我国小麦镍的污染调查及健康风险评估

顾丰颖 丁雅楠 朱金锦 孙倩倩 张 瑞 王 锋

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193)

镍作为地壳中天然存在的重金属元素(约占地壳总重量的0.009%)[1]，广泛存在于土壤、烟雾、水体等环境中。镍暴露可导致过敏综合症、肝肾器官损伤，与病理性肺部病变、出血、水肿和细胞紊乱等症状存在密切关系[2-4]。国际癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer, IARC)将镍化合物和镍金属分别归为1类和2B类致癌物[5]。随着工业化、城镇化的快速发展，含镍及其化合物产品与农业投入品的广泛生产、使用，不可避免地会造成农业环境污染。2014年我国环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤中镍元素的点位超标率高达4.8%，仅次于镉元素[6]。研究表明，土壤等环境中的镍会向农作物迁移富集，谷物、坚果、水产品、果蔬等多种食品中都被检出含有一定量的镍[7-8]。膳食摄入是人群镍暴露的主要途径之一，膳食镍暴露存在健康风险隐患。

小麦是我国最主要的农作物之一，也是我国北方居民重要的主食原料。国家统计局数据显示，2020年我国小麦产量已达1.342 5亿吨。受产地环境和灌溉、施肥、喷药等农业措施的影响，我国部分地区小麦籽粒中镍含量偏高[9]。有研究认为，摄入植物性食品，尤其是小麦产品，是人群镍和汞膳食暴露的主要途径，存在非致癌健康风险[10]。谷物中的镍主要以Ni2+的化合物形式存在[11]，致癌性更强。因此有必要了解我国小麦镍的摄入暴露量及其可能存在的健康风险。

为充分了解我国小麦镍暴露及其对人群健康的影响，本研究收集北方冬麦区、南方冬麦区和春麦区3个小麦主产区3 444份样品，分析小麦籽粒镍污染水平，评估我国各地区不同人群的小麦镍暴露水平及膳食镍暴露导致的人群健康潜在危害风险，旨在为我国饮食健康风险评价提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2017—2018年在我国小麦主产县区多个合作社收集小麦样品共计3 444份，包括北方冬麦区2 041份，主要来源于山东省、河南省以及河北省和陕西省长城以南部分地区；南方冬麦区814份，主要来源于江苏省、四川省和安徽省部分地区；春麦区589份，主要来源于新疆维吾尔自治区以及河北省和陕西省长城以北部分地区。每份样品以(合作社)地块为单位按5点法取样后混合均匀，取样量不低于1 kg，于自封袋密封保存。

小麦标准物质GBW10046(GSB-24)，镍标准值0.11 μg·kg-1，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。65%浓硝酸(BV-Ⅲ)、30%过氧化氢(BV-Ⅲ)，北京化学试剂研究所。

1.2 仪器与设备

TRACE AI1200石墨炉原子吸收光谱仪，加拿大欧罗拉生物科技有限公司；CK2000高通量组织研磨仪，北京托摩根生物科技有限公司；DigiBlock EHD36电热板消解仪，北京莱伯泰科仪器股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品预处理 用于检测的样品为小麦籽粒经脱壳后的可食部分(全麦籽粒)，小麦籽粒经脱壳后洗净风干，混匀。取50 g左右全麦籽粒样品，采用组织研磨仪(聚四氟乙烯球磨罐，不含待测的重金属)粉碎，过40目筛，平均分成两份，标注正样和副样。正样用于镍含量检测，副样于-18℃冷冻留存以备数据复核。称取粉碎均匀的样品粉末0.5 g至消解管，加入7 mL硝酸，浸泡20 min，再加入2 mL过氧化氢，采用电热板消解完全。冷却后用去离子水定容至50 mL待测。

1.3.2 小麦镍含量测定 参考《GB 5009.138-2017 食品安全国家标准 食品中镍的测定》[12]，采用石墨炉原子吸收光谱法测定小麦籽粒中的镍含量。为确保检测数据的质量，样品消解过程中，小麦标准物质和空白样本与样品以同样的方法进行制备，每检测10个小麦样品插入标准物质及空白样本，用于校正仪器并检测分析期间潜在的样品污染。每个样品设3个重复。方法检出限为0.02 mg·kg-1。

1.3.3 小麦镍暴露量评估 考虑不同人群面制品食用量和产品中镍含量的差异，应用蒙特卡洛模拟方法估算我国居民经口对食物中镍的单位体重日均暴露量(average daily dose, ADD)范围。ADD的预测参考美国环境保护署(United States Environmental Protection Agency, USEPA)推荐的暴露剂量模型[13]，见公式(1)。

(1)

式中，ADD为镍的单位体重日均暴露量(mg·kg-1·d-1)； 输入参数C为小麦样品的镍含量(mg·kg-1)，根据调查结果，C的分布呈对数正态分布函数;EF为暴露频率(d/年)，取定值350 d/年，ED为暴露持续时间(年)，取定值成人70年、儿童9年；AT为平均暴露时间(d)，AT=ED×365[13-14]。IR和BW使用三角分布计算[14]，具体参数含义及数值见表1。

表1 我国小麦镍暴露量及人群健康风险评估模型参数Table 1 Parameter values for human health risk assessment model of cadmium contamination in rice

1.3.4 人群健康风险评估 本研究应用USEPA的暴露剂量-反应外推法中的致癌物与非致癌物风险模型[公式(2)～(3)][17-19]，分别从非致癌风险及致癌风险两方面评价小麦镍暴露导致的健康风险。

非致癌污染物风险模型：

(2)

致癌物风险模型：

(3)

式中，Rn代表小麦镍食物暴露导致的非致癌健康危害的个人平均年危险(年-1)；Rn代表小麦镍食物暴露导致的致癌健康危害的个人平均年危险(年-1)；ADD为镍的单位体重日均暴露量(mg·kg-1·d-1)，估算方法见公式(1)；PAD为非致癌物的食用途径调整剂量(mg·kg-1)，PAD=RfD/安全因子，RfD为镍的参考摄入剂量(reference dose)，根据美国环保署综合风险信息系统(Integrated Risk Information System, IRIS)的推荐取定值0.02 mg·kg-1·d-1，安全因子取定值10；CSF为癌症斜率因子，根据美国能源部(United States Department of Energy, USDOE)的推荐取定值0.84 (mg·kg-1·d-1)-1； N为人均寿命(岁)，取定值70岁[2,19-20]。国际放射防护委员会(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推荐的最大可接受(非致癌或致癌)年风险水平均为5.0×10-5年-1，Rn或Rc超过该值代表对人类具有显著的非致癌或致癌健康影响[17-19]。

1.4 统计学分析

所有样本数据进行3次测定，采用SPSS 23.0软件中的单因素方差分析和Dunnett’s T3多重比较法对试验结果进行数据统计分析，结果以平均值±标准差表示，不同字母表示数据间有显著性差异(P<0.05)；采用Oracle Crystal Ball 11.1.2.4软件进行蒙特卡洛模拟，试验次数10 000次；采用OriginPro 2016软件进行曲线拟合和图像绘制。

2 结果与分析

2.1 小麦镍含量的总体分析

小麦镍含量的检测分析结果见表2和图1，所收集3个产区的小麦镍含量范围为未检出(ND)～4.779 mg·kg-1，总体镍检出率为96.66%，小麦镍含量的分布符合对数正态分布，各产区镍含量均相对集中在0.1～0.3 mg·kg-1的较低水平。为平衡地区间样品收集量不均匀对数据结果的影响，采用地区产量加权的方式对小麦镍含量的平均值进行校正，即根据2019年我国各省地区小麦产量占比(数据来源于国家统计局)计算3个产区小麦产量的占比，作为校正因子对总体小麦镍含量的平均值及超标率进行加权计算。加权后所收集小麦样品总体镍含量的平均值为0.225 mg·kg-1； 其中，北方冬麦区和春麦区的小麦镍含量无显著性差异(P>0.05)，平均值均为0.183 mg·kg-1；南方冬麦区小麦镍含量显著高于其他2个地区(P<0.05)，平均值为0.331 mg·kg-1；南方冬麦区小麦镍含量的1.5倍四分位距范围为0.029～0.920 mg·kg-1，该范围内数据的离散度(变异系数)为71.11%，略高于春麦区和北方冬麦区。按照我国《GB 2762-2017食品安全国家标准 食品中污染物限量》[21]规定的食品(以油脂及其制品计)中镍的限量标准(1 mg·kg-1)计算，经加权计算小麦镍含量的总体超标率为1.46%，南方冬麦区超标率最高，为3.44%，但最大值未超过世界卫生组织(World Health Organization, WHO)规定的植物中镍的限量10 mg·kg-1[22]。

表2 小麦镍含量统计结果Table 2 Statistical results of nickel content in wheat

图1 不同产区小麦镍含量的分布图Fig.1 Distribution of nickel content of wheat samples in different areas

2.2 小麦镍的人群暴露量评估

结合调查获得的全麦籽粒镍含量以及2002年我国居民膳食营养健康监测的食物消费量数据[15-16](表1)，利用蒙特卡洛随机抽样模拟法估计我国成人及6～9岁儿童的小麦镍单位体重日均暴露量(ADD)。结果显示(表3)，我国成人和儿童小麦镍ADD值分别为6.31×10-4和8.32×10-4mg·kg-1·d-1，95%置信区间分别为0.65～25.87×10-4和0.76～35.00×10-4mg·kg-1·d-1。与小麦中的镍含量分布情况一致，南方冬麦区小麦镍的人群暴露量也显著高于其他2个产区(P<0.05)，变异范围最大，成人和儿童的ADD值分别为9.27×10-4和12.35×10-4mg·kg-1·d-1，95%置信区间分别为1.19～34.28×10-4和1.30～48.66×10-4mg·kg-1·d-1， 儿童单位体重的日均暴露量高于成人，这也是儿童对重金属镍的敏感度高于成人的原因之一[22]。

表3 小麦镍的人群暴露量(ADD)及超限人群概率(P)Table 3 The average daily dose (ADD) of wheat nickel and probability of overstandard population(P)

当镍的单位体重日均暴露量(ADD)超过其参考摄入剂量(reference dose，RfD)时，认为镍暴露可能与潜在的不良健康风险有关[23]。RfD取值受评价方法、人群敏感性差异等因素影响，不同机构镍的RfD推荐值不统一，如IRIS建立的非致癌性经口暴露健康效应参考剂量(RfD)为0.02 mg·kg-1·d-1[2]、2020年EFSA更新的膳食镍每日耐受量为0.013 mg·kg-1·d-1[24]、美国加利福尼亚州环境健康危害评估办公室(California Environmental Protection Agency Office of Environmental Health Hazard Assessment, OEHHA)推荐的儿童特定参考剂量为0.011 mg·kg-1·d-1[25]、美国密歇根政府采用的参考摄入剂量为0.006 mg·kg-1·d-1[26]等。本研究参考以上4个RfD取值，计算了蒙特卡洛模拟获得的10 000个小麦镍ADD值中超过RfD值的数量占比，代表该评判标准下的超限人群概率(P)(表3)。结果显示，按照IRIS的0.02 mg·kg-1·d-1标准，有0.02%的儿童ADD值超过RfD；若使用更严格的0.006 mg·kg-1·d-1参考摄入剂量，大约有0.23%的成人和0.49%的儿童ADD值超过RfD，长期的小麦镍暴露可能导致重点地区和儿童人群潜在健康风险增加，应引起监管部门重视。

2.3 小麦镍的健康风险评价

本研究采用蒙特卡洛模拟方法，将ADD值的不确定性带入USEPA的暴露剂量-反应外推模型，基于全麦籽粒中的镍含量估算小麦镍暴露所致健康风险的不确定性，结果以模拟风险值的累计概率分布情况呈现(图2)。据分析，我国3个产区小麦镍暴露所致非致癌健康危害的个人平均年危险(Rn)平均值范围为成人3.73×10-9～6.68×10-9/年、儿童9.01×10-9～1.61×10-8/年，所有Rn模拟值均远低于国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推荐的最大可接受年风险水平5×10-5/年[17-19]。说明长期的小麦镍暴露不会对我国居民产生致敏性、细胞毒性、器官损伤等非致癌性的健康危害。

图2 小麦镍的非致癌性和致癌性风险分布Fig.2 Non-carcinogenic and carcinogenic risk distribution of nickel in wheat grain

从镍化合物可能导致癌症风险的角度分析，各产区小麦镍暴露所致致癌健康危害的个人平均年危险(Rc)均值范围为成人6.18×10-6～1.12×10-5/年、儿童8.18×10-6～1.49×10-5/年；总体Rc的95%置信区间分别为成人7.72×10-7～2.98×10-5/年、儿童8.39×10-7～4.19×10-5/年，均小于推荐值(5×10-5/年)。说明按照该标准评估，长期的小麦镍暴露对我国大部分成人和儿童不存在致癌健康风险。但镍暴露量超过4.17×10-3mg·kg-1·d-1时可能存在致癌性健康风险，镍暴露水平最高的南方冬麦区小麦对成人和儿童产生致癌健康风险的概率分别为1.59%和3.80%，镍暴露水平最低的春麦区小麦对成人和儿童产生致癌健康风险的概率分别为0.16%和0.54%。从总体来看，3个产区小麦对成人和儿童产生致癌健康风险的概率分别为0.63%和1.62%。

3 讨论

据报道，伊朗西北部Hamedan地区小麦镍含量均值为0.5 mg·kg-1[10]，欧洲多项调查显示小麦籽粒、面粉产品以及面包的镍含量均值范围在0.081～0.215 mg·kg-1之间[27]。我国陕西、江苏等地区小麦镍含量范围在0.021～2.310 mg·kg-1之间[28-30]。本次调查结果显示，我国小麦镍平均含量为0.225 mg·kg-1，与上述报道水平相近，但不同产区间存在差异。从空间分布上看，我国小麦镍污染水平呈南高北低趋势，这可能与我国耕地土壤背景值有关。据报道我国耕地镍污染主要分布于南方粮食主产区，其中四川盆地土壤镍超标率较高[31]。另外，工业化、城市化进程较高的地区镍污染水平可能较高[32-33]。

本次调查考虑到我国小麦种植区域广泛、饮食差异大等带来的镍含量和小麦摄入量差异，通过大样本调查及蒙特卡洛概率模型，分析了我国成人和儿童小麦镍暴露量及风险值的分布情况，相比确定性模型获得的结果更加全面[34]。根据本次调查结果，我国小麦镍含量集中在相对较低水平，基于全麦籽粒镍含量进行的健康风险评估显示，我国95%以上人群不存在小麦镍暴露健康风险。一般认为谷物麸皮对重金属的富集较高，相对籽粒，面粉中重金属含量可能下降，重金属暴露导致的健康风险降低。

另一方面，本研究调查结果显示少数小麦样品镍含量过高，最高值达4.779 mg·kg-1，存在偶发性的点污染情况，一些采样点可能临近工矿区或其他污染源。有研究指出，相比其他食物，较高的镍暴露量和生物利用度可能使谷物及其制品的镍暴露健康风险增加。2020年EFSA最新发布的食品和饮用水中镍风险评估报告显示，相对豆类、坚果和油籽产品，谷物中的镍含量并不高，但镍的生物利用率较高[27]。而且谷物及其制品的膳食消费量较大，在成人和儿童总膳食镍暴露中谷物及其制品的贡献率分别达10%～25%和10%～50%。对于以谷物膳食为主的陕西地区，这一贡献甚至高达50%～80%[35-36]。近年来全谷物越来越受到广大消费者认可，消费量和关注热度迅速增长。镍污染小麦可能造成健康隐患，但目前我国仅针对油脂及其制品规定了镍的限量(1 mg·kg-1)标准[21]，对其他粮油产品没有限定。为有效降低镍等重金属的膳食暴露风险，有必要对粮食及其制品的镍暴露进行持续的监管和监测，按照不同加工程度的产品制定镍的限量标准，对粮食及其制品中的镍含量进行分级分类管控。因膳食重金属暴露所致健康风险还存在多来源、多元素积累效应及人群敏感性差异，本研究结果还存在一定局限性，需在后续工作中进行深入研究。

4 结论

我国3个小麦产区3 000余份样品调查结果显示，小麦镍含量范围为ND～4.779 mg·kg-1，均值0.225 mg·kg-1， 不同地区小麦镍含量存在差异，其中南方冬麦区小麦镍含量显著高于其他2个产区，平均值为0.331 mg·kg-1。膳食暴露评估结果显示，我国居民小麦镍暴露量的分布与镍含量的分布情况一致，均呈现南高北低的趋势。儿童单位体重的日均暴露量(ADD)高于成人，分别为8.32×10-4和6.31×10-4mg·kg-1·d-1。基于全麦镍含量进行的健康风险评估结果显示，小麦镍暴露不会对我国大部分居民产生明显健康影响，但少数高暴露人群可能潜存健康隐患。随着全谷物制品消费需求的不断增加，建议加快推进全谷物及其制品重金属暴露健康风险评估研究，促进高风险粮食及其制品中镍限量标准的建立。