不同灌溉条件下牧草-反刍动物食物链中镉积累的风险评估及健康影响研究

《Scientific Reports》：Food chain risk assessment of cadmium accumulation and the relationships among diversely irrigated pasture-reared ruminants

本研究针对巴基斯坦Khushab地区受污染场地镉(Cd)通过食物链传递的风险问题，开展了水-土壤-牧草-反刍动物(牛、水牛)血液和牛奶中Cd含量的系统评估。研究发现Cd浓度在环境介质和生物样本中均超过安全限值，生物浓缩因子(BCF)、健康风险指数(HRI)和目标危害商数(THQ)等多参数评估表明存在健康风险。该研究强调了在类似农业生态系统中持续监测有毒金属和制定缓解策略的重要性。

　　

在当今工业化与农业集约化并行的时代，重金属污染已成为威胁生态系统和公共健康的隐形杀手。其中，镉(Cd)作为一种具有强生物毒性和累积性的重金属元素，通过"水-土壤-植物-动物-人"的食物链传递，对农业生产系统和人体健康构成严重威胁。巴基斯坦 Punjab 省的 Khushab 地区作为重要的农业畜牧业区域，长期面临工业排放、农业化学品使用和污水灌溉带来的重金属污染压力，特别是来自 Khushab 核综合体的潜在污染源，使得该地区镉污染问题尤为突出。

以往研究多集中于单一环境介质中镉的污染状况，而对完整食物链中镉的迁移转化规律及其健康风险的认识仍存在空白。特别是在不同季节变化和灌溉方式差异条件下，镉在"土壤-牧草-反刍动物"系统中的累积动态和风险差异尚不明确。正是为了解决这一科学问题，研究人员在2023-24年的夏季和冬季，从Khushab地区的两个具有代表性站点（Chabeel 和 Nalli Shumali）系统采集了水(n=100)、土壤(n=240)、牧草(n=240)、反刍动物血液(n=100)和牛奶(n=100)样本，开展了一项全面的镉污染风险评估研究。

本研究采用原子吸收分光光度法(AAS)精确测定了所有样本中的镉浓度。研究人员通过质量控制和质量保证措施确保数据可靠性，包括使用标准参考物质(NIST Standard Reference Material 1570 A 用于牧草，SRM 2709 用于土壤镉)进行校准。样本采集覆盖了夏季和冬季两个季节，以及两种不同的灌溉条件（S_1代表运河灌溉，S_2代表雨养条件），从而能够全面评估时空变化对镉分布的影响。

为了全面评估镉污染状况和潜在风险，研究团队计算了多种风险评估参数，包括污染负荷指数(PLI)、生物浓缩因子(BCF)、富集因子(EF)、地累积指数(Igeo)、生态风险指数(Eri)、每日金属摄入量(DIM)、健康风险指数(HRI)、估计每日摄入量(EDI)、估计每日剂量(EDD)、目标危害商数(THQ)、估计癌症风险(ECR)和增量终身癌症风险(ILTCR)。这些指标从不同角度揭示了镉在环境中的行为特征和其对生物体的潜在影响。

水样中镉的变异性

分析显示，水样中镉浓度范围为0.21-1.16 mg/L，夏季浓度显著高于冬季。最高值出现在S_1站点第3样点的地下水中，最低值出现在S_1站点第5样点的冬季地下水中。这种季节性变化可能与夏季蒸发增强、水体浓缩以及农业活动增加有关。所有检测值均显著超过WHO和巴基斯坦标准规定的饮用水镉限值(0.003-0.005 mg/L)，表明水体镉污染严重。

土壤中镉的变异性

土壤镉浓度范围为0.09-0.58 mg/kg，最高值出现在S_2站点第3样点的T. alexandrium作物夏季土壤中。与水体类似，夏季土壤镉浓度也显著高于冬季，这可能与夏季化肥农药使用量增加以及高温条件下镉溶解度升高有关。值得关注的是，所有土壤样本的镉浓度均低于1.1 mg/kg的允许限值，表明土壤镉污染水平尚在安全范围内。

牧草中镉的变异性

牧草镉浓度变化范围较大(0.04-0.97 mg/kg)，最高值出现在冬季S_2站点第5样点的T. alexandrium作物中。不同植物种类对镉的积累能力存在显著差异，其中C. intybus和T. alexandrium表现出较强的镉富集能力。值得注意的是，多数牧草样本的镉浓度超过了0.2 mg/kg的食品安全标准，预示着通过牧草向动物体传递镉的风险较高。

动物血液中镉的变异性

牛血液中镉浓度为0.17-2.98 mg/L，水牛为0.68-4.68 mg/L，均显著高于0.05 mg/L的安全限值。水牛血液镉浓度普遍高于牛，可能与其采食量和生理代谢差异有关。季节比较发现，夏季动物血液镉含量较高，这与环境介质中镉浓度的季节性变化规律一致。

动物牛奶中镉的变异性

牛奶中镉浓度范围为0.24-1.25 mg/L（牛）和0.25-0.96 mg/L（水牛），部分样本超过了1 mg/L的安全标准。牛奶镉浓度普遍低于相应血液中的浓度，表明镉从血液向牛奶的转移存在一定的屏障作用。然而，即使是较低的牛奶镉含量，长期通过乳制品消费也可能对人群健康构成威胁。

污染评估参数分析

生物浓缩因子(BCF)值范围为0.0962-7.6667，最高值出现在S_1站点第5样点的T. alexandrium冬季样本中。BCF值大于1表明牧草对土壤镉有明显的富集作用。污染负荷指数(PLI)为0.0604-0.3893，均低于1，表明土壤镉污染程度尚不严重。富集因子(EF)为0.7163-57.1167，进一步证实了镉在牧草中的生物富集现象。

健康风险评估参数

每日金属摄入量(DIM)为0.00007-0.00189，健康风险指数(HRI)为0.0708-1.8916。HRI值大于1表明存在潜在健康风险。目标危害商数(THQ)为0.349-12.0828，多数样本的THQ值大于1，证实了镉暴露的潜在健康风险。估计癌症风险(ECR)为0.0001-0.0046，增量终身癌症风险(ILTCR)为0.0098-0.2624，均低于可接受风险水平，表明镉的致癌风险相对较低。

相关性分析和聚类热图

相关性分析显示，水-土壤-牧草-动物系统各组分间存在显著的镉迁移关系，夏季和冬季表现出不同的相关性模式。聚类分析和热图进一步证实了环境介质与生物样本间镉含量的密切关联，反映了镉在食物链中的传递路径。

本研究通过系统评估Khushab地区不同灌溉条件下镉在"水-土壤-牧草-反刍动物"食物链中的迁移累积规律，揭示了镉污染对畜牧业和公共健康的潜在风险。研究发现，虽然土壤镉污染水平尚在安全范围内，但通过牧草的生物浓缩作用，镉能够进入动物体并累积在血液和牛奶中，最终通过乳制品消费威胁人体健康。

季节性变化显著影响镉的生物利用度和迁移能力，夏季通常表现出更高的镉浓度和生物活性。不同灌溉条件也影响了镉的分布规律，运河灌溉区(S_1)由于受工业和生活污水影响，镉污染程度高于雨养区(S_2)。水牛由于采食量大和生理特性，比牛更容易累积镉，表现出更高的健康风险。

多项健康风险评估参数(BCF、HRI、THQ等)超过安全阈值，表明当前镉污染状况已对反刍动物健康构成威胁，并可能通过食物链传递对人类健康产生潜在影响。虽然致癌风险评估值在可接受范围内，但镉的非致癌毒性效应（如肾损伤、骨代谢异常等）仍需高度关注。

该研究的实践意义在于为类似农业生态系统的重金属污染监测和风险管理提供了科学依据。研究结果强调了对灌溉水质、土壤环境、饲料安全进行系统监控的必要性，以及采取有效措施（如土壤修复、水源净化、饲料添加剂使用等）降低镉在食物链中传递的重要性。未来研究应关注镉在动物体内的代谢动力学机制，以及开发经济有效的镉污染防控技术，保障畜牧业可持续发展和动物源性食品安全。