顧豐穎 丁雅楠 朱金錦 孫倩倩 張 瑞 王 鋒
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
鎳作為地殼中天然存在的重金屬元素(約占地殼總重量的0.009%)[1],廣泛存在于土壤、煙霧、水體等環(huán)境中。鎳暴露可導(dǎo)致過敏綜合癥、肝腎器官損傷,與病理性肺部病變、出血、水腫和細(xì)胞紊亂等癥狀存在密切關(guān)系[2-4]。國(guó)際癌癥研究中心(International Agency for Research on Cancer, IARC)將鎳化合物和鎳金屬分別歸為1類和2B類致癌物[5]。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,含鎳及其化合物產(chǎn)品與農(nóng)業(yè)投入品的廣泛生產(chǎn)、使用,不可避免地會(huì)造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染。2014年我國(guó)環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,我國(guó)土壤中鎳元素的點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)4.8%,僅次于鎘元素[6]。研究表明,土壤等環(huán)境中的鎳會(huì)向農(nóng)作物遷移富集,谷物、堅(jiān)果、水產(chǎn)品、果蔬等多種食品中都被檢出含有一定量的鎳[7-8]。膳食攝入是人群鎳暴露的主要途徑之一,膳食鎳暴露存在健康風(fēng)險(xiǎn)隱患。
小麥?zhǔn)俏覈?guó)最主要的農(nóng)作物之一,也是我國(guó)北方居民重要的主食原料。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2020年我國(guó)小麥產(chǎn)量已達(dá)1.342 5億噸。受產(chǎn)地環(huán)境和灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)業(yè)措施的影響,我國(guó)部分地區(qū)小麥籽粒中鎳含量偏高[9]。有研究認(rèn)為,攝入植物性食品,尤其是小麥產(chǎn)品,是人群鎳和汞膳食暴露的主要途徑,存在非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)[10]。谷物中的鎳主要以Ni2+的化合物形式存在[11],致癌性更強(qiáng)。因此有必要了解我國(guó)小麥鎳的攝入暴露量及其可能存在的健康風(fēng)險(xiǎn)。
為充分了解我國(guó)小麥鎳暴露及其對(duì)人群健康的影響,本研究收集北方冬麥區(qū)、南方冬麥區(qū)和春麥區(qū)3個(gè)小麥主產(chǎn)區(qū)3 444份樣品,分析小麥籽粒鎳污染水平,評(píng)估我國(guó)各地區(qū)不同人群的小麥鎳暴露水平及膳食鎳暴露導(dǎo)致的人群健康潛在危害風(fēng)險(xiǎn),旨在為我國(guó)飲食健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2017—2018年在我國(guó)小麥主產(chǎn)縣區(qū)多個(gè)合作社收集小麥樣品共計(jì)3 444份,包括北方冬麥區(qū)2 041份,主要來(lái)源于山東省、河南省以及河北省和陜西省長(zhǎng)城以南部分地區(qū);南方冬麥區(qū)814份,主要來(lái)源于江蘇省、四川省和安徽省部分地區(qū);春麥區(qū)589份,主要來(lái)源于新疆維吾爾自治區(qū)以及河北省和陜西省長(zhǎng)城以北部分地區(qū)。每份樣品以(合作社)地塊為單位按5點(diǎn)法取樣后混合均勻,取樣量不低于1 kg,于自封袋密封保存。
小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10046(GSB-24),鎳標(biāo)準(zhǔn)值0.11 μg·kg-1,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。65%濃硝酸(BV-Ⅲ)、30%過氧化氫(BV-Ⅲ),北京化學(xué)試劑研究所。
TRACE AI1200石墨爐原子吸收光譜儀,加拿大歐羅拉生物科技有限公司;CK2000高通量組織研磨儀,北京托摩根生物科技有限公司;DigiBlock EHD36電熱板消解儀,北京萊伯泰科儀器股份有限公司。
1.3.1 樣品預(yù)處理 用于檢測(cè)的樣品為小麥籽粒經(jīng)脫殼后的可食部分(全麥籽粒),小麥籽粒經(jīng)脫殼后洗凈風(fēng)干,混勻。取50 g左右全麥籽粒樣品,采用組織研磨儀(聚四氟乙烯球磨罐,不含待測(cè)的重金屬)粉碎,過40目篩,平均分成兩份,標(biāo)注正樣和副樣。正樣用于鎳含量檢測(cè),副樣于-18℃冷凍留存以備數(shù)據(jù)復(fù)核。稱取粉碎均勻的樣品粉末0.5 g至消解管,加入7 mL硝酸,浸泡20 min,再加入2 mL過氧化氫,采用電熱板消解完全。冷卻后用去離子水定容至50 mL待測(cè)。
1.3.2 小麥鎳含量測(cè)定 參考《GB 5009.138-2017 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎳的測(cè)定》[12],采用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定小麥籽粒中的鎳含量。為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,樣品消解過程中,小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和空白樣本與樣品以同樣的方法進(jìn)行制備,每檢測(cè)10個(gè)小麥樣品插入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及空白樣本,用于校正儀器并檢測(cè)分析期間潛在的樣品污染。每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)。方法檢出限為0.02 mg·kg-1。
1.3.3 小麥鎳暴露量評(píng)估 考慮不同人群面制品食用量和產(chǎn)品中鎳含量的差異,應(yīng)用蒙特卡洛模擬方法估算我國(guó)居民經(jīng)口對(duì)食物中鎳的單位體重日均暴露量(average daily dose, ADD)范圍。ADD的預(yù)測(cè)參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(United States Environmental Protection Agency, USEPA)推薦的暴露劑量模型[13],見公式(1)。
(1)
式中,ADD為鎳的單位體重日均暴露量(mg·kg-1·d-1); 輸入?yún)?shù)C為小麥樣品的鎳含量(mg·kg-1),根據(jù)調(diào)查結(jié)果,C的分布呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù);EF為暴露頻率(d/年),取定值350 d/年,ED為暴露持續(xù)時(shí)間(年),取定值成人70年、兒童9年;AT為平均暴露時(shí)間(d),AT=ED×365[13-14]。IR和BW使用三角分布計(jì)算[14],具體參數(shù)含義及數(shù)值見表1。
表1 我國(guó)小麥鎳暴露量及人群健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型參數(shù)Table 1 Parameter values for human health risk assessment model of cadmium contamination in rice
1.3.4 人群健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 本研究應(yīng)用USEPA的暴露劑量-反應(yīng)外推法中的致癌物與非致癌物風(fēng)險(xiǎn)模型[公式(2)~(3)][17-19],分別從非致癌風(fēng)險(xiǎn)及致癌風(fēng)險(xiǎn)兩方面評(píng)價(jià)小麥鎳暴露導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)。
非致癌污染物風(fēng)險(xiǎn)模型:
(2)
致癌物風(fēng)險(xiǎn)模型:
(3)
式中,Rn代表小麥鎳食物暴露導(dǎo)致的非致癌健康危害的個(gè)人平均年危險(xiǎn)(年-1);Rn代表小麥鎳食物暴露導(dǎo)致的致癌健康危害的個(gè)人平均年危險(xiǎn)(年-1);ADD為鎳的單位體重日均暴露量(mg·kg-1·d-1),估算方法見公式(1);PAD為非致癌物的食用途徑調(diào)整劑量(mg·kg-1),PAD=RfD/安全因子,RfD為鎳的參考攝入劑量(reference dose),根據(jù)美國(guó)環(huán)保署綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)(Integrated Risk Information System, IRIS)的推薦取定值0.02 mg·kg-1·d-1,安全因子取定值10;CSF為癌癥斜率因子,根據(jù)美國(guó)能源部(United States Department of Energy, USDOE)的推薦取定值0.84 (mg·kg-1·d-1)-1; N為人均壽命(歲),取定值70歲[2,19-20]。國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推薦的最大可接受(非致癌或致癌)年風(fēng)險(xiǎn)水平均為5.0×10-5年-1,Rn或Rc超過該值代表對(duì)人類具有顯著的非致癌或致癌健康影響[17-19]。
所有樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測(cè)定,采用SPSS 23.0軟件中的單因素方差分析和Dunnett’s T3多重比較法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(P<0.05);采用Oracle Crystal Ball 11.1.2.4軟件進(jìn)行蒙特卡洛模擬,試驗(yàn)次數(shù)10 000次;采用OriginPro 2016軟件進(jìn)行曲線擬合和圖像繪制。
小麥鎳含量的檢測(cè)分析結(jié)果見表2和圖1,所收集3個(gè)產(chǎn)區(qū)的小麥鎳含量范圍為未檢出(ND)~4.779 mg·kg-1,總體鎳檢出率為96.66%,小麥鎳含量的分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布,各產(chǎn)區(qū)鎳含量均相對(duì)集中在0.1~0.3 mg·kg-1的較低水平。為平衡地區(qū)間樣品收集量不均勻?qū)?shù)據(jù)結(jié)果的影響,采用地區(qū)產(chǎn)量加權(quán)的方式對(duì)小麥鎳含量的平均值進(jìn)行校正,即根據(jù)2019年我國(guó)各省地區(qū)小麥產(chǎn)量占比(數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)計(jì)算3個(gè)產(chǎn)區(qū)小麥產(chǎn)量的占比,作為校正因子對(duì)總體小麥鎳含量的平均值及超標(biāo)率進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。加權(quán)后所收集小麥樣品總體鎳含量的平均值為0.225 mg·kg-1; 其中,北方冬麥區(qū)和春麥區(qū)的小麥鎳含量無(wú)顯著性差異(P>0.05),平均值均為0.183 mg·kg-1;南方冬麥區(qū)小麥鎳含量顯著高于其他2個(gè)地區(qū)(P<0.05),平均值為0.331 mg·kg-1;南方冬麥區(qū)小麥鎳含量的1.5倍四分位距范圍為0.029~0.920 mg·kg-1,該范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的離散度(變異系數(shù))為71.11%,略高于春麥區(qū)和北方冬麥區(qū)。按照我國(guó)《GB 2762-2017食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[21]規(guī)定的食品(以油脂及其制品計(jì))中鎳的限量標(biāo)準(zhǔn)(1 mg·kg-1)計(jì)算,經(jīng)加權(quán)計(jì)算小麥鎳含量的總體超標(biāo)率為1.46%,南方冬麥區(qū)超標(biāo)率最高,為3.44%,但最大值未超過世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)規(guī)定的植物中鎳的限量10 mg·kg-1[22]。
表2 小麥鎳含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of nickel content in wheat
圖1 不同產(chǎn)區(qū)小麥鎳含量的分布圖Fig.1 Distribution of nickel content of wheat samples in different areas
結(jié)合調(diào)查獲得的全麥籽粒鎳含量以及2002年我國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)健康監(jiān)測(cè)的食物消費(fèi)量數(shù)據(jù)[15-16](表1),利用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣模擬法估計(jì)我國(guó)成人及6~9歲兒童的小麥鎳單位體重日均暴露量(ADD)。結(jié)果顯示(表3),我國(guó)成人和兒童小麥鎳ADD值分別為6.31×10-4和8.32×10-4mg·kg-1·d-1,95%置信區(qū)間分別為0.65~25.87×10-4和0.76~35.00×10-4mg·kg-1·d-1。與小麥中的鎳含量分布情況一致,南方冬麥區(qū)小麥鎳的人群暴露量也顯著高于其他2個(gè)產(chǎn)區(qū)(P<0.05),變異范圍最大,成人和兒童的ADD值分別為9.27×10-4和12.35×10-4mg·kg-1·d-1,95%置信區(qū)間分別為1.19~34.28×10-4和1.30~48.66×10-4mg·kg-1·d-1, 兒童單位體重的日均暴露量高于成人,這也是兒童對(duì)重金屬鎳的敏感度高于成人的原因之一[22]。
表3 小麥鎳的人群暴露量(ADD)及超限人群概率(P)Table 3 The average daily dose (ADD) of wheat nickel and probability of overstandard population(P)
當(dāng)鎳的單位體重日均暴露量(ADD)超過其參考攝入劑量(reference dose,RfD)時(shí),認(rèn)為鎳暴露可能與潛在的不良健康風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[23]。RfD取值受評(píng)價(jià)方法、人群敏感性差異等因素影響,不同機(jī)構(gòu)鎳的RfD推薦值不統(tǒng)一,如IRIS建立的非致癌性經(jīng)口暴露健康效應(yīng)參考劑量(RfD)為0.02 mg·kg-1·d-1[2]、2020年EFSA更新的膳食鎳每日耐受量為0.013 mg·kg-1·d-1[24]、美國(guó)加利福尼亞州環(huán)境健康危害評(píng)估辦公室(California Environmental Protection Agency Office of Environmental Health Hazard Assessment, OEHHA)推薦的兒童特定參考劑量為0.011 mg·kg-1·d-1[25]、美國(guó)密歇根政府采用的參考攝入劑量為0.006 mg·kg-1·d-1[26]等。本研究參考以上4個(gè)RfD取值,計(jì)算了蒙特卡洛模擬獲得的10 000個(gè)小麥鎳ADD值中超過RfD值的數(shù)量占比,代表該評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)下的超限人群概率(P)(表3)。結(jié)果顯示,按照IRIS的0.02 mg·kg-1·d-1標(biāo)準(zhǔn),有0.02%的兒童ADD值超過RfD;若使用更嚴(yán)格的0.006 mg·kg-1·d-1參考攝入劑量,大約有0.23%的成人和0.49%的兒童ADD值超過RfD,長(zhǎng)期的小麥鎳暴露可能導(dǎo)致重點(diǎn)地區(qū)和兒童人群潛在健康風(fēng)險(xiǎn)增加,應(yīng)引起監(jiān)管部門重視。
本研究采用蒙特卡洛模擬方法,將ADD值的不確定性帶入U(xiǎn)SEPA的暴露劑量-反應(yīng)外推模型,基于全麥籽粒中的鎳含量估算小麥鎳暴露所致健康風(fēng)險(xiǎn)的不確定性,結(jié)果以模擬風(fēng)險(xiǎn)值的累計(jì)概率分布情況呈現(xiàn)(圖2)。據(jù)分析,我國(guó)3個(gè)產(chǎn)區(qū)小麥鎳暴露所致非致癌健康危害的個(gè)人平均年危險(xiǎn)(Rn)平均值范圍為成人3.73×10-9~6.68×10-9/年、兒童9.01×10-9~1.61×10-8/年,所有Rn模擬值均遠(yuǎn)低于國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推薦的最大可接受年風(fēng)險(xiǎn)水平5×10-5/年[17-19]。說明長(zhǎng)期的小麥鎳暴露不會(huì)對(duì)我國(guó)居民產(chǎn)生致敏性、細(xì)胞毒性、器官損傷等非致癌性的健康危害。
圖2 小麥鎳的非致癌性和致癌性風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.2 Non-carcinogenic and carcinogenic risk distribution of nickel in wheat grain
從鎳化合物可能導(dǎo)致癌癥風(fēng)險(xiǎn)的角度分析,各產(chǎn)區(qū)小麥鎳暴露所致致癌健康危害的個(gè)人平均年危險(xiǎn)(Rc)均值范圍為成人6.18×10-6~1.12×10-5/年、兒童8.18×10-6~1.49×10-5/年;總體Rc的95%置信區(qū)間分別為成人7.72×10-7~2.98×10-5/年、兒童8.39×10-7~4.19×10-5/年,均小于推薦值(5×10-5/年)。說明按照該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估,長(zhǎng)期的小麥鎳暴露對(duì)我國(guó)大部分成人和兒童不存在致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。但鎳暴露量超過4.17×10-3mg·kg-1·d-1時(shí)可能存在致癌性健康風(fēng)險(xiǎn),鎳暴露水平最高的南方冬麥區(qū)小麥對(duì)成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的概率分別為1.59%和3.80%,鎳暴露水平最低的春麥區(qū)小麥對(duì)成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的概率分別為0.16%和0.54%。從總體來(lái)看,3個(gè)產(chǎn)區(qū)小麥對(duì)成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的概率分別為0.63%和1.62%。
據(jù)報(bào)道,伊朗西北部Hamedan地區(qū)小麥鎳含量均值為0.5 mg·kg-1[10],歐洲多項(xiàng)調(diào)查顯示小麥籽粒、面粉產(chǎn)品以及面包的鎳含量均值范圍在0.081~0.215 mg·kg-1之間[27]。我國(guó)陜西、江蘇等地區(qū)小麥鎳含量范圍在0.021~2.310 mg·kg-1之間[28-30]。本次調(diào)查結(jié)果顯示,我國(guó)小麥鎳平均含量為0.225 mg·kg-1,與上述報(bào)道水平相近,但不同產(chǎn)區(qū)間存在差異。從空間分布上看,我國(guó)小麥鎳污染水平呈南高北低趨勢(shì),這可能與我國(guó)耕地土壤背景值有關(guān)。據(jù)報(bào)道我國(guó)耕地鎳污染主要分布于南方糧食主產(chǎn)區(qū),其中四川盆地土壤鎳超標(biāo)率較高[31]。另外,工業(yè)化、城市化進(jìn)程較高的地區(qū)鎳污染水平可能較高[32-33]。
本次調(diào)查考慮到我國(guó)小麥種植區(qū)域廣泛、飲食差異大等帶來(lái)的鎳含量和小麥攝入量差異,通過大樣本調(diào)查及蒙特卡洛概率模型,分析了我國(guó)成人和兒童小麥鎳暴露量及風(fēng)險(xiǎn)值的分布情況,相比確定性模型獲得的結(jié)果更加全面[34]。根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果,我國(guó)小麥鎳含量集中在相對(duì)較低水平,基于全麥籽粒鎳含量進(jìn)行的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯示,我國(guó)95%以上人群不存在小麥鎳暴露健康風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為谷物麩皮對(duì)重金屬的富集較高,相對(duì)籽粒,面粉中重金屬含量可能下降,重金屬暴露導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)降低。
另一方面,本研究調(diào)查結(jié)果顯示少數(shù)小麥樣品鎳含量過高,最高值達(dá)4.779 mg·kg-1,存在偶發(fā)性的點(diǎn)污染情況,一些采樣點(diǎn)可能臨近工礦區(qū)或其他污染源。有研究指出,相比其他食物,較高的鎳暴露量和生物利用度可能使谷物及其制品的鎳暴露健康風(fēng)險(xiǎn)增加。2020年EFSA最新發(fā)布的食品和飲用水中鎳風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告顯示,相對(duì)豆類、堅(jiān)果和油籽產(chǎn)品,谷物中的鎳含量并不高,但鎳的生物利用率較高[27]。而且谷物及其制品的膳食消費(fèi)量較大,在成人和兒童總膳食鎳暴露中谷物及其制品的貢獻(xiàn)率分別達(dá)10%~25%和10%~50%。對(duì)于以谷物膳食為主的陜西地區(qū),這一貢獻(xiàn)甚至高達(dá)50%~80%[35-36]。近年來(lái)全谷物越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者認(rèn)可,消費(fèi)量和關(guān)注熱度迅速增長(zhǎng)。鎳污染小麥可能造成健康隱患,但目前我國(guó)僅針對(duì)油脂及其制品規(guī)定了鎳的限量(1 mg·kg-1)標(biāo)準(zhǔn)[21],對(duì)其他糧油產(chǎn)品沒有限定。為有效降低鎳等重金屬的膳食暴露風(fēng)險(xiǎn),有必要對(duì)糧食及其制品的鎳暴露進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)管和監(jiān)測(cè),按照不同加工程度的產(chǎn)品制定鎳的限量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)糧食及其制品中的鎳含量進(jìn)行分級(jí)分類管控。因膳食重金屬暴露所致健康風(fēng)險(xiǎn)還存在多來(lái)源、多元素積累效應(yīng)及人群敏感性差異,本研究結(jié)果還存在一定局限性,需在后續(xù)工作中進(jìn)行深入研究。
我國(guó)3個(gè)小麥產(chǎn)區(qū)3 000余份樣品調(diào)查結(jié)果顯示,小麥鎳含量范圍為ND~4.779 mg·kg-1,均值0.225 mg·kg-1, 不同地區(qū)小麥鎳含量存在差異,其中南方冬麥區(qū)小麥鎳含量顯著高于其他2個(gè)產(chǎn)區(qū),平均值為0.331 mg·kg-1。膳食暴露評(píng)估結(jié)果顯示,我國(guó)居民小麥鎳暴露量的分布與鎳含量的分布情況一致,均呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)。兒童單位體重的日均暴露量(ADD)高于成人,分別為8.32×10-4和6.31×10-4mg·kg-1·d-1。基于全麥鎳含量進(jìn)行的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示,小麥鎳暴露不會(huì)對(duì)我國(guó)大部分居民產(chǎn)生明顯健康影響,但少數(shù)高暴露人群可能潛存健康隱患。隨著全谷物制品消費(fèi)需求的不斷增加,建議加快推進(jìn)全谷物及其制品重金屬暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究,促進(jìn)高風(fēng)險(xiǎn)糧食及其制品中鎳限量標(biāo)準(zhǔn)的建立。