工業園區周邊植物對重金屬的積累特性及健康風險評價

戴慧嫻 雷雷佳 徐瑞 汪溪遠

摘要：采集新疆維吾爾自治區某工業園區及周邊不同區域優勢植物的地上和地下部分，分析統計植物樣品地上和地下部分中的砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種重金屬含量，通過計算植物對重金屬的富集系數和轉運系數，綜合評估植物對土壤的修復應用潛力。結合健康風險評價模型對調查區域人群在不同暴露途徑下的健康風險進行評價。結果表明，調查區域優勢植物以草本植物為主，蘆葦富集、轉運Cr的能力較強，花花柴富集Cd、Zn的能力較強，鹽穗木富集Cd的能力較強。琵琶柴屬于根部囤積型植物，梭梭、小麥、花花柴、堿蓬、檉柳均屬于規避型植物，這兩類植物可種植在工業園周邊和農田區域，降低重金屬對人類的危害。人的途徑（即手-口）是土壤重金屬可能產生致癌健康風險的主要途徑。重金屬對兒童和成人產生的致癌風險指數TCR在10-4～10-6范圍內，調查區域總體無致癌風險。4個調查區域致癌風險指數TCR數值大小順序為企業周邊區域＞農田區域＞過渡帶區域＞自然荒漠區域。

關鍵詞：重金屬；積累；健康風險評價

隨著我國工業的快速發展，在取得經濟效益的同時也帶來了環境問題[1]。工業生產過程中排放的大量廢棄物加劇了當地環境污染，如重金屬污染物在周邊土壤、植物中長期積累富集和遷移，不僅對當地生態環境產生潛在風險，還對周邊居民的健康構成威脅[2-3]。有研究表明，工業園區周邊的土壤、植物受重金屬污染的可能性相對較高[4]。目前，專家學者對我國沿海及中東部等工業和經濟發達地區的重金屬污染研究較多，而對干旱地區的重金屬污染的研究較少[5-7]。對重金屬污染的研究主要集中于單一區域以及少量重金屬元素污染風險特征的調查，對多區域、多種重金屬元素綜合在植物體內的積累特性和對人體健康風險的研究較少。

植物修復技術是目前國際上最受關注的研究領域之一，相對于傳統的物理、化學方法，植物修復技術具有原位、經濟、綠色等優勢，是治理土壤重金屬污染的有效方法[8-9]。目前，諸多學者針對礦區、工業園區周邊優勢植物的重金屬累積、富集遷移能力等開展了大量研究，Nadal等[10]通過對西班牙塔拉戈納縣工業基地的土壤、芥菜樣品中重金屬含量、健康風險進行了分析和評估，發現在芥菜樣本中只有釩的濃度在不同采集點之間存在明顯差異；李俊凱等[11]對江蘇省南京市鉛鋅采礦場的優勢植物進行分析，得出井欄邊草（Pteris multifida）和絡石（Trachelospermum?jasminoides）對Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn均表現出較強的富集能力。

本研究以新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）某工業園區及周邊的植物為研究對象，利用富集系數、轉運系數確定優勢植物中可能存在的超富集植物，為修復被重金屬污染的土壤提供科學依據。同時，結合健康風險評價模型，揭示調查區域未來可能存在的人類致癌風險，以期為該工業園區及周邊的環境治理和人群基本健康提供參考。

1? 材料和方法

1.1? ?調查區域概況

調查區域為新疆某工業園區，位于新疆烏魯木齊市北郊位置，距烏魯木齊市中心55 km左右，與新疆吉木薩爾縣、烏魯木齊市米東區毗鄰，與博格達峰、準格爾盆地相接。該工業園區以石油化工為主導產業，石化、化工、橡膠、煤電等工業企業聚集。調查區域光熱資源充足，屬溫帶大陸性氣候，降水量少，蒸發量大，日照充足，年平均降水量為216.4 mm，年平均蒸發量為2 324.6 mm。

1.2? ?樣品采集和分析方法

根據調查區域內的土地利用途徑，將調查區域劃分為4個類型：企業周邊區域（A）、自然荒漠區域（B）、農田區域（C）、過渡帶區域（D），樣點分布見圖1。結合網格法、隨機法共布設53個采樣點，每個樣點周邊取3個樣方為平行樣方，選取樣方內的優勢植物種類，采集其地上和地下部分，編號后帶回實驗室進行相關指標測定。

1.3? ?重金屬含量的測定

植物中砷（As）、汞（Hg）含量的測定參照《GB/T 22105-2008土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》，用原子熒光光度計（BAF-2000型，北京寶德儀器有限公司生產）進行測定[12]；用四酸消解法（硝酸、氫氟酸、高氯酸、鹽酸）處理植物樣品[13]，用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，聚光科技股份有限公司生產）測定植物樣品中的Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量[14]。

1.4? ?數據處理

采用R4.01軟件對數據進行統計、Origin 2018軟件進行相關數據的計算與繪圖。

1.5? ?健康風險評價方法

1.5.1 模型選擇 采用US EPA健康風險評價模型對4個調查區域中8種重金屬元素在3種暴露途徑下兒童和成人的日平均暴露量進行計算[15]，計算公式如下：

手-口攝入途徑日均暴露量ADDing：

呼吸攝入途徑日均暴露量ADDinh：

皮膚接觸攝入途徑日均暴露量ADDderm：

總日均暴露量ADDtotal（mg·kg-1·d-1）：

公式（1）～（4）中，暴露評價參數見表1[16]。

1.5.2 致癌風險 4個調查區域土壤中8種重金屬元素的潛在致癌風險商（CR）、致癌風險指數（TCR）[17]計算公式分別如下：

公式（5）～（6）中，ADD為致癌重金屬日均暴露量，SF為斜率系數。根據US EPA及相關研究資料，各種暴露途徑的SF見表2[18]。由于健康評價方法中As、Cd、Cr、Ni的致癌斜率值可獲得，其余4種重金屬元素致癌斜率值缺失，故本研究只對As、Cd、Cr、Ni進行致癌風險評估。

1.6? ?植物對重金屬富集、轉運的特征

1.6.1? ?富集系數

1.6.2? ?轉運系數

2? 結果與分析

2.1? ?調查區域植物的重金屬含量

研究顯示，4個調查區域優勢植物種類（表3）共有15個，7科，15屬，其中菊科3種（花花柴屬、絹蒿屬、向日葵屬），藜科4種（堿蓬屬、豬毛菜屬、鹽穗木屬、梭梭屬），禾本科3種（蘆葦屬、小麥屬、玉蜀黍屬），檉柳科2種（琵琶柴屬、檉柳屬），錦葵科1種（棉屬），葫蘆科1種（西瓜屬），楊柳科1種（柳屬）。調查區域的植物主要為一年生草本、多年生草本、小型灌木及喬木，其中草本植物10種，約占67%，說明草本植物在本次調查的4個區域中分布廣泛、具有較強的適應性和抗性。

上述植物樣品中的重金屬含量見圖2。植物地上部分As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni含量的變化范圍分別為0.33～1.53 mg·kg-1、4.63～71.63 mg·kg-1、0.02～0.33 mg·kg-1、0.01～0.07 mg·kg-1、0.08～1.27 mg·kg-1、6.00～15.14 mg·kg-1、18.97～51.89 mg·kg-1、1.62～7.21 mg·kg-1；植物地下部分As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni含量的變化范圍分別為0.34～2.69 mg·kg-1、9.42～73.99 mg·kg-1、0.10～0.22 mg·kg-1、0.009～0.039 mg·kg-1、0.16～2.95 mg·kg-1、4.66～23.28 mg·kg-1、14.42～56.05 mg·kg-1、0.91～9.28 mg·kg-1。一般植物體內正常重金屬含量為Cr 0.20～8.40 mg·kg-1、Cd 0.20～3.00 mg·kg-1、Pb 0.10～41.70 mg·kg-1、Cu 0.40～45.80 mg·kg-1、Zn 1.00～160.00 mg·kg-1、Ni 1.00～5.00 mg·kg-1。相比之下，調查區域植物中的Cr、Ni、Cd含量不同程度地超出正常值范圍。

2.2? ?調查區域植物的重金屬富集特征

為探究調查區域植物從土壤中吸收重金屬并在自身體內富集的能力[19]，通過計算其富集系數可得（圖3）。As的富集系數范圍為0.02～0.27，其中棉花對As的富集系數為0.02，說明該調查區域優勢植物不易富集As。調查區域優勢植物對Cr的富集系數范圍為0.03～2.77，其中蘆葦對Cr的富集系數最大，說明Cr更容易富集在蘆葦中。調查區域植物對Cd的富集系數范

圍為0.08～3.38，植物對Cd的富集系數由低到高分別為小麥＜打瓜＜豬毛菜＜玉米＜棉花＜蘆葦＜堿蓬＜沙漠絹蒿＜梭梭＜向日葵＜檉柳＜琵琶柴＜花花柴＜鹽穗木，其中鹽穗木和花花柴對Cd的富集系數較大，均大于1，說明這2種植物對Cd的富集能力較為突出。通過分析優勢植物對Hg的富集系數，顯示除小麥對Hg的富集系數為0.337外，其余14種植物對Hg的富集系數均為高值，且均大于1，表明這14種植物可能對Hg的富集能力較強，也可能由于Hg具有較高的蒸氣壓和較大的表面張力，揮發性強，導致植物地上部分Hg元素殘留較多[20]。

調查區域優勢植物對Cu、Zn的富集系數范圍分別為0.19～1.13和0.17～1.25，其中向日葵、花花柴、小麥對Cu的富集系數分別為0.90、0.72、0.57，均大于0.5，表明這3種優勢植物對Cu可能存在良好的富集能力?；ɑú?、堿蓬、檉柳、豬毛菜、小麥對Zn的富集系數分別為1.00、0.64、0.64、0.62、0.51、0.51，均大于0.5，說明這6種植物對Zn可能具有較好的富集能力，其中花花柴對Zn的富集能力較突出，其富集系數為1。調查區域優勢植物對Pb、Ni的富集系數范圍分別為0.005～0.22和0.04～0.79，僅蘆葦對Ni的富集系數達到0.79，說明調查區優勢植物對Pb、Ni的富集系數相對較小，除蘆葦外，其他植物均不易在自身體內富集Pb、Ni。

調查區域優勢植物對8種重金屬元素的富集能力由低到高分別為Pb＜As＜Ni＜Cu＜Zn＜Cd＜Cr＜Hg（圖4），由此排序可知，植物對Hg的富集能力最強，可能是由于Hg熔沸點較低，且具有較強的揮發性，使植物地上部分殘留Hg較多。其次調查區域優勢植物富集Cd、Cr的能力較強，緊接著富集Cu、Zn的能力較強。調查區域優勢植物整體富集Pb、As、Ni的能力較弱，表明本次調查區域優勢植物不易富集這3種重金屬元素?？傮w來看，蘆葦富集Hg、Cr的能力較強，花花柴富集Hg、Cd、Zn的能力較強，鹽穗木富集Hg、Cd的能力較強。

2.3? ?調查區域植物對重金屬的轉運特征

植物通過其根系吸收重金屬，進入植物體內的 Pb經過共質體途徑和質外體途徑在植物體內遷移、轉運并最終積累在不同的植物器官中[21-22]。

通過計算轉運系數來判斷調查區域優勢植物對重金屬的轉運能力。

蘆葦對As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni這8種重金屬均具有良好的轉運能力，花花柴對As、Cr、Pb、Cd、Hg、Cu、Zn具有良好的轉運能力，堿蓬對Cr、Cd、Hg、Pb、Zn、As具有較強的轉運能力，檉柳、琵琶柴、豬毛菜對As、Cu、Ni具有良好的轉運能力，沙漠絹蒿對As、Pb具有良好的轉運能力，梭梭對Cd具有良好的轉運能力，鹽穗木對Pb具有良好的轉運能力，棉花對Cr、Cd具有良好的轉運能力（圖5）。

圖6為調查區域植物對8種重金屬As、Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni的轉運系數。調查區域優勢植物對As的轉運系數范圍為0.33～3.79，對As的轉運系數由低到高排序為鹽穗木＜圖5? 調查區域植物對重金屬轉運系數棉花＜梭梭＜小麥＜堿蓬＜玉米＜豬毛菜＜向日葵＜蘆葦＜花花柴＜沙漠絹蒿＜檉柳＜打瓜＜琵琶柴，其中琵琶柴、打瓜、檉柳、沙漠絹蒿、花花柴、蘆葦對As的轉運系數均大于1，說明這幾種植物對As可能存在較強的轉運能力。通過計算調查區域優勢植物對Cr的轉運系數可以看出，打瓜、花花柴、堿蓬、棉花、蘆葦對Cr的轉運系數均大于1，說明這幾種植物對Cr有良好的轉運能力。調查區域優勢植物對Cd的轉運系數范圍為0.18～2.49，對Cd的轉運系數由低到高排序為小麥＜打瓜＜鹽穗木＜沙漠絹蒿＜琵琶柴＜豬毛菜＜檉柳＜蘆葦＜堿蓬＜棉花＜花花柴＜玉米＜向日葵＜梭梭，其中蘆葦、堿蓬、棉花、花花柴、玉米、向日葵、梭梭對Cd的轉運系數均大于1，說明這7種植物對Cd有較高的轉運能力。調查區域優勢植物對Hg的轉運系數范圍為0.38～6.29，除小麥外，其他優勢植物對Hg的轉運系數均大于1，說明這些植物對Hg具有較強的轉運能力。

調查區域優勢植物對Cu、Zn的轉運系數范圍分別為0.23～2.36和0.23～5.83，其中琵琶柴、花花柴、蘆葦、豬毛菜、檉柳、打瓜、玉米對Cu的轉運系數較高，且均大于1，說明以上植物對Cu具有較高的轉運能力；調查區域優勢植物對Zn轉運能力較強的為花花柴、堿蓬、蘆葦、小麥、玉米、琵琶柴；調查區域優勢植物對Pb、Ni的轉運系數范圍分別為0.02～4.29和0.20～4.03，其中堿蓬、向日葵、打瓜、花花柴、沙漠絹蒿、鹽穗木、蘆葦對Pb的轉運系數大于1，說明這些植物對Pb可能存在較好的轉運能力；向日葵、檉柳、豬毛菜、打瓜、蘆葦、琵琶柴、小麥、玉米對Ni具有良好的轉運能力，其相應的轉運系數值均大于1。

2.4? ?健康風險評價

致癌風險評價：調查區域土壤中8種重金屬含量實測值見表4。

根據調查區域土壤中8種重金屬含量實測值與US EPA健康風險評價方法計算得出表5，比較各調查區域總致癌日均暴露量ADDtotal，顯示Cr對成人和兒童的總暴露量最大，而Cd暴露量最小。比較不同人群受As、Cr、Cd、Ni致癌的ADDtotal可知，兒童致癌的ADDtotal高于成人。比較手-口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸攝入這3種暴露途徑可以發現，無論何種地區和人群，就致癌風險而言，手-口攝入是調查區人群接觸重金屬的重要途徑。

4個調查區域致癌風險指數TCR由高到低排序為企業周邊區域＞農田區域＞過渡帶區域＞自然荒漠區域，且TCR范圍為10-4～10-6[23]，屬于可接受的致癌風險水平（圖7）。對比不同人群的TCR可知，重金屬致癌風險為兒童略高于成人，表明在相同條件下，兒童受致癌風險的可能性高于成人。

3? 討 論

3.1? ?調查區域重金屬在植物體內的積累特性

通過計算調查區域優勢植物對重金屬的富集系數、轉運系數，明確了調查區域優勢植物體內重金屬的累積特征，表明不同植物吸收和轉運積累重金屬的機制存在差異，對于可能存在重金屬污染的優勢植物可以劃分為3種類型，即富集植物、根部囤積型植物、規避型植物[24]。綜合分析可知，花花柴對Cd、Zn的富集系數、轉運系數均大于1，符合富集植物特征，但其地上部分的重金屬含量未超過富集植物標準，因此花花柴是否可作為潛在的Cd、Zn超富集植物還需要進一步驗證。蘆葦對Cr的富集系數、轉運系數均大于1，與超富集植物標準相比，其地上部分Cr的含量未達到超富集植物標準，因此蘆葦為潛在的Cr超富集植物還需進一步驗證。由于Hg具有較強的揮發性，且未收集到關于Hg的超富集植物范圍，因此本研究對此不做討論。琵琶柴對Cd的富集系數大于1、轉運系數小于1，琵琶柴可能為根部囤積型植物，其將從土壤中吸收的Cd囤積在根部不向地上部分轉移，可考慮用于受Cd重金屬污染土壤的修復[25]。梭梭對Cu、Zn的根部富集系數小于1、轉運系數小于1；小麥對Cr、Pb的根部富集系數小于1、轉運系數小于1；花花柴對Ni的富集系數、轉運系數均小于1；堿蓬對Cu的富集系數、轉運系數均小于1；檉柳對Cr的富集系數、轉運系數均小于1。上述分析說明以上這5種植物地上和地下部分的重金屬含量較小，可能屬于規避型植物[26]。

為保護調查區域工業園周邊的生態環境，可根據其周圍優勢植物的不同耐性特征，采取相應的植被修復。本研究對超富集植物的選取還需進一步確定，故不討論超富集植物。琵琶柴屬于根部囤積型植物，可將重金屬囤積在植物根部不易向地上部分轉運；梭梭、小麥、花花柴、堿蓬、檉柳均屬于規避型植物，此類植物不易在體內富集和轉運重金屬，適宜在工業園周邊區域和農田區域種植，以降低重金屬通過食物鏈傳遞危害人類健康。

3.2? ?健康風險評價

本次調查區域重金屬最主要的暴露途徑為

手-口攝入途徑，而呼吸攝入途徑暴露量對危害人體健康的可能性最小，這也與重金屬對人類健康風險相關研究得出的結果一致[15]。對比不同調查區域和暴露途徑下的非致癌ADD可發現，兒童致癌的ADD高于成人，尤其是兒童喜歡玩泥土，直接接觸土壤的次數和頻率要高于成人。無論是哪個調查區域，手-口攝入途徑均為調查區域土壤中重金屬最主要的致癌風險暴露途徑。4個調查區域致癌風險指數TCR數值大小順序為：企業周邊區域＞農田區域＞過渡帶區域＞自然荒漠區域。本次調查區致癌風險均在可接受的范圍內，兒童受重金屬危害的風險高于成人，因而建議家長加強對兒童的照看，盡量讓兒童在清潔干凈的環境中玩耍，并養成勤洗手的習慣。

4? 結 論

本研究基于新疆某工業園區周邊不同區域表層土壤中的8種重金屬含量，分析了4個不同調查區域植物中8種重金屬的富集和轉運情況，對不同調查區域進行了健康風險評價，結論如下：

（1）調查區域優勢植物以草本植物為主；鹽穗木富集Cd的能力較強，Zn、Cd更容易在花花柴中富集，蘆葦對Cr的富集能力較為突出，對As、Pb的富集系數相對較??；蘆葦對As、Cr、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn、Cu均具有良好的轉運能力，檉柳、琵琶柴、豬毛菜對As、Cu、Ni具有良好的轉運能力。

（2）琵琶柴屬于根部囤積型植物，梭梭、小麥、花花柴、堿蓬、檉柳均屬于規避型植物，這兩類植物可在工業園周邊區域和農田區域種植。

（3）對比手-口攝入、呼吸攝入、皮膚接觸攝入這3種暴露途徑，手-口攝入是土壤重金屬可能產生致癌健康風險的主要途徑。4個調查區域所有區域的致癌風險指數TCR在10-4～10-6范圍內，屬于可接受的致癌風險水平。致癌風險指數TCR的數值大小順序為：企業周邊區域＞農田區域＞過渡帶區域＞自然荒漠區域。

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