我國小麥鎳的污染調(diào)查及健康風險評估

顧豐穎 丁雅楠 朱金錦 孫倩倩 張 瑞 王 鋒

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，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、水腫和細胞紊亂等癥狀存在密切關系[2-4]。國際癌癥研究中心(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，不可避免地會造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染。2014年我國環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤中鎳元素的點位超標率高達4.8%，僅次于鎘元素[6]。研究表明，土壤等環(huán)境中的鎳會向農(nóng)作物遷移富集，谷物、堅果、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險隱患。

小麥是我國最主要的農(nóng)作物之一，也是我國北方居民重要的主食原料。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2020年我國小麥產(chǎn)量已達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，我國部分地區(qū)小麥籽粒中鎳含量偏高[9]。有研究認為，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，存在非致癌健康風險[10]。谷物中的鎳主要以Ni2+的化合物形式存在[11]，致癌性更強。因此有必要了解我國小麥鎳的攝入暴露量及其可能存在的健康風險。

為充分了解我國小麥鎳暴露及其對人群健康的影響，本研究收集北方冬麥區(qū)、南方冬麥區(qū)和春麥區(qū)3個小麥主產(chǎn)區(qū)3 444份樣品，分析小麥籽粒鎳污染水平，評估我國各地區(qū)不同人群的小麥鎳暴露水平及膳食鎳暴露導致的人群健康潛在危害風險，旨在為我國飲食健康風險評價提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2017—2018年在我國小麥主產(chǎn)縣區(qū)多個合作社收集小麥樣品共計3 444份，包括北方冬麥區(qū)2 041份，主要來源于山東省、河南省以及河北省和陜西省長城以南部分地區(qū)；南方冬麥區(qū)814份，主要來源于江蘇省、四川省和安徽省部分地區(qū)；春麥區(qū)589份，主要來源于新疆維吾爾自治區(qū)以及河北省和陜西省長城以北部分地區(qū)。每份樣品以(合作社)地塊為單位按5點法取樣后混合均勻，取樣量不低于1 kg，于自封袋密封保存。

小麥標準物質(zhì)GBW10046(GSB-24)，鎳標準值0.11 μg·kg-1，中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所。65%濃硝酸(BV-Ⅲ)、30%過氧化氫(BV-Ⅲ)，北京化學試劑研究所。

1.2 儀器與設備

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 試驗方法

1.3.1 樣品預處理 用于檢測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，不含待測的重金屬)粉碎，過40目篩，平均分成兩份，標注正樣和副樣。正樣用于鎳含量檢測，副樣于-18℃冷凍留存以備數(shù)據(jù)復核。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。

1.3.2 小麥鎳含量測定 參考《GB 5009.138-2017 食品安全國家標準 食品中鎳的測定》[12]，采用石墨爐原子吸收光譜法測定小麥籽粒中的鎳含量。為確保檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，樣品消解過程中，小麥標準物質(zhì)和空白樣本與樣品以同樣的方法進行制備，每檢測10個小麥樣品插入標準物質(zhì)及空白樣本，用于校正儀器并檢測分析期間潛在的樣品污染。每個樣品設3個重復。方法檢出限為0.02 mg·kg-1。

1.3.3 小麥鎳暴露量評估 考慮不同人群面制品食用量和產(chǎn)品中鎳含量的差異，應用蒙特卡洛模擬方法估算我國居民經(jīng)口對食物中鎳的單位體重日均暴露量(average daily dose, ADD)范圍。ADD的預測參考美國環(huán)境保護署(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)查結果，C的分布呈對數(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)時間(年)，取定值成人70年、兒童9年；AT為平均暴露時間(d)，AT=ED×365[13-14]。IR和BW使用三角分布計算[14]，具體參數(shù)含義及數(shù)值見表1。

表1 我國小麥鎳暴露量及人群健康風險評估模型參數(shù)Table 1 Parameter values for human health risk assessment model of cadmium contamination in rice

1.3.4 人群健康風險評估 本研究應用USEPA的暴露劑量-反應外推法中的致癌物與非致癌物風險模型[公式(2)～(3)][17-19]，分別從非致癌風險及致癌風險兩方面評價小麥鎳暴露導致的健康風險。

非致癌污染物風險模型：

(2)

致癌物風險模型：

(3)

式中，Rn代表小麥鎳食物暴露導致的非致癌健康危害的個人平均年危險(年-1)；Rn代表小麥鎳食物暴露導致的致癌健康危害的個人平均年危險(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)美國環(huán)保署綜合風險信息系統(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]。國際放射防護委員會(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推薦的最大可接受(非致癌或致癌)年風險水平均為5.0×10-5年-1，Rn或Rc超過該值代表對人類具有顯著的非致癌或致癌健康影響[17-19]。

1.4 統(tǒng)計學分析

所有樣本數(shù)據(jù)進行3次測定，采用SPSS 23.0軟件中的單因素方差分析和Dunnett’s T3多重比較法對試驗結果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結果以平均值±標準差表示，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軟件進行蒙特卡洛模擬，試驗次數(shù)10 000次；采用OriginPro 2016軟件進行曲線擬合和圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 小麥鎳含量的總體分析

小麥鎳含量的檢測分析結果見表2和圖1，所收集3個產(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數(shù)正態(tài)分布，各產(chǎn)區(qū)鎳含量均相對集中在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)結果的影響，采用地區(qū)產(chǎn)量加權的方式對小麥鎳含量的平均值進行校正，即根據(jù)2019年我國各省地區(qū)小麥產(chǎn)量占比(數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局)計算3個產(chǎn)區(qū)小麥產(chǎn)量的占比，作為校正因子對總體小麥鎳含量的平均值及超標率進行加權計算。加權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《GB 2762-2017食品安全國家標準 食品中污染物限量》[21]規(guī)定的食品(以油脂及其制品計)中鎳的限量標準(1 mg·kg-1)計算，經(jīng)加權計算小麥鎳含量的總體超標率為1.46%，南方冬麥區(qū)超標率最高，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)計結果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

2.2 小麥鎳的人群暴露量評估

結合調(diào)查獲得的全麥籽粒鎳含量以及2002年我國居民膳食營養(yǎng)健康監(jiān)測的食物消費量數(shù)據(jù)[15-16](表1)，利用蒙特卡洛隨機抽樣模擬法估計我國成人及6～9歲兒童的小麥鎳單位體重日均暴露量(ADD)。結果顯示(表3)，我國成人和兒童小麥鎳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，認為鎳暴露可能與潛在的不良健康風險有關[23]。RfD取值受評價方法、人群敏感性差異等因素影響，不同機構鎳的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]、美國加利福尼亞州環(huán)境健康危害評估辦公室(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RfD取值，計算了蒙特卡洛模擬獲得的10 000個小麥鎳ADD值中超過RfD值的數(shù)量占比，代表該評判標準下的超限人群概率(P)(表3)。結果顯示，按照IRIS的0.02 mg·kg-1·d-1標準，有0.02%的兒童ADD值超過RfD；若使用更嚴格的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，長期的小麥鎳暴露可能導致重點地區(qū)和兒童人群潛在健康風險增加，應引起監(jiān)管部門重視。

2.3 小麥鎳的健康風險評價

本研究采用蒙特卡洛模擬方法，將ADD值的不確定性帶入USEPA的暴露劑量-反應外推模型，基于全麥籽粒中的鎳含量估算小麥鎳暴露所致健康風險的不確定性，結果以模擬風險值的累計概率分布情況呈現(xiàn)(圖2)。據(jù)分析，我國3個產(chǎn)區(qū)小麥鎳暴露所致非致癌健康危害的個人平均年危險(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模擬值均遠低于國際輻射防護委員會(International Commission on Radiological Protection, ICRP)推薦的最大可接受年風險水平5×10-5/年[17-19]。說明長期的小麥鎳暴露不會對我國居民產(chǎn)生致敏性、細胞毒性、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險分布Fig.2 Non-carcinogenic and carcinogenic risk distribution of nickel in wheat grain

從鎳化合物可能導致癌癥風險的角度分析，各產(chǎn)區(qū)小麥鎳暴露所致致癌健康危害的個人平均年危險(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)。說明按照該標準評估，長期的小麥鎳暴露對我國大部分成人和兒童不存在致癌健康風險。但鎳暴露量超過4.17×10-3mg·kg-1·d-1時可能存在致癌性健康風險，鎳暴露水平最高的南方冬麥區(qū)小麥對成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風險的概率分別為1.59%和3.80%，鎳暴露水平最低的春麥區(qū)小麥對成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風險的概率分別為0.16%和0.54%。從總體來看，3個產(chǎn)區(qū)小麥對成人和兒童產(chǎn)生致癌健康風險的概率分別為0.63%和1.62%。

3 討論

據(jù)報道，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)查結果顯示，我國小麥鎳平均含量為0.225 mg·kg-1，與上述報道水平相近，但不同產(chǎn)區(qū)間存在差異。從空間分布上看，我國小麥鎳污染水平呈南高北低趨勢，這可能與我國耕地土壤背景值有關。據(jù)報道我國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率較高[31]。另外，工業(yè)化、城市化進程較高的地區(qū)鎳污染水平可能較高[32-33]。

本次調(diào)查考慮到我國小麥種植區(qū)域廣泛、飲食差異大等帶來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，分析了我國成人和兒童小麥鎳暴露量及風險值的分布情況，相比確定性模型獲得的結果更加全面[34]。根據(jù)本次調(diào)查結果，我國小麥鎳含量集中在相對較低水平，基于全麥籽粒鎳含量進行的健康風險評估顯示，我國95%以上人群不存在小麥鎳暴露健康風險。一般認為谷物麩皮對重金屬的富集較高，相對籽粒，面粉中重金屬含量可能下降，重金屬暴露導致的健康風險降低。

另一方面，本研究調(diào)查結果顯示少數(shù)小麥樣品鎳含量過高，最高值達4.779 mg·kg-1，存在偶發(fā)性的點污染情況，一些采樣點可能臨近工礦區(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險增加。2020年EFSA最新發(fā)布的食品和飲用水中鎳風險評估報告顯示，相對豆類、堅果和油籽產(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率分別達10%～25%和10%～50%。對于以谷物膳食為主的陜西地區(qū)，這一貢獻甚至高達50%～80%[35-36]。近年來全谷物越來越受到廣大消費者認可，消費量和關注熱度迅速增長。鎳污染小麥可能造成健康隱患，但目前我國僅針對油脂及其制品規(guī)定了鎳的限量(1 mg·kg-1)標準[21]，對其他糧油產(chǎn)品沒有限定。為有效降低鎳等重金屬的膳食暴露風險，有必要對糧食及其制品的鎳暴露進行持續(xù)的監(jiān)管和監(jiān)測，按照不同加工程度的產(chǎn)品制定鎳的限量標準，對糧食及其制品中的鎳含量進行分級分類管控。因膳食重金屬暴露所致健康風險還存在多來源、多元素積累效應及人群敏感性差異，本研究結果還存在一定局限性，需在后續(xù)工作中進行深入研究。

4 結論

我國3個小麥產(chǎn)區(qū)3 000余份樣品調(diào)查結果顯示，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個產(chǎn)區(qū)，平均值為0.331 mg·kg-1。膳食暴露評估結果顯示，我國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。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?；谌滄嚭窟M行的健康風險評估結果顯示，小麥鎳暴露不會對我國大部分居民產(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需求的不斷增加，建議加快推進全谷物及其制品重金屬暴露健康風險評估研究，促進高風險糧食及其制品中鎳限量標準的建立。