浙江大学马奇英团队JHM：岩溶地质高背景地区砷、镉的水稻籽粒富集风险及生物可给性研究

环境人Environmentor · 公众号 · · 2024-10-04 12:21

正文

导读 | Introduction

近日，浙江大学马奇英团队在Journal of Hazardous Materials（JHM，《危险材料杂志》）期刊发表题为“岩溶土壤砷、镉地质高背景可能不会通过稻米摄食对人体健康构成更大的风险（High geological background concentrations of As and Cd in karstic soils may not contribute to greater risks to human health via rice consumption）”的研究性论文。

近年来，地质高背景土壤的重金属异常富集问题引起了广泛的关注。其中，我国西南作为全球岩溶发育最强烈的地区之一， 碳酸盐岩的风化及自然成土过程的次生富集作用，造成该地区土壤砷、镉的高背景值 。岩溶土壤中较高的砷、镉含量，具有危害农作物安全及人体健康的潜在风险。当前已有地质调查结果表明，岩溶区土壤中的重金属具有 “高背景、低风险” 的特点。然而，已有研究主要基于总量评价岩溶地区稻米的砷、镉富集风险， 鲜有研究关注岩溶地区稻米砷、镉的人体生物有效性 ，限制了岩溶地区人体砷、镉暴露的合理评价。因此，需要开展相关研究讨论岩溶区稻米中砷、镉的生物有效性特征，并明确其主要影响因素，帮助该地区 实现人体镉、砷暴露风险的合理评价及控制 。此外，采用体外模拟消化方法得到的砷、镉生物可给性能很好地反映其生物有效性，并有利于关键影响因素的筛选与验证。本研究聚焦岩溶土壤中砷、镉“从土壤到稻米、从稻米到人体”的迁移过程，探究岩溶地区居民通过稻米摄食的砷、镉暴露风险。

图文摘要

主要内容

本研究选取广西岩溶区、非岩溶区作为研究区域，采集稻田土-稻米样品，并分析对比其砷、镉含量。结果表明， 岩溶土壤砷、镉含量超标问题突出 ，且其平均值分别25.7 mg·kg ^-1 及2.12mg·kg ^-1 ，为非岩溶土壤砷、镉含量的2倍。然而，岩溶区及非岩溶区稻米样品中的砷、镉含量相当。生物富集指数（bioaccumulation factor, BF）的计算结果表明， 岩溶区土壤中的砷、镉向稻米转移的富集风险较低 。

图1 岩溶区及非岩溶区土壤及稻米中镉、砷含量对比

采用稀硝酸提取及氯化钙提取的方法，测定土壤中有效态砷、镉的含量。结果表明， 岩溶土壤有效态砷、镉含量相比非岩溶土壤分别低42%及61% 。基于Spearman相关性分析发现，土壤中稀硝酸提取态砷、氯化钙提取态镉含量与土壤Ca含量、pH及有机质含量显著负相关（ p <0.05）。碳酸盐岩（主要为石灰岩及白云岩）发育的岩溶土壤中CaCO ₃ 含量往往较高，由于CaCO ₃ 具有防止土壤酸化及固持土壤有机质的能力，岩溶土壤表现出更高的Ca含量（5507 vs. 1643 mg·kg ^-1 ）、pH（7.44 vs. 6.66）及有机质含量（4.96 vs. 2.10%）。该结果表明， 岩溶土壤中更高的pH、Ca及有机质含量是可能导致有效态砷、镉含量更低的重要原因。

表1 土壤有效态镉、砷含量与土壤理化性质之间的Spearman相关性分析

采用优化后的体外模拟方法MPBET对精制稻米砷、镉的生物可给性进行分析，结果表明 岩溶区稻米的砷、镉生物可给性显著低于非岩溶区稻米 。基于Spearman分析发现，稻米砷、镉生物可给性与其磷含量显著负相关。由于岩溶区稻米平均磷含量显著高于非岩溶区稻米（1705 vs. 1139 mg·kg ^-1 ），推测 岩溶区稻米磷含量高可能是导致其砷、镉生物可给性低的重要驱动力 。由于稻米中磷主要以植酸的形式存在，采用GB5009.153-2016测定稻米中的植酸含量，结果表明岩溶区稻米植酸含量显著高于非岩溶区（1441 vs. 1033 mg·kg ^-1 ，以植酸-磷计）。

图2 岩溶区及非岩溶区稻米砷、镉生物可给性对比

为进一步验证稻米中植酸对于砷、镉生物可给性的抑制作用，向稻米模拟消化的体系中添加不同比例（0.1、0.3、0.6%）的植酸钠。结果表明， 在pH 2.5的模拟胃液中，0.6%植酸钠的添加将稻米砷、镉生物可给性分别显著降低45%及9.4% 。然而，植酸钠添加对肠相中砷、镉的生物可给性无显著的降低作用。相关研究表明，稻米中的砷主要与球蛋白、白蛋白等结合，在pH 2.5的环境中，植酸钠容易与此类蛋白质结合形成沉淀，从而限制砷的溶出。然而，当pH为7.0时，植酸钠与蛋白质形成沉淀的能力显著降低，其对砷溶出的限制作用也随之降低。该结果表明， 岩溶区稻米植酸含量高是导致砷、镉生物可给性低的重要原因。

图3 不同比例植酸钠添加对稻米砷、镉生物可给性的影响

总结 | Conclusions

本文基于“土壤-稻米-人体”的研究视角，研究了岩溶区土壤、水稻籽粒中砷、镉富集情况及其被人体摄入的潜在风险。研究结果表明，相比于非岩溶地区的样品，岩溶土壤砷、镉总量高，但向水稻籽粒富集的风险较低。此外，岩溶区稻米样品的砷、镉生物可给性较低，主要受到其较高的植酸含量影响。综合岩溶区稻米样品与非岩溶区稻米相当的砷、镉总量，及较低的生物可给性，得出 岩溶土壤砷、镉地质高背景可能不会通过稻米摄食对人体健康构成更大的风险 的结论。该工作有助于合理评价岩溶地质高背景地区的食品安全及人体健康风险。

为进一步讨论岩溶地质高背景地区的居民砷、镉暴露风险，需要整合饮用水、膳食及室内灰尘等 多暴露途径 ，综合评价不同途径的砷、镉暴露量，明确主要的风险源，并提出相应的防控措施。此外，应该结合 动物活体实验 ，进一步探明岩溶区环境样品中砷、镉的生物有效性及生物毒性特征。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135876

第一作者简介：

林国冰： 浙江大学环境与资源学院2023级博士生，目前的主要研究方向是岩溶地质高背景地区的人体健康风险评价。

通讯作者简介：

刘陈静： 浙江大学环境与资源学院博士后，主要从事土壤重金属污染修复、土壤磷资源高效利用的研究，主持中国博士后科学基金、国家自然科学青年基金2项，已在Environ Sci Technol、Crit Rev Environ Sci Technol和J Hazard Mater等学术期刊发表SCI论文40余篇，其中一作/通讯论文20余篇。

马奇英教授 ，国际著名环境土壤化学专家，浙江大学环境与资源学院讲席教授，国家特聘专家，美国科学促进会会士，美国土壤学会会士，美国农学学会会士；毕业于美国科罗拉多州立大学，曾任美国佛罗里达大学终身教授；现任 Soil & Environmental Health 主编， Chemosphere副主编。长期从事土壤重金属的生物地球化学与环境修复领域研究，2001年首次在Nature报道了世界上第一个砷超富集植物蜈蚣草，推动了国内外土壤砷污染植物修复的研究与应用。在Nature、Environmental Science & Technology等杂志发表SCI论文470余篇，总引3.01万次，H指数为83。

来源： 土壤与环境健康SEH 。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 20W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “在看” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群

往期推荐

年度热点文章Top10（2023年）

哈工大任南琪院士团队谢国俊课题组、重庆大学陈一课题组合作ES&T封面：亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的生态位分化机制

见证一个新领域的崛起——密苏里大学肖峰团队/北京师范大学李阳团队一篇承上启下的ES&T

ES&T社论：ES&T对材料类稿件的基本期望以及此类稿件应该如何体现其环境相关性

哈尔滨工业大学马军院士团队孙志强副教授ES&T、WR等：非自由基高级氧化净水技术系列研究成果

同济大学关小红团队ES&T封面：电化学氧化生成的Fe(IV)/Fe(V)可在近中性条件下选择性去除水中的有机污染物

同济大学关小红团队ES&T：一种可以轻松区分SO4•-与HO•并实时量化高级氧化技术中的SO4•-的新方法

哈工大任南琪院士团队贺诗欣课题组Nature Water：集太阳能脱盐、发电和作物灌溉功能于一体的综合系统

哈工大（深圳）任南琪院士团队路璐、深圳先进院高翔Nat. Sustain. ：工业废水中多污染物协同原位生物转化合成高值化学品

中科院生态环境研究中心曲久辉院士团队Science Advances：揭示脱水合在离子选择性膜分离中的作用机制

可持续视野SH｜哈尔滨工业大学任南琪院士团队：海绵城市建设方案的评估与优化

学术招聘

美国范德堡大学环境工程研究生项目招生（博士硕士）

浙江大学马奇英团队JHM：岩溶地质高背景地区砷、镉的水稻籽粒富集风险及生物可给性研究

正文

请到「今天看啥」查看全文