湖南毛竹笋及产地土壤重金属与健康风险研究

喻宁华，佘佳荣，段俊敏，郑 琼，李梓铭，黄 丽，吴耀祥，范友华

(1.湖南省林产品质量检验检测中心，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

竹笋是中国传统的山珍之一，被誉为“蔬食第一品”。根据《全国竹产业发展规划(2013-2020年)》预测，竹笋及其产品的国内外需求量将会以每年16%的速度递增[1]。毛竹(Phyllostachysedulis)依靠鞭根吸收土壤中的水分和养料及部分重金属元素[2]。重金属元素是土壤的重要组成部分，重金属污染通过富集作用到植物可食用部分，从而对人体健康造成严重危害。根据重金属可能产生的一系列危害，美国环保署(USEPA)将As、Cd、 Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn列为优先控制污染物[3-4]。

湖南素有有色金属之乡的美誉，矿产资源丰富。矿产的开采等导致重金属通过“土壤-植物-食物”途径进入人体，严重影响了当地居民的身体健康[5-7]。由于产地环境中土壤及竹笋可食部分中重金属的积累将直接影响其产品质量以及食用人群的健康风险，因此对竹笋中重金属等污染物及来源和防控的研究也越来越重视，各级相关部门也加大力度对竹笋质量安全进行监测与控制。近年来各级政府部门对竹笋产区土壤重金属及竹笋重金属污染情况进行全面监测。

重金属污染健康风险评估的方法中定量模型在世界健康风险评估中被广泛应用，其中以美国国家环保署(USEPA)提出的人体健康风险评估模型应用最多[8]，其中常用的是膳食暴露评估模型。目标危险系数(Target hazard quotient THQ)和目标致癌风险 (TR)是由其推荐采用的健康风险评价模型，THQ超过安全基准值1.0，说明该污染物对人体具有潜在健康风险；TR值与美国环保署(USEPA)推荐的可接受风险值(10-6～10-4)进行对比[9]，从而对居民(成人)长期摄入竹笋中Cd的致癌概率进行评估。国内利用该模型对竹笋重金属污染研究较少[10-12]。

本研究选择湖南主要毛竹笋产区，通过取样分析该地土壤中6种重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu含量和毛竹笋中Cd、Hg、As、Pb、Cr含量的状况，对毛竹林地土壤与竹笋中对应重金属元素含量之间的相关性进行分析，并对该区域竹笋可食部分重金属进行健康风险评价，为确保人体健康安全及生态环境资源的合理有效利用提供科学依据，确保食用竹笋的优质安全。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

原子吸收分光光度计(岛津AA-6300C，日本)，原子荧光分光光度计(吉天AFS-933，中国)。盐酸、硝酸、氢氟酸和高氯酸，均为优级纯。

1.2 样品的采集

选择湖南省炎陵、湘乡、耒阳3个毛竹笋产区，进行毛竹笋产地土壤及其重金属检测，炎陵县区抽样毛竹笋及对应产地土样各30个，范围包括沔渡镇、十都镇、策源乡、船形乡、鹿原镇、下村乡、垅溪乡和水口镇8个乡镇；湘乡市区抽样毛竹笋及对应产地土壤各30个，范围包括于塘镇、中沙镇、梅桥镇、山枣镇、白田镇、壶天镇、金石镇、金薮乡、栗山镇、龙洞镇、毛田镇、棋梓镇、谭市镇、育塅乡、泉塘镇、翻江镇、月山镇和东郊乡18个乡镇；耒阳县区抽样毛竹笋及对应产地土壤各20个，范围集中在黄市镇、大义镇、南阳镇、亮源乡。采样时间均为4月份，土壤采集按HJ/T166-2004《土壤环境监测技术规范》规定的执行，采集深度0～20 cm土壤，每个采样区的土壤样品为一个混合样，混合样采集点数不少于5个，混合后的土壤样品重量不少于1 kg，采用干净无污染的塑料袋装样，多个样点土样充分混匀后包装。毛竹笋采集参照LY/T 2800-2017《经济林产品质量安全监测技术规程》规定执行，选择随机取样法，取3株，竹笋在竹鞭处切断，整株取出作为一个完整样品，剥壳后笋肉至少1.5 kg。

1.3 样品处理与分析

1.3.1 毛竹笋样品处理 剥去笋壳取可食部分，粉碎后冷冻备用。竹笋样品中重金属含量按GB 5009.268-2016食品安全国家标准食品中多元素的测定方法执行。用蒜粉生物成分分析标准物质GBW-10022 (GSB-13)作质控样。

1.3.2 土壤样品处理 样品自然风干，采用四分法取样，用橡胶锤压碎后依次过10目、100目尼龙筛，保存备用。按GB/T 17141-1997、HJ 491-2019、GB/T 22105.1-2008、GB/T 22105.2-2008等标准进行测定。用土壤成分分析标准物质GBW07404、GBW07405、GBW07453 (GSS-4、GSS-5、GSS-24)作质量控制对照样。

1.4 重金属污染评价方法

参照GB 15618-2018标准，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对产地土壤重金属污染进行环境质量评价[13-18]。单因子污染指数法分级标准和内梅罗综合污染指数法分级标准见表3。计算公式分别为

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为土壤中i污染指数，Ci为污染物的含量，Si为土壤的i污染物的风险筛选值(mg/kg)。

(2)

式中：Pmax为土壤中重金属污染指数最大值；Pave为土壤中各污染指数的平均值。

1.5 毛竹笋重金属健康风险评估

采用由美国环保署(USEPA)推荐的健康风险评价模型，以THQ表征由竹笋摄入引起的重金属暴露风险指数[19]，其计算公式如式(3)、式(4)所示。化学物质的健康风险分为非致癌风险和致癌风险，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu6种重金属经口服暴露产生非致癌风险；As和Cd经口服暴露还能产生致癌风险。非致癌风险计算结果THQ≥1时，表明污染物会导致人体健康风险，否则影响不明显。不考虑污染物之间的相互作用的前提下，将每种污染物产生的非致癌风险相加，得到总目标危险系数(TTHQ) ，计算公式如(4) 所示。同样，当TTHQ≥1时，表示非致癌风险较大。致癌风险在10-4～10-6为可接受范围，>10-4不接受[20]。

(3)

TTHQ=∑THQ

(4)

(5)

式中：EF为暴露频率(365 d/a)，ED为暴露年限，对非致癌物为(30 a)，对致癌物即平均寿命(70 a)，FIR表示竹笋的日摄取速率(kg/d)，c为竹笋中重金属含量(mg/kg)，RfD为参考剂量 [mg/(kg·d)]，BW为人平均体重，按人均60 kg计算，ATn为平均接触时间(ED×EF)[22]。SF为致癌斜率系数[mg/(kg·d)]，指个体终生暴露于单位剂量某一致癌物后发生癌症概率的95%上限估计值。

1.6 数据的分析和统计

采用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析，利用单因素方差分析对不同产地土壤重金属含量及毛竹笋重金属含量之间的差异进行分析。

2 结果与分析

2.1 土壤样品的重金属含量

所采样点的土壤样品pH处于6.5以下，整体呈酸性。表1为所采土壤样品的Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu重金属含量。依据GB 15618-2018标准，从表1可知，3个采样地土壤样品中Hg、Cr、Cu含量总体达标率100%，而其他3种重金属含量因地区差异性较大，炎陵采样点土壤Cd、As、Pb合格率分别为60%、90%、70%，湘乡采样点土壤Pb合格率为70%，而耒阳采样点土壤Cd合格率仅为30%。3个地区土壤总合格率为Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu分别为67.5%、100%、96.2%、77.5%、100%、100%。另外从统计结果看，重金属Cd在3个县市分布均有显著性差异，而Hg无明显差异；耒阳地区的As、Pb和Cr与炎陵、湘乡2地区有显著性差异，而炎陵地区土壤中的Cu与其他2地区有显著性差异(P<0.05)。

表1 毛竹笋土壤重金属含量Table 1 Heavymetal content in soil samples of Phyllostachys edulis shoot

2.2 毛竹笋样品的重金属含量

所采毛竹笋样品的Cd、Hg、As、Pb、Cr含量情况如表2所示。采用GB 2762-2017“普通新鲜蔬菜”中的限量值作参考值，因Cu元素没有限量标准，所以没有检测其含量。除炎陵地区Pb有1个检出不合格外，其他含量均合格。且土壤Cd污染相对严重的耒阳，毛竹笋Cd均合格。3个地区毛竹笋中Hg、Pb、Cr含量无显著差异，耒阳Cd、As与炎陵、湘乡有显著差异(P<0.05)。

表2 毛竹笋重金属含量Table 2 Eavy metal content in P.edulis shoot sample

2.3 土壤重金属污染水平评价

采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法计算，各地区土壤中重金属污染指数如表4所示。根据表3土壤污染程度分级标准，所有产地土壤污染程度均为轻污染或以下。所监测的80批次土壤样品中，重金属Hg、Cr、Cu单项污染指数Pi均小于0.7，污染程度属于安全，耒阳地区的重金属Cd、As单项污染指数Pi平均值大于1，污染程度属于轻度污染，炎陵和湘乡2地区的Pb单项污染指数Pi平均值均大于1，属于轻度污染[22]。从单项污染指数来看，3个地区中，炎陵、湘乡2地区的Pb污染指数最高，而耒阳地区的Cd污染指数最高；从综合污染指数来看，炎陵、湘乡、耒阳3个县市土壤均有轻度污染，而污染由大到小为耒阳地区、湘乡地区、炎陵地区，无中污染或重污染情况。

表3 土壤重金属污染指数与污染程度的对应关系Table 3 Relations between pollution index and pollution level of heavy metal in soil

表4 毛竹笋产地土壤重金属污染指数Table 4 Heavy metal pollution index in planting soil samples of P.edulis shoot

2.4 毛竹笋重金属健康风险评价

根据毛竹笋样品中重金属的平均含量和其他相关参数，由式(3)计算得到长期食用毛竹笋的THQ。当考虑不同重金属的同时作用时，炎陵、湘乡、耒阳3个地区检出的4种重金属TTHQ高低顺序为耒阳>炎陵>湘乡，分别为0.377、0.277和0.118。如图2所示，炎陵、耒阳2地区对总目标危险系数贡献最大的是重金属Cr，其贡献率分别为69.7%、38.5%；而湘乡地区贡献最大的是Cd，贡献率为44.1%。3个地区重金属非致癌风险THQ及TTHQ均小于1，说明这4种检出的重金属对暴露成人人群均没有明显的健康风险[23]。Cd致癌风险分别为7.30×10-6、8.45×10-6、1.33×10-5，也均在可接受范围内(表6)。

图1 毛竹笋各产地土壤不同重金属的单污染指数及综合污染指数Fig.1 The single pollution index of each heavy metal and comprehensive pollution index in planting soil of P.edulis shoot

图2 不同重金属对总目标危险系数的贡献Fig.2 Contribution of each heavy metal to TTHQ

表5 暴露量评价公式计算参数Table 5 Parameters for exposure evaluation formula

表6 毛竹笋重金属暴露量及非致癌风险系数Table 6 The exposure levels and noncarcinogenic hazardquotient of heavy metal in P.edulis shoot

2.5 产地土壤重金属对应毛竹笋相应重金属Pearson相关性结果

应用Pearson相关性分析可以看出，不同地区的毛竹笋与产地土壤重金属元素含量表现出一定的相关性 (表7)：炎陵毛竹笋重金属As含量与对应

表7 毛竹笋Cd重金属致癌风险系数Table 7 The carcinogenic hazardquotient of heavy metal in P.edulis shoot sample

产地土壤的As含量呈极显著(P<0.01)正相关，相关系数为0.606；湘乡的毛竹笋重金属Cr含量与对应产地土壤的Cr含量呈显著(P<0.05)正相关，而其他地区毛竹笋中所测重金属元素含量与产地土壤对应元素的含量呈不显著正相关或负相关。

表8 土壤重金属元素含量与毛竹笋对应重金属元素含量的Pearson相关性分析Table 8 Pearson correlation analysis on content of heavy metal elements in planting soil and P.edulis shoot

3 结论与讨论

对湖南炎陵、湘乡和耒阳3个毛竹笋产区产地土壤及毛竹笋中重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu含量进行检测得出，1)从单项污染指数来看，重金属对土壤的污染程度依次为Pb>Cd>As>Cu>Cr>Hg。2)所监测的80个毛竹笋样品中除Pb合格率为98.8%，其余重金属Cd、Hg、As、Cr含量均合格，所监测样品中重金属含量与产地土壤重金属含量无相关性。3)根据目标危险系数及致癌风险数据，3个地区毛竹笋中的Pb、As、Cu、Cr、Hg 5种重金属对暴露成人人群均没有明显的健康风险。重金属Cd的致癌风险在可接受范围内。

从土壤重金属结果数据分析来看，湖南土壤重金属中Cd、Pb污染较为严重，这主要来自有色金属的采掘和冶炼两大行业的工业排放。不同地区产地土壤各重金属含量有显著差异性，但毛竹笋中各重金属含量差异不显著。从土壤与毛竹笋对应重金属元素含量分析，重金属污染地区土壤中重金属含量与竹笋中相应元素含量没有特定的对应关系，且不同地区同一种重金属元素的相关系数各不相同。这些都表明毛竹笋中的重金属元素含量并不直接受其土壤中重金属元素含量的影响。推测这种情况可能与毛竹本身生理特性的不同有关[24]。另外毛竹笋采样季节为春季，毛竹笋生长迅速且含水率高达90%，可食部分对重金属积累量较小，因此产地土壤与毛竹笋对应重金属元素相关性不显著。其次，即使是产地土壤重金属符合要求的情况下，也还存在有重金属含量超标的现象。

不同地区毛竹笋健康风险较大的重金属元素也不同，可能还跟当地环境中大气、水源等其他环境因素有关，也可能与不同竹笋品种的富集特性相关。毛竹笋中重金属健康风险较低，但多种食物的摄入导致总目标危险系数超过1。关于这方面的研究，还需后期继续跟踪。