基于体外模拟法评价南京某污灌区土壤及蔬菜重金属污染现状.pdf

2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 1 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 2 1 ．0 3 ．0 1 2 基于体外模拟法评价南京某污灌区 土壤及蔬菜重金属污染现状 韩承辉，谢伟芳 江苏开放大学环境生态学院，南京2 1 0 0 1 7 摘要为探究南京市郊某污灌区环境治理效果、小白菜中重金属健康风险及其根际土壤重金属超标情 况，采用靶标危害系数及体外模拟法对研究区小白菜重金属健康风险进行评估，利用农用地土壤污染风 险管控标准 试行 G B1 5 6 1 8 2 0 1 8 对比小白菜根际土壤重金属超标情况。结果显示，C d 在小白菜根 际土壤中最小值达到o ．9 5m g ／k g ，最大值达到了1 ．1 4m g ／k g ，平均1 ．0 5m g ／k g ，超过农用地土壤污染风 险管控标准。对于成人和儿童，其丁H Q 的最大值从大到小排序为c u P b c r c d Z n ，小白菜对成 人及儿童的H J 值分别为6 ．7 5 1 0 _ 3 和5 ．7 6 1 0 一，两者均小于1 ，表明使用该模型评估得出小白菜中 重金属对暴露人体造成的健康影响不明显。成人通过食用研究区小白菜日均摄入P b 、Z n 、c u 和C d 的 含量范围依次为3 3 7 ～4 3 0 、32 9 4 ～30 2 5 、3 5 9 ～5 4 0 及2 8 8 ～4 8 3m g 。儿童通过食用研究区小白菜日均 摄人P b 、Z n 、C u 和c d 的含量范围分别为2 2 1 ～2 8 2 、19 8 5 ～21 6 2 、2 3 5 ～3 5 4 及1 8 9 ～3 l7m g 。综上所 述，重金属生物可给量均未超过每周可耐受摄入量值，证明食用污灌区小白菜不存在重金属健康风险。 与前次研究相比 采样时间相隔七年 ，相关部门对该区域环境治理取得了很好的效果，但还应注意C d 在土壤及小白菜中的迁移及富集。 关键词污灌区；小白菜；重金属；靶标危害系数 了1 H Q ；体外模拟法 中图分类号X 5 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 1 0 3 一0 0 7 1 一0 7 E V a l u a t i n gH e a V yM e t a lP o l l u t i o nS t a t u so fS o i la n dV e g e t a b l e si naS e w a g e I r r i g a t i o nD i s t r i c to fN a n 【ji n gw i t hI n V i t r oS i m u l a t i o nM e t h o d H A N C h e n g h u i ，X I EW e i f a n g S c h 。o lo fE n v i r o n m e n ta n dE c o l o g y ，J i a n g s uO p e nU n i v e r s i t y ，N a n j i n gZ 1 0 0 1 7 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe x p l o r ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o n ，h e a l t hr i s ko fh e a v vm e t a l si nC h i n e s e c a b b a g ea n ds i t u a t i o no fh e a V ym e t a l se x c e e d i n gt h es t a n d a r dv a l u e si nr h i z o s p h e r es o i lo fas e w a g e i r r i g a t i o na r e ai nN a n ji n gs u b u r b ， h e a l t hr i s ko fh e a v ym e t a l si nC h i n e s ec a b b a g ew a se v a l u a t e db yt a r g e t h a z a r dq u o t i e n t s T H Q a n di n V i t r os i m u l a t i o nm e t h o dt h r o u g hc o m p a r i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l i nr h i z o s p h e r es o i lo fC h i n e s ec a b b a g ew i t ht h es t a n d a r df o rs o 订p o l l u t i o nr i s kc o n t r o lo fa g r i c u l t u r a ll a n d G B1 5 6 1 8 2 0 1 8 ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i n i m u m ，m a x i m u ma n da v e r a g ev a l u e so fC di sO ．9 5 ， 1 ．1 4a n d1 ．0 5 m g ／k g ，r e s p e c t i v e l y ， w h i c ha 1 1e x c e e dt h es t a n d a r do fs o i lp 0 1 1 u t i o nr i s kc o n t r 0 1f o r a g r i c u l t u r a ll a n d ．F o ra d u l t sa n dc h i l d r e n ，t h eo r d e ro fT H Qv a l u e si sC u P b C r C d Z n ．T h eh e a l t h i n d e x H J v a l u e so fC h i n e s ec a b b a g et oa d u l t sa n dc h i l d r e na r e6 ．7 5 1 0 一3a n d5 ．7 6 1 0 3 ， 收稿日期2 0 2 0 1 0 一1 5 基金项目江苏省环境工程重点实验室科研开放基金课题 K F 2 0 1 5 0 0 7 ；江苏省高等学校自然科学研究面上项目 1 7 ⅪB 6 1 0 0 0 2 作者简介韩承辉 1 9 6 9 一 ，男，江苏盐城人，博士，副教授 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y I ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第3 期 r e s p e c t i v e l y ， b o t ho ft h e ma r el e s st h a n1 ，w h i c hi n d i c a t e st h a th e a v ym e t a l si nC h i n e s ec a b b a g eh a dn o s i g n i f i c a n ti m p a c to nh u m a nh e a l t h ．T h ea v e r a g ed a i l yi n t a k eo fP b ， Z n ，C ua n dC di nC h i n e s ec a b b a g eo f a d u l t si s3 3 7 4 3 0 ，32 9 4 30 2 5 ， 3 5 9 5 4 0a n d2 8 8 4 8 3m g ， r e s p e c t i v e l y ．T h ea v e r a g ed a i l yi n t a k eo f P b ，Z n ，C ua n dC di nC h i n e s ec a b b a g eo fc h i l d r e ni s2 2 1 2 8 2 ， 19 8 5 21 6 2 ，2 3 5 3 5 4a n d1 8 9 3 1 7m g ， r e s p e c t i v e l y ．I ns u m m a r y ，b i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l sd on o te x c e e dt h ew e e k l yt o l e r a b l ei n t a k ev a l u e ， w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e r ei sn oh e a l t hr i s kf o rC h i n e s ec a b b a g ei ne d i b l es e w a g ei r r i g a t i o na r e a ．C o m p a r e d w i t ht h ep r e v i o u ss t u d y s a m p l i n gi n t e r v a li s 7 y e a r s ， t h er e l e v a n td e p a r t m e n t sa c h i e v es i g n i f i c a n t l y e f f e c t si nr e g i o n a Ie n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o n ，h o w e v e r ，a t t e n t i o ns h o u l ds t i Ub ep a i dt om i g r a t i o na n d a c c u m u l a t i o no fC di ns o i la n dC h i n e s ec a b b a ge ． K e yw o r d s s e w a g ei r r i g a t i o na r e a ； C h i n e s ec a b b a g e ； h e a v ym e t a l s ；t a r g e th a z a r dq u o t i e n t s T H Q ； j n v j t r os i m u 】a t j o nm e t h o d 土壤中重金属的超标现象是农业生产中的一个 重要问题，它对食品安全、作物生长和土壤生物的环 境健康具有不利影响[ 1 ] 。重金属通过食物链累积造 成潜在风险，对生物体和人类的健康构成巨大威 胁[ 2 ] 。蔬菜是全世界种植的植物，在人类饮食中起 着重要的作用。蔬菜有助于改善胃肠道健康，改善 视力，降低患心脏病、中风、糖尿病等慢性病和某些 癌症的风险口] 。尤其是食物摄取是人类对污染物主 要的摄取途径[ 4 ] 。因此，重金属能直接或通过体内 积蓄对人的身体健康产生不利影响。 一般认为，土壤一作物一食物的方式摄入蔬菜 可能是重金属进入人类和高等动物系统主要途 径[ 5 ] 。目前针对土壤重金属健康风险评价的研究较 多，国内学者有尹伊梦等[ 6 ] 、谢团辉等[ 7 ] 。国外也有 学者对该方向开展大量工作，如F R I M P o N G 等口] 评估了加纳南部公共公园在户外活动期间重金属暴 露可能对健康的危害程度。S A K S H I 等[ 9 ] 研究了 印度查谟及克什米尔查谟区土壤样品中重金属暴露 对人体健康的风险评估。但针对重金属通过土壤一 人体途径评价较多，针对土壤一蔬菜一人体途径相 关研究较少。通过体外模拟法可对肠胃的物理及化 学环境进行有效模拟，在重金属进人人体后，将取得 其相对生物有效性或生物可给性的可靠数据，该方 法被认为有一定的实用性。陈晨等[ 1 叩基于体外模 拟法评价蔬菜中C d 的健康风险，结果显示韭菜和 小油菜中C d 在模拟人体胃液中的有效浓度分别为 o ．0 2 7 、0 ．0 3 9m g ／k g ，韭菜中的C d 对人体具有更高 的生物有效性。兰砥中等[ 1 妇采用体外模拟试验法 评价湘南某矿区大米中重金属的人体健康风险，结 果表明，矿区成人和儿童通过食用该区域大米将会 对其身体产生健康风险，其中对儿童的健康危害更 加明显。 在先前的研究[ 1 2 3 中，南京市郊某污灌区小白菜 中C r 、C u 、Z n 含量超标，重金属对当地蔬菜造成中 度污染，污灌区周围居民通过蔬菜途径摄人的C r 、 C u 、Z n 对其健康存在很高的潜在风险，附近种植的 蔬菜不宜食用。随着相关部门对环境治理力度的加 大，该区域环境污染得到明显改善，但其改善程度未 见相关报道。因此，本研究将在保留采用靶标危害 系数对研究区小白菜重金属健康风险评估的基础 上，利用体外模拟法进一步探究小白菜对日均摄人 体内重金属的生物可给性，同时还增加了农用地土 壤污染风险管控标准对比小白菜根际土壤重金属超 标情况，以期为当地环境治理提供理论依据。 1材料及方法 1 ．1 主要试剂及仪器 分析纯硝酸，优级纯高氯酸。采用A A 2 4 0 原子 吸收分光光度计测定重金属含量，电热板型号为 S C 4 0 4 2 4 4 。 1 ．2 研究区域样点采集 研究区位于江苏城市职业学院周边幸福河道旁 的灌溉区，坐标为东经1 1 8 。7 4 ’3 3 ，北纬3 2 。0 4 ’2 3 。 本研究选取污灌区附近6 个点，于2 0 1 9 年1 0 月下 旬，对样点上的小白菜及其根际土壤进行取样，每个 点上取得多颗小白菜，样品采集完毕后，装入准备好 的自封袋。同时，需提前去除坏死部分，且除去白菜 上的泥土和污垢，用蒸馏水冲洗3 次，并进行干燥处 理。烘干好的样品用粉碎机粉碎。土样则带回实验 室后经风干，剔除石块、植物根茎等杂质，过1 0 0 目 筛网，保存备用。 1 ．3 试验方法 1 ．3 ．1 小白菜及根际土壤消解 试验方法及过程均采用之前的研究[ 12 | 。所用 万方数据 2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 3 玻璃器皿用5 ％的硝酸中浸泡4 8h 以上，用去离子 水清洗，烘干后使用。为控制精密度，试验均做2 份 平行样及空白。采用混酸 H N O 。、H 2 0 2 及H C I O 。 比例为2 2 1 消解土壤P b 、Z n 、C d 、C r 及C u 。溶 液中重金属含量均采用A A 2 4 0 原子吸收分光光度 计测定。 1 ．3 ．2 小白菜重金属健康风险评估 重金属经口摄人后的非致癌健康风险可采用靶 标危害系数 T H Q 评价[ 13 。。若T H Q P b C r C d Z n ，小白菜对成人及儿 童的H J 值分别为6 ．7 5 1 0 - 3 和5 ．7 6 1 0 ～，两者 均小于1 ，表明使用该模型评估得出小白菜中重金 属对暴露人体造成的健康影响不明显。 l O c dC rC uP bz n 元素种类 图2 污灌区小白菜重金属含量 F i g ．2H e a V ym e t a lc o n t e n t so fC h i n 鹤e c a b b a g ei ns e w a g ei r r i 静t i o na 他a 表2 成人和小孩摄取含 重金属小白菜的风险评估 T a b l e2R i s k 淞s 嘲m e n to fh e a v ym e t a l si n C h i n 昭ec a b b a g ef o ra d u l t sa n dc h i M 他n 本研究C u 暴露在小白菜中对成人及儿童较 大。但张刚等[ 1 9 ] 研究江苏常熟农业生态试验站的 小白菜盆栽试验，底渣施用量超过1 5 ％时，小白菜 地上部重金属C r 含量超过中国食物污染物的限量 标准。底渣用量大于或等于1 0 ．7 ％时小白菜重金 属复合目标风险系数大于1 ，存在食用健康风险，健 康风险以P b 和C d 为主，与本研究结果存在差异， 可能是试验环境及条件不同所致。何玉生等[ 2 0 ] 调 查了海口市四大蔬菜基地土壤一蔬菜系统重金属积 累及污染状况，其结果显示，青菜、油菜、小白菜、大 白菜、生菜、芹菜、西红柿均受到P b 轻度污染，且处 于警戒级水平。于瑞莲等[ 2 1 ] 采用盆栽方式，以厦门 市篑笃污水处理厂的污泥作为有机肥种植小白菜， 探讨污泥施用对小白菜生长和产量的影响及重金属 在小白菜一土壤间的迁移转化和积累情况。种植小 白菜后根际土中C d 和C r 的残渣态向有效态转化， Z n 和C u 的可氧化态向弱酸溶态转化，M n 和P b 的 可还原态向可氧化态转化，N i 的有效态略向残渣态 转化。之前的研究表明[ 12 。，污灌区周围居民通过蔬 菜途径摄人的C r 、C u 、Z n 对其健康存在很高的潜在 8 6 4 2 O k∞g，咖如噬删栅眯皿、『， 万方数据 2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 5 风险，附近种植的蔬菜不宜食用。本研究C u 虽然 成人及儿童较大，但其T H Q 值均远远小于1 ，表明 研究区小白菜中重金属含量处于安全范围内，同时 也说明了相关部门对环境的治理取得了很好效果。 2 ．3 体外模拟法评价小白菜 表3 为污灌区小白菜在模拟胃和肠阶段中P b 、 Z n 、C u 和C d 的生物可给性。P b 在模拟胃阶段生 物可给量在2 3 ．9 1 ％～2 8 ．3 6 ％，平均值为2 3 ．9 1 ％； P b 在模拟肠阶段含量较低，处于4 ．0 3 ％～6 ．9 4 ％， 平均值为5 ．4 9 ％。对Z n 而言，在模拟胃阶段，其在 污灌区小白菜中最大生物可给性为6 8 ．9 1 ％，最小 值为5 7 ．1 0 ％，平均值为6 1 ．5 1 ％；但在模拟肠阶段， 其生物可给量在2 1 ．8 4 ％～2 4 ．0 9 ％，平均值为 2 2 ．9 7 ％。C u 在模拟胃阶段的生物可给量在 1 3 ．8 5 ％～1 8 ．2 6 ％，平均值为1 6 ．0 6 ％；其含量在模 拟肠阶段较高，最大值达到6 4 ．1 5 ％，最小值为 5 3 ．9 4 ％，平均值为5 9 ．0 5 ％。C d 在模拟胃阶段的 生物可给量最大值为1 ．8 4 ％，最小值为1 ．0 5 ％，平 均值为1 ．4 5 ％；在模拟肠阶段的生物可给量在 3 ．2 1 ％～4 ．2 8 ％，平均值为3 ．7 5 ％。通过对比模拟 胃和模拟肠阶段生物可给性，除了C u 之外，研究区 小白菜中其余三种重金属的生物可给性在模拟胃阶 段比模拟肠阶段的含量较高，兰砥中等[ 1 1 ] 也发现类 似结果，其研究认为可能是因为肠和胃的内部环境 差异，造成不同的P b 、Z n 、C d 和C u 生物可给性，本 文作者也认同该观点。 表3 污灌区小白菜在模拟胃 和肠阶段的生物可给性 T a b l e3 B i 伽v a i l a b i l i t yo fC h i n e s ec a b b a g ei n s i m u I a t e dg a s t r i c 蛐di n t 昭t i n a ls t a g e s 类别 模拟胃阶段／％模拟肠阶段／％ P bZ nC uC dP bZ nC uC d 表4 为污灌区儿童和成人通过食用小白菜而摄 人重金属的量。因为Z n 和C u 未被国家食品卫生 标准 G B2 7 6 2 2 0 1 2 列为污染物指标，故小白菜 中Z n 和C u 的每周可耐受摄入量 P 丁W J 在本研 究将不考虑。已有研究显示[ 1 1 ‘，C d 的P T W J 为 7 ．o om g ／k gB W B W 表示体重 ，成人和儿童P b 的 P T w f 分别为5 0 ．0 0 、2 5 ．0 0m g ／k gB w 。针对体重 6 0k g 的成人，C d 的每日摄人量不能超过6 0 ．0 0n 唱，而 对于3 0k g 的儿童，C d 的每日摄人量不能超过 3 0 ．o om g 。P b 的每日摄人量不能超过4 2 8 ．5 7r n g 体 重6 0k g 的成人 和1 0 7 ．1 4m g 3 0k g 的儿童 。由 表4 可知，成人通过食用研究区小白菜日均摄人 P b 、Z n 、C u 和C d 的含量范围依次为3 3 7 ～4 3 0 、 30 2 5 ～32 9 4 、3 5 9 ～5 4 0 及2 8 8 ～4 8 3m g 。儿童通 过食用研究区小白菜日均摄人P b 、Z n 、C u 和C d 的 含量范围分别为2 2 1 ～2 8 2 、19 8 5 ～21 6 2 、2 3 5 ～3 5 4 及1 8 9 ～3 1 7I n g 。本研究中成人及儿童食用研究区 小白菜的C d 每周可耐受摄人量超出了限定值。总 体而言，儿童食用污灌区小白菜摄人P b 、Z n 、C u 及 C d 的量高于成人。 表4 污灌区儿童和成人通过食用 小白菜而摄入重金属的量 T a b l e4 H e a V ym e t a Ii n t a k eo fc h i l d r e na n d a d u n si n 辩w a 翟r ei r r i 星r a t i o na n 日b y e a t i n gC h i n 船ec a b b a g e， m g d 一1 表5 为成人和儿童因食用污灌区小白菜摄人重 金属生物可给量。对于成人来说，在模拟胃阶段， P b 在污灌区小白菜摄人重金属的生物可给量在 9 5 ．6 ～1 0 3m g ／d ，平均值为9 9 ．3m g ／d ，但在模拟肠 阶段，其生物可给量在1 7 ．3 ～2 3 ．4m g ／d ，平均值为 2 0 ．4m g ／d ；对于儿童而言，P b 生物可给量最大值为 6 7 ．4m g ／d ，最小值为6 2 ．7n 珂d ，平均值为6 5 ．1m g ／d ， 而在模拟肠阶段，其生物可给量在1 1 ．4 ～1 5 ．3I 叫d ， 平均值为1 3 ．4m “d 。Z n 在污灌区小白菜摄人重 金属的生物可给量在18 8 1 ～19 9 4m g ／d ，其平均值 为19 3 8m g ／d ，而在模拟肠阶段，其生物可给量在 7 1 9 ～7 2 9m g ／d ，平均值为7 2 4m g ／d ；对于儿童而 言，Z n 生物可给量最大值为13 8 0m g ／d ，最小值为 12 3 5m g ／d ，平均值为13 0 8m 刮d ，而在模拟肠阶 段，其生物可给量在4 7 2 ～4 7 8m 科d ，平均值为 4 7 5m 刮d 。C u 在污灌区小白菜摄入重金属的生物 可给量在6 5 ．6 ～7 4 ．8m g ／d ，平均值为7 0 ．2m g ／d ， 而在模拟肠阶段，其生物可给量在2 3 0 ～2 9 1m 刮d ， 平均值为2 6 1m g ／d ；对于儿童而言，C u 生物可给量 最大值为4 9 ．1l 叫d ，最小值为4 2 ．9m 刮d ，平均值为 万方数据 7 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第3 期 4 6 ．om d d ，而在模拟肠阶段，其生物可给量在1 5 1 ～ 1 9 1m g ／d ，平均值为1 7 1m g ／d 。C d 在污灌区小白菜 摄入重金属的生物可给量在5 ．1 ～5 ．3n d d ，平均值为 5 ．2I 吲d ，而在模拟肠阶段，其生物可给量在1 2 ．3 ～ 1 5 ．5m g ／d ，平均值为1 3 ．9m g ／d ；对于儿童而言，P b 生物可给量最大值为3 ．5m g ／d ，最小值为3 ．3m d d ， 平均值为3 ．4m 彰d ，而在模拟肠阶段，其生物可给量 在8 ．1 ～1 0 ．2m g ／d ，平均值为9 ．2m g ／d 。 表5 污灌区成人和儿童不同消化阶段 重金属的生物可给量 T a b l e5 B i o a V a i l a b Ⅲt yo f h e a V ym e t a l sf o ra d u l t S a n dc h i l d r e ni nd i f f e r e n td i { e s t i o ns t a ≤e s ， m g d - 1 上述生物可给量均未超过P T W f ，证明食用污 灌区小白菜不存在健康风险。然而，对比模拟胃消 化阶段与模拟小肠阶段，污灌区小白菜中P b 、Z n 、 C u 及C d 的生物可给性在前者高，这可能是胃部的 内部环境偏酸性所致。并且由于小肠液内部环境为 碱性使得本研究中重金属生物可给性较低[ 1 1 。。此 外，小肠阶段相比模拟胃阶段，前者是人体消化道内 吸收食物的主要阶段，故在整个模拟过程中，前者在 污灌区小白菜中重金属的有效性更加重要。 3结论 1 污灌区小白菜根际土壤中仅有C d 含量超过 农用地土壤污染风险管控标准，其最小值达到 o ．9 5m g ／k g ，最大值达到了1 ．1 4m g ／k g ，平均值为 1 ．0 5m g ／k g 。 2 小白菜对成人及儿童的H J 值分别为6 ．7 5 1 0 - 3 和5 ．7 6 1 0 ～，两者均小于1 ，表明使用该模型 评估得出小白菜中重金属对暴露人体造成的健康影 响不明显。 3 本研究中成人及儿童食用研究区小白菜的 C d 每周可耐受摄人量超出了限定值。总体而言，儿 童食用污灌区小白菜摄人P b 、Z n 、C u 及C d 的量高 于成人。生物可给量均未超过了每周可耐受摄人量 值，证明食用污灌区小白菜不存在健康风险，但应注 意C d 在土壤及小白菜中的迁移及富集。 参考文献 [ 1 ] N A G A J V O T IPC ，L E EKD ，s T R E E K A N T HTV M ．H e a v ym e t a l s ，o c c u r r e n c ea n dt o x i c i t yf o rp I a n t s a r e v i e w [ J ] ．E n v i r o n m e n t a lC h e m i s t r yL e t t e r s ，2 0 1 0 ， 8 3 1 9 9 2 1 6 ． [ 2 ] w UXL ，H UJw ，Q IJM ，e ta 1 ．G r a p h e n e s u p p o r t e d o r d e r e dm e s o p o m u sc o m p o s i t e su s e df o re n v i r o n m e n t a l r e m e d i a t i o n Ar e v i e w [ J ] ．s e p a r a t i o na n dP u r i f i c a t i o n T e c h n o I o g y ，2 0 2 0 ，2 3 9 1 1 6 5 1 1 ．h t t p s ／／d o i ．o r g ，1 0 ． 1 0 1 6 ／j ．s e p p u r ．2 0 2 0 ．1 1 6 5 1 1 ． [ 3 ]J O A OsD ，O R I zR ．A d v a n c e si nt r a n s g e n i cv e g e t a b l