铅锌矿复耕栽桑多元化产品的安全性评价及其对人体的健康风险研究

王 谢，赵 兴,，上官宇先，秦鱼生，林超文，赖明欢,，郭海霞，张建华*

(1.四川省农业科学院 农业资源与环境研究所/农业农村部西南山地环境重点实验室，四川 成都 610066；2.成都师范学院, 四川 成都 610101)

【研究意义】不科学的矿产开采活动会对周围生态环境造成剧烈破坏[1-2]，矿产开采过程中金属冶炼，排放的废渣、废水、废气等含重金属离子污染物通过未处理排放、大气沉降、地表径流和污水灌溉等方式进入矿区周边农田耕地是矿区农作物受到重金属污染的主要原因[3]。重金属污染在生物圈中有难降解、毒性强、迁移性强以及具有隐蔽性的特点[4]，进入土壤后极难被固定降解，最终不断在农作物中富集积累，通过食物链危害暴露人群身体健康。已有研究表明，作物-土壤系统是重金属危害人群的关键界面和重要途径，且通过食用农作物摄入的风险高于直接皮肤接触和呼吸吸入的暴露途径[5]，因此，对矿区周边作物的污染风险进行研究、评价，对保障矿区人民的健康安全和矿区环境保护具有积极的意义。【前人研究进展】我国重要的矿产资源之一是铅锌矿，关于铅锌矿区周围耕地土壤重金属含量超标问题也多有报道[6-7]。而桑属植物为多年生落叶木本植物，在我国东北至西南各省均有栽培，分布极为广泛[8]，且桑属植物是一类具有一定重金属耐受性的经济作物，可用于重金属污染土地种植[9]。徐宁等[10]研究指出桑树可耐重金属复合污染,且对土壤和环境适应性强、根系发达、生长快、生物量大、耐剪伐，栽培技术较为成熟，相较于其他的修复植物用于矿区栽培更具优势。张兴等[11]研究指出桑树能在较短年限对重金属污染地进行修复，故可将桑树作为重要树种在矿区推广种植，在获得生态效益的同时，矿区附近居民也能获得一定经济效益。【本研究切入点】鉴于此，本研究采用污染指数评价矿区复耕种植的桑树中重金属污染状况，并对成人和儿童摄食矿区桑树产品可能产生的健康风险进行评估。【拟解决的关键问题】以期揭示废弃铅锌矿区复耕后土壤镉污染对桑树多元化利用安全性的影响，为促进矿区复耕土壤的可持续发展、保障桑产品和矿区附近居民食品健康安全提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

废弃铅锌矿区位于四川省YB县，属南亚热带干河谷气候区，冬暖、春温高、夏秋凉爽，气温年差较小，太阳辐射强、日照充足、热量丰富、四季分明。年平均气温19.2 ℃，重要经济产业为蚕桑、蔬菜、水果等[12]。在废弃矿区周围选取6块样地作为研究区，设置编号为D1～D6。研究区土壤总镉含量的范围为0.12～0.33 mg·kg-1，均值为0.22 mg·kg-1，土壤总铅含量的范围为8.03～61.3 mg·kg-1，均值为33.49 mg·kg-1，由《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618—2018)》可知，当土壤pH<5.5和5.5

1.2 样品采集

每个样地大小为15 m×50 m，在样地内随机建立3个5 m×5 m的样方。每个样方按照Z字形采集土壤表层0～20 cm的土壤，每个样方共采集5个点的土壤样品，采集后按照四分法混合取样1 kg，带回实验室测试。在每个样方内随机选取3株桑树，每株桑树随机选择3根1年生枝条，对枝条上的叶片、皮部和木部进行分离混合。为不影响桑树后期正常生长，每株桑树选择1个拳部代表茎干部位，锯下10 cm厚的拳部，并按照皮部和木部进行分离混合。挖取距离桑树树干50 cm内根系，直径大于等于2 mm的粗根[13]进行皮部和木部的分离。最后将采集后的细根、粗根、茎干、枝条和鲜叶进行称重、风干，并带回实验室检测。根据中药采集要求，挖掘采集时全程使用竹制木器。

1.3 样品分析测试方法

基于国家农业标准《NY/T 1377—2007土壤pH的测定方法》，《GB/T 17141—1997土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》测定土壤pH值、全镉和全铅含量。

桑叶片、枝条皮部、枝条木部、桑粗根皮、粗根木部和全部细根镉含量基于国家标准《GB 5009.15—2014食品安全国家标准食品中镉的测定方法》测定，铅含量基于国家标准《GB 5009.12—2017 食品安全国家标准食品中铅的测定》测定。

1.4 统计与数据分析方法

矿区内桑树的镉、铅污染评价采用单因子污染指数法和内梅罗(Nemerow)综合污染指数法[2]。其中单因子污染指数法计算公式式为Pi=Ci/Si。Pi为相应食品利用方式的镉单因子污染指数，Ci为实际测得的镉含量，Si为食品、药品中镉、铅的限量标准。具体为《GB2762—2017食品安全国家标准 食品中污染物限量》中叶用蔬菜镉的限量0.2 mg·kg-1，铅0.3 mg·kg-1，《GB2762—2017食品安全国家标准 食品中污染物限量》中茶叶铅的限量5.0 mg·kg-1，《NY 659—2003 茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量分级标准》中茶叶镉的限量1 mg·kg-1，《中国药典》2005年版中药中镉的限量0.3 mg·kg-1，铅的限量20 mg·kg-1。单因子污染指数分级标准为：Pi>3为重污染，2

桑树各部位食用性安全评价采用靶标危害系数法(THQ法)[16]，该方法可同时评价单一重金属的健康风险和多种重金属复合暴露的健康风险，其中单一重金属的健康风险计算公式为THQ=(EF×ED×FIR×C/RFD×WAB×ΑΤn)× 10-3。其中，EF(d·a-1)为镉暴露频率，一般取值为365 d·a-1[17]；ED(a)为暴露时间，通常为人的平均寿命70年[18]；FIR(g·a-1)为摄入量，成人为301.4 g·a-1，儿童为231.5 g·a-1[19]；C分别为桑树各部位镉含量(mg·kg-1)、铅含量(mg·kg-1)，为本研究实际测得；RFD[mg/(kg·d)]为国际参考剂量[17]，镉参考值为1×10-3，铅参考值为4×10-3；WAB(kg)为人体平均体重，成年人为55.9 kg，儿童为32.7 kg[19]；ΑΤn(d)非致癌平均暴露时间，参考国际标准25 550 d[17]。

多种重金属的健康风险计算公式为TTHQ=ΣTHQ。靶标危害系数分级标准为THQ(TTHQ)≤1，暴露人群没有明显的健康风险；THQ(TTHQ)>1，存在健康风险；THQ(TTHQ)>10，对暴露人群存在慢性毒性效应[20]。

文中数据整理基于软件Excel2016，数据分析基于软件spss 22，数据展示基于软件origin 9。

2 结果与分析

2.1 铅锌矿区桑树各部位重金属污染评价

根据在不同限量标准下铅锌矿区桑树各部位镉、铅的单因子污染指数以及两种重金属的综合污染指数(表1)可知，作为新鲜叶菜用的桑树叶片为重度污染水平，其铅单因子污染指数均值为4.67大于3，综合污染指数均值为4.33远远高于其他部位，甚至达到了综合污染指数均值最低的茎干木部的48倍。除此以外，桑树叶片制茶、入药，枝条、茎干的木部、皮部和粗根皮部制中药均为清洁水平。

表1 铅锌矿复耕栽桑多元化产品的重金属污染评价

2.2 矿区桑树各部位重金属摄入的食用安全性评价

由表2可知，研究区内桑树可利用部位(桑叶、桑枝、桑根皮部)镉的THQ均值都不超标，对人群暴露健康风险不明显，但可利用部位的铅THQ值，除成人枝条木部THQ值为0.98小于1，无健康风险外，其余各部位铅的THQ值都大于1，对暴露人群存在明显健康风险。多种重金属的健康风险TTHQ值也表明研究区内桑树各可利用部位TTHQ值均大于1，小于10，对暴露人群存在健康风险，无慢性毒性效应。

表2 研究区桑树样品中重金属镉摄入的健康风险

此外，儿童的THQ值均大于成人THQ值，表明在研究区内镉、铅的暴露情况下，儿童食用桑树各部位制品更易造成健康风险。

3 讨 论

3.1 铅锌矿区桑树各组织利用的安全性评价和可能

本试验发现研究区内桑树可食用部分的镉含量均未超出各项国家或行业标准，铅含量仅桑叶在叶菜用国家标准下超标，在制茶以及入药方面均属于清洁水平。桑叶是我国传统中药的常见药材之一，含有桑叶的中药品种达十余种，桑叶内含许多生物活性物质如谷胡萝卜素、槲皮素、Y-氨基酸等, 具有降血糖、降血压等许多功效[21]，近些年来，有关桑茶，桑叶汁饮料、桑叶面条、桑叶粉的创新研发也在不断报道[22]。《中华人民共和国药典》中记载桑的干燥根皮被称为桑白皮，有行水消肿、泻肺平喘等功能，桑白皮的提取液不仅能明显降低血压, 还有镇静作用。桑枝则有祛风湿，利关节，主治关节酸麻、风湿痹病的作用[23]，研究区内桑根皮、枝条等部位在药用方面也属于清洁水平，可以被当地居民作为药材和经济作物利用。

3.2 铅锌矿区桑树中重金属的健康风险评估

矿产开采造成的环境污染和食品安全问题越来越引发人们关注，因此，许多关于矿区农作物摄入导致重金属的人体健康风险的研究正在进行，邹晓锦[24]等人研究了大宝山矿区大宝山矿区重金属污染对人体健康风险，结果表明，该地区通过大米、蔬菜对暴露人群健康产生威胁的可能性很大，农作物对儿童健康造成的潜在风险要大于对成人造成的潜在风险。杨刚[25]等人风险评价结果显示，矿区主要谷物类产品籽粒中重金属污染风险极大，尤其以镉、铅最为明显。本研究中矿区桑树成人、儿童TTHQ值均大于1，揭示了矿区内人群通过摄入桑树各部位存在明显的健康风险。镉的THQ值均小于1，对暴露人群无明显健康风险，铅的THQ值几乎都大于1，揭示了矿区内桑树重金属复合风险主要由铅引起。由于儿童和成人每日的摄入量受到多种因素的影响，不同的研究采用不同的摄入量，最终导致的结果差异也较大。本研究中采用的摄入量计算结果显示，在镉、铅复合污染情况下，盲目摄入桑树产品可能会对人体健康造成负面影响，因此应加强对矿区附近居民的卫生健康情况调查，尤其注意对儿童的健康风险检测，以减少有效态重金属元素通过食物链对暴露人群造成健康风险[26]。

3.3 对矿区复耕土壤进行修复、治理的建议

对于受到重金属严重污染的土地，宜种植时令花卉或速丰林木，避免种植农作物，以防对暴露人群产生健康威胁[25]。在污染较轻的土壤，可种植带有一定经济效益的重金属超累积作物进行植物修复，如黄铭洪[1]等认为引入柳树、白杨等重金属富集作物在污染土地进行栽培，既能对受污染土地进行水土保持、改善土壤结构、控制土壤侵蚀等物理性修复与恢复,也能通过枯枝败叶提供有机质等方式改良受污染土壤的化学性质。本研究和曾鹏[27]等人的研究结果一致，认为桑树作为经济树种在矿区种植能带来一定的生态和经济效益，同时对修复矿区土壤的重金属污染也能起良好作用。但该废弃铅锌矿区铅超标的问题极大地限制了桑树在当地土壤修复中的应用，因此，需要加强桑树重金属转运阻碍技术及其相应土壤重金属元素的固化技术。

4 结 论

在不同限量标准下，研究区内种植的桑树中镉、铅单因子污染指数除新鲜叶菜用桑叶属重度污染(Pi(铅)=5.29)外，作为中药材桑叶和桑叶茶的利用方式的单因子污染指数均小于1.00，属清洁水平。镉、铅综合污染指数除叶菜用桑叶为重度污染(P综=4.33)，作为中药材桑叶和桑叶茶的利用方式的单因子污染指数均小于1.00，属清洁水平。枝条皮部、枝条干部和根皮部作为中药材开发产品的综合污染指数范围为0.09～0.36，均属清洁水平。

虽然各种利用方式的桑叶、桑枝和桑根单一镉靶标危害系数均小于1.00，但单一铅靶标危害系数和铅镉复合重金属污染靶标危害系数大于1.00，长期服用锌矿复耕栽桑的桑叶会对人体产生负面影响，且对儿童造成的健康风险高于成人，但无慢性毒性效应。

故而，在该研究区范围内，铅锌矿区复耕栽桑因铅超标不可用于桑叶菜开发，但可用于中药材和桑叶茶的产品开发。