潜江虾稻重金属污染情况及相关膳食风险评估

潜江虾稻重金属污染情况及相关膳食风险评估

郭金星,谢程成,肖心智,涂凡

潜江市公共检验检测中心

摘要：水稻是世界50%以上人口的主食，也是我国的主要农作物。然而，农业土壤中的重金属很容易被水稻根系吸收，然后运输到粮食等可食用部分，这可能对人类健康构成巨大威胁。世界上一些污染地区的水稻籽粒中Cd、Hg、As、Pb、Cr和Zn等重金属浓度升高。湖北潜江所处江汉平原地区是我国主要的水稻产区，该地区水稻年产量约5.2×108公斤，面临着工农业发展给土壤-水稻系统带来的重金属污染问题，特别是各种重金属在土壤中的含量增加后，被水稻吸收后，迁移到稻谷中，带来粮食安全和健康风险，因此对土壤-水稻系统中的重金属迁移特性和健康风险进行统计分析和评价，确定需要重点关注的重金属类型，以期为生态建设相关工作者提供理论的参考与借鉴。

关键词：潜江虾稻；重金属污染；防治

生态建设是当今社会各界高度关注的热点议题，粮食重金属污染与国民身心健康关系密切。粮食作物生长在重金属污染土壤中，过量吸收和生物富集重金属。作物中重金属的积累不仅影响粮食产量和质量，而且给人类带来健康风险。被污染的食物链被认为是人类接触重金属的主要来源，研究水稻土重金属污染的基本分布特征对社会生态发展有重要的价值。本研究重金属污染对本地居民产生的健康风险进行评估, 研究潜江产大米中重金属污染状况, 以及潜江虾稻大米食用安全性现状, 为潜江居民膳食重金属暴露评估健康风险研究积累数据, 为相关健康政策的制定提供技术支持。

1. 材料与方法

1.1 样品采集

2022 年 7 月，以竹根滩镇为起点，每隔 5km 采一个土壤样品及对应的水稻样品，使用全球定位系统(GPS)设备记录其位置。在每个采样点，随机采集三株水稻植株，并在对应的位置采集土壤样品，然后混合为一个土壤样品。共采集了 50 个稻田表层土壤样品（0-20 cm）和 50个水稻样品，将样品做好标签后带回到实验室，先用自来水将水稻植株上面的泥土洗净，再用去离子水冲洗几次，然后分为根、茎、叶和籽实。将谷粒样品置于室外阳光下晒干并记录其谷重，其他部位样品皆装入 A4 信封袋编号后置于 105℃烘箱内 2h，调至 60℃烘至恒重。所有水稻样品（根、茎、叶、籽实）均用植物粉碎机粉碎后，装入密封袋保存待用。植物籽粒用砻谷机分出糙米和谷壳，将水稻的各个部分用粉碎机粉碎后，装入干净 6 号塑封袋中保存备用。将所采集的农田土壤样品运回实验室中放置干净白色托盘中自然风干，用研钵碾碎过 100 目尼龙筛，将过筛后的土存于密封袋中备用。

1.2 样品消解及分析

1）水稻植株样品消解

植物样品测定：所有植物样品（根、茎、叶、糙米、谷壳）采用硝酸—高氯酸（体积比为 4：1）混酸消解。用植物国家标准参比物质 GBW10010（GSB-1）、大米植物国家标准参比物质 GBW10010（GSB-1）和空白样进行质控。所有样品加入酸后，静置过夜。消解过程为：先在 90℃加热 1 h，然后升温至 180℃并持续保持，直到消解液中没有沉淀存在，冷却后，将消解液通过 0.45um 滤纸，并用去离子水定容到 50 毫升，然后储存在密封的离心管中，4℃ 保存待进一步测定。

2）土壤理化性质测定

土壤 pH 值测定方法：采用电位法（水土比为 2.5：1）测定土壤 pH 值；土壤有机质、碱解氮、有效磷按照《土壤农业化学分析》方法进行测定。

3）土壤样品消解

土壤中重金属采用湿法消解（王水+高氯酸）进行消煮，具体步骤：准确称量 0.5 g土壤样品于消煮管，加入 5mL 王水，摇匀并静置过夜，将样品放在电热板上逐渐升温至 200℃消化至近干，然后加 5mL HClO4 加热至白烟消失，待冷却至室温后，用去离子水定容到 50 毫升，然后储存在密封的塑料瓶中，4℃ 保存待进一步测定。同时用土壤国家标准物质（GSS-5）和空白样品进行分析质量控制。所有的消解工作均在石墨消解炉()上完成。

4）质量控制

试剂空白、植物标准参考物质(CSV-2、GSB-23)、土壤标准参考物质(GSS-6、GSS-8)均按上述步骤进行消解。以上标准参考物质购自北京世纪澳科生物科技有限公司。水稻的标准参考物质（GSV-2）Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 和As 回收率分别为92%、101%、105%、96%、91%和89%；大米中标准参考物质（GSB-23）这些元素的回收率分别为94%、97%、91%、89%、87%和88%。土壤标准参考物质（GSS-6）的中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 和As 回收率分别为 101%、94%、98%、92%、95%和91%，且土壤标准参考物质（GSS-8）中这些元素的回收率分别为98%、97%、90%、92%、91%和94%。水稻根、茎、叶、谷壳、糙米和土壤中重金属（Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 和As）全量测定采用电感耦合等离子体质谱（ICP—MS7500，Agilent Technologies，Japan）进行测定。土壤样品中的Cu、Zn浓度采用原子吸收分光光度计(PerkinElmer Optima 8300)测定，土壤样品中Cd、Cr、Pb 和As的浓度则采用电感耦合等离子体质谱法(ICP—MS7500，Agilent Technologies，Japan)测定。

2.3 重金属污染和健康风险评价方法

1）土壤重金属风险评价

土壤中的重金属可能对农产品安全、作物生长和生态环境构成威胁。风险识别通常是通过比较重金属的实际浓度和相应的风险筛选值来进行的。重金属浓度高于其筛选值被确定为对生态环境构成风险[26]。在我国，土壤的风险筛选值可见风险识别的指标值由式(2.2)确定：其中RI为风险指标值。Chmv为水稻土重金属测定浓度，Csv为国家环保部规定的水稻土人体健康与农业安全重金属筛选值(GB15618-2018)。RI˃1的值时，表明农田土壤中存在较大的健康风险。

2）大米中重金属的健康风险评估

与土壤中重金属的风险识别相比，通过每天的食物摄入量对大米中重金属进行健康风险评估是一种更有帮助和更直接的方法。采用目标危害商(THQ)对健康风险进行评估，具体如下:其中E为暴露频率，一年365天，E为暴露时间，估计为70年。F−1DF为大米日平均食用量(kg/人日)，C为大米中重金属含量(mg∙kg-1)， W为我国人均体重(kg/人)。T为平均暴露时间(365天/a×70 a)， RfD为美国环保局推荐的每日重金属参考剂量。THQ值大于1.0时，土壤中的重金属会对人体健康造成严重危害。

3）土壤—水稻重金属迁移特性分析方法

为分析土壤-水稻体系中重金属迁移的特征，本文分别利用重金属的迁移系数方法和机器学习方法开展研究。迁移系数方法是通常采用的方法，能够从统计平均的角度对重金属在土壤和农作物不同部位之间的迁移特性进行估计，机器学习方法则是本文提出的一种新方法，可以利用神经网络和支持向量机等机器学习算法，建立重金属在土壤和农作物某个部位的含量值之间的映射关系，根据这种映射关系是否存在强相关性，就能够比较精确的反映重金属的迁移特性强弱。

2.4  结果与分析

1）虾稻田土壤重金属污染情况

分析数据显示潜江虾稻土中重金属（Cu、Zn、Cd、Cr、Pb和As）的浓度范围变化较大。Cu、Zn、Cd、Cr、Pb和As的浓度范围分别为12.50～68.11 mg∙kg-1、36.70-213.65mg∙kg-1、0.18-4.63 mg∙kg-1、21.98-129.49 mg∙kg-1、18.60-186.57 mg∙kg-1和7.11-55.62mg∙kg-1。土壤中重金属的平均浓度分别为77.83 mg∙kg-1(Zn)、64.62 mg∙kg-1(Pb)、57.86mg∙kg-1(Cr)、27.48 mg∙kg-1(Cu)、16.16 mg∙kg-1 (As)和0.57 mg∙kg-1(Cd)。与潜江其它地方土壤重金属背景值相比，发现土壤Cu、Zn、Cd、Cr、Pb和As的平均浓度分别是该背景值的的1.19、0.92、4.75、0.852.02和1.08倍，其中Cd超标倍数最多，是最应受关注的重金属元素。

2）水稻不同部位中重金属的含量

水稻植株不同部位中重金属的含量如图2-4所示。水稻不同部位的Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As的浓度存在明显差异(p<0.05)。水稻根中的Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As的浓度范围分别为11.95 ～87.10 mg kg-1、41.25-669.50 mg kg-1、0.44-87.71 mg kg-1、0.79-88.99 mg kg-1、4.83-95.37 mg kg-1、8.77-246.53 mg kg-1。值得一提的是，这些重金属元素在水稻茎中的浓度分别为1.55～27.15 mg kg-1 , 24.20～259.90 mg kg-1、 0.11～21.78 mg kg-1、0.98～53.68 mg kg-1、0.44～7.62 mg kg-1和0.34～14.08 mg kg-1，远远低于其在根中的浓度。稻壳中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As的浓度范围分别为1.70 ~ 46.50 mg∙kg-1、22.65 ~ 115.45 mg kg-1、0.05 ~ 3.74 mg kg-1、0.41 ~ 9.17 mg kg-1、0.37 ~ 6.43 mg kg-1和0.15 ~ 1.97 mg kg-1。此外，水稻籽粒中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As的浓度范围分别为1.41-60.00mg kg-1、2.70-50.05 mg kg-1、0.039-3.81 mg kg-1、0.29-6.03 mg kg-1、0.11-1.26 mg kg-1和0.08-0.60 mg kg-1。

    综上所述，重金属污染是潜江地区虾稻污染的重要问题， 对当地居民健康产生了极大的危害，应当紧跟生态建设发展的步伐，做好虾稻重金属污染防治，为人们的健康饮食提供最重要的保障。   

参考文献

[1]黄飞飞,王瑛,张宁.苏州市地产大米重金属污染状况及人群膳食暴露风险评估[J].食品安全质量检测学报,2020,11(23):9039-9045.DOI:10.19812/j.cnki.jfsq11-5956/ts.2020.23.078. 

[2]刘娟,张乃明,于泓,张靖宇,李芳艳,于畅,杜红蝶.重金属污染对水稻土微生物及酶活性影响研究进展[J].土壤,2021,53(06):1152-1159.DOI:10.13758/j.cnki.tr.2021.06.007.

[3]张义,周心劝,曾晓敏,冯娇,刘玉荣.长江经济带工业区土壤重金属污染特征与评价[J].环境科学,2022,43(04):2062-2070.DOI:10.13227/j.hjkx.202106237.