福建省宁化县稻米镉含量调查及健康风险评估

黄锐敏 欧阳辉 吴俊 刘兰英 傅建炜

摘 要：2018年在福建省三明市宁化县所辖16个乡镇共采集水稻样品120份，对稻米样品中的镉污染状况进行调查;结合我国居民大米消费量数据，采用基于Monte-Carlo模拟的概率模型法，对宁化县范围内水稻中镉的膳食暴露风险进行评估。结果表明：宁化县水稻镉含量均值为0.0685 mg·kg-1，稻米样品总体镉污染程度很轻;参考美国环境保护署的化学污染物健康风险评估模型进行评估，结果表明不同消费人群对稻谷Cd的暴露水平总体呈现低龄高于高龄的特点，稻谷Cd暴露水平相对较高的是11岁以下人群（2～11岁）;消费人群食用宁化县种植水稻引起的镉暴露水平较低，风险较小。

关键词：水稻;镉;重金属污染;膳食暴露;风险评估

中图分类号：S511 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2020）05-0030-07

Abstract： In 2018， 120 rice samples were collected from 16 townships under the jurisdiction of Ninghua County in Sanming City of Fujian Province， in order to to investigate the cadmium pollution in the rice samples. Based on the data of rice consumption in China， the probability model based on Monte Carlo simulation was used to evaluate the dietary exposure risk of cadmium in rice in Ninghua County. The results showed that the average cadmium content of rice in Ninghua County was 0.0685 mg·kg-1， and the cadmium pollution degree of the rice samples was very light. Based on the health risk assessment model of chemical pollutants from the United States Environmental Protection Agency， the assessment was carried out， and the results showed that the exposure level of cadmium in rice of different consumer groups was generally characterized by the fact that the younger age group was higher than the older age group， and the relatively high exposure level of cadmium in rice existed in the group under the age of 11（2-11 years old）. The level of cadmium exposure caused by the rice grown in Ninghua County was low and the risk was small.

Key words： Rice; Cadmium; Heavy metal pollution; Dietary exposure; Risk assessment

隨着经济的迅速发展，相对应而来的重金属污染也随之普遍[1]。重金属一般是指密度大于4.5 g·cm-3的金属，不能被土壤中的微生物所分解，因而会在土壤中不断积累，影响土壤性质[2]。镉是生物体非必须且毒害性极强的重金属元素，在生态系统中具有极强的迁移能力，在人类活动影响下，随着金属冶炼、电镀工业、废弃物处置、肥料施用、化石燃料燃烧、大气沉降等过程进入水体和土壤中[3-5]。土壤中的镉经过植物吸收、积累，通过作物可食部进入食物链进而直接或间接地积累在人体中，危害人体健康[6-7]。

镉进入水稻体内后，影响线粒体及叶绿体的功能[8-9]，抑制叶肉细胞的生长，降低叶中叶绿素的含量，最终导致叶片光合作用率下降[10-11]。镉在水稻中的含量状况及其对人体的健康风险已受到国内外研究者的广泛关注[12-15]。水稻是我国最主要的粮食作物，其质量安全直接关系到国家粮食安全和社会稳定。水稻是福建省宁化县粮食生产上面积最大、产量最高、处于举足轻重地位的重要农作物。

为了提升宁化县水稻质量安全水平，结合宁化县农业生产实际情况，本研究对宁化县水稻镉的污染情况开展调查，研究不同区域水稻镉的污染水平与特点，并利用基于Monte-Carlo模拟的概率模型法对水稻中的镉进行膳食暴露评估，了解由此带来的人体健康风险，为进一步掌握宁化县水稻镉含量水平以及安全风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

电感耦合等离子质谱仪：ICPMS2030型，日本岛津公司;微波消解仪：TOPEX型，上海屹尧仪器科技发展有限公司;可调式电热板：GT400型，上海屹尧仪器科技发展有限公司;试验用水纯水仪：Millipore DrectQ3型，苏州赛恩斯仪器有限公司;试验用水为 MilliQ 超纯水（ 18.2 MΩ ·cm）;硝酸（65%，优级纯，西陇化工）、过氧化氢（30%，优级纯，阿拉丁）;单元素标准溶液：镉（GBW08612），溶度为1000 mg·L-1，购自于国家标准物质中心;大米粉成分分析标准物质[GBW（E）100353]。

1.2 样品采集与处理

2018年在福建省宁化县所辖16个乡镇共采集水稻样品120份。充分考虑水稻种植面积与分布，在水稻种植主产区河龙乡等3个乡镇共安排采样点（行政村）11～13个，在湖村镇等5个乡镇各安排采样点（行政村）8～9个，在石壁镇等6个乡镇各安排采样点（行政村）6～7个，在方田乡等2个乡镇各安排采样点（行政村）3个，采样点均匀分布，每个行政村抽取连片2 hm2左右的田块1片。

水稻收获时，在连片2 hm2左右的田块，依据梅花形取样法，将每块稻田分割成5小块，然后在分割后的每小块上，避开田边按“S”形采样法采样，取代表性水稻3株左右，共15株混合为1个稻谷样品，每份稻谷样品重量保证在1 kg左右，装袋并贴上样品标签。按照国家标准要求进行采样和运输，样品自然干燥后取出籽粒，然后分别在65℃下烘干8 h，磨粉后过100目筛，分别贮于聚乙烯瓶中备用。所有样品均详细记录采样时间、采样地点等信息。

1.3 样品前处理与测定

镉（Cd）的全量分析方法采用微波消解电感耦合等离子体质谱法，称取粉末状样品0.5 g （精确至 0.001 g ）到微波消解内罐中，加入5 mL硝酸溶液，放置过夜，再加入1 mL过氧化氢溶液，旋紧罐盖，按顺序将消解罐放入微波消解仪内，按照微波消解仪的标准操作步骤进行消解（消解条件见表1）。仪器工作结束冷却后取出，缓慢打开罐盖排气，用少量水冲洗内盖，将消解罐取出并放在控温电热板上加热，直到溶液剩1～2 mL，放置架上冷却。用纯水定容至25 mL混匀备用;同时做质控样品[大米粉成分分析标准物质GBW（E）100353]和空白试验。微波消解条件见表1，ICPMS检测条件见表2。该方法的检出限LOD为0.0014 mg·kg-1，定量限LOQ为0.0047 mg·kg-1，标准物质GBW（E）100353标准值为（480±20）μg·kg-1，测定值为（457.5±5.2）μg·kg-1。

1.4 重金属污染评价方法

采用单因子指数法对研究区域稻谷中Cd的污染状况进行评价，具体计算公式如下：

式（1）中：Pi表示稻谷中重金属i的单因子污染指数;Ci为研究区重金属i的实测浓度，mg·kg-1;Si为重金属i的限量标准值，mg·kg-1。当Pi≥1时，说明稻谷被重金属所污染;当Pi<1时，说明稻谷未受到重金属污染。

1.5 重金属膳食暴露风险评估方法

本研究采用基于Monte-Carlo模拟的概率模型法评估研究区域稻谷中Cd对人体引起的健康风险。暴露评估与风险表征参照美国环境保护署（USEPA）发布的化学污染物健康风险评估模型，具体如下：

式（2）中：HQ表示风险墒;RfD为参考暴露剂量，mg·kg-1·d-1（Cd=0.001 mg·kg-1·d-1;Pb=0.0035 mg·kg-1·d-1）。当HQ<1时，说明研究区稻谷中的重金属对人体健康未产生危害;当HQ≥1 时，说明研究区稻谷中的重金属可引起人体的健康风险，HQ值越大，表明该重金属对人体造成的健康风险越大。在风险评估过程中，通常采用风险墒的平均值、中位数、95%、97.5%和99.5%高暴露位點作为指标进行分析。

式（3）中：CDI表示某一重金属元素的日均暴露量，mg·kg-1·d-1;Cf为稻谷中重金属的实测浓度，mg·kg-1;EF为暴露频率350 d·年-1（USEPA，1997）;ED为暴露年限，取70年（USEPA，1997）;AT为平均接触时间，取70年（USEPA，1997）;IR为稻米日摄入量，数据来自于《中国居民营养与健康状况调查报告之二——2002膳食与营养素摄入状况》;BW为人体平均体重，数据来自于《中国居民营养与健康状况调查报告之三——2002居民体质与营养状况》[16-17]。为区分人群特征，本研究将稻谷日摄入量和人体平均体重这2套数据进行整合，把目标人群分为20个性别年龄组（表3）。

1.6 数据统计

本研究采用@risk软件对稻米中镉含量进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 水稻中重金属镉含量总体情况

对研究区采集的每份水稻籽粒样品进行Cd含量测定，结果表明Cd元素的检出率达100%，Cd含量范围为0.0046～0.5760 mg·kg-1，平均值为0.0685 mg·kg-1，中位值为0.0570 mg·kg-1，通过描述性统计分析该元素在稻米中的分布情况，结果见图1。从图1可知，研究结果与前人研究结果相似[14，18-19]，区域水稻籽粒中Cd含量数据呈右偏分布，中位值低于平均值，说明Cd含量较多分布在偏低的区间内，含量较高的数据相对较少。稻谷Cd含量的25百分位点值、50百分位点值、75百分位点值和95百分位点值分别为0.029、0.0570、0.0940 mg·kg-1和0.1560 mg·kg-1，其中50百分位点值、75百分位点值和95百分位点值分别是25百分位点的1.97倍，3.24倍和5.38倍，在75百分位点到95百分位点值的变异度较大。Cd含量在0.0060～0.1560 mg·kg-1的有108份样品，占总样品量的90%左右。

2.2 水稻中重金属镉含量区域分布

不同乡镇的稻谷重金属含量分布状况如表4所示。从分布稻谷中Cd含量的范围来看，顺序为：中沙乡>河龙乡>济村乡>淮土镇>治平畲族乡>水莤乡>石壁镇>安乐镇>安远镇>湖村镇>方田乡>城南乡>曹坊镇>泉上镇>城郊乡。依据国家标准（GB 2762-2017《食品中污染物限量标准》）对稻米中重金属Cd的限量（≤0.2 mg·kg-1）。可以看出，研究区稻谷Cd超标出现在河龙乡和中沙乡，最大值出现在中沙乡（0.5760 mg·kg-1）。其中河龙乡超标点位出现在老河龙村，中沙乡超标点位主要出现在下沙村。

2.3 水稻中重金属镉的污染评估

以获得的检测数据为基础，根据重金属Cd的限量标准值，利用单因子污染指数法对研究区域稻谷中重金属的污染程度进行评价，结果如表5所示。从表5可以看出，研究区120份稻谷样品中，有2份样品Cd单因子污染指数Pi≥1，说明这2份稻谷样品已经受到Cd污染，污染比例占1.67%，污染样品分布在河龙乡和中沙乡，污染样品在每个乡镇所占的比例分别为8.33%和11.11%。总体来看，研究区内稻米Cd污染程度很轻。

2.4 不同人群水稻镉膳食暴露风险评估

利用基于Monte-Carlo模拟的概率模型法，采用研究区120份稻谷样品的重金属Cd含量数据，对稻谷中Cd的风险进行评估。随机抽取重金属含量数据，通过运算得到不同人群的稻谷重金属Cd膳食风险墒分布状况。

表6展示了宁化县120份稻谷中Cd的膳食风险评估结果，给出了不同性别年龄组人群稻谷Cd的风险墒及其风险概率。从风险墒HQ的平均值、中位数、95%、97.5%和99.5%暴露位点上的值比较来看，不同消费人群对稻谷Cd的暴露水平总体呈现低龄高于高龄的规律。稻谷Cd暴露水平相对较高的是11岁以下人群（2～11岁），虽然这类人群Cd暴露水平在平均值和中位数上均小于1，但在高暴露位点百分位上的HQ值均大于1。以风险墒HQ大于1时可能对人体产生风险来推算，11岁以下人群通过摄入稻谷产生的风险概率达5.8%～11.7%。其中，2～4岁的男女儿童和4～7岁的男童面临的风险较大，风险概率分别为10.0%、11.7%和11.7%。11岁以上18岁以下人群面临的风险相对较小，风险概率介于0.8%～7.5%，而18岁以上人群面临的风险最小，平均风险概率均仅有0.8%。从性别上来看，2～4岁呈现女性风险高于男性，4～7岁、7～11岁和4～18岁呈现男性风险高于女性，其他年龄组男女风险概率相同。

3 讨论与结论

2018年在福建省三明市宁化县所辖16个乡镇共采集水稻样品120份，采用微波消解电感耦合等离子体质谱法对稻米样品中的镉含量进行检测，检测结果表明，宁化县120份稻谷重金属镉含量均值为0.0685 mg·kg-1。120份样品中共两份样品镉含量超标，超标点位于河龙乡和中沙乡，最大值出现在中沙乡（0.576 mg·kg-1）。其中河龍乡超标点位出现在老河龙村，中沙乡超标点位主要出现在下沙村，不同乡镇水稻镉含量差别不大。并结合我国居民大米消费量数据，采用基于Monte-Carlo模拟的概率模型法，对宁化县范围内水稻中镉的膳食暴露风险进行评估，评估结果表明，消费人群对于宁化县种植水稻中Cd的暴露水平较低，平均暴露风险墒和P97.5百分位数暴露墒为0.2541～0.561 7和0.7013～1.5502，整体呈现出随着年龄的增长而减小的趋势。

本研究关于水稻镉元素的膳食暴露评估存在的不足之处主要有以下三方面：（1）目前国际通用的污染物膳食暴露评估是基于人类总体膳食评估，本研究以水稻作为唯一暴露途径和来源使得实际风险性比本研究估计值更大;（2）由于大米中镉的含量与其加工方式方法有关，故加工方式的不同导致评估结果不确定度加大，所以需考虑加工因素影响来修正模型来提高试验结果准确度;（3）由于本次参考水稻消费数据和居民体重数据均为2015年度数据与评估年度存在差异，近几年水稻消费及居民体重数据均有所改变，因此评估结果会有偏差。

本次暴露评估研究存在的不足之处尚有待于进一步补充和完善。

参考文献：

[1]雷鸣，曾敏，王利红，等.湖南市场和污染区稻米中As、Pb、Cd污染及其健康风险评价[J].环境科学学报，2010，30（11）：2314 -2320.

[2]鞠兴荣，丁哲慧，高瑀珑，等.重金属在水稻中的分布及加工过程对其影响的探讨[J].粮食与食品工业，2016，23（3）：1-6.

[3]BAI L Y，ZENG X B，SU S M，et al.Heavy metal accumulation and source analysis in greenhouse soils of Wuwei District，Gansu Province，China[J].EnvironmentScience and Pollution Research，2015，22（7）：5359-5369.

[4]WU Y，BIN H.ZHOU J，et al.Atmospheric deposition of Cd accumulated in the montane soil，Gongga Mt，China[J].Journal of Soils and Sediments，2011，11（6）940-946.

[5]WHO.Environmental health criteria for cadmium[S].Environmental Health Criteri，1992，（134）：1-280.

[6]ZARE A A，KHOSHGOFTARMANESH A H，MALAKOUTI M J，et al.Root uptake and shoot accumulation of cadmium by lettuce at various Cd：Zn ratios in nutrient solution[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，148： 441-446.

[7]LIEDSCHULTE V，LAPARRA H，BATTEY JND，et al.Impairing both HMA4 homeologs is required for cadmium reduction in tobacco：HMA4 variants reduce tobacco Cd levelin the field[J].Plant Cell and Environment，2017，40（3）：364-377.

[8]KUMAR SR，AGRAWAL M，MARSHALL F.Heavy metal contami-nation of soil and vegetables in suburban areas of Varanasi，India[J].Ecotoxicol Environ Saf，2007，66（2）：258-266.

[9]胡雪芳，田志清，梁亮，等.不同改良剂对铅镉污染农田水稻重金属积累和产量影响的比较分析[J].环境科学，2018（7）：3409-3417.

[10]HEYNO E，KLOSE C，KRIEGER-LISZKAY A.Origin of cadmium-induced reactive oxygen species production： mitochondrial electrontransfer versus plasma membrane NADPH oxidase[J].New Phytol，2010，179（3）：687-699.

[11]RASCIO N， VECCHIA F D， ROCCA N L， et al.Metal accumulation and damage in rice （cv.Vialone nano） seedlings exposed to cadmium[J]. Enuiron Exp Bot， 2008，62（3）：267-278.

[12]NASREDDINE L，NASHALIAN O，NAJA F，et al.Dietary expo-sure to essential and toxic trace elements from a total diet study in an adult Lebanese urban population[J].Food and Chemical Toxicology，2010，48 （5）：1262-1269.

[13]WANG W，ZHANG Z，YANG G，et al.Health risk assess-ment of Chinese consumers to nickel via dietary intake of foodstuffs[J].Food Additives & Contaminants：Part A，2014，31 （11）：1861-1871.

[14]PIRSAHEB M，FATTAHI N，SHARAFI K，et al.Essential and toxic heavy metals in cereals and agricultural products marketed in Kermanshah，Iran，and human health risk assessment[J].Food Additives & Contaminants：Part B，2016，9 （1）： 15-20.

[15]KOCH W，KARIM M R，MARZEC Z，et al.Dietary intake of metals by the young adult population of Eastern Poland：Results from a market basket study[J].Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2016，35：36-42.

[16]翟鳳英，杨晓光.中国居民营养与健康状况调查报告之二：2002膳食与营养素摄入状况[M].北京：人民卫生出版社，2006.

[17]杨晓光，翟凤英.中国居民营养与健康状况调查报告之三：2002居民体质与营养状况[M ].北京：人民卫生出版社，2006.

[18]WANG W，ZHANG Z，YANG G，et al.Health risk assess-ment of Chinese consumers to nickel via dietary intake of foodstuffs[J].Food Additives & Contaminants：Part A，2014，31（11）：1861-1871.

[19]KOCH W，KARIM M R，MARZEC Z，et al.Dietary intake of metals by the young adult population of Eastern Poland：Results from a market basket study[J].Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2016，35：36-42.

（责任编辑：柯文辉）