糧食中重金屬鉛離子、鎘離子的污染現(xiàn)狀及對人體的危害

郭健　姚云　趙小旭　柳家鵬　王濤　劉美辰　蒙少華

[摘要]近年來食品安全事件頻發(fā)，重金屬污染是長期困擾食品安全的影響因素之一。重金屬元素分布廣泛、種類繁多，本文在國內(nèi)外相關研究成果的基礎上，主要針對空氣、水、土壤中重金屬鉛（Pb）、鎘（cd）污染的現(xiàn)狀，以及重金屬鉛離子（Pb²⁺）、鎘離子（cd²⁺）對糧食污染的影響進行闡述。

[關鍵詞]糧食；重金屬；鉛；鎘

中圖分類號：X836 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180304

20世紀以來，我國人口數(shù)量大幅度增長，采礦、冶煉、鉛蓄電池、皮革及其制品、化學原料及其制品五大行業(yè)的工業(yè)化進程不斷加快，農(nóng)用化學品的大量使用及城市污水肆意排放，使得農(nóng)田土壤重金屬污染日趨嚴重。重金屬污染就是由重金屬過量累積引起的污染，是導致環(huán)境惡化的一個重要因素，即使痕量的重金屬污染物進入人體也會對人體造成極大的危害。社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展以及生活質(zhì)量的不斷提高，人們對食品安全問題愈發(fā)關注。

1重金屬概況

1.1理化性質(zhì)

重金屬是指比重在5.0以上，與污染相關，具有生態(tài)毒性和潛在毒性的金屬和準金屬。在相關的科學研究中，將鈹（Be）、鋁（A1）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（cu）、鋅（Zn）、鉬（Mo）、銀（Ag）、鎘（cd）、錫（sn）、鋇（Ba）、汞（Hg）、鉛（Pb）等均稱為重金屬，一些與金屬具有相似性質(zhì)的準金屬如砷（As）、硒（se）等也被稱為重金屬。其中，鉻（cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）和砷（As）是對人體健康危害最嚴重的5種重金屬。

1.2鉛（Pb）

鉛（Pb）分布廣泛，易提取、易加工，具有質(zhì)地柔軟、延展性強、熔點低等特點。鉛是人類使用最早的金屬之一，公元前3000年，人類已經(jīng)能從礦石中熔煉鉛，商殷至漢代，青銅器中鉛的含量逐漸增大。鉛作為最古老的重金屬之一，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，大部分以廢水、廢氣、廢渣等形式排放到空氣、水和土壤中。從1980年代中開始，鉛的應用開始驟然下降，其主要原因是鉛對環(huán)境的污染。如今，汽油、染料、焊錫和水管一般都不再含鉛。

1.3鎘（Cd）

鎘（Cd）是一種稀有元素，呈白色，是作為副產(chǎn)品從鋅礦石或硫鎘礦石中提煉出來的，常用于電鍍，保護其他金屬免受腐蝕，如鐵制品、電鍍鋼、銅及其他合金。鎘可以用來制造體積小、電容量大的電池，還可以用來制造亮黃色顏料，用于高級油漆和繪畫顏料。

2重金屬的污染現(xiàn)狀

空氣、水、土壤中潛在的重金屬污染無處不在，嚴重影響了人們的生活質(zhì)量和身體健康。重金屬對環(huán)境的污染具有長期性、累積性、潛伏性和不可逆性等特點，對自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈的危害極大，治理成本高、周期長。

2.1大氣中重金屬鉛、鎘的污染現(xiàn)狀

人類活動產(chǎn)生的含有重金屬的粉塵或有害氣體，是大氣中重金屬鉛、鎘污染的主要原因，如金屬冶煉、汽油燃燒和水泥制造等排入空氣的大量顆粒沉積物。重金屬污染的有害粉塵會隨著自然沉降、風力作用等過程發(fā)生遷移，沉積在屋頂、陽臺或路面，沉積的粉塵亦可隨風力作用重新回到大氣中，影響空氣質(zhì)量，或是直接沉積在水體和土壤中，嚴重影響水體和土壤質(zhì)量。

Freiie等對阿拉伯海灣附近的空氣質(zhì)量進行研究，發(fā)現(xiàn)大氣中重金屬污染最嚴重的是鉛污染，巴林地區(qū)鉛污染的比例高達35%。隨著無鉛汽油的廣泛使用，附近空氣鉛污染比例有所下降，但仍比其他重金屬含量高。Hu等研究了北京地區(qū)降雪中重金屬的含量，結果顯示鉛的含量是標準限值的4.29倍，超標嚴重。Wei等對北京高密度交通區(qū)、居住區(qū)、教育區(qū)和旅游區(qū)的粉塵進行采樣，測定粉塵中鉻、銅、鋅、鎘和鉛的濃度，與其他城市對比后發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)整體重金屬含量處于中等水平，但鎘含量處于重度污染狀態(tài)。Chen等研究了天津市PM2.5中的重金屬含量，其中鎘的含量是國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準中規(guī)定標準含量的1.3倍。Xinwei等測定了西安城市幼兒園附近粉塵中重金屬的污染程度，結果表明鉛污染最嚴重。

2.2水體中重金屬鉛、鎘的污染現(xiàn)狀

Bhuiyan等針對孟加拉國西北部的煤礦區(qū)，對其附近水體的重金屬污染程度進行研究，結果表明，有55%的礦井排水、灌溉水域處于中、高度污染水平，有50%的地下水處于高度污染水平，并且靠近煤礦區(qū)附近的水體，其重金屬污染程度遠遠高于其他地區(qū)。Islam等研究了孟加拉國城市地表水和河流沉淀物中重金屬的污染狀況，Korotoa河水中重金屬的含量測定結果顯示，該水域重金屬污染以鉛和鎘的含量最高。中國作為典型的發(fā)展中國家，隨著工業(yè)的蓬勃發(fā)展，冶金、采礦、電鍍等行業(yè)的工業(yè)廢水排放量也大大增加，導致水體中重金屬的含量急劇增加，水體環(huán)境受到嚴重污染。我國城市和農(nóng)村生活污水排放量每年超過60億萬t，大部分未經(jīng)處理的污水直接排入河流湖泊中，導致地表水污染程度顯著上升。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國江河湖庫的重金屬污染率已高達80.1%，黃河、松花江等十大流域重金屬含量嚴重超標，黃河水系中鎘含量為16.7%。Ning等調(diào)查研究了山東玲瓏礦區(qū)附近的地表水中重金屬的含量，研究表明，地表水中鎘的含量高于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準。Wang等評估了青島錦州灣海水的重金屬污染程度，結果表明鉛、鎘的含量均超過了中國海水水質(zhì)一級標準，鎘的污染程度最為嚴重，占總比例的25%。

2.3土壤中重金屬鉛、鎘的污染現(xiàn)狀

污水灌溉是土壤中重金屬污染的主要原因，大氣沉降以及垃圾堆放也會造成一定的影響。Bermea等評估了墨西哥城區(qū)135個不同地區(qū)的城市土壤，研究表明，鉛是城市土壤中含量極高的重金屬，污染指數(shù)高達23.8。Han等采集了沈陽至哈爾濱高速公路附近的土壤樣本，分析其重金屬污染程度，結果表明，在該高速公路附近的土壤樣本中，鉛是主要污染物，距公路20～40m范圍內(nèi)是重金屬污染最嚴重的區(qū)域。Xu等研究了嘉興、長江三角洲、珠江三角洲區(qū)域土壤中重金屬的污染程度，結果顯示鎘污染覆蓋的區(qū)域占總比例的0.74%。Liu等評估了江西省樂安河沿岸土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀，研究發(fā)現(xiàn)，土壤中鎘和鋅的污染最嚴重，主要是由于大量的冶煉廢水進入水體，居民長期使用重金屬污染的水灌溉土壤導致的。

3糧食中重金屬離子污染現(xiàn)狀

3.1玉米中重金屬離子污染現(xiàn)狀

陸素芬等研究了廣西南丹縣糧食作物玉米籽粒的重金屬離子含量，結果表明，玉米中鉛離子、鎘離子的超標率分別為28.3%和8.4%。研究表明，在鎘污染下，玉米籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量均會發(fā)生變化。曹瑩等研究了鎘對玉米籽粒品質(zhì)的影響，結果表明，隨著土壤中鎘濃度的增加，玉米籽粒中的蛋白質(zhì)和脂肪含量均呈先升高后降低的趨勢，玉米籽粒淀粉含量呈先降低后升高的趨勢。生長在鎘脅迫環(huán)境中的玉米具有一定的適應性，適應的主要途徑是通過體內(nèi)合成一類與鎘特異結合的蛋白質(zhì)或多肽，從而減輕鎘毒害。

3.2小麥中重金屬離子污染現(xiàn)狀

李波等對滬寧高速公路兩側的小麥進行重金屬監(jiān)測，研究結果表明，公路兩側250m范圍內(nèi)的小麥受到不同程度的鉛污染，小麥籽粒中鉛離子含量超標率達99%以上。朱昊等通過隨機采集蘇中地區(qū)43組小麥籽粒樣本，測定其中鉛離子、鎘離子含量，結果發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒樣本中鉛離子、鎘離子超標率分別為4.65%、27.9%。李穎等分析了邯鄲市某冶煉廠周邊小麥重金屬污染情況，結果表明，小麥中鉛離子和鎘離子的含量均出現(xiàn)了不同程度的超標現(xiàn)象，小麥體內(nèi)重金屬離子污染程度與距冶煉廠的距離有明顯的相關性，污染指數(shù)隨著距離增加而降低。周秋峰等以室內(nèi)水培實驗和田間試驗系統(tǒng)研究了鉛、鎘脅迫對小麥生長發(fā)育及生理指標的影響，結果表明，低濃度的重金屬離子在一定程度上促進小麥種子的萌發(fā)，而高濃度則對小麥種子萌發(fā)表現(xiàn)為強烈的抑制作用。

3.3稻米中重金屬離子污染現(xiàn)狀

稻米是世界上最主要的糧食之一，為人體提供總熱量攝入的35%～60%。但由于鎘污染嚴重，鎘污染后的大米利用率大大降低。2002年，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心對全國市售稻米進行了抽檢，結果顯示，稻米中超標最嚴重的是鉛離子，超標率28.4%，其次為鎘離子，超標率10.3%。甄燕紅等對國內(nèi)部分市場的精米進行隨機取樣，測定樣本中鎘離子的含量，結果顯示91個樣本中10%的鎘離子含量超標。后又對南京市農(nóng)貿(mào)市場的水稻和雜糧進行了隨機抽樣和測定，測定結果表明雜交稻中鎘離子含量偏高，且有超過50%的雜糧樣本中鎘離子含量超標。隨后，他們對江西、湖南、安徽和廣東等我國南方典型水稻產(chǎn)區(qū)部分市場和污染地區(qū)隨機抽樣大米樣本，檢測結果表明，70份樣本中70%的鎘離子含量超標。

4重金屬鉛離子、鎘離子對人體的危害

水體、土壤及農(nóng)田的重金屬污染是造成蔬菜、水果和糧食等農(nóng)產(chǎn)品中重金屬離子含量超標的主要原因，其次是大氣污染。重金屬鉛、鎘主要是通過食物和呼吸進入人體，農(nóng)產(chǎn)品中重金屬離子不會造成人們急性中毒，但重金屬通過食物鏈在人體內(nèi)不斷積累，進而影響人體健康。因此，在環(huán)境中盡管重金屬的起始濃度很低，但通過食物鏈或生物體的富集放大作用后其含量可提高百倍甚至更高，從而增加了重金屬離子對生物體，特別是人體健康的潛在危害。

4.1重金屬離子鉛（Pb²⁺）對人體的危害

重金屬離子鉛對人體健康有巨大的毒害作用且沒有任何有益的功能，可通過食物、飲用水和空氣進入體內(nèi)，對神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼造血機能、消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等均有危害。特別是大腦處于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育敏感期的兒童，對鉛有特殊的敏感性，極易造成兒童發(fā)育遲緩等不良后果。有研究表明，隨鉛污染程度的加大，兒童的智力低下發(fā)病率會升高，兒童體內(nèi)血鉛每上升10μg/100mL，兒童智力則下降6～8分。1985年美國國家疾控中心制定的兒童鉛中毒的標準為0.25μg/mL，經(jīng)過一系列的研究顯示，血鉛水平在0.10～0.25μg/mL范圍內(nèi)，也會對兒童的智力發(fā)育產(chǎn)生不良影響，因此1991年該標準的限量變更為0.10μg/mL。對于造血系統(tǒng)，鉛可以打破鈣和鐵的平衡，通過取代亞鐵螯合酶中的鐵從而破壞鐵與血紅蛋白的結合，這是導致貧血的原因之一；對于消化系統(tǒng)，鉛中毒會損傷肝臟，甚至出現(xiàn)肝硬化或壞死；對于腎臟及生殖系統(tǒng)，世界衛(wèi)生組織（WTO）報告認為，血鉛水平達70μg/100mL以上的長期鉛接觸，會導致難以治愈的慢性鉛性腎??；對于免疫系統(tǒng)，四乙基鉛可使白細胞數(shù)減少，導致白細胞的吞噬能力下降，從而降低機體的免疫力。無機鉛和有機鉛均有三致作用（致畸、致癌、致突變），其中無機鉛可引起果蠅的基因突變等。

4.2重金屬離子鎘（Cd²⁺）對人體的危害

重金屬離子鎘是糧食污染中一種常見的重金屬?？扇苄枣k化合物屬中等毒類，和其他金屬毒物一樣，能抑制人體內(nèi)的各種巰基酶系統(tǒng)，使組織代謝發(fā)生障礙，也能損傷局部組織細胞，引起炎癥和水腫。研究發(fā)現(xiàn)鎘被吸收進入血液后，絕大部分與血紅蛋白結合存在于紅細胞中。之后逐漸進入肝腎等組織，并與組織中的金屬疏蛋白結合。鎘很易蓄積在人體的腎臟、骨組織、眼睛和其他器官組織中，尤其在腎臟和骨組織中的蓄積現(xiàn)象最為嚴重，可引發(fā)腎衰竭、易碎性骨折等疾病，威脅人體健康。鎘還會影響鈷、銅、鋅等微量元素的代謝，阻礙血紅蛋白的合成。鎘進入呼吸道會引起肺氣腫、肺炎等肺部疾病，進入消化系統(tǒng)則引起腸胃炎癥。鎘在體內(nèi)還可損傷血管，導致組織缺血，引起多系統(tǒng)的損傷。鎘中毒者常有貧血癥狀的發(fā)生，人體骨骼中過量鎘的蓄積會導致骨骼軟化、變形、骨折甚至萎縮。鎘中毒還會引發(fā)癌癥。

5結論

近年來，食品安全對人類健康造成嚴重威脅，確保飲食安全勢在必行。面對越來越嚴峻的環(huán)境污染所引發(fā)的糧食安全問題，迫切需要建立一種快速、高效、便捷的重金屬離子殘留檢測技術，以便在農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域生產(chǎn)規(guī)劃、上市銷售許可及深加工等環(huán)節(jié)進行大量及時的篩查檢測，確保糧食的食用安全。