chemical Toxicology, 2010,48: 2291-2297.

[9]吴玉萍，杨虹琦，徐照丽，等.重金属镉在烤烟中的累积分配[J].中国烟草科学，2008，29（5）：37-39.

[10]Kuthanová A, Gemperlová L, Zelenková S, et al.Cytological changes and alterations in polyamine contents induced by cadmium in tobacco BY-2 cells [J].Plant Physiology and Biochemistry, 2004, 42: 149-156.

[11]王瑞，祁争健，王宏义.香烟烟气中水溶性重金属含量的测定[J].光谱实验室，2004，21（2）：32l-323.

[12]谢涛，黄泳彤，徐赐.用ICP—MS法测定卷烟烟气中的重金属元素[J].烟草科技，2003（1）：27-29.

[13]殷晓玲，王亚明，王岚，等.原子吸收光谱法测定卷烟烟气中重金属元素含量的研究[J].安徽农业科学，2010，38（7）：3427-3428.

[14]马名扬，张朝阳，毕鸿亮.吸烟过程中重金属挥发量的测定[J].光谱实验室，2005，22（4）：851-854.

[15]黄海涛，夭建华，耿永勤，等.卷烟抽吸过程中重金属元素的转移量及转移率研究[J].云南大学学报：自然科学版，2010，32（S1）：139-142.

[16]巴金莎，杜咏梅，侯小东，等.烟叶中重金属铅向主流烟气中的迁移分析[J].中国烟草科学，2010，31（6）：1-4.

[17]崔德松，刘玺祥.ICP - MS 测定某品牌香烟和烟灰以及过滤嘴中 39 种元素并初步定量给出吸烟者摄入元素量的探讨[J].微量元素与健康研究，2009，26（4）：53-57.

[18]Baker A J M, Rreeves R D, Hajar A S M.Heavy metal accumulation and tolerance in British population of the metallophyte Thlaspi caerulescens J ＆ C Presl(Brassicaceae) [J].New Phytologist, 1997, 127: 61-67.

[19]Bell P F, Adamu C A, Mulchi C L.Residual effects of land applied municipal sludge on tobacco.I.Effects on heavy metal concentrations in soils and plants [J].Tobacco Science, 1988, 32: 46-51.

[20]于明芳，李荣，雷樟泉，等.烟用香精香料中重金属和砷的控制[J].烟草科技，1998（6）：28-30.