6种药食同源中药材重金属及健康风险评价
2020-12-01刘晓媛
张 松，刘晓媛，吴 迪，*
(1.贵州师范大学 分析测试中心，贵州 贵阳 550001；2.贵州师范大学 贵州省山地环境重点实验室，贵州 贵阳 550001)
0 引言
中药材应用于中国医疗行业已有近千年的历史，是我国独有的优势产业。同时，从中药材里发现先导化合物，也吸引着国内外新药研发人员的目光。据第3次全国中药资源普查统计显示，我国现已发现在册的中药材种类已达12 807种， 其中药用植物11 146种、药用动物1 581种、药用矿物80种[1]，使用频率较高的中药有大约1 000种，可用于人工培养的有200多种。随着中药材的广泛应用，中药材重金属超标问题愈发严重，甚至影响了中药材走出国门的步伐。赵华连等[2]以《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》中的规定为依据，统计我国中药材中重金属污染总体情况，得出Pb、Cd、Hg、As、Cu均存在不同程度的污染，并且，他们按不同的药用部位对中药材进行分类，得出重金属含量全草类、地上部位及叶类中药材大于根及根茎类中药材，花类、果实类、种子类中药材中重金属污染水平最低。刘旭辉等[3]对河池各地中药材红线丝中的重金属研究发现重金属含量超标，其中Cd、Pb、Zn尤为严重。2013年英国禁止中成药销售，由于这些中药含有重金属铅、汞、砷等风险[4]。
中药材富集的重金属通过口服等途径进入人体内，会使人慢性中毒。人体内铅积累超过负荷值，会导致神经系统、造血系统、血管和消化系统等损伤[5]；镉在人体内积蓄可能会引起畸形、癌变，镉及其部分化合物已被国际癌症研究所(IARC)列为Ⅰ类致癌物质[6]；尽管金属汞一般无毒性，但其入血后氧化产物为Hg+和Hg2+，这两种离子会产生巨大的毒性作用，尤其是对人体神经系统、肾脏肝脏或心脑血管系统；血红细胞的生成和成熟需要铜的促进作用，但是过量的铜会引起低血压、黄疸等[7]。由此可见，对中药材中重金属经过饮食摄入产生的危害是不容忽视的，因此对中药材重金属污染程度的有效评估以及合理治理是迫在眉睫的。
为了了解重金属的污染物在样品中的具体含量，分析其有害程度，本文通过对全国市场抽验的金银花、甘草、白芍、黄芪、山楂、枸杞6个品种共137批药材中的重金属包括汞、铅、镉、铜、砷在内，进行了关于健康风险的深入研究。从多个角度综合评价中药材重金属污染吸收状况，旨在对不同药用部位中药材富集吸收重金属特性有深刻的了解，以及其长期摄入对人体潜在的健康风险；深入研究调查评估相关销售渠道所售药材的质量，提供实际数据以供药品监管部门不断完善药材管理体系。
1 材料
1.1 样品前处理
对采自各大药材市场共计137批次的6种中药材植物，在105 ℃杀青30 min后，于60 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒重，然后把利用粉碎机进行粉碎后的药品过筛，样品保存在自封袋中密封保存。
1.2 试剂
本实验所用试剂均使用符合国家标准的优级纯化学试剂，实验用水为新制备的一级去离子水。
表1 化学试剂Tab.1 chemical reagent
1.3 实验仪器
万能高速粉碎机(旭曼800Y)、电子天平(ME204E)、数控超声波清洗仪(KQ5200DE)、原子吸收分光光谱仪(耶拿ZEEnit700p)、原子荧光光谱仪(吉天AFS933)、微波消解仪(德国Berghof MW S22)。
2 方法
2.1 仪器测定工作条件
根据仪器使用规程，作工作条件优化，选定以下工作参数测定5种有害元素。
表2 原子吸收光谱仪和原子荧光光谱仪工作条件Tab.2 Work condition of atomic absorption spectrometer and atomic fluorescence spectrometer
2.2 重金属对照品溶液的制备
用2%的硝酸为介质稀释标准储备液，在最优的仪器工作条件下测定标准液，所得对应的标准曲线，其线性相关系数在0.998 0～1.000 0之间。
2.3 供试品溶液的制备
制备6种中药材重金属元素的各供试品溶液：本实验Pb、Cu、Cd含量选用石墨炉原子吸收法来测定，而Hg、As含量采用原子荧光光谱法测定。选出测试样品，在微波消解罐中称取0.300 g，利用温度分别为120 ℃、160 ℃、180 ℃的3步法进行微波消解，消解罐中需加入1 mL H2O2和2 mL HNO3。测试之前微波消解后的冷却液还需定容(50 mL)。测试开始，在10 mL的试管内加入8 mL消解液，倒转摇匀前并定容到10 mL前，向其中加入1 mL 10%硫脲、0.5 mL HCl两种溶液，此后还需0.5 h静置。质量控制选用黄芪GBW10028(GSB19)。
2.4 重金属评价方法
单因子污染指数法：为评判相应的污染程度，把参考值设为国家标准值，污染程度水平用实际测出的浓度超出标准值的水平高低来衡量。具体公式如下：P=xi/Si，其中限制重金属值具体标准为《中国药典》(2015年版)的参考值，记作Si，而药材中的测试值记为Si。
内梅罗污染指数法：在单因子污染指数得出后，兼顾极值的内梅罗综合污染指数，反映出各污染物对中药材的综合影响，各种重金属相互作用叠加的结果会导致中药材污染的不良状况[8]。其具体公式为：
(1)
上述(1)式中，对于测试的重金属污染指数，平均值记(Ni)ave，最大值记作(Ni)max，内梅罗综合污染指数是本式中最重要的量值，记为N综。N综≤0.70，样品属于安全等级；0.7
有关As致癌重金属的健康风险评价，这5种重金属中，可致癌的重金属元素为As，其余4种则在理论上不会致癌。其致癌风险计算如下[9]：
(2)
R=SF×L
(3)
3 结果与分析
3.1 不同药用部位中药材重金属含量
统计分析结果表明(见表3)，所有被测批次的中药材重金属含量均未超过2015年版《中国药典》规定的中药材重金属限量标准，同时，不同药用部位中药材对重金属吸收富集有差异，其中Pb、Cd、Cu在花草类中药材(金银花)中含量较高，其次是根及根茎类中药材(甘草、白芍、黄芪)，果实及种子类(山楂、枸杞)含量相较于花草类和块根类中药材含量最低；对照各用药部位的结果，砷和汞含量差异具有不显著性。
表3 6种中药材重金属含量(±s，mg/kg)Tab.3 Contents of heavy metals in six medical herbs
3.2 不同类型中药材重金属污染指数
金银花(0.57)>甘草(0.41)>白芍(0.39)>黄芪(0.31)>枸杞(0.27)>山楂(0.23)，内梅罗综合污染指数结果显示全部合格，均处于安全等级的最高限制标准之下，表明未受重金属污染。表4中详细展示了它们的污染指数。其次对单因子污染指数纵向分析，金银花、枸杞、山楂、黄芪中5种重金属Cu的单因子指数最大，表明Cu在五种重金属中污染因子贡献最大。植物对重金属的吸收具有选择性，而Cu是植物生长所必需的元素，为满足自身生长发育的需要，对Cu具有较好的生物累积作用。李彩虹等[10]对宁夏道地黄芪重金属残留特征及污染评价表明黄芪对土壤中的Cu元素具有较强的富集吸收能力。 Cu>Hg>Pb=As>Cd是枸杞样品结果，Cu>Pb=Hg=As>Cd是山楂样品结果，Cu>Pb>Hg>As=Cd是甘草样品结果；Cu>As=Hg>Pb>Cd是黄芪样品结果；Cd>Hg>Pb>As=Cu是白芍样品结果；Cu>Cd>As>Hg>Pb是金银花样品结果，汇总而成单因子污染指数分析结果。研究分析表明，枸杞、山楂、甘草、白芍、黄芪中的Cu和Cd呈负相关。
表4 6种中药材重金属污染指数Tab.4 Pollution indices of heavy metals in six medical herbs
砷和汞的相关系数为0.882，说明显著相关(P<0.05)；砷和镉的相关系数为0.907，说明显著相关(P<0.05)；汞和镉的相关系数为0.975，说明极显著相关(P<0.01)。以上结果由表5可得，深入分析重金属污染指数在这几种中药材之间的相关性，表明具有此特性且很大几率上同源性的3种金属，即为砷、镉和汞。
表5 6种中药材重金属污染指数相关性分析Tab.5 Correlation analysis of heavy metal pollution indices in six medical herbs
3.3 6种中药材总砷的健康风险评价
2015年版《中国药典》规定的金银花的平均日摄入量在6～15 g，风险健康评价模型采用其最大摄入量15 g为日摄入量，同理白芍日摄入量为15 g，甘草日摄入量为9 g，黄芪日摄入量为30 g，枸杞日摄入量为12 g，山楂的日摄入量为12 g。暴露频率90 d/a记为ED，平均寿命70 a记为LT，60 kg的平均体重记为BW，暴露年限30 a记为EF，在此其他参数对有关健康风险评价作出以上的假定。砷的致癌斜率从美国环保署的致癌风险评价导则中获得[11]，SF=1.5(mg/kg·d)。采用以上数据导入健康风险测评公式进行计算，表6为所得具体数据。从表6可以看出，所测金银花、白芍、山楂摄入砷致癌风险大于WHO[12]所建议的标准阙值1×10-5。
表6 6种中药材中总砷的致癌风险Tab.6 Carcinogenic risk of arsenic in six medical herbs
4 讨论
中草药不同的药用部位重金属的含量，一方面与金属离子的自由态离子活度有关[13]，另一方面金属离子在其体内不同部位的迁移和分配与其自身的生理生化功能相关[14]以及金属离子对植物的胁迫作用，多种因素共同作用导致其不同部位重金属吸收和富集能力存在差异性。从6种被测样品中药材药用部位所测重金属浓度来看，大体趋势为根际部位重金属大于地上部位的，这可能是由于植物的根是植物生长发育过程中总动力源泉，它从土壤中吸收重金属，经过根细胞质膜运输、从根表皮细胞向中柱的横向运输、从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管、木质部长途运输、跨叶细胞膜运输、跨叶细胞的液泡膜运输等环节[15]，在传输中，植物细胞壁、细胞膜、细胞器对进入体内的重金属具有阻隔作用，经过层层防御，重金属含量从根部到地上组织呈减少的趋势。陈碧华等[16]在外界条件一定的情况下，对中国南瓜幼苗对Cd2+的积累特征表明，南瓜对Cd的吸收是根>茎>叶，与中草药分析基本一致。但重金属的累积程度不仅与自身的结构或生理特性有关，还与环境生态因子息息相关，被测样品中金银花重金属含量大于根及根茎类、种子和果实类中草药，这可能由于生长环境存在污染，如矿山污染、大气沉降、污水灌溉等因素共同作用的结果。
从被检测的几种重金属可知，促进植物生长的必需元素为铜，非必需元素包括铅、汞、砷、镉4种，由植物的选择性吸收来看，铜元素会被选择，优先吸收；但受到其它重金属元素的影响，对Cu吸收会有差异性。实验数据表明，单因子污染中枸杞、山楂、甘草、黄芪中Cu的贡献最大，而Cd的最小；相反，白芍中Cd的贡献最大，而Cu最小，由此推断Cd-Cu复合污染时存在拮抗作用。张栋栋等[17]在对重金属Cd-Cu复合污染对苍耳生长及叶绿素荧光特性的影响中发现：低浓度的Cd和Cu复合污染时具有拮抗效应，与分析结果一致。这样看来，它的出处是有一定相似性的，由汞和砷都与镉相关可以证实。
针对6种中药材中，具有致癌风险的As作健康风险评价，结果表明金银花、白芍、山楂大于规定的标准阙值，说明其具有一定的致癌风险。虽然6种中药材中所测As的浓度均小于2015年版《中国药典》规定的中药材As限量标准值，但其潜在的致癌风险不仅仅与中药材所含浓度有关，还与日摄入量、摄入年限、暴露频率等多因素共同作用。我们今后对中药材重金属污染评价，不仅要从实际测量的现时角度考虑，还要从长期摄入的潜在风险考虑。
