区域小麦籽粒重金属分布及暴露评估

赵多勇 魏益民 魏 帅 郭波莉 蔡先峰 吴小胜

区域小麦籽粒重金属分布及暴露评估

赵多勇1，2魏益民1魏 帅1郭波莉1蔡先峰1吴小胜1

（中国农业科学院农产品加工研究所／农业部农产品加工重点实验室1，北京 100193）
（新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所／农业部农产品质量安全风险评估实验室（乌鲁木齐）／新疆农产品质量安全实验室2，乌鲁木齐 830091）

以某冶金和电厂工业园为研究区域，采集90份小麦籽粒样品，用ICP－MS测定铅、镉元素含量，应用普通克里金法预测小麦籽粒铅、镉含量空间分布；用目标危害系数（THQ）法评估其食用安全性，以及当地居民铅、镉暴露风险。以明确区域小麦籽粒重金属铅、镉污染水平及分布，评估当地居民铅、镉暴露风险。结果表明，该区域小麦籽粒铅、镉超过国家限量标准（GB 2762—2012）的比例为68.6%和34.3%；随着距铅锌冶炼厂距离的增加，铅、镉含量逐渐下降，距铅锌冶炼厂东南侧约1 km范围内的小麦籽粒铅、镉含量最高；成人和儿童经小麦全粉摄入铅暴露风险均大于1（THQ成人＝1.05，THQ儿童＝1.35），成人和儿童经小麦全粉摄入镉暴露风险均小于1（THQ成人＝0.72，THQ儿童＝0.92）。该区域小麦籽粒已受到一定程度铅、镉污染。铅、镉含量空间分布图表明铅锌冶炼厂是小麦铅、镉污染的重要来源。成人和儿童经小麦摄入铅暴露风险均达到不可接受的水平，且儿童铅暴露风险大于成人；成人和儿童镉暴露风险均在可接受的水平。

小麦 重金属 铅 镉 空间分布 暴露评估

铅和镉是一类广泛存在于环境中的有毒有害重金属，可通过膳食、呼吸、皮肤接触等途径进入人体蓄积［1－3］。世界卫生组织国际癌症研究机构于1987年将铅定为2B类致癌物，并于1993年将镉定为1A类致癌物［4］。铅和镉在环境中可通过农作物根部和／或叶面被植物组织吸收和富集［5－9］。“大气－土壤－作物－食品－人体”途径是铅、镉等重金属迁移至人体的重要途径之一。因此，研究小麦籽粒铅、镉含量、分布，以及评估由膳食途径带来的健康风险，对治理环境重金属污染，控制消费者重金属暴露风险具有重要意义。目标危险系数（Target Hazard Quentient，THQ）是美国环境保护署（USEPA）于2000年建立的一种评价人群健康风险的方法［2，10］。目前，国内外已有应用此方法进行健康风险评估的报道［10－15］。郑娜等［10］研究了葫芦岛锌冶炼厂周边居民膳食铅暴露风险，表明该区域人群摄入铅的THQ大于1，存在健康风险。Zhuang等［1］研究了广东大宝山矿区居民铅膳食暴露风险，结果表明，该区域种植的稻谷和蔬菜铅含量超过了FAO／WHO的限量标准，当地人群铅的THQ为1.43～1.99，存在较大的膳食暴露风险。2009年8月，据媒体报道，某工业园发生严重的重金属污染事件，当地政府公布的检测结果显示，在1 016名受检的14岁以下儿童中，851名“血铅超标”。本研究以该区域为采样地，按地形和区域面积布点采集小麦样品，用ICP－MS测定小麦籽粒铅、镉含量，评价该区域小麦籽粒铅和镉的水平及分布，以THQ法评估当地居民膳食铅、镉暴露风险，以期为管理部门制定风险控制措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于狭长的河谷地带，河谷两侧地势较高（海拔约800 m），中心较低（海拔约600 m），总面积约42 km2。一条河流穿过河谷中心，由西北流入东南方向的水库（图1）。该区域常年盛行西北风和东南风，属于暖温带半干旱、半湿润大陆性季风气候区。小麦、玉米为该区域种植的主要粮食作物。

该区域有一家铅锌冶炼厂和一家火力发电厂。铅锌冶炼厂自2006年开始从事铅锌冶炼，年产粗铅和粗锌分别为3.3×104t和6.6×104t。发电厂年发电能力80×108kW·h，年耗煤量约3.6×106t。

图1 研究区域及小麦采样点

1.2 样品采集

小麦样品分别采于2009年、2010年和2011年。共采集小麦样品90个（2009年32个，2010年30个，2011年28个），小麦籽粒样品采样点见图1，采样点分布于河谷内和河谷两侧。在田间用剪刀剪下成熟的麦穗，手工分离小麦籽粒，自然晒干。用去离子水清洗，在38℃下烘干，旋风磨粉碎。将粉碎后小麦全粉样品装入聚乙烯塑料袋中待测。

1.3 重金属含量测定方法

小麦全粉样品采用Mars 240／50型微波消解仪（美国CEM公司）进行消解。称样量为0.200 g，酸体系为8 mL HNO3（65%）＋2 mL H2O2（30%）；采用逐步升温的方式消解，消解温度为180℃；消解完毕后，用超纯水（18.2 MΩ）定容后待测。

铅、镉元素含量用7500 ce型ICP－MS（美国安捷伦科技公司）测定。为保证测定结果的可靠性，样品在测定过程中，每测定10个样品，测定1次铅、镉元素标准物质。

1.4 小麦籽粒铅、镉含量空间分布分析

通过分析2010年和2011年采集的58份小麦籽粒样品铅、镉含量，结合采样点的精确坐标（图1），运用ArcGIS软件（9.3 Ver.）中地统计分析模块普通克里金插值法分析研究区域小麦籽粒铅、镉含量空间分布。

1.5 膳食消费量调查

根据当地人群的膳食习惯，以24 h膳食回顾法，结合食物频率问卷法对该区域居民小麦摄入量进行调查。分别在2009年～2011年（每年2次，春季和秋季各1次）随机调查30户，其中，包括成人和14岁以下儿童各60名。按照食物频率调查表调查过去1年中膳食摄入的食物种类、频率和数量等，并折算为标准人日，得到食物消费量，即成人和儿童小麦摄入率分别为500、375 g·d－1。

1.6 健康风险评价

研究区域居民膳食铅、镉暴露风险用THQ计算。THQ是假定吸收剂量等于摄入剂量，以测定的人体摄入剂量与参考剂量的比值为评价标准。如果THQ＞1，即暴露于此剂量下的人群的健康风险达到了不可接受的程度，应当采取适当的风险管理措施；如果THQ＜1，即暴露于此剂量下的人群其健康风险是可以接受的。具体计算方法［13－14］：

式中：EF为人群暴露频率／365 d·a－1；ED为暴露区间（70 a），通常等于人的平均寿命［16］；FIR为食品摄入率／g·d－1（成人和儿童小麦摄入率分别为500、375 g·d－1）；C 为小麦中的铅、镉含量／mg·kg－1；RFD为参考剂量／mg·kg－1·d－1；WAB为人体的平均体重（成人55.9 kg，儿童32.7 kg）；TA为非致癌性暴露的平均时间（365 d·a－1× 暴露时间／a）（USEPA，2000）。目前，USEPA推荐的铅、镉参考剂量分别为4、1 μg·kg－1·d－1。

2 结果与分析

2.1 小麦籽粒铅、镉含量及空间分布

2.1.1 小麦籽粒铅、镉含量

小麦籽粒铅、镉含量见表1。与国家标准中规定的食品中污染物限量相比［17］，受调查区域内小麦样品铅、镉超标率分别为68.6%和34.3%。由表1结果可知，小麦籽粒铅超标率远高于镉超标率。

表1 小麦籽粒中铅、镉元素含量及超标率（N＝90）

2.1.2 小麦籽粒铅、镉含量空间分布

运用普通克里金法对研究区域小麦籽粒铅、镉含量进行插值分析，得到小麦籽粒铅、镉含量空间分布图（图2、图3）。由图2、图3可知，在距离铅锌冶炼厂相同半径内，冶炼厂东南侧小麦籽粒铅、镉含量均较高，均超过了国家标准中规定的限量标准［17］。发电厂西北侧小麦籽粒铅、镉含量显著低于东南侧小麦籽粒铅、镉含量，发电厂燃煤可能对区域内小麦籽粒铅含量带来一定的影响。铅锌冶炼厂东南侧小麦籽粒铅、镉含量高于发电厂东南侧（铅锌冶炼厂西北侧）小麦籽粒铅镉含量，说明铅锌冶炼厂可能是小麦籽粒铅、镉的重要来源。

图2 区域小麦籽粒铅含量的空间分布

图3 区域小麦籽粒镉含量的空间分布

2.2 居民铅、镉暴露评估

人体铅、镉膳食摄入量的多少与食物摄入量及食物中铅、镉含量有关。通过计算区域不同人群每日膳食铅、镉摄入率，成人每日铅、镉摄入率高于儿童（表2）。由不同人群铅、镉暴露评估结果（以小麦全粉中平均铅、镉含量计算）可知，儿童铅、镉暴露平均风险（THQ铅＝1.35、THQ镉＝0.92）高于成人（THQ铅＝1.05、THQ镉＝0.72），特别是儿童铅暴露风险明显高于成人；研究区域受调查儿童和成人铅暴露风险均达到了不可接受的程度。

因研究区域小麦籽粒铅、镉平均含量分别为0.47、0.08 mg·kg－1，若仅以小麦摄入率计算该区域人群铅暴露风险，成人小麦摄入率低于475 g·d－1，铅暴露风险分别在可接收水平（THQ≤1.0）；对于儿童来说，小麦摄入率低于278 g·d－1时，由小麦摄入导致的铅暴露风险在可接受水平（THQ≤1.0）。若考虑铅、镉复合暴露风险，当成人小麦摄入率低于283 g·d－1时，其铅、镉复合暴露风险在可接收水平（THQ≤1.0）；对于儿童来说，小麦摄入率低于165 g·d－1时，由小麦摄入导致的铅、镉复合暴露风险在可接受水平（THQ≤1.0）。当然，若考虑其他食物摄入和暴露途径带来的健康风险，该区域人群小麦摄入率应低于推荐摄入量。

表2 区域居民铅、镉摄入量估计及THQ值

3 讨论

3.1 小麦铅、镉含量及空间分布

通过比较研究区域小麦籽粒铅、镉含量与国标规定的最大允许限量，小麦籽粒样品铅超标率相对较高。在所有小麦样品中，火力发电厂与铅锌冶炼厂之间的区域及铅锌冶炼厂东南侧小麦样品铅含量污染相对严重，尤其是距铅锌冶炼厂东南侧1 km范围内的小麦籽粒铅、镉含量相对较其他区域高；这可能与铅锌冶炼活动及燃煤活动有关。盛行风向和地形也是影响区域环境重金属污染的重要因素［18－19］。由于当地盛行风向为西北风或东南风，风向与川道地形一致。因此，小麦籽粒铅、镉污染的水平不仅与铅锌冶炼厂的距离紧密相关，而且还与风向及地形有关。

3.2 受调查人群铅、镉摄入量分析

食物摄入量调查是一项比较复杂的工作，需要考虑的因素较多，如调查方法、季节因素、年调查次数、抽样量、受调查人群的文化素质差异等因素［20－22］。本研究使用了24 h膳食回顾法和食物频率调查问卷法，分别在春秋两季对该区域人群进行膳食调查。该区域主要以小麦为主食，获得的小麦消费量数据与中国统计年鉴2008年各地区农村居民家庭平均每人主要粮食消费量（182.6 kg·a－1，即500.3 g·d－1）比较接近。

3.3 暴露评估的不确定性分析

由于当地种植的主要粮食作物为小麦、玉米和大豆，且主要以小麦为主食，因此选择小麦作为膳食暴露评估的主要食物，结合其消费量和小麦籽粒中重金属的含量，在进行铅、镉摄入量估计时，仅考虑了当地的主要粮食作物小麦，且以全籽粒小麦作为膳食消费量做了估计。由结果可知，仅由小麦作为食品摄入的铅对受调查人群造成的风险已达到不可接受的程度。虽然风险评估以小麦全粉的形式估计当地居民铅、镉摄入量，会使风险评估结果偏高；若以小麦粉铅、镉含量计算其暴露风险，会更接近真实水平。然而，本研究中未考虑蔬菜、玉米、饮水、空气（粉尘）等其他食品或暴露途径摄入带来的风险。若考虑蔬菜等食物摄入和呼吸暴露等其他暴露途径，则其风险会比本研究中估计的风险更高一些。

在实际生活中，研究区域居民通过多途径暴露于多种重金属污染的多介质环境中，如饮水、空气吸入、皮肤接触等，当地居民实际的铅暴露水平还有可能更为复杂。儿童作为特殊群体，接触玩具、土壤、户外活动等也会增加其铅、镉暴露风险［23－25］。本研究未对粉尘暴露、接触、饮水等途径的暴露风险做出估计，也未考虑其他有害重金属的协同作用，其暴露途径和介质相对单一。因此，本暴露评估结果只是局部的、单一食物消费的。若考虑蔬菜、饮水、粉尘暴露等途径，当地居民（特别是儿童）的铅、镉暴露风险会更高一些，值得引起高度重视。

4 结论

4.1 在研究区域内采集的90份小麦样品中，铅含量超过限量标准的为68.6%；镉含量超过限量标准的为34.3%。

4.2 随着距铅锌冶炼厂距离的增加，小麦籽粒铅、镉含量逐渐下降；而距铅锌冶炼厂东南侧1 km范围内的小麦籽粒铅、镉含量明显高于其他区域；说明铅锌冶炼厂是小麦铅、镉污染的重要来源。

4.3 仅仅以小麦籽粒中平均铅、镉含量计算，研究区域受调查成人和儿童小麦铅摄入风险达到了不可接受水平（THQ铅≥1.0）；成人和儿童镉暴露风险在可接受的水平（THQ镉≤1.0）；儿童小麦籽粒铅、镉摄入风险（THQ铅＝1.35，THQ镉＝0.92）大于成人（THQ铅＝1.05，THQ镉＝0.72）。由于未考虑当地居民其他食物和暴露途径，因此本研究的暴露评估结果比较保守。

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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

国家自然科学基金（31201457），国家科技支撑计划（2012BAK17B06），国家博士后基金面上项目（2014 M562484），新疆农科院青年基金（xjnkq－2013 037）

2014－11－13

赵多勇，男，1980年出生，副研究员，食品质量与安全

魏益民，男，1957年出生，教授，食品质量与安全