工业园区周边植物对重金属的积累特性及健康风险评价

戴慧娴 雷雷佳 徐瑞 汪溪远

摘要：采集新疆维吾尔自治区某工业园区及周边不同区域优势植物的地上和地下部分，分析统计植物样品地上和地下部分中的砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）8种重金属含量，通过计算植物对重金属的富集系数和转运系数，综合评估植物对土壤的修复应用潜力。结合健康风险评价模型对调查区域人群在不同暴露途径下的健康风险进行评价。结果表明，调查区域优势植物以草本植物为主，芦苇富集、转运Cr的能力较强，花花柴富集Cd、Zn的能力较强，盐穗木富集Cd的能力较强。琵琶柴属于根部囤积型植物，梭梭、小麦、花花柴、碱蓬、柽柳均属于规避型植物，这两类植物可种植在工业园周边和农田区域，降低重金属对人类的危害。人的途径（即手-口）是土壤重金属可能产生致癌健康风险的主要途径。重金属对儿童和成人产生的致癌风险指数TCR在10-4～10-6范围内，调查区域总体无致癌风险。4个调查区域致癌风险指数TCR数值大小顺序为企业周边区域＞农田区域＞过渡带区域＞自然荒漠区域。

关键词：重金属；积累；健康风险评价

随着我国工业的快速发展，在取得经济效益的同时也带来了环境问题[1]。工业生产过程中排放的大量废弃物加剧了当地环境污染，如重金属污染物在周边土壤、植物中长期积累富集和迁移，不仅对当地生态环境产生潜在风险，还对周边居民的健康构成威胁[2-3]。有研究表明，工业园区周边的土壤、植物受重金属污染的可能性相对较高[4]。目前，专家学者对我国沿海及中东部等工业和经济发达地区的重金属污染研究较多，而对干旱地区的重金属污染的研究较少[5-7]。对重金属污染的研究主要集中于单一区域以及少量重金属元素污染风险特征的调查，对多区域、多种重金属元素综合在植物体内的积累特性和对人体健康风险的研究较少。

植物修复技术是目前国际上最受关注的研究领域之一，相对于传统的物理、化学方法，植物修复技术具有原位、经济、绿色等优势，是治理土壤重金属污染的有效方法[8-9]。目前，诸多学者针对矿区、工业园区周边优势植物的重金属累积、富集迁移能力等开展了大量研究，Nadal等[10]通过对西班牙塔拉戈纳县工业基地的土壤、芥菜样品中重金属含量、健康风险进行了分析和评估，发现在芥菜样本中只有钒的浓度在不同采集点之间存在明显差异；李俊凯等[11]对江苏省南京市铅锌采矿场的优势植物进行分析，得出井栏边草（Pteris multifida）和络石（Trachelospermum jasminoides）对Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn均表现出较强的富集能力。

本研究以新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）某工业园区及周边的植物为研究对象，利用富集系数、转运系数确定优势植物中可能存在的超富集植物，为修复被重金属污染的土壤提供科学依据。同时，结合健康风险评价模型，揭示调查区域未来可能存在的人类致癌风险，以期为该工业园区及周边的环境治理和人群基本健康提供参考。

1  材料和方法

1.1   调查区域概况

调查区域为新疆某工业园区，位于新疆乌鲁木齐市北郊位置，距乌鲁木齐市中心55 km左右，与新疆吉木萨尔县、乌鲁木齐市米东区毗邻，与博格达峰、准格尔盆地相接。该工业园区以石油化工为主导产业，石化、化工、橡胶、煤电等工业企业聚集。调查区域光热资源充足，属温带大陆性气候，降水量少，蒸发量大，日照充足，年平均降水量为216.4 mm，年平均蒸发量为2 324.6 mm。

1.2   样品采集和分析方法

根据调查区域内的土地利用途径，将调查区域划分为4个类型：企业周边区域（A）、自然荒漠区域（B）、农田区域（C）、过渡带区域（D），样点分布见图1。结合网格法、随机法共布设53个采样点，每个样点周边取3个样方为平行样方，选取样方内的优势植物种类，采集其地上和地下部分，编号后带回实验室进行相关指标测定。

1.3   重金属含量的测定

植物中砷（As）、汞（Hg）含量的测定参照《GB/T 22105-2008土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》，用原子荧光光度计（BAF-2000型，北京宝德仪器有限公司生产）进行测定[12]；用四酸消解法（硝酸、氢氟酸、高氯酸、盐酸）处理植物样品[13]，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，聚光科技股份有限公司生产）测定植物样品中的Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量[14]。

1.4   数据处理

采用R4.01软件对数据进行统计、Origin 2018软件进行相关数据的计算与绘图。

1.5   健康风险评价方法

1.5.1 模型选择 采用US EPA健康风险评价模型对4个调查区域中8种重金属元素在3种暴露途径下儿童和成人的日平均暴露量进行计算[15]，计算公式如下：

手-口摄入途径日均暴露量ADDing：

呼吸摄入途径日均暴露量ADDinh：

皮肤接触摄入途径日均暴露量ADDderm：

总日均暴露量ADDtotal（mg·kg-1·d-1）：

公式（1）～（4）中，暴露评价参数见表1[16]。

1.5.2 致癌风险 4个调查区域土壤中8种重金属元素的潜在致癌风险商（CR）、致癌风险指数（TCR）[17]计算公式分别如下：

公式（5）～（6）中，ADD为致癌重金属日均暴露量，SF為斜率系数。根据US EPA及相关研究资料，各种暴露途径的SF见表2[18]。由于健康评价方法中As、Cd、Cr、Ni的致癌斜率值可获得，其余4种重金属元素致癌斜率值缺失，故本研究只对As、Cd、Cr、Ni进行致癌风险评估。

1.6   植物对重金属富集、转运的特征

1.6.1   富集系数

1.6.2   转运系数

2  结果与分析

2.1   调查区域植物的重金属含量

研究显示，4个调查区域优势植物种类（表3）共有15个，7科，15属，其中菊科3种（花花柴属、绢蒿属、向日葵属），藜科4种（碱蓬属、猪毛菜属、盐穗木属、梭梭属），禾本科3种（芦苇属、小麦属、玉蜀黍属），柽柳科2种（琵琶柴属、柽柳属），锦葵科1种（棉属），葫芦科1种（西瓜属），杨柳科1种（柳属）。调查区域的植物主要为一年生草本、多年生草本、小型灌木及乔木，其中草本植物10种，约占67%，说明草本植物在本次调查的4个区域中分布广泛、具有较强的适应性和抗性。

上述植物样品中的重金属含量见图2。植物地上部分As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni含量的变化范围分别为0.33～1.53 mg·kg-1、4.63～71.63 mg·kg-1、0.02～0.33 mg·kg-1、0.01～0.07 mg·kg-1、0.08～1.27 mg·kg-1、6.00～15.14 mg·kg-1、18.97～51.89 mg·kg-1、1.62～7.21 mg·kg-1；植物地下部分As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni含量的变化范围分别为0.34～2.69 mg·kg-1、9.42～73.99 mg·kg-1、0.10～0.22 mg·kg-1、0.009～0.039 mg·kg-1、0.16～2.95 mg·kg-1、4.66～23.28 mg·kg-1、14.42～56.05 mg·kg-1、0.91～9.28 mg·kg-1。一般植物体内正常重金属含量为Cr 0.20～8.40 mg·kg-1、Cd 0.20～3.00 mg·kg-1、Pb 0.10～41.70 mg·kg-1、Cu 0.40～45.80 mg·kg-1、Zn 1.00～160.00 mg·kg-1、Ni 1.00～5.00 mg·kg-1。相比之下，调查区域植物中的Cr、Ni、Cd含量不同程度地超出正常值范围。

2.2   调查区域植物的重金属富集特征

为探究调查区域植物从土壤中吸收重金属并在自身体内富集的能力[19]，通过计算其富集系数可得（图3）。As的富集系数范围为0.02～0.27，其中棉花对As的富集系数为0.02，说明该调查区域优势植物不易富集As。调查区域优势植物对Cr的富集系数范围为0.03～2.77，其中芦苇对Cr的富集系数最大，说明Cr更容易富集在芦苇中。调查区域植物对Cd的富集系数范

围为0.08～3.38，植物对Cd的富集系数由低到高分别为小麦＜打瓜＜猪毛菜＜玉米＜棉花＜芦苇＜碱蓬＜沙漠绢蒿＜梭梭＜向日葵＜柽柳＜琵琶柴＜花花柴＜盐穗木，其中盐穗木和花花柴对Cd的富集系数较大，均大于1，说明这2种植物对Cd的富集能力较为突出。通过分析优势植物对Hg的富集系数，显示除小麦对Hg的富集系数为0.337外，其余14种植物对Hg的富集系数均为高值，且均大于1，表明这14种植物可能对Hg的富集能力较强，也可能由于Hg具有较高的蒸气压和较大的表面张力，挥发性强，导致植物地上部分Hg元素残留较多[20]。

调查区域优势植物对Cu、Zn的富集系数范围分别为0.19～1.13和0.17～1.25，其中向日葵、花花柴、小麦对Cu的富集系数分别为0.90、0.72、0.57，均大于0.5，表明这3种优势植物对Cu可能存在良好的富集能力。花花柴、碱蓬、柽柳、猪毛菜、小麦对Zn的富集系数分别为1.00、0.64、0.64、0.62、0.51、0.51，均大于0.5，说明这6种植物对Zn可能具有较好的富集能力，其中花花柴对Zn的富集能力较突出，其富集系数为1。调查区域优势植物对Pb、Ni的富集系数范围分别为0.005～0.22和0.04～0.79，仅芦苇对Ni的富集系数达到0.79，说明调查区优势植物对Pb、Ni的富集系数相对较小，除芦苇外，其他植物均不易在自身体内富集Pb、Ni。

调查区域优势植物对8种重金属元素的富集能力由低到高分别为Pb＜As＜Ni＜Cu＜Zn＜Cd＜Cr＜Hg（图4），由此排序可知，植物对Hg的富集能力最强，可能是由于Hg熔沸点较低，且具有较强的挥发性，使植物地上部分残留Hg较多。其次调查区域优势植物富集Cd、Cr的能力较强，紧接着富集Cu、Zn的能力较强。调查区域优势植物整体富集Pb、As、Ni的能力较弱，表明本次调查区域优势植物不易富集这3种重金属元素。总体来看，芦苇富集Hg、Cr的能力较强，花花柴富集Hg、Cd、Zn的能力较强，盐穗木富集Hg、Cd的能力较强。

2.3   调查区域植物对重金属的转运特征

植物通过其根系吸收重金属，进入植物体内的 Pb经过共质体途径和质外体途径在植物体内迁移、转运并最终积累在不同的植物器官中[21-22]。

通过计算转运系数来判断调查区域优势植物对重金属的转运能力。

芦苇对As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni这8种重金属均具有良好的转运能力，花花柴对As、Cr、Pb、Cd、Hg、Cu、Zn具有良好的转运能力，碱蓬对Cr、Cd、Hg、Pb、Zn、As具有较强的转运能力，柽柳、琵琶柴、猪毛菜对As、Cu、Ni具有良好的转运能力，沙漠绢蒿对As、Pb具有良好的转运能力，梭梭对Cd具有良好的转运能力，盐穗木对Pb具有良好的转运能力，棉花对Cr、Cd具有良好的转运能力（图5）。

图6为调查区域植物对8种重金属As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni的转运系数。调查区域优势植物对As的转运系数范围为0.33～3.79，对As的转运系数由低到高排序为盐穗木＜图5  调查区域植物对重金属转运系数棉花＜梭梭＜小麦＜碱蓬＜玉米＜猪毛菜＜向日葵＜芦苇＜花花柴＜沙漠绢蒿＜柽柳＜打瓜＜琵琶柴，其中琵琶柴、打瓜、柽柳、沙漠绢蒿、花花柴、芦苇对As的转运系数均大于1，说明这几种植物对As可能存在较强的转运能力。通过计算调查区域优势植物对Cr的转运系数可以看出，打瓜、花花柴、碱蓬、棉花、芦苇对Cr的转运系数均大于1，说明这几种植物对Cr有良好的转运能力。调查区域优势植物对Cd的转运系数范围为0.18～2.49，对Cd的转运系数由低到高排序为小麦＜打瓜＜盐穗木＜沙漠绢蒿＜琵琶柴＜猪毛菜＜柽柳＜芦苇＜碱蓬＜棉花＜花花柴＜玉米＜向日葵＜梭梭，其中蘆苇、碱蓬、棉花、花花柴、玉米、向日葵、梭梭对Cd的转运系数均大于1，说明这7种植物对Cd有较高的转运能力。调查区域优势植物对Hg的转运系数范围为0.38～6.29，除小麦外，其他优势植物对Hg的转运系数均大于1，说明这些植物对Hg具有较强的转运能力。

调查区域优势植物对Cu、Zn的转运系数范围分别为0.23～2.36和0.23～5.83，其中琵琶柴、花花柴、芦苇、猪毛菜、柽柳、打瓜、玉米对Cu的转运系数较高，且均大于1，说明以上植物对Cu具有较高的转运能力；调查区域优势植物对Zn转运能力较强的为花花柴、碱蓬、芦苇、小麦、玉米、琵琶柴；调查区域优势植物对Pb、Ni的转运系数范围分别为0.02～4.29和0.20～4.03，其中碱蓬、向日葵、打瓜、花花柴、沙漠绢蒿、盐穗木、芦苇对Pb的转运系数大于1，说明这些植物对Pb可能存在较好的转运能力；向日葵、柽柳、猪毛菜、打瓜、芦苇、琵琶柴、小麦、玉米对Ni具有良好的转运能力，其相应的转运系数值均大于1。

2.4   健康风险评价

致癌风险评价：调查区域土壤中8种重金属含量实测值见表4。

根据调查区域土壤中8种重金属含量实测值与US EPA健康风险评价方法计算得出表5，比较各调查区域总致癌日均暴露量ADDtotal，显示Cr对成人和儿童的总暴露量最大，而Cd暴露量最小。比较不同人群受As、Cr、Cd、Ni致癌的ADDtotal可知，儿童致癌的ADDtotal高于成人。比较手-口摄入、呼吸摄入、皮肤接触摄入这3种暴露途径可以发现，无论何种地区和人群，就致癌风险而言，手-口摄入是调查区人群接触重金属的重要途径。

4个调查区域致癌风险指数TCR由高到低排序为企业周边区域＞农田区域＞过渡带区域＞自然荒漠区域，且TCR范围为10-4～10-6[23]，属于可接受的致癌风险水平（图7）。对比不同人群的TCR可知，重金属致癌风险为儿童略高于成人，表明在相同条件下，儿童受致癌风险的可能性高于成人。

3  讨 论

3.1   调查区域重金属在植物体内的积累特性

通过计算调查区域优势植物对重金属的富集系数、转运系数，明确了调查区域优势植物体内重金属的累积特征，表明不同植物吸收和转运积累重金属的机制存在差异，对于可能存在重金属污染的优势植物可以划分为3种类型，即富集植物、根部囤积型植物、规避型植物[24]。综合分析可知，花花柴对Cd、Zn的富集系数、转运系数均大于1，符合富集植物特征，但其地上部分的重金属含量未超过富集植物标准，因此花花柴是否可作为潜在的Cd、Zn超富集植物还需要进一步验证。芦苇对Cr的富集系数、转运系数均大于1，与超富集植物标准相比，其地上部分Cr的含量未达到超富集植物标准，因此芦苇为潜在的Cr超富集植物还需进一步验证。由于Hg具有较强的挥发性，且未收集到关于Hg的超富集植物范围，因此本研究对此不做讨论。琵琶柴对Cd的富集系数大于1、转运系数小于1，琵琶柴可能为根部囤积型植物，其将从土壤中吸收的Cd囤积在根部不向地上部分转移，可考虑用于受Cd重金属污染土壤的修复[25]。梭梭对Cu、Zn的根部富集系数小于1、转运系数小于1；小麦对Cr、Pb的根部富集系数小于1、转运系数小于1；花花柴对Ni的富集系数、转运系数均小于1；碱蓬对Cu的富集系数、转运系数均小于1；柽柳对Cr的富集系数、转运系数均小于1。上述分析说明以上这5种植物地上和地下部分的重金属含量较小，可能属于规避型植物[26]。

为保护调查区域工业园周边的生态环境，可根据其周围优势植物的不同耐性特征，采取相应的植被修复。本研究对超富集植物的选取还需进一步确定，故不讨论超富集植物。琵琶柴属于根部囤积型植物，可将重金屬囤积在植物根部不易向地上部分转运；梭梭、小麦、花花柴、碱蓬、柽柳均属于规避型植物，此类植物不易在体内富集和转运重金属，适宜在工业园周边区域和农田区域种植，以降低重金属通过食物链传递危害人类健康。

3.2   健康风险评价

本次调查区域重金属最主要的暴露途径为

手-口摄入途径，而呼吸摄入途径暴露量对危害人体健康的可能性最小，这也与重金属对人类健康风险相关研究得出的结果一致[15]。对比不同调查区域和暴露途径下的非致癌ADD可发现，儿童致癌的ADD高于成人，尤其是儿童喜欢玩泥土，直接接触土壤的次数和频率要高于成人。无论是哪个调查区域，手-口摄入途径均为调查区域土壤中重金属最主要的致癌风险暴露途径。4个调查区域致癌风险指数TCR数值大小顺序为：企业周边区域＞农田区域＞过渡带区域＞自然荒漠区域。本次调查区致癌风险均在可接受的范围内，儿童受重金属危害的风险高于成人，因而建议家长加强对儿童的照看，尽量让儿童在清洁干净的环境中玩耍，并养成勤洗手的习惯。

4  结 论

本研究基于新疆某工业园区周边不同区域表层土壤中的8种重金属含量，分析了4个不同调查区域植物中8种重金属的富集和转运情况，对不同调查区域进行了健康风险评价，结论如下：

（1）调查区域优势植物以草本植物为主；盐穗木富集Cd的能力较强，Zn、Cd更容易在花花柴中富集，芦苇对Cr的富集能力较为突出，对As、Pb的富集系数相对较小；芦苇对As、Cr、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn、Cu均具有良好的转运能力，柽柳、琵琶柴、猪毛菜对As、Cu、Ni具有良好的转运能力。

（2）琵琶柴属于根部囤积型植物，梭梭、小麦、花花柴、碱蓬、柽柳均属于规避型植物，这两类植物可在工业园周边区域和农田区域种植。

（3）对比手-口摄入、呼吸摄入、皮肤接触摄入这3种暴露途径，手-口摄入是土壤重金属可能产生致癌健康风险的主要途径。4个调查区域所有区域的致癌风险指数TCR在10-4～10-6范围内，属于可接受的致癌风险水平。致癌风险指数TCR的数值大小顺序为：企业周边区域＞农田区域＞过渡带区域＞自然荒漠区域。

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