蚌埠市水稻籽粒重金属污染及健康风险评价

朱兰保，盛蒂，戚晓明，杜庆才，丁艳

（蚌埠学院化学与环境工程系，安徽蚌埠233030）

蚌埠市水稻籽粒重金属污染及健康风险评价

朱兰保，盛蒂，戚晓明，杜庆才，丁艳

（蚌埠学院化学与环境工程系，安徽蚌埠233030）

对蚌埠市水稻籽粒重金属质量比进行测试，并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及健康风险指数法对其污染程度和健康风险性进行了评价。结果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金属Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg质量比的平均值分别为0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。单因子污染指数法评价结果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金属Cd、Pb为轻污染，其他5种元素均为清洁水平。综合污染指数范围为0.23～1.84，平均值为1.18，表明水稻籽粒中重金属污染总体情况为轻污染程度。健康风险指数评价结果表明，蚌埠市水稻籽粒中重金属的摄入对儿童造成的健康风险高于成人，Cd对成人和儿童健康风险都较高，As、Cu、Zn、Cr等对儿童健康风险较高。

水稻籽粒，重金属，风险评价，蚌埠市

随着环境污染的加剧，重金属可通过多种渠道进入农田土壤，而其具有毒性大、易富集的特点，对农产品安全性的影响受到社会、政府和科学界的共同关注[1-3]。重金属在土壤和水中不能被分解，但可通过食物链富集于动植物体内，引起生物体蛋白质变性，使酶失活，还可诱导细胞内致癌因子，引起头晕、头痛、失眠、健忘、癌症等症状，尤其对消化、泌尿、神经系统破坏最为严重[4]。水稻是我国主要的粮食作物，它对Pb、Zn、Cu、Cd等多种重金属有较强的吸收特性[5]，引起了水稻的食品安全问题。目前，我国还没有形成一个对粮食作物重金属污染监测的全局体系，因此，分析和评价粮食作物重金属污染水平，对保障人们的饮食安全，促进食品生产可持续发展具有重要意义。地处安徽省北部的蚌埠市，近年来城市化、工业化快速发展，人类活动对生态环境的影响越来越明显，而关于该城市谷类作物重金属污染的研究鲜有文献报道。本文分析了蚌埠市水稻籽粒中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、As和Hg等7种重金属元素的质量浓度，并对其污染程度及食用健康风险进行了评价，以期为蚌埠地区大米生产的质量控制、农业管理和农产品质量的安全防护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

2013年10月水稻收割之前，根据蚌埠市基本农田分布情况，共选择了36个采样区，144个采样单元，在每个采样单元按S形多点采样，采集4～5个点位水稻籽粒，混合均匀后装袋，作为1个样品，采样量约为1kg，共采集样品144个。

TAS-990型石墨炉原子吸收分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；AF-640A型双道原子荧光光谱仪 北京北分瑞利分析仪器（集团）有限责任公司；DGT型电热鼓风干燥箱 合肥华德利科学器材有限公司；FA2004型电子天平 上海衡平仪器仪表厂。

1.2 样品前处理

将所采集的样品带回实验室，去壳后将籽粒用自来水冲洗，然后用去离子水冲洗，沥去水分，平摊在干净的塑料薄膜上，放在阴凉处、室温自然风干，样品风干后用玛瑙研钵研磨，过0.25mm（60目）孔径的尼龙筛，备用。整个过程无外来重金属污染。

1.3 样品分析与质量控制

采用石墨炉原子吸收分光光度计测定水稻籽粒中Pb、Cu、Zn、Cr和Cd的质量浓度，采用双道原子荧光光谱仪测定As和Hg的质量浓度，各元素测定方法均按照国家标准[6-12]执行。重金属含量测定由空白样和加标回收样进行质量控制，加标回收率均在90%～106%范围内，相对标准偏差均＜5%。实验所用试剂均为优级纯，用水均为超纯水，所用的器皿均在10%的硝酸中浸泡24h以上。

1.4 评价方法

1.4.1 水稻籽粒重金属污染评价 依据《食品安全国家标准-食品中污染物限量》（GB 2762-2012），采用单因子污染指数法[13]和综合污染指数法[13]对水稻籽粒重金属污染程度进行评价。

单因子污染指数计算方法如下：

式中，Pi为某种重金属的污染指数；Ci为重金属的实测浓度；Si为重金属的评价标准。

综合污染指数法采用国内相关研究常用的内梅罗（Nemerow）公式计算，其兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，突出了较重要的污染物对水稻籽粒质量的影响，计算方法如下：

式中，P综为内梅罗综合污染指数；Pi为某种重金属的单因子指数；max（Pi）为多种重金属单因子指数中的最大值；n为重金属种类数。

表1 重金属污染指数分级标准Table.1 Classification of pollution index of heavy metals

1.4.2 农产品摄入的健康风险评价[14]对于水稻籽粒中重金属摄入的健康风险评价，采用临界摄入量来评价大米的食用安全性。本研究参照US EPA暴露因子手册，结合实地调查，确定该地区成人稻米摄入量为0.25kg·d-1，儿童稻米摄入量为0.15kg·d-1。农产品摄入的健康风险指数计算方法为：

单一重金属健康风险指数计算公式：

多种重金属复合健康风险指数计算公式：

式中，HQ为健康风险指数；CDI为污染物经农产品摄入的平均日摄取量（mg·kg-1·d-1）；RfD为重金属暴露参考剂量（mg·kg-1·d-1）。HQ＞1，表明该污染物可引起人体的健康风险；HQ≤1，表明该污染物不会引起人体的健康风险。HQ值越大表明该污染物对人体健康风险越严重。

表2 水稻籽粒重金属质量比及分析（n=144）Table.2 Grain heavy metal mass ratios and analysis（n=144）

2 结果与讨论

2.1 水稻籽粒重金属质量比分析

对每个水稻籽粒样品分别进行5次平行实验测定其重金属质量比，结果见表2。从表2可知，蚌埠市水稻籽粒中重金属Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg质量比的平均值分别为0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。与国家粮食卫生标准相比，蚌埠市水稻籽粒中Pb、Cd的平均质量比均高于国家标准，Cd平均质量比为国家标准的1.53倍，Pb为国家标准的1.04倍；Cu、Zn、Cr、As和Hg质量比均低于国家标准。从样品重金属质量比的超标率来看，Cd超标率为13.6%，Pb超标率为8.2%，Zn超标率为7.7%，Cu、Cr、As和Hg在所有采样点均不超标。与相关研究结果[15-17]相比，蚌埠市水稻籽粒中重金属Cd、Pb、Cr和Hg的含量均高于长江三角洲地区和浙江慈溪市水稻籽粒，Cu和As含量比其低，Zn含量相当。与同类城市相比，蚌埠产水稻籽粒中Cd、Pb、Cr和Hg含量略高。

通过计算变异系数[18]可知，蚌埠市水稻籽粒中重金属Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As、Hg元素的变异系数依次为22.67%、20.15%、12.56%、24.71%、15.05%、48.63%、72.92%，As和Hg为强变异，其他5种重金属元素均为中等变异，说明蚌埠市水稻籽粒中As和Hg含量的空间分布差异较大，来源受人为干扰比较明显。

2.2 水稻籽粒重金属污染评价

根据式（1）和式（2），计算出蚌埠市水稻籽粒中7种重金属的单因子污染指数（P）i和综合污染指数（P综），见表3。

表3 水稻籽粒重金属单因子污染指数（Pi）和综合污染指数（P综）Table.3 Grain heavy metals single factor pollution index and comprehensive pollution index

从表3可知，所调查的蚌埠市水稻籽粒中7种重金属单因子污染指数（Pi）平均值依次为：Cd（1.53）＞Pb（1.04）＞As（0.53）＞Hg（0.48）＞Zn（0.46）＞Cu（0.45）＞Cr（0.21）。根据重金属污染指数分级标准（表1）可知，水稻籽粒中Cd、Pb为轻污染，其他各元素均为清洁水平。内梅罗综合污染指数（P综）为0.23～1.84，平均值为1.18，表明蚌埠市水稻受上述7种重金属污染总体为轻污染程度。

2.3 水稻籽粒重金属摄入的健康风险评价

利用式（3）分别计算该地区成人和儿童通过大米摄入重金属的CDI值和HQ值，结果见表4。

表4 水稻籽粒重金属摄入的健康风险Table.4 Intake health risk of heavy metals by rice grains

由表4可知，儿童的健康风险指数值均高于成人，分别是成人的3.85（Pb）、4.00（Cu）、3.94（Zn）、3.90（Cr）、3.92（Cd）、4.33（As）、1.97（Hg）倍，表明通过食用本地水稻籽粒摄入的重金属对儿童造成的健康风险显著高于成人，而且在调查的7种重金属元素中有5种元素会对儿童造成健康风险，这也明显多于成人。这可能是由于儿童身体各组织器官尚未发育完全，特别是肝肾等代谢器官的解毒、排泄功能较弱，相对于成人来说，儿童更具有健康风险。就成人而言，重金属Cd健康风险指数较高，达到了1.30，会引起当地成人的健康风险，其他各元素每日摄入量均低于US EPA的参考暴露剂量，安全性较好。对儿童来说，重金属Cd、As、Cu、Zn、Cr、Pb、Hg的健康风险指数分别为5.10、4.33、1.88、1.26、1.17、1.00、0.57，除Hg、Pb外，其他5种重金属均会对儿童引起健康风险。总体来说，无论对成人还是儿童，水稻籽粒中重金属Cd对人体的健康风险最高，这可能与当地土壤中Cd背景值较高有关。

蚌埠市水稻籽粒中7种重金属的成人和儿童的复合健康风险指数分别为3.94和15.31，表明儿童长期食用本地产水稻籽粒摄入的重金属会对儿童的身体健康造成明显的危害。因此，儿童不宜食用。不同重金属对复合健康风险的贡献率存在明显差异，但同种重金属对成人和儿童的复合健康风险贡献率是一致的，如图1所示。重金属的健康风险主要由Cd和As引起，对成人的健康风险贡献率分别为32.99%和25.38%，对儿童的健康风险贡献率分别为33.31%和28.28%，健康风险较大。

图1 单一重金属对人体的复合健康风险贡献率Fig.1 Contribution ratio of single heavy metal to HQ of human body in rice grain

3 结论

3.1蚌埠市水稻籽粒中重金属Pb、Cu、Zn、Cr、Cd、As和Hg质量比的平均值分别为0.2073、4.5061、22.7308、0.2104、0.3057、0.0802、0.0096mg·kg-1。与国家粮食卫生标准相比，蚌埠市水稻籽粒中Pb、Cd的平均质量比均高于国家标准；Cu、Zn、Cr、As和Hg质量比均低于国家标准。从样品重金属质量比的超标率来看，Cd超标率为13.6%，Pb超标率为8.2%，Zn超标率为7.7%，Cu、Cr、As和Hg在所有采样点均不超标。

3.2单因子污染指数评价结果表明蚌埠市水稻籽粒中Cd、Pb为轻污染，其他5种元素均为清洁水平；综合污染指数法评价结果表明，蚌埠市水稻籽粒受7种重金属污染总体为轻污染程度。

3.3蚌埠市水稻籽粒摄入重金属对儿童造成的健康风险高于成人。重金属Cd会引起成人的健康风险，其他6种元素安全性较好；除Hg、Pb外，其他5种重金属均会对儿童引起健康风险。

3.4总体来说，无论对成人还是儿童，水稻籽粒中重金属Cd对人体的健康风险最高，这可能与当地土壤中Cd背景值较高有关。

3.5食用蚌埠本地产水稻籽粒能够对儿童引起健康风险，这应引起相关部门的高度重视，积极采取应对措施。可以从以下几个方面来考虑：a.对受重金属污染的农田土壤采取适当的治理和修复，传统的方法如客土换土法、吸附固定法、电化学法和生物修复技术等，以减少土壤中重金属向农作物的富集；b.调整地区的种植产业结构，在重金属含量高的土壤上种植非食用的经济作物，可以种植速丰林木或花卉；c.严格控制含有重金属的污废水向农田排放；d.加强植物修复技术在本地区的实验和应用研究。

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Heavy metal pollution and health risk assessment of rice grain in Bengbu city

ZHU Lan-bao，SHENG Di，QI Xiao-ming，DU Qing-cai，DING Yan
（Department of Chemistry and Environmental Engineering，Bengbu College，Bengbu 233030，China）

The concentrations of heavy metals in rice grain collected from Bengbu were measured.The method of single factor pollution index，comprehensive pollution index and health risk index were used to assess pollution levels and health risk of heavy metals in rice grain.The results showed that the average of Pb，Cu，Zn，Cr，Cd，As and Hg element’s concentrations in rice grain were 0.2073，4.5061，22.7308，0.2104，0.3057，0.0802 and 0.0096mg·kg-1，respectively.The single factor pollution index assessment showed that Cd and Pb were above the national standards and could be categorized as light pollution.However，other elements could be regarded as clean levels.The omprehensive pollution index of heavy metals in rice grain ranged from 0.23 to 1.84，with the average of 1.18，which was considered to be in the level of light pollution.The health risk index of heavy metals in rice grain collected from Bengbu for children was higher than that for adults.Moreover，Cd had an especially high risk for children and adults，and As，Cu，Zn，Cr had an especially high risk for children.

rice grain；heavy metals；risk assessment；Bengbu city

TS201.6

A

1002-0306（2014）04-0053-04

2013－11－11

朱兰保（1979-），男，讲师，研究方向：环境质量与安全研究。

国家自然科学基金项目（41001292）；安徽高校省级自然科学研究项目（KJ2010B106，KJ2011B088）；蚌埠学院自然科学研究项目（2010ZR03）；蚌埠学院优秀人才计划项目；蚌埠学院重点实验室资助项目。