土壤重金屬含量對煙葉和煙氣中重金屬的影響

孟建玉，商勝華，陸 寧，曹 毅，陳興江

（貴州省煙草科學(xué)研究所，貴陽 550081）

煙葉中重金屬的含量受產(chǎn)煙區(qū)重金屬背景值的影響，土壤中重金屬含量直接影響著煙葉對重金屬的吸收，一般土壤中可溶性重金屬的含量越高，煙葉對重金屬的吸收也越高[1]。煙葉加工成卷煙后，重金屬在吸煙過程中可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體。由于不同種類的重金屬在吸煙過程的揮發(fā)性和吸附性不同，故對主動吸煙者和周圍環(huán)境造成的危害也有所不同[1-2]。目前，國內(nèi)外重點(diǎn)開展了重金屬對烤煙的毒害[3-5]、烤煙對重金屬的吸收積累規(guī)律[6-9]、重金屬對烤煙的作用機(jī)理[7,10]等方面的研究。在煙氣重金屬方面，主要集中在測定方法的優(yōu)化探索方面[11-13]，馬名揚(yáng)等[14]采用原子熒光光譜、石墨爐原子吸收光譜法測定了吸煙過程中重金屬的揮發(fā)量，黃海濤等[15]采用外加法于卷煙樣品中添加重金屬標(biāo)樣，檢測了卷煙抽吸過程中重金屬的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率，巴金莎等[16]采用ICP-MS測定了煙葉中重金屬鉛向其主流煙氣的遷移率，崔德松等[17]采用ICP-MS測定了香煙、香煙灰和過濾嘴中重金屬的含量。本研究針對Cd、Pb、Hg、Cr四種元素，研究了土壤、煙葉、煙氣三者間含量的定量關(guān)系，并對吸煙過程中各重金屬元素的揮發(fā)量進(jìn)行分析，以期為煙葉安全生產(chǎn)措施的制定提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試化學(xué)試劑 Cd(NO3)2、Pb(NO3)2、Hg(NO3)2、Cr(NO3)3為分析純。供試烤煙品種為云煙85。供試土壤采自貴州省煙草科學(xué)研究所福泉基地的黃壤，經(jīng)風(fēng)干、細(xì)碎過5 mm篩，去除雜物后充分均勻備用。人工模擬污染土壤的制備：按試驗(yàn)設(shè)置濃度稱取化學(xué)試劑，與足夠量的備用土充分拌勻，然后噴施去離子水，保持土壤水分為田間持水量的70%左右，平衡10 d備用。試驗(yàn)中所用器皿均用1∶1硝酸浸泡，然后用去離子水沖洗干凈，烘干后貯藏備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取大田換土法進(jìn)行單一元素污染試驗(yàn)，即用模擬污染土換掉本土，換土深度為25 cm，寬度為30 cm。Cd和Hg的濃度設(shè)為0、0.5、1.5、2.5、4.5 mg/kg土，Pb和Cr的濃度設(shè)為0、50、150、300、600 mg/kg土，3次重復(fù)，共51個小區(qū)，每小區(qū)栽煙6株，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 取樣方法

模擬污染土充分平衡后各取1個混合樣，檢測重金屬含量。煙葉分別按小區(qū)取下部2～5位葉掛牌烘烤，然后將3個小區(qū)烤后葉混合且適當(dāng)平衡等級，每小區(qū)各取1個混合樣，將煙葉去主脈后分成兩份，一份作煙葉對應(yīng)重金屬檢測，另一份卷成帶嘴煙支作煙氣對應(yīng)重金屬檢測。

1.4 檢測方法

土壤和煙葉中重金屬的檢測均采用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法。土壤樣品檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17141、GB/T 17136、GB/T 17137；煙葉樣品檢測標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 5009.15、GB/T 5009.12、GB/T 5009.17、GB/T 5009.123。

煙支中重金屬的檢測參照上述煙葉檢測標(biāo)準(zhǔn)及馬名揚(yáng)等[14]的檢測方法。每個處理選質(zhì)量相近的10支用于本底值測定，10支用于殘留量測定。即首先對煙支各部分進(jìn)行準(zhǔn)確稱重后測定其重金屬本底值，然后測定煙支吸過后過濾嘴、煙頭和煙灰中的重金屬殘留量及其對應(yīng)部分的質(zhì)量。

1.5 計(jì)算公式

煙支中重金屬的本底值W本=（W試/W樣）×W，式中W試為1/3段煙支中含重金屬的量（μg/支）；W樣為1/3段煙支的質(zhì)量（g）；W為去掉過濾嘴整支煙的質(zhì)量（g）。

煙灰中重金屬殘留量W殘=（W試/W灰）×W總，式中 W殘為煙灰中重金屬的殘留量（μg/支）；W試為1份煙灰中含重金屬的殘留量（μg/支）；W灰為1份煙灰的質(zhì)量（g）；W總為1支吸過煙支的煙灰總質(zhì)量（g）。

煙支中重金屬的總殘留量（μg/支）=過濾嘴吸附量+煙頭殘留量+煙灰殘留量。

百分揮發(fā)量（%）=（燃燒部分揮發(fā)量/燃燒部分本底值）×100。

煙頭或過濾嘴吸附率（%）=（煙頭或過濾嘴吸附量/燃燒部分揮發(fā)量）×100。

2 結(jié) 果

2.1 Cd

2.1.1 含量 從表1可看出，隨土壤Cd處理濃度的增加，煙葉Cd濃度、煙支Cd本底值、煙支燃燒后的Cd揮發(fā)量（煙氣中Cd含量）及殘留量隨之增加，處理間差異極顯著。

2.1.2 相關(guān)性 在本試驗(yàn)中，煙氣Cd含量（Y）與土壤Cd濃度（X1）、煙葉Cd濃度（X2）；煙葉Cd濃度與土壤Cd濃度的線性關(guān)系良好，存在極顯著正相關(guān)，其回歸方程分別為Y = 0.5875X1+ 0.3779（R = 0.9446**）、Y = 0.4746X2- 0.2281（R =0.9964**）、X2= 1.2373X1+ 1.2784（R=0.9476**）。2.1.3 吸煙過程中 Cd的揮發(fā)量與吸附量 由表 2可見，在煙支燃吸過程中，各處理Cd的揮發(fā)量在73.95%～87.57%，處理間有一定差異，但隨處理濃度增加無明顯變化。煙頭和過濾嘴對Cd的吸附量較小，分別僅為揮發(fā)量的 9.72%～23.45%和5.38%～20.48%。

2.2 Pb

2.2.1 含量 由表3可見，在土壤Pb不同濃度下，煙葉及其煙支相應(yīng)部分 Pb含量處理間多存在顯著或極顯著差異。隨土壤 Pb濃度的增大，煙葉及其煙支相應(yīng)部分的含量變化無明顯規(guī)律。

2.2.2 相關(guān)性 在本試驗(yàn)中，煙氣 Pb含量與煙葉Pb濃度間存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01），對煙氣含量（Y）與煙葉濃度（X）進(jìn)行回歸分析，其回歸方程為 Y=0.2143X - 0.2014（R=0.9949**）。

2.2.3 吸煙過程中 Pb的揮發(fā)量與吸附量 由表 4可見，在煙支燃吸過程中，各處理 Pb的揮發(fā)量在16.65%～44.39%，處理間有一定差異，但隨處理濃度增加無明顯變化規(guī)律。煙氣通過煙頭和過濾嘴時，分別被吸附了 89.55%～96.37%和 18.23%～50.65%。

2.3 Hg

2.3.1 含量 由表5可見，在不同土壤Hg濃度下，處理間煙葉及其煙支相應(yīng)部分Hg含量多存在顯著或極顯著差異，隨土壤Hg濃度的增大，煙葉及其煙支相應(yīng)部分的Hg含量變化無明顯規(guī)律。

表1 土壤Cd不同處理濃度對其在煙葉和煙氣中含量的影響Table1 Effects of Cd content in soil on that in tobacco and smoke

表2 煙支燃燒部分Cd的揮發(fā)量與煙頭和過濾嘴的吸附量Table2 Volatile quantity of Cd in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

表3 土壤Pb不同處理濃度對其在煙葉和煙氣中含量的影響Table3 Effects of Pb content in soil on that in tobacco and smoke

表4 煙支燃燒部分Pb的揮發(fā)量與煙頭和過濾嘴的吸附量Table4 Volatile quantity of Pb in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

2.3.2 相關(guān)性 在本試驗(yàn)中，煙氣Hg含量與土壤Hg濃度、煙葉Hg濃度與土壤Hg濃度間相關(guān)性不顯著，煙氣Hg含量與煙葉Hg濃度間存在極顯著正相關(guān)，對煙氣含量（Y）與煙葉濃度（X）作定量關(guān)系分析，其回歸方程為Y = 0.4922X - 0.0034（R =0.9842**）。

2.3.3 吸煙過程中 Hg的揮發(fā)量與吸附量 由表 6可見，在煙支燃吸過程中，各處理Hg的揮發(fā)量在95.58%～100%，隨處理濃度增加呈增大趨勢。煙頭和過濾嘴對Hg的吸附量較小，分別僅為揮發(fā)量的0.8%～6.89%和2.03%～17.17%。

2.4 Cr

2.4.1 Cr含量 由表7可見，在不同土壤Cr濃度下，處理間煙葉及其煙支相應(yīng)部分 Cr含量存在顯著或極顯著差異，隨土壤 Cr濃度的增大，煙葉及其煙支相應(yīng)部分的Cr含量變化無明顯規(guī)律。

2.4.2 相關(guān)性 煙氣Cr含量與土壤Cr濃度、煙葉Cr濃度與土壤 Cr濃度間無顯著相關(guān)性，煙氣 Cr含量與煙葉 Cr濃度間存在極顯著正相關(guān)，對煙氣含量（Y）與煙葉濃度（X）作定量關(guān)系分析，其回歸方程為Y=0.0776X-0.0323（R=0.9841**）。

2.4.3 吸煙過程中Cr揮發(fā)量與吸附量 由表 8可見，在煙支燃吸過程中，各處理 Cr的百分揮發(fā)量在3.40%～15.91%，處理間有一定差異，但隨處理濃度增加無明顯變化規(guī)律。煙氣通過煙頭和過濾嘴時，分別被吸附了 90.99%～98.51%和 32.64%～63.68%。

表5 土壤Hg不同處理濃度對其在煙葉和煙氣中含量的影響Table5 Effects of Hg content in soil on that in tobacco and smoke

表6 煙支燃燒部分Hg的揮發(fā)量與煙頭和過濾嘴的吸附量Table6 Volatile quantity of Hg in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

表7 土壤Cr不同處理濃度對其在煙葉和煙氣中含量的影響Table7 Effects of Cr content in soil on that in tobacco and smoke

表8 煙支燃燒部分Cr的揮發(fā)量與煙頭和過濾嘴的吸附量Table8 Volatile quantity of Cr in the course of smoking and absorption capacity in cigarette butt and filter tip

3 討 論

重金屬在煙葉、煙氣中的含量與其土壤濃度有關(guān)[1,9,16,18]，不同重金屬元素在土壤-煙葉-煙氣中的定量關(guān)系亦有所差別。Cd在煙葉中的濃度、煙支本底值、煙支燃燒部分揮發(fā)量、煙支總殘留量均隨土壤處理濃度的增加而增加，不同處理間差異達(dá)到極顯著水平；不同處理濃度下Hg、Pb、Cr在煙葉及煙支相應(yīng)部分的含量亦存在顯著或極顯著差異，但隨處理濃度的增大無明顯變化規(guī)律。相關(guān)性分析表明，Cd元素在土壤、煙葉、煙氣中的含量兩兩間存在極顯著正相關(guān)，即煙葉或煙氣中含量高低主要取決于土壤濃度，所以，種植烤煙時要盡量選擇 Cd含量較低的區(qū)域，不要使用城市廢棄物等，因?yàn)槌鞘袕U棄物可使土壤重金屬含量增加，導(dǎo)致煙葉中的Cd濃度升高，從而增加煙氣中的Cd含量[9,19]；Hg、Pb、Cr三種元素的煙氣含量與煙葉濃度間均呈極顯著正相關(guān)，與土壤濃度間相關(guān)性不顯著，說明煙氣中含量高低主要取決于煙葉濃度。

目前，對煙氣重金屬檢測有直接檢測法和間接檢法，直接檢測法是以主流煙氣為主；間接檢測法包含主流煙氣和側(cè)流煙氣，除分析對吸煙者的影響外，還可分析對環(huán)境和其他人的影響[11-12,14]。本研究采用間接檢測法研究了吸煙過程中Cd、Pb、Hg、Cr四種元素的揮發(fā)性與吸附性，在煙支燃吸過程中，Cd、Pb、Hg、Cr的平均揮發(fā)量（煙氣重金屬含量占煙支重金屬含量的百分率）分別為79.66%、30.3%、97.39%、9.55%，煙氣通過煙頭時，煙氣中的重金屬分別被吸附了15.03%、93.42%、4.41%、95.54%，通過過濾嘴時又分別被吸附了 11.91%、36.31%、10.06%、51.74%。由此可見，煙頭和過濾嘴對Cd和Hg的吸附量較小，而Pb和Cr經(jīng)煙頭和過濾嘴吸附后，其總吸附量已超過燃燒部分的揮發(fā)量。重金屬的揮發(fā)性和吸附性與其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)密切相關(guān)。Hg的熔點(diǎn)-38.7 ℃、沸點(diǎn)357 ℃；Cd的熔點(diǎn)320 ℃、沸點(diǎn)767 ℃；Pb的熔點(diǎn)327 ℃、沸點(diǎn)1525 ℃；Cr的熔點(diǎn)1857 ℃、沸點(diǎn)2672 ℃。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[20]，當(dāng)卷煙在燃吸瞬間，其燃燒錐的溫度可高達(dá)700～800 ℃，而自然燃燒時溫度低于400 ℃。Hg和Cd因揮發(fā)溫度比較低，在吸煙的瞬間或自燃過程中均可揮發(fā)，揮發(fā)量較大。Pb和Cr的揮發(fā)溫度較高，開始揮發(fā)主要發(fā)生在煙支被吸瞬間，而在煙支自然燃燒時達(dá)不到其揮發(fā)溫度，因此在煙支燃吸過程中的揮發(fā)量較小。該結(jié)果與馬名揚(yáng)等[14]的研究結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

Cd在煙葉及煙支相應(yīng)部分的含量隨土壤Cd處理濃度的增加而極顯著增加，土壤、煙葉、煙氣中的Cd含量兩兩間呈極顯著正相關(guān)；不同處理下Hg、Pb、Cr在煙葉及煙支相應(yīng)部分的含量亦存在顯著或極顯著差異，三種元素的煙氣含量與煙葉濃度呈極顯著正相關(guān)，為煙葉安全生產(chǎn)措施的制定提供了參考依據(jù)。

在煙支燃吸過程中，Cd和Hg的揮發(fā)性較大，煙頭和過濾嘴的吸附量較?。籔b和Cr則反之。

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