基于健康风险评价的种植黄芩中重金属的安全限值研究

2019-04-29张爱琛杨月刘建伟陈艳姣曹红斌

生态环境学报 2019年3期

张爱琛，杨月，刘建伟，陈艳姣，曹红斌 *

1. 中药资源保护与利用北京市重点实验室，北京 100875；2. 天然药物教育部工程研究中心，北京 100875；3. 北京师范大学地理科学学部，北京 100875

黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）是中国的一类大宗中药材，临床用药非常广泛，北京门头沟区的居民还有将黄芩芽、叶采集代茶饮的习惯。需求量的居高不下使得黄芩已然遭到掠夺式采挖，野生资源几近枯竭。为满足市场需要，农用地人工栽培黄芩面积逐渐增大，但由于农民栽培技术、人工管理模式不成熟以及选地不合理等原因导致栽培黄芩的产量和质量差异较大，临床效果得不到保证。重金属（类金属砷的性质与重金属相似，故将其归为重金属）广泛存在于环境中，是影响黄芩产量和质量的重要因素（Wang et al.，2018；Cao et al.，2009）。近年来已发生了多起中药因重金属超标而被退回的事件，这大大损害了中药的声誉，影响中国中药产业的国际化进程（赵连华等，2014）。然而，目前关于黄芩所含重金属的研究相对较少，但从其他研究中不难看出，过高浓度的重金属积累会影响到植物的正常生长和发育（王波等，2018；王凯荣等，2010；丁园等，2009）；药用植物中重金属浓度过高更会影响用药安全，对患者健康产生危害（李嫦玲，2006）。因此，有必要研究药用植物黄芩中重金属的安全限值。

中国现行的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》（中华人民共和国国家中医药管理局，2001）仅给出了砷、镉、汞、铜、铅5种重金属的限量值；《中国药典》（国家药典委员会，2015）已经明确了重金属限量值的 11种植物药中并未包含黄芩；郭兰萍等（ISO，2015）曾经基于中药材中铅、砷、镉、汞4种重金属的健康风险评估结果建立了《中医药-中药材重金属限量》ISO国际标准。然而，以上标准均没有考虑具体药材之间服用剂量与服用方式的差异。

本研究结合黄芩的实际使用情况，基于黄芩中重金属的健康风险评价结果推出了As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的安全限量值，以此为标准分析了采自北京市门头沟区的黄芩根样品以及购自安国、亳州两大药材市场的黄芩饮片中所含 7种重金属的超标情况，为指导黄芩的安全使用提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与前处理

本实验所采用的黄芩根样品包括原药材和饮片2种：于2017年9月在北京市门头沟区灵之秀农业园采集一年生至五年生的黄芩根样品（每个生长年限采集5株，共得到25个黄芩根样品）。根据药典中药饮片炮制要求，撞去表面泥土和粗皮，用陶瓷刀（避免引入重金属）将黄芩根部与茎部分离，再用毛刷将黄芩根表面刷干净，将植株根部装入牛皮纸信封中，做好标记，于55 ℃烘干至恒重，并用高速旋转研磨仪（ZM200 pulverisette 14，德国）将其粉碎成粒径小于0.5 mm的粉末，装入自封袋，保存待测；于2018年3月先后在安国和亳州两大药材市场各收集5份黄芩饮片，以同样的方法粉碎、保存待测。黄芩样品均经过北京师范大学张文生教授鉴定。

1.2 重金属的含量测定

用万分之一分析天平（Mettler ToledoME104，瑞士 Mettler Toledo公司）准确称取黄芩根样品0.2000 g于聚四氟乙烯罐中，加入2 mL硝酸（MOS级），冷消解4 h后，将其放入不锈钢外套中，拧紧至小罐无法在不锈钢套中晃动。在165 ℃的烘箱中加热 4 h，冷却后取出小罐，将样品转移至离心管中，并用超纯水定容至 10 mL，待测。采用ICP-AES（SPECTRO ARCOS EOP，美国阿美特克集团——德国斯派克分析仪器公司）检测消解液中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 的含量，并以黄芪（GBW10028，地球物理地球化学勘查研究所）标样内插对黄芩样品的分析进行质量控制。

1.3 基于健康风险评价的重金属安全限量值推定

化学物质对于人体产生的健康风险可以分为非致癌风险和致癌风险。在评价过程中，通常以商值法（HQ法）来表示物质的非致癌风险，即将暴露量与参考剂量（经口暴露）的商值与1进行比较，若大于1则表明该污染物的暴露可能对人体造成非致癌风险，反之则表示该暴露水平下不会对人体产生危害；在评价污染物的致癌风险时，先定性判断该物质是否具有致癌毒性，然后再根据已有的暴露水平数据和剂量-效应关系来定量估算个体终生暴露所产生的致癌概率（曹红斌，2012）。

1.3.1 基于非致癌风险的重金属安全限量值推定

重金属暴露量 ADD(mg·kg-1·d-1)和商值 HQ 表示如下：

式中，C为黄芩中的重金属质量分数（mg·kg-1）；IR 为黄芩日摄入量（g·d-1）（详见 2.2.1）；BW表示暴露者体重，取61 kg（环境保护部，2013）；RfD 为参考剂量（mg·kg-1·d-1），取值详见表 1；ED为暴露时间（a）。根据董历华等（2014）对黄芩处方的调查分析结果可知，服用黄芩患者的平均年龄为35岁，若人的平均寿命设为70年（姜阳，2013），则ED取35 a；暴露频率EF（d·a-1）则根据不同病症的黄芩复方、成药及疗程确定（详见2.2.2），则总暴露时间为 35×EF d；平均化时间AT=ED×365 d。WHO的《药用植物质量控制方法》规定，来源于药用植物的有害物质含量不超过该物质总摄入量的1%（WHO，1998）。除此之外，含黄芩的各处方或制剂中，药用植物黄芩的质量分数（x%）也各不相同（x%取值详见2.2.3）。若HQ＜1，则认为该重金属元素不会对人体产生非致癌健康风险，根据公式（1）、（2）可反推得到药材重金属的安全限值为：

1.3.2 基于致癌风险的重金属安全限量值推定

重金属的慢性日暴露量 LADD(mg·kg-1·d-1)和致癌风险R计算如下：

表1 7种重金属经口暴露后RfD和SF的取值（Jiang et al.，2017）Table 1 Values of RfD and SF via oral exposure of 7 heavy metals (Jiang et al., 2017)

对于可产生致癌风险的重金属元素，其C、IR、ED、BW取值同上；暴露者寿命LT=70×365 d；致癌斜率因子SF取值见表1。根据WHO给出的最高风险建议值R0=1×10-4，代入公式（4）、（5），可以反推得到黄芩根重金属的安全限量值：

2 结果与分析

2.1 黄芩的重金属含量

使用ICP-AES检测黄芪（GBW 10028）标样的7种重金属元素，测定结果都在相对应的标准值范围内，且 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和 Zn回收率分别为98.25%、100%、81.82%、98.00%、99.12%、102.78%、97.35%，表明该检测方法较为准确。因此，本试验采用ICP-AES法测定了采自北京市门头沟区的黄芩根样品和购自安国、亳州两大药材市场的黄芩饮片的重金属含量，测定结果如表2、表3。

2.2 黄芩所含7种重金属的安全限量值

2.2.1 黄芩日摄入量（IR）的确定

收集2015版《中国药典》（国家药典委员会，2015）中以黄芩为主要成分的118种制剂，根据每种制剂的黄芩含量和不同服用方法，推算得到服药过程中黄芩的日摄入量：如中成药丸剂儿童清热导滞丸中包含20种中药材，共1770 g（黄芩占120 g），每100 g药材粉末加炼蜜115－125 g（本研究取平均值120 g）制成大蜜丸，每丸重3 g，一次服1丸，一日 3次，则黄芩的日摄入量为：100/(100+120)×120/1770×3×3=0.277 g；对于颗粒剂来说，少阳感冒颗粒含有8味药材，共1239 g（黄芩占206 g），每袋装8 g，一次1袋，一日2次，则每日摄入黄芩的量为206/1239×8×2=2.660 g；双黄连片是由3味药材（共7500 g，黄芩占1 875 g）煎煮压制而成，每片重0.53 g，口服1次4片，一日3次，则每日摄入黄芩 1875/7500×0.53×4×3=1.59 g。以此类推，本研究共计算得到118种含量较为明确的黄芩制剂中黄芩的日摄入量。董历华（2013）曾将统计过的934张黄芩处方所治疗的疾病分为肺系、肝胆系、脾胃系等7类，按此分类方法将118种黄芩制剂根据其功效主治进行归类，得到每一类黄芩制剂的平均日摄入量，如表4。

2.2.2 黄芩暴露频率（EF）的确定

本研究综合了 16篇文献中关于黄芩的临床使用疗程（见表5），按上述方法将16篇文献中涉及的疾病进行归类，得到每类病症中黄芩制剂的平均使用疗程，将其与归类的118种黄芩制剂进行对应，得到每类制剂的黄芩暴露频率。例如，药典中的龙胆泻肝丸就以清肝胆湿热为主要功效，故将其所治疾病类型归为肝胆系，使用疗程为 250 d。心系疾病的使用疗程咨询药店药师得到，黄芩的暴露频率如表6。

2.2.3 黄芩在制剂中质量分数（x%）的确定

根据药典收集的118种黄芩制剂中不同药材的含量，计算得到黄芩在各制剂中的质量分数：如感冒止咳颗粒含有柴胡和葛根各 100 g；山银花、青蒿、连翘和黄芩各75 g；桔梗和苦杏仁各50 g，以及薄荷脑0.15 g，共计600.15 g，则黄芩的质量分数为12.5%。同样，得到七大类制剂中黄芩的质量分数，如表7。

表2 门头沟种植基地黄芩根种重金属检测结果Table 2 Heavy metals in roots of S. baicalensis from Mentougou mg·kg-1

表3 市场购置黄芩饮片的重金属检测结果Table 3 Heavy metals in S. baicalensis pieces from markets mg·kg-1

表4 黄芩不同功能主治的日摄入量Table 4 Daily intake of S. baicalensis Georgi by clinical use g·d-1

表5 不同黄芩制剂的临床使用情况Table 5 Clinical use of different preparations

表6 黄芩的暴露频率Table 6 Exposure frequency of S. baicalensis d·a-1

2.2.4 黄芩所含重金属的安全限量值推定

根据重金属可能给人体带来的致癌或非致癌风险，将相应参数带入1.3所述公式，得到7类黄芩制剂的重金属安全限量值（表8）。《中国药典》（国家药典委员会，2015）曾将黄芩的主要功效记载为“清热燥湿，泻火解毒，止血，安胎”，即黄芩在肺系疾病及妇科病证的治疗中被广泛应用。平均值充分结合了其他几类疾病的取值，并且处于肺系疾病与妇科疾病的计算结果之间，故将其作为最终黄芩所含重金属的安全限值。考虑对常年服用黄芩制剂患者的保护，对于具有致癌毒性效应的As、Cr和 Pb，选择致癌风险的推定结果作为其安全限量值，其余4种重金属的安全限量值则根据其非致癌风险的评价结果进行推定，得到 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的安全限量值如表9。

表7 黄芩在中成药或复方中的质量分数Table 7 Proportion of S. baicalensis Georgi in Chinese patent medicine or compound

表8 7类黄芩制剂所含重金属的安全限量值Table 8 Safety limits for heavy metals in 7 preparations mg·kg-1

2.3 基于 7种重金属安全限量值分析黄芩样品的超标情况

所采集的5种生长年限的黄芩根样品中，52%的样品As含量超标，76%的样品Cr含量超标，Cd、Cu、Pb、Ni和Zn含量均未超标；而购买所得的黄芩饮片中，90%的样品 As含量超标，80%的样品Cr含量超标，Cd、Cu、Pb、Ni和 Zn的含量均未超标；若以《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》来检验本研究所收集的黄芩样品，则As、Pb、Cd、Cu 4种重金属均未出现超标现象；郭兰萍等（2017）曾利用THQ（靶标危害系数法）法计算得出了中药中重金属Pb、As、Cd和Hg的限量标准值，若在此标准的限定下，本研究所采用的的黄芩样品中含有的重金属Pb、As、Cd亦没有超标，但该标准缺乏对其他重金属如Cr、Cu、Ni、Zn的含量限定。

3 讨论

3.1 黄芩的重金属安全限量值

近年来，中药由于其出色的疗效和饱受质疑的安全问题备受世界关注，而中药本身的重金属超标问题也逐渐成为阻碍中药国际化的一大贸易壁垒。目前，世界上多个国家和地区都对中药的重金属含量进行了控制，但要求参差不齐，缺乏统一规定（郭兰萍等，2017）。中国于 2001年制定的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》是常用的限制进出口中药重金属含量的规范，其中规定了重金属总量不得超过20 mg·kg-1，并分别给出了As、Pb、Hg、Cd、Cu的安全限量，但并未给出Cr、Ni和Zn的标准值。该标准广泛地适用于进出口的药用植物及制剂，而《中国药典》中也并未针对黄芩给出相应的评价标准。2015年，由中国中医科学院牵头制定的 ISO国际标准《中医药-中药材重金属限量》（ISO，2015）正式颁布，该标准主要根据 USEPA提出的 THQ法，基于中药所含重金属的非致癌风险推定了Pb、As、Cd和Hg的安全限量值，首次将健康风险评价引入中药材标准制定工作中，使标准制定更为科学。然而，这个标准忽略了As和Pb等可能给人体造成的致癌风险。上述3个标准为针对中药材及制剂的普适标准，并未考虑不同种类中药材在临床使用上的差异性。李璇（2010）曾利用USEPA给出的THQ计算公式，参考WHO给出的每周耐受摄入量（PTWI），计算出了 6种中药材（西洋参Panax quinquefoliumL.、黄芪Astragalus membranaceus、甘草Glycyrrhiza uralenisFisch.、白芍Paeonia lactifloraPall.、丹参Salvia miltiorrhizaBge.和金银花Lonicera japonicaThunb.）中的重金属（As、Pb、Hg、Cd、Cu）限量浓度值，但未考虑长期用药部分重金属的致癌风险。

本研究从黄芩制剂的功效主治、服用剂量和服用疗程出发，结合重金属的致癌和非致癌健康风险评价，最终得出了黄芩所含7种重金属的安全限量值。该标准与已有的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》和 ISO标准相比，增加了重金属 Cr、Ni和Zn的安全限量值；且对于具有经口摄入致癌毒性的As和Cr，考虑了黄芩常年服用的致癌风险。本研究中As的安全限量值相对较低，而Cu和Pb相对较高，Cd处于以上两个标准值之间。与以上标准之间的差异主要是所选取的健康风险评价方法以及相关参数包括黄芩日摄入量和暴露频率有异。从有效恰当保护中药服用患者健康的角度考虑，大宗药材应有各自的安全限量标准。

表9 7种重金属的安全限量值Table 9 Safety limit values of 7 heavy metals mg·kg-1

3.2 不确定性分析

（1）健康风险评价过程中有关变量的确定：本研究关于黄芩的日摄入量确定只参照了2015版《中国药典》中的118种制剂，各制剂中黄芩的炮制方法有异，如利用水煎液浓缩干燥压制成片剂，则对于水煎液来说，黄芩所含的重金属会有一部分残留在药渣，并未全部被人体吸收，造成健康风险估计结果偏高；收集自药典的黄芩制剂可能与黄芩的实际服用情况存在差异；因对黄芩复方的使用情况缺乏详细调查，本研究忽略了黄芩复方的具体分析，有失偏颇。就黄芩的暴露时间和暴露频率来说，由于可供选取的参考文献较少，并且暴露人群之间年龄、性别、生活环境、暴露方式等差异较大，造成评价结果的不确定性。然而，以上不确定性在现有标准的推定过程中同样存在，本研究通过药材品种的限定、功能主治的区分及现有制剂的成分分析等在很大程度上降低了标准推定中的不确定性。

（2）本研究分别评价了重金属As、Cr和Pb的致癌和非致癌风险，出于保守估计，将基于致癌风险评价推定的结果作为重金属的安全限值。癌症发生是长期暴露的结果，该安全限值可以有效保护常年服用含黄芩药物的患者免受重金属摄入所致健康危害，但对短期服用者来讲可能存在过度保护的情况。

（3）由于多种原因，本研究测定的黄芩样品数量有限，评价结果可能与市场上黄芩的实际重金属污染现状存在一定程度的偏差。

本研究充分考虑了药用植物黄芩的临床应用情况，并基于重金属对人体的健康风险评价结果推定了黄芩所含 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和 Zn的安全限量值，有利于黄芩的进出口贸易。由于各种中药材的入药方式和临床使用情况差异较大，对于目前世界各组织提出的中药材重金属安全限量值可能并不适用于所有中药材。因此，中药材所含重金属安全限量值的制定最好因药而异，以期取得最佳效果。作为专门针对药用植物黄芩所推定的重金属安全限量值，本研究结果为提高黄芩药材质量、保证临床用药安全提供了理论基础和科学依据，对进一步促进了中药产业的现代化和国际化具有重要意义。