粮食中重金属铅离子、镉离子的污染现状及对人体的危害

郭健　姚云　赵小旭　柳家鹏　王涛　刘美辰　蒙少华

[摘要]近年来食品安全事件频发，重金属污染是长期困扰食品安全的影响因素之一。重金属元素分布广泛、种类繁多，本文在国内外相关研究成果的基础上，主要针对空气、水、土壤中重金属铅（Pb）、镉（cd）污染的现状，以及重金属铅离子（Pb²⁺）、镉离子（cd²⁺）对粮食污染的影响进行阐述。

[关键词]粮食；重金属；铅；镉

中图分类号：X836 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180304

20世纪以来，我国人口数量大幅度增长，采矿、冶炼、铅蓄电池、皮革及其制品、化学原料及其制品五大行业的工业化进程不断加快，农用化学品的大量使用及城市污水肆意排放，使得农田土壤重金属污染日趋严重。重金属污染就是由重金属过量累积引起的污染，是导致环境恶化的一个重要因素，即使痕量的重金属污染物进入人体也会对人体造成极大的危害。社会经济的蓬勃发展以及生活质量的不断提高，人们对食品安全问题愈发关注。

1重金属概况

1.1理化性质

重金属是指比重在5.0以上，与污染相关，具有生态毒性和潜在毒性的金属和准金属。在相关的科学研究中，将铍（Be）、铝（A1）、钛（Ti）、钒（V）、铬（cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（cu）、锌（Zn）、钼（Mo）、银（Ag）、镉（cd）、锡（sn）、钡（Ba）、汞（Hg）、铅（Pb）等均称为重金属，一些与金属具有相似性质的准金属如砷（As）、硒（se）等也被称为重金属。其中，铬（cr）、镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）和砷（As）是对人体健康危害最严重的5种重金属。

1.2铅（Pb）

铅（Pb）分布广泛，易提取、易加工，具有质地柔软、延展性强、熔点低等特点。铅是人类使用最早的金属之一，公元前3000年，人类已经能从矿石中熔炼铅，商殷至汉代，青铜器中铅的含量逐渐增大。铅作为最古老的重金属之一，被广泛应用于工业生产中，大部分以废水、废气、废渣等形式排放到空气、水和土壤中。从1980年代中开始，铅的应用开始骤然下降，其主要原因是铅对环境的污染。如今，汽油、染料、焊锡和水管一般都不再含铅。

1.3镉（Cd）

镉（Cd）是一种稀有元素，呈白色，是作为副产品从锌矿石或硫镉矿石中提炼出来的，常用于电镀，保护其他金属免受腐蚀，如铁制品、电镀钢、铜及其他合金。镉可以用来制造体积小、电容量大的电池，还可以用来制造亮黄色颜料，用于高级油漆和绘画颜料。

2重金属的污染现状

空气、水、土壤中潜在的重金屬污染无处不在，严重影响了人们的生活质量和身体健康。重金属对环境的污染具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，对自然环境、生态系统和食物链的危害极大，治理成本高、周期长。

2.1大气中重金属铅、镉的污染现状

人类活动产生的含有重金属的粉尘或有害气体，是大气中重金属铅、镉污染的主要原因，如金属冶炼、汽油燃烧和水泥制造等排入空气的大量颗粒沉积物。重金属污染的有害粉尘会随着自然沉降、风力作用等过程发生迁移，沉积在屋顶、阳台或路面，沉积的粉尘亦可随风力作用重新回到大气中，影响空气质量，或是直接沉积在水体和土壤中，严重影响水体和土壤质量。

Freiie等对阿拉伯海湾附近的空气质量进行研究，发现大气中重金属污染最严重的是铅污染，巴林地区铅污染的比例高达35%。随着无铅汽油的广泛使用，附近空气铅污染比例有所下降，但仍比其他重金属含量高。Hu等研究了北京地区降雪中重金属的含量，结果显示铅的含量是标准限值的4.29倍，超标严重。Wei等对北京高密度交通区、居住区、教育区和旅游区的粉尘进行采样，测定粉尘中铬、铜、锌、镉和铅的浓度，与其他城市对比后发现，北京地区整体重金属含量处于中等水平，但镉含量处于重度污染状态。Chen等研究了天津市PM2.5中的重金属含量，其中镉的含量是国家环境空气质量标准中规定标准含量的1.3倍。Xinwei等测定了西安城市幼儿园附近粉尘中重金属的污染程度，结果表明铅污染最严重。

2.2水体中重金属铅、镉的污染现状

Bhuiyan等针对孟加拉国西北部的煤矿区，对其附近水体的重金属污染程度进行研究，结果表明，有55%的矿井排水、灌溉水域处于中、高度污染水平，有50%的地下水处于高度污染水平，并且靠近煤矿区附近的水体，其重金属污染程度远远高于其他地区。Islam等研究了孟加拉国城市地表水和河流沉淀物中重金属的污染状况，Korotoa河水中重金属的含量测定结果显示，该水域重金属污染以铅和镉的含量最高。中国作为典型的发展中国家，随着工业的蓬勃发展，冶金、采矿、电镀等行业的工业废水排放量也大大增加，导致水体中重金属的含量急剧增加，水体环境受到严重污染。我国城市和农村生活污水排放量每年超过60亿万t，大部分未经处理的污水直接排入河流湖泊中，导致地表水污染程度显著上升。调查数据显示，我国江河湖库的重金属污染率已高达80.1%，黄河、松花江等十大流域重金属含量严重超标，黄河水系中镉含量为16.7%。Ning等调查研究了山东玲珑矿区附近的地表水中重金属的含量，研究表明，地表水中镉的含量高于国家地表水环境质量标准。Wang等评估了青岛锦州湾海水的重金属污染程度，结果表明铅、镉的含量均超过了中国海水水质一级标准，镉的污染程度最为严重，占总比例的25%。

2.3土壤中重金属铅、镉的污染现状

污水灌溉是土壤中重金属污染的主要原因，大气沉降以及垃圾堆放也会造成一定的影响。Bermea等评估了墨西哥城区135个不同地区的城市土壤，研究表明，铅是城市土壤中含量极高的重金属，污染指数高达23.8。Han等采集了沈阳至哈尔滨高速公路附近的土壤样本，分析其重金属污染程度，结果表明，在该高速公路附近的土壤样本中，铅是主要污染物，距公路20～40m范围内是重金属污染最严重的区域。Xu等研究了嘉兴、长江三角洲、珠江三角洲区域土壤中重金属的污染程度，结果显示镉污染覆盖的区域占总比例的0.74%。Liu等评估了江西省乐安河沿岸土壤中重金属的污染现状，研究发现，土壤中镉和锌的污染最严重，主要是由于大量的冶炼废水进入水体，居民长期使用重金属污染的水灌溉土壤导致的。

3粮食中重金属离子污染现状

3.1玉米中重金属离子污染现状

陆素芬等研究了广西南丹县粮食作物玉米籽粒的重金属离子含量，结果表明，玉米中铅离子、镉离子的超标率分别为28.3%和8.4%。研究表明，在镉污染下，玉米籽粒中蛋白质、淀粉、脂肪含量均会发生变化。曹莹等研究了镉对玉米籽粒品质的影响，结果表明，隨着土壤中镉浓度的增加，玉米籽粒中的蛋白质和脂肪含量均呈先升高后降低的趋势，玉米籽粒淀粉含量呈先降低后升高的趋势。生长在镉胁迫环境中的玉米具有一定的适应性，适应的主要途径是通过体内合成一类与镉特异结合的蛋白质或多肽，从而减轻镉毒害。

3.2小麦中重金属离子污染现状

李波等对沪宁高速公路两侧的小麦进行重金属监测，研究结果表明，公路两侧250m范围内的小麦受到不同程度的铅污染，小麦籽粒中铅离子含量超标率达99%以上。朱昊等通过随机采集苏中地区43组小麦籽粒样本，测定其中铅离子、镉离子含量，结果发现，小麦籽粒样本中铅离子、镉离子超标率分别为4.65%、27.9%。李颖等分析了邯郸市某冶炼厂周边小麦重金属污染情况，结果表明，小麦中铅离子和镉离子的含量均出现了不同程度的超标现象，小麦体内重金属离子污染程度与距冶炼厂的距离有明显的相关性，污染指数随着距离增加而降低。周秋峰等以室内水培实验和田间试验系统研究了铅、镉胁迫对小麦生长发育及生理指标的影响，结果表明，低浓度的重金属离子在一定程度上促进小麦种子的萌发，而高浓度则对小麦种子萌发表现为强烈的抑制作用。

3.3稻米中重金属离子污染现状

稻米是世界上最主要的粮食之一，为人体提供总热量摄入的35%～60%。但由于镉污染严重，镉污染后的大米利用率大大降低。2002年，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心对全国市售稻米进行了抽检，结果显示，稻米中超标最严重的是铅离子，超标率28.4%，其次为镉离子，超标率10.3%。甄燕红等对国内部分市场的精米进行随机取样，测定样本中镉离子的含量，结果显示91个样本中10%的镉离子含量超标。后又对南京市农贸市场的水稻和杂粮进行了随机抽样和测定，测定结果表明杂交稻中镉离子含量偏高，且有超过50%的杂粮样本中镉离子含量超标。随后，他们对江西、湖南、安徽和广东等我国南方典型水稻产区部分市场和污染地区随机抽样大米样本，检测结果表明，70份样本中70%的镉离子含量超标。

4重金属铅离子、镉离子对人体的危害

水体、土壤及农田的重金属污染是造成蔬菜、水果和粮食等农产品中重金属离子含量超标的主要原因，其次是大气污染。重金属铅、镉主要是通过食物和呼吸进入人体，农产品中重金属离子不会造成人们急性中毒，但重金属通过食物链在人体内不断积累，进而影响人体健康。因此，在环境中尽管重金属的起始浓度很低，但通过食物链或生物体的富集放大作用后其含量可提高百倍甚至更高，从而增加了重金属离子对生物体，特别是人体健康的潜在危害。

4.1重金属离子铅（Pb²⁺）对人体的危害

重金属离子铅对人体健康有巨大的毒害作用且没有任何有益的功能，可通过食物、饮用水和空气进入体内，对神经系统、骨骼造血机能、消化系统、生殖系统等均有危害。特别是大脑处于神经系统发育敏感期的儿童，对铅有特殊的敏感性，极易造成儿童发育迟缓等不良后果。有研究表明，随铅污染程度的加大，儿童的智力低下发病率会升高，儿童体内血铅每上升10μg/100mL，儿童智力则下降6～8分。1985年美国国家疾控中心制定的儿童铅中毒的标准为0.25μg/mL，经过一系列的研究显示，血铅水平在0.10～0.25μg/mL范围内，也会对儿童的智力发育产生不良影响，因此1991年该标准的限量变更为0.10μg/mL。对于造血系统，铅可以打破钙和铁的平衡，通过取代亚铁螯合酶中的铁从而破坏铁与血红蛋白的结合，这是导致贫血的原因之一；对于消化系统，铅中毒会损伤肝脏，甚至出现肝硬化或坏死；对于肾脏及生殖系统，世界卫生组织（WTO）报告认为，血铅水平达70μg/100mL以上的长期铅接触，会导致难以治愈的慢性铅性肾病；对于免疫系统，四乙基铅可使白细胞数减少，导致白细胞的吞噬能力下降，从而降低机体的免疫力。无机铅和有机铅均有三致作用（致畸、致癌、致突变），其中无机铅可引起果蝇的基因突变等。

4.2重金属离子镉（Cd²⁺）对人体的危害

重金属离子镉是粮食污染中一种常见的重金属。可溶性镉化合物属中等毒类，和其他金属毒物一样，能抑制人体内的各种巯基酶系统，使组织代谢发生障碍，也能损伤局部组织细胞，引起炎症和水肿。研究发现镉被吸收进入血液后，绝大部分与血红蛋白结合存在于红细胞中。之后逐渐进入肝肾等组织，并与组织中的金属疏蛋白结合。镉很易蓄积在人体的肾脏、骨组织、眼睛和其他器官组织中，尤其在肾脏和骨组织中的蓄积现象最为严重，可引发肾衰竭、易碎性骨折等疾病，威胁人体健康。镉还会影响钴、铜、锌等微量元素的代谢，阻碍血红蛋白的合成。镉进入呼吸道会引起肺气肿、肺炎等肺部疾病，进入消化系统则引起肠胃炎症。镉在体内还可损伤血管，导致组织缺血，引起多系统的损伤。镉中毒者常有贫血症状的发生，人体骨骼中过量镉的蓄积会导致骨骼软化、变形、骨折甚至萎缩。镉中毒还会引发癌症。

5结论

近年来，食品安全对人类健康造成严重威胁，确保饮食安全势在必行。面对越来越严峻的环境污染所引发的粮食安全问题，迫切需要建立一种快速、高效、便捷的重金属离子残留检测技术，以便在农产品区域生产规划、上市销售许可及深加工等环节进行大量及时的筛查检测，确保粮食的食用安全。