暴露于地热水的水果中重金属积累的健康风险评估：案例研究与全球意义

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Health risk assessment of heavy metal accumulation in fruits exposed to geothermal waters: a case study and global implications

　　

摘要 背景：本研究调查了暴露于土耳其锡瓦斯地热盆地（Sivas geothermal basin）水体的桑树（mulberry）和酸樱桃树（sour cherry）果实与叶片中重金属（HMs）的潜在健康风险。 结果：目标重金属按其危害指数排序为：Cd??酸樱桃果实?>?桑树叶?>?酸樱桃叶，并且对于桑葚和酸樱桃果实而言也是如此。 结论：研究结果表明，暴露于地热水的可食用食物可能对人类健康产生不利影响。此外，该研究强调了减少地热田废水排放以及实施植物修复策略的必要性，以确保地热活跃农业盆地中的食品安全。? 2026 作者。《Journal of the Science of Food and Agriculture》由John Wiley & Sons Ltd代表化学工业学会出版。

论文解读文章

一、研究背景与目的

水资源是全球面临的最受威胁的资源之一。快速工业化和城市化对水资源产生了不利影响，进而威胁到食品的质量与安全。地热资源在农业领域被广泛利用，包括地热能、地热水及其各种组分。地热水是由深层循环系统内复杂的地质和地球化学现象塑造而成。重金属（HMs）是持久性环境污染物。研究发现，HMs在地热水中浓度相对较高。当地热流体与农业土壤和灌溉水混合时，通过转移机制，植物对有毒金属的吸收和积累构成了这些金属进入人类食物链的主要途径。尤其是像土耳其锡瓦斯盆地这样的典型地热活跃系统，其排放水直接与农业盆地相互作用，这种水文地球化学路径对周边作物构成了持续风险。公众通过饮食摄入、饮用水或环境空气接触这些金属。摄入的HMs对人类健康构成严重威胁，取决于消费量和频率。由于HMs不易分解且具有高生物累积性，它们在食物链中的移动会长期带来急性和慢性健康风险。

植物对人类营养至关重要，水果因其丰富的元素含量能降低多种慢性疾病风险，而果树叶片也因含有高生物活性天然产物而对人体健康有益。在此背景下，为了理解人类食用的水果和叶片对人体健康和食品工业的重要性，本研究专门针对桑树和酸樱桃树，检测了其果实和叶片中的HM含量。尽管已有关于地热水化学和一般植物毒理学的独立研究，但在相同地质成因压力下，比较食用初级水果与其传统叶片浸泡液的健康风险方面仍存在关键知识空白。因此，本研究旨在利用受地热影响的锡瓦斯盆地作为关键现场模型，测定桑树和酸樱桃树果实和叶片组织中的HM含量，并通过危害商数（HQ）和估计每日摄入量（EDI）指标全面揭示食用这些食品的潜在健康风险。通过追踪这些路径，本研究绘制了地质成因的营养级转移动态图，并为地热活跃农业盆地的食品安全和植物修复需求建立了基线。更重要的是，本研究的总体意义在于提供了新的实证证据，证明传统制备方法如何改变地质应力下的膳食金属暴露途径。最终，这些发现建立了一个战略框架，用于指导地热活跃农业生态系统中的定向植物修复、地热废水管理和农业区划。该论文发表在《Journal of the Science of Food and Agriculture》。

二、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，在研究区域选择方面，选取了土耳其锡瓦斯的S?cak ?ermik地热田作为研究区，这是一个主要的地质成因热液系统，地热水温度范围为46至50 °C，pH平均值为7.60，电导率平均值为3.00 mS cm^?1。在该地热田内的10个指定采样点进行了三次重复采样。其次，在样品分析与健康风险评估方面，使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定HM浓度。研究人员基于美国环境保护署（USEPA）的方法，通过四个主要暴露途径评估健康风险：皮肤接触、吸入、饮食摄入和意外摄入。计算了慢性每日摄入量（CDI）、危害商数（HQ）、危害指数（HI）、总危害指数（THI）以及癌症风险（CR）等指标。此外，还应用了主成分分析（PCA）和皮尔逊相关性分析等多元统计方法来探究HM之间的关系。

三、研究结果

HMs in plant organs（植物器官中的重金属）

通过ICP-MS检测发现，桑树叶中锌（Zn）浓度最高，达36.7 ± 1.8 mg kg^?1 DW，低于植物毒性临界值。桑葚中Zn浓度为34.8 ± 1.8 mg kg^?1 DW。酸樱桃叶中Zn最高，为17.7 ± 0.8 mg kg^?1 DW。酸樱桃果实中铜（Cu）含量较高，为8.45 ± 0.4 mg kg^?1 DW。与标准参考植物值相比，桑树中镍（Ni）、铬（Cr）、Zn和Cu分别高出7.53、3.93、1.43和1.16倍；酸樱桃中Ni、Cr和Cu分别高出3.93、2.73和1.40倍。Ni和Cr水平超过了WHO/FAO的最大允许限值，表明这两种金属被显著积累，受到地热水影响。

Multivariate statistics（多元统计分析）

通过皮尔逊相关性分析和主成分分析（PCA）进行研究。在桑树中，PCA前两个主成分解释了85.8%的总方差，显示镉（Cd）、Cu、铅（Pb）和Ni密集积累在桑树叶中，而Cr、锰（Mn）和Zn密集积累在桑葚中。在酸樱桃中，PCA前两个主成分解释了92.9%的总方差，显示Pb、Mn、Zn、Ni和Cr密集积累在叶片中，而Cd选择性积累在果实中，Cu则与其他HM完全分离，这与相关性分析中Cu与Zn呈完全负相关的拮抗作用一致。

Human health risk assessment（人类健康风险评估）

通过计算不同人群（男性、女性、儿童）经饮食、皮肤、吸入和摄入途径的每日暴露剂量进行评估。结果显示，饮食摄入是HM暴露的主要途径，儿童是最易受影响的人群。在所有组中，桑葚中Zn的暴露剂量最高。酸樱桃果实中Cu的暴露剂量最高。所有HM的计算每日摄入量均在安全限值内。

Assessment of hazard quotient (HQ)（危害商数评估）

通过计算各暴露途径的HQ值进行评估。在桑葚中，Cr的HQ值通过饮食途径超过1.0，男性、女性和儿童分别为1.45×10⁰、1.65×10⁰和3.68×10⁰，表明存在严重的慢性口服毒性风险。桑叶的HQ值均低于1.0，表明饮用叶片茶不构成即时健康威胁。在酸樱桃果实中，Cr的HQ值同样超过1.0，男性、女性和儿童分别为1.14×10⁰、1.29×10⁰和2.88×10⁰，表明果实消费存在显著风险。酸樱桃叶的HQ值均在安全范围内。通过吸入途径，Mn的HQ值最高，因其可通过嗅觉通路绕过血脑屏障直接到达大脑。

HI and total hazard index (THI)（危害指数和总危害指数）

通过计算元素特异性HI和THI来评估综合非致癌健康风险。在桑葚中，儿童群体中Ni、Cr和Mn的HI值超过1.0，其中Cr最高（3.71）。桑葚的THI值在儿童中达到极端水平7.87×10⁰，远超安全限值。酸樱桃果实中，所有群体的THI值均超过1.0，儿童为4.57×10⁰。相比之下，桑叶和酸樱桃叶的THI值均在安全限值内。

Cancer risk（癌症风险）

通过计算Cr和Ni的致癌风险（CR）值进行评估。结果显示，桑葚果实中Ni的CR值为6.4×10^?3，酸樱桃果实中Cr的CR值为1.15×10^?3，两者均超过了USEPA规定的最大可接受限值1.0×10^?4，表明存在不可接受的致癌风险。

四、讨论与结论

讨论部分指出，Cr在所有人群中通过饮食途径表现出最高的HQ值，其引起的生殖损伤、肾脏功能障碍和胃肠道疾病已被文献报道。通过吸入途径，Mn的风险最高，因其可绕过血脑屏障导致神经毒性，引发类似帕金森病的症状。风险顺序为儿童 > 女性 > 男性。

研究结论翻译如下：研究结果表明，暴露于地热水的可食用食物可能对人类健康产生不利影响。此外，该研究强调了减少地热田废水排放以及实施植物修复策略的必要性，以确保地热活跃农业盆地中的食品安全。