解读土壤-水稻连续体：燃煤热电厂附近稻田中潜在有毒元素的转移动态与膳食风险

《RSC Advances》：Deciphering the soil–rice continuum: transfer dynamics and dietary risks of potentially toxic elements in paddy fields near a coal-fired thermal power plantOpen Access

　　

位于集约化水稻种植景观附近的燃煤热电厂(TPPs)是潜在有毒元素(PTE)污染的重要来源。本研究探讨了燃煤热电厂(coal-based TPP)周围农业土壤中PTEs通过水稻摄入的分布、土壤-水稻转移及膳食健康风险。利用半径为10 km缓冲区内的47个稻田种植点的土壤和植物样品，评估了土壤污染状况、植物对PTEs的吸收以及膳食暴露风险。结果表明，Cd的富集程度最高（污染因子(CF) ≈ 7.5），其次是镍(Ni)的显著富集，多个样点超过了极高污染阈值，且Ni浓度超出了国际标准土壤指导值。总体而言，土壤受到PTEs中度至相当程度的污染，平均污染负荷指数(PLI) ≈ 1.48。谷物污染也很明显，72%的样点Cr超过允许限值，Pb和Ni各有66%的样点超标。生物富集因子和转移因子显示，As、Pb和Cr优先保留在根部，而Cd和Ni表现出相对较大的内部迁移性。基于水稻消费的健康风险评估显示，儿童的非致癌风险升高（HI = 13.5），主要由As驱动；成人的致癌风险较高（TCR = 1.72 × 10^?2），主要贡献者为As、Cd和Ni。敏感性分析表明，水稻摄入率和暴露频率是风险变异的主要贡献因素，超过了稻米中PTE浓度的影响。这些发现表明，尽管土壤复合污染程度中等，膳食风险仍可能很大，并强调需要在燃煤热电厂周围进行综合的土壤-植物-谷物监测。

燃煤热电厂(TPPs)是潜在有毒元素(PTEs)的重要点源，其排放的As、Cd、Cr、Pb等可长期积累于周边农田土壤。水稻因对重金属具有较强吸收能力，成为人类膳食暴露的重要途径。然而，现有研究多采用单一土壤-籽粒转移因子，忽略了根、茎、籽粒各 compartment 间的转运差异，且暴露行为与谷物金属浓度对风险的相对贡献尚不清楚。为此，研究人员以印度安得拉邦Dr NTTPS燃煤热电厂周围10 km缓冲区内的47个稻田为对象，采集土壤与水稻样品，系统研究了PTEs的分布、生物累积、内部转运及经稻米摄入的健康风险。该研究发表于《RSC Advances》。

研究人员采用距离分层随机采样，在0–2、2–4、4–6、6–10 km四个缓冲带布设47个样点，同步采集根际土壤和水稻植株（根、茎、籽粒）。样品经酸消解后，利用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定As、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr、Cu等PTEs浓度。通过污染因子(CF)、污染负荷指数(PLI)、生态风险因子(EF)和潜在生态风险指数(PERI)评价土壤污染状况；以生物富集因子(BCF)和转移因子(TF)表征水稻对PTEs的吸收与转运；采用美国环保署(USEPA)风险评估框架并结合蒙特卡洛模拟（10 000次迭代）进行概率健康风险评估和敏感性分析。质量保证使用标准参考物质MESS-4，回收率为98%–108%。

3.1 土壤化学性质：土壤呈微碱性（pH 7.91 ± 0.3），低至中等盐度（EC 383.27 ± 10.3 μS cm^?1），有机碳2.58%±0.52%；空间上仅EC存在显著差异。
3.2 稻田土壤中PTEs浓度与分布：平均浓度顺序为Cr（134.7）> Zn（128.8）> Ni（105.7）> Cu（98.0）> As（16.8）> Pb（15.8）> Cd（1.0）mg kg^?1；Cr和Ni在电厂及灰池周围形成宽泛富集羽，As呈东西向窄羽流，Cd在灰池附近有热点。
3.3 土壤污染评价：Cd的CF最高达7.5，74.5%的样点CF≥3；Ni和Zn也呈显著富集；PLI平均为1.48，70.2%样点≥1，指示中度至相当程度的复合污染。Cd的EF最高（均值143.3），PERI均值184.73，68.1%样点处于中等生态风险。
3.4 PTE在水稻组织中的分配：Zn在根和茎中含量最高（>51 mg kg^?1）；As、Pb、Cr在根中高于茎，显示根部滞留；Cd、Ni在茎中相对较高；籽粒中所有PTEs平均浓度均低于根和茎。
3.5 生物富集模式：所有BCF均小于1，整体呈现根>茎>籽粒；Cd的BCF_R、BCF_S、BCF_G相对较高，而Cr和Cu极低，表明根际界面存在强烈排斥作用。
3.6 转移模式：根-茎TF多低于1，Cd和Zn接近1，Pb最低（可至0.011）；茎-粒TF普遍低于0.2，As和Zn稍高；根-粒TF均低于0.25，Cd最高，Pb和Cr最低，说明籽粒积累受严格生理调控。
3.7 籽粒污染评价：谷物污染因子(GPF)平均为1.03，72.3%样点≥1（中度污染）；金属污染指数(MPI)显示Pb超标幅度最大（最高5.70），Cr超标频率最高（72%的样点），Pb和Ni均为66%，而As、Cd、Cu均未超允许限值。
3.8 来源贡献分析：主成分分析(PCA)提取的PC1解释89.4%方差，所有变量正载荷，与燃煤飞灰的金属指纹一致；PC2与茎和籽粒中Pb相关，表明存在共同来源，但非唯一来源。
3.9 土壤性质对生物富集的影响：土壤pH、EC、N、C、H与BCF的相关性均弱（|ρ|<0.25），表明体土化学性质不是生物富集的主要控制因素；但同一金属不同组织间BCF强相关（如Cd的BCF_R与BCF_S ρ=0.998），提示植物内部过程主导。
3.10 土壤性质对转移的影响：土壤性质与TF的相关性同样弱；但TF之间存在强关联，如Pb的根-茎与根-粒TF呈强正相关（ρ=0.98），Zn的茎-粒与根-粒TF呈强负相关（ρ=?0.95），表明金属在体内的分配受元素特异性转运系统调节。
3.11 人类健康风险评估：基于稻米消费的非致癌风险对儿童显著（HI=13.5），As贡献最大（60.7%）；成人致癌风险TCR=1.72 × 10^?2，主要贡献者为As、Cd和Ni（合计>80%），均远超可接受水平。
3.12 敏感性分析：摄入率(IR)和暴露频率(EF)是风险变异的主要贡献因素（共占约60%–80%），体重(BW)次之，谷物金属浓度贡献仅约6%，说明行为参数对风险评估的不确定性影响更大。

讨论部分总结：空间分布和PCA结果支持燃煤电厂及灰池是PTEs的主要点源，但Cu、Zn等也可能来自农业投入品及交通等非点源。污染指数显示长期输入导致的遗留污染问题，但PLI等复合指标可能掩盖Cd等高毒性元素的突出贡献。植物组织中PTEs分配受根际铁膜、细胞壁结合、液泡分隔及特异性转运体（如OsNRAMP5）等多重机制调控；土壤性质与转运相关性弱，表明进入植物后内部调节占主导。谷物污染呈现多元素特征，且As、Cd虽在安全限内仍对致癌风险贡献显著，故单纯依赖土壤污染评价粮食安全具有局限性。

研究结论：本研究构建了从污染源到健康风险的评估框架，表明燃煤热电厂影响区内的农田土壤是燃烧释放金属的长期储存库，稻米则是中等污染状态下PTEs的主要但未充分认识的暴露载体。联合土壤-植物-谷物多介质评估优于单用土壤污染指数。儿童非致癌风险高，成人终生致癌风险不可接受，需持续监测电厂周边主粮作物。建议采用生物炭、石灰等土壤改良剂固定Cd和Pb，选育低Cd、低Ni积累水稻品种，采用干湿交替灌溉限制As的还原性活化，并加强灰池封存与植物修复。未来应结合同位素示踪和金属形态分析，建立更精准的源解析与风险管控框架。