包头工业区蔬菜重金属富集及人群健康评价

栗利曼　刘菊梅　沈渭寿　蒋海明　卞晓燕　梁 栋　司万童，*（内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙古自治区生物质能源化利用重点实验室，内蒙古包头0400；环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京 004）



包头工业区蔬菜重金属富集及人群健康评价

栗利曼1刘菊梅1沈渭寿2蒋海明1卞晓燕1梁 栋1司万童1，*
（1内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙古自治区生物质能源化利用重点实验室，内蒙古包头014010；2环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京 210042）

摘 要：利用电感耦合等离子体原子发射光谱，测定内蒙古包头南海子工业区的土壤和芹菜、叶用莴苣、菠菜、芫荽、油麦菜、大白菜、普通白菜等7种主要蔬菜中Hg、Se、Zn、Cu、Pb、Mn、Cd等重金属含量，并对土壤污染程度和7种蔬菜的食用健康风险进行评价。结果表明：包头南海子工业区的土壤受到中度重金属污染，其中Hg和Se污染非常严重；Zn、Mn、Cu向蔬菜中迁移的能力较大；不同种类蔬菜对重金属的吸收能力不同，其中Zn在除大白菜外的其他6种蔬菜中含量均超标，Cu在油麦菜中含量超标，Hg在芹菜、油麦菜和菠菜中含量超标，大白菜对各种重金属的吸收能力均较小，而油麦菜、菠菜、芹菜、叶用莴苣对这7种重金属的富集程度普遍较高，与其他蔬菜相比食用风险较大；儿童的摄食健康风险高于成人。

关键词：土壤污染；生物富集；土壤污染负荷指数；综合金属危害指数

栗利曼，硕士研究生，专业方向：环境生物学，E-mail：liliman0329@163.com

内蒙古自治区包头市是我国重要的钢铁工业基地和全球轻稀土产业中心，有“稀土之都”的称号。然而，随着工业的快速发展，每年都有大量废水、废渣排放到黄河中，对黄河水造成了一定程度的污染（Si et al.，2015）。由于当地农业用水限制，黄河水灌溉历史悠久，亦使农田土壤中的重金属逐年累积（Si et al.，2015）；同时，采矿业的发展致使许多重金属直接进入大气、水以及土壤中，通过扬尘大气沉降和水体扩散作用，导致包头地区农田环境受到不同程度的重金属污染（刘婷婷 等，2013）。重金属通过食物链在人体内富集，给人们的健康带来风险，其中蔬菜摄取是主要途径之一（Muchuweti et al.，2006）。有研究表明，蔬菜中重金属的富集与蔬菜的品种、蔬菜对重金属的吸收速率，以及重金属在土壤—蔬菜间的转移因子都有很大关系（Wang et al.，2012；冯玉兰和周静，2013）。

南海子是包头地区较大的蔬菜、粮食生产区，主要利用黄河水进行灌溉，生产的蔬菜直接供应包头市区居民，其质量关乎包头市及其周边地区居民的健康问题。本试验以包头市南海子工业区农田土壤和7种生产量较大的蔬菜为试验材料，评价其中主要重金属污染对当地居民摄入蔬菜造成的健康风险，以期为工业区居民对蔬菜的安全食用提供科学依据，为包头工业区蔬菜污染做出合理评估。

1　材料与方法

1.1样品采集

以包头市南海子工业区生产的芹菜（Apium graveolens L.）、叶用莴苣（Lactuca sativa L.）、菠菜（Spinacia oleracea L.）、芫荽（Coriandrum sativum L.）、油麦菜（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种主要蔬菜为试材。2014年5～8月，于各种蔬菜成熟季节采集样品，每种蔬菜随机选择3块菜地，面积均大于10 m2，分别采集地上部分3份，每份大于500 g，带回实验室后依次用自来水、纯净水和超纯水清洗，70 ℃烘干备用；同时，在选取的蔬菜样品根部采集土壤样品3份，每份大于100 g，分别装入自封袋，带回实验室自然阴干后过200目筛备用。

1.2试验方法

在包头市环境监测站分析测试中心，利用电感耦合等离子体原子发射光谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）对蔬菜和土壤样本进行Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、Se、Mn等7种重金属含量测定（Si et al.，2011），并计算各评价指标。同时，利用各元素的标准品验证试验结果，回收率控制在（100±5）%以内。

1.2.1土壤污染因子（contamination factor，CF）

式中，C重金属为土壤中重金属含量的实测值；C背景值为当地背景含量。

根据CF值大小，土壤污染程度可分为6个水平：＜1，无污染；1～2，轻度污染；2～3，中度污染；3～4，污染较为严重；4～5，严重污染；5～6，严重污染到非常严重污染；＞6，非常严重污染（Si et al.，2015）。

1.2.2土壤污染负荷指数（pollution load index，PLI）

根据PLI值大小，土壤污染程度可分为4个等级：＜1，无污染；1～2，中度污染；2～3，重度污染；≥3，非常严重污染（赵晶 等，2007）。

1.2.3生物富集系数（bioconcentration factor，BCF）

BCF代表了重金属从土壤向作物中的转移能力，是人类通过食物链摄取重金属的重要指标之一（Huang et al.，2008）。

式中，C农作物和C土壤分别为农作物和干燥土壤中重金属含量。

1.2.4单一和综合重金属风险评价 危险商数（hazard quotient，HQ）表示食用受污染粮食引起的单一重金属健康风险评价。危险指数（hazard index，HI）是多种重金属危险商数之和。HQ值或HI值＞1，表示单种重金属或多种重金属对人体具有潜在的健康风险（Si et al.，2011；Wang et al.，2012）。

式中，DIM（daily intake of metals）为重金属日进食量；C重金属为蔬菜中重金属含量；D日进食量为蔬菜日进食量；B平均体重为不同人群平均体重；RfD为每天摄取而不会造成明显毒性风险的安全剂量。

通过调查统计，当地成人（18～60岁）和儿童（3～6岁）的蔬菜日进食量分别为0.47 kg·d-1和0.16 kg·d-1。内蒙古地区成人和儿童的平均体重分别为63.1 kg和18.9 kg（国家体育总局，2012）。Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、Se、Mn的RfD值分别为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聚类分析 采用欧氏距离法，利用非加权组平均法对7种蔬菜中重金属含量的HQ值进行聚类分析。

1.3数据处理

采用SPSS 19.0软件和Microsoft Excel 2003软件对试验数据进行统计分析和作图，采用R语言进行聚类分析。

2　结果与分析

2.1土壤中重金属含量和CF值

由表1可知，包头南海子工业区土壤中7种主要重金属的CF值大小为：Hg＞Se＞Zn＞Cu＞Pb＞Mn＞Cd。其中，Hg和Se的CF值均＞6，说明这两种重金属污染非常严重；Zn的CF值在1～2区间，为轻度污染；而Cu、Pb、Mn、Cd的CF值均＜1。污染负荷指数PLI为1.368，在1～2区间，为中度污染。

表1　包头南海子工业区土壤中重金属含量和CF值

土壤中Mn、Zn、Cu的实测含量较高，但CF值却是Hg、Se较高，这是由于CF值和当地背景含量相关，而包头地区Hg、Se含量本身较低。

与我国土壤重金属含量标准进行比较，包头南海子工业区土壤中7种主要重金属含量均未超标。其中，我国绿色食品产地环境质量标准和蔬菜土壤环境质量评价指标限值对Pb、Cd、Hg的规定一致，说明我国对这3种重金属污染比较重视；而对Cu的规定，在绿色食品产地环境质量标准中要求其含量更低；Zn在绿色食品产地环境质量标准中没有进行相关限制，而在蔬菜土壤环境质量评价指标限值中有相关规定。与联邦德国的土壤重金属含量标准进行比较，包头市南海子工业区土壤中Zn含量超标近3倍，由此可见国外重金属含量标准总体上比我国严格。

2.2蔬菜中重金属含量

由表2可知，不同重金属在7种蔬菜中的含量均为：Zn＞Mn＞Cu＞Se、Pb＞Hg、Cd，其中Zn在除大白菜外的6种蔬菜中含量均超标。Cu含量：油麦菜＞菠菜＞叶用莴苣＞芫荽＞普通白菜＞芹菜＞大白菜，在油麦菜中含量超标；Zn含量：叶用莴苣＞油麦菜＞芫荽＞普通白菜＞菠菜＞芹菜＞大白菜，仅在大白菜中含量不超标；Mn含量：普通白菜＞芹菜＞叶用莴苣＞芫荽＞菠菜＞油麦菜＞大白菜；Hg含量：芹菜＞油麦菜＞菠菜＞叶用莴苣＞普通白菜＞芫荽＞大白菜，在芹菜、油麦菜和菠菜中含量超标；Pb、Cd、Se在7种蔬菜中含量均未超标。油麦菜、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），说明这3种蔬菜对重金属Cd有较强的富集能力。

表2　包头南海子工业区7种主要蔬菜中重金属含量 　mg·kg-1；n=5

2.3蔬菜中重金属BCF值

由表3可知，Cu、Zn、Cd在蔬菜中的富集系数较大，其中Cu在油麦菜、菠菜、叶用莴苣和芫荽中富集指数较高；Zn在叶用莴苣中富集指数最高，达到1.441，其次是油麦菜、芫荽和普通白菜；Cd在油麦菜、菠菜和芹菜中富集指数较高，均大于1，说明这3种蔬菜易于富集重金属Cd。Se、Pb、Hg在蔬菜中的富集指数较小。方凤满等（2010）研究表明，Cu、Zn易通过蔬菜富集而对人体造成潜在伤害，属于高富集元素；这与本试验结果一致。

表3　包头南海子工业区7种主要蔬菜中重金属BCF值

2.4蔬菜中重金属风险评估

图1显示了7种重金属对成人和儿童HQ的累积值，总柱高表示某种蔬菜中重金属对人体存在的潜在健康风险值。由图1可知，Cu、Zn、Mn的HQ值较高，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，约为1.7；叶用莴苣的HI值最大，达到6.5；芹菜、菠菜、芫荽、油麦菜和普通白菜的HI值在4～6之间。这7种蔬菜的HI值均大于1，对人体健康均存在一定的风险；儿童的HI值均高于成人，说明儿童对重金属污染更为敏感，这和以往的研究相符（夏凤英等，2011）。

由图2可见，在不同种类蔬菜中，不同重金属的HQ值对于HI值的贡献度各不相同。其中Cu、Zn、Mn的贡献度较大，均在20%以上，Mn在芹菜中达到最大贡献度（42.58%），Cu在油麦菜中达到最大贡献度（38.14%），Zn在叶用莴苣中达到最大贡献度（36.00%）；Pb、Cd、Se的贡献度较小。

图1　包头南海子工业区7 种主要蔬菜中重金属对成人和儿童的HQ 值和HI 值

图2　包头南海子工业区7种主要蔬菜中各种重金属HQ值对HI值的贡献度

2.5蔬菜和重金属聚类分析

由图3-a可见，7种蔬菜对人体健康风险的大小可分为3类，其中大白菜为一类，对人体的健康风险最小；叶用莴苣、油麦菜、菠菜和芫荽为一类；芹菜和普通白菜为一类，对人体的健康风险较大。

图3-b将重金属通过蔬菜对人体的健康风险分为2类，其中Zn、Cu、Mn是对人体健康风险较大的一类重金属；Hg、Cd、Pb、Se是对人体健康风险较小的一类重金属。

图3　包头南海子工业区重金属和蔬菜致毒性聚类结果

3　结论与讨论

包头市南海子工业区种植的蔬菜总体上存在一定的安全隐患。Zn在除大白菜外的其他6种蔬菜中含量均超标。Zn虽为人体必需元素，但过度摄入同样也会给人体造成危害，并且会抑制体内其他金属元素的利用（Si et al.，2011）。Cu（除油麦菜外）、Pb、Cd在7种蔬菜中的含量均低于农产品安全质量无公害蔬菜安全要求，且Pb、Cd对综合重金属风险评价贡献较小，摄食时带来的健康危害较小；然而这3种重金属是环境中具有“三致”效应的有害元素，在人群中的低剂量暴露就可造成多系统、多器官的损伤；本试验中Cu、Pb、Cd在油麦菜、菠菜和芹菜中含量较高，经常食用对人体具有一定的潜在健康风险，应予以关注。

不同种类重金属在蔬菜中的富集程度不同，邹日等（2011）研究表明Mn元素在土壤中含量最高，但其迁移性不大。本试验单一和综合重金属风险评价中Mn的贡献率达到了20%，并且在聚类分析中属于高风险性重金属。但是在农产品安全质量无公害蔬菜安全要求中并没有对该元素进行规定，因此建议国家增加Mn等对人体有害的重金属的标准限定。Cd在土壤中含量较低，因此虽然Cd的迁移率较大、属于高富集元素（江解增 等，2006），但是其在蔬菜中的富集量较低，对人体造成的健康风险较小。张福金等（2008）研究表明内蒙古地区土壤中Cd含量在0.02～0.18 mg·kg-1之间，符合无公害产品基地要求；蔬菜中Cd含量低于无公害蔬菜产地环境标准限值，与本试验结果一致。Si等（2015）在内蒙古包头段黄河水中没有检测到Cd污染，且在三大控面的土壤中检测到的Cd含量也很低（0.018～0.052 mg·kg-1），推测黄河包头段可能是内蒙古地区Cd污染最轻的区域。不同种类蔬菜对重金属的吸收存在差异，夏凤英等（2011）研究表明不同蔬菜样品中Pb、Cd、Zn、Cu含量最大差异倍数分别达到105.0、18.0、29.8、25.9倍；本试验中，大白菜中7种重金属含量均较低；油麦菜（除Mn外）、菠菜（除Mn、Zn外）和芹菜（除Zn、Cu外）对7种重金属的富集程度普遍较高，叶用莴苣对影响人体健康风险程度较大的Cu、Zn、Mn的富集程度较高，与其他蔬菜相比，这4种蔬菜的食用风险较大。

包头市南海子工业区的土壤受到了中度重金属污染，尤其是Hg和Se的污染非常严重。不同种类重金属向蔬菜中的迁移能力不同，导致蔬菜受重金属污染的程度不同，以叶片分散型蔬菜的食用风险较大。建议当地居民调整蔬菜摄食种类，以减少重金属的摄入。总体而言，重金属污染对当地居民的身体健康具有潜在的危害，且对儿童的危害较成人要大，因此该工业区蔬菜的重金属污染以及市区儿童的饮食健康问题应引起当地政府和居民的关注。

参考文献

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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

*通讯作者（

Corresponding author）：司万童，副教授，硕士生导师，专业方向：环境生物学，E-mail：siwt02@163.com

收稿日期：2015-07-17；接受日期：2015-11-25

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2015MS0332），国家科技基础性工作专项（2014FY110800），内蒙古科技大学创新基金项目（2014QDL006，2015QDL21）