赞比亚卡布韦矿区污染土壤中木薯叶重金属健康风险评估研究

《Sustainable Environment》：Health risk assessment of heavy metals in Manihot esculenta leaves cultivated in a polluted area of Kabwe District, Zambia

　　

本研究在赞比亚卡布韦（Kabwe）的前矿业城镇马库卢卢（Makululu）镇区开展，评估了受重金属（heavy metals, HMs）污染的木薯（Manihot esculenta）叶片所带来的健康风险。研究人员采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）进行检测，发现多种重金属含量超过最大允许限量（maximum permissible limits, MPLs），其中铝（Al）、钡（Ba）、锰（Mn）和锌（Zn）的含量显著升高。铅（Pb）含量接近其最大允许限量，而砷（As）和镉（Cd）未被检出。计算得到危害指数（Hazard Index, HI）为1290.25，表明多种金属联合暴露存在显著的非致癌风险；综合致癌风险（Σ CR）为0.0013，亦令人担忧。此外，同一区域采集的复合土壤样品（pH 7.855）显示多种潜在有毒金属（potentially toxic metals, PTMs）含量升高。上述发现强调了对木薯叶消费进行持续监测的迫切性，并提示马库卢卢镇区居民通过膳食途径暴露于重金属可能带来严重的健康危害。针对性的公共卫生干预措施、适当的修复措施以及农艺管理措施至关重要。

一、研究背景与意义

木薯（Manihot esculenta Crantz，大戟科）是众多发展中国家尤其是撒哈拉以南非洲地区（包括赞比亚）的关键主食作物，既是碳水化合物的主要来源，也是传统饮食的重要组成部分。除淀粉质块根外，木薯叶因其显著的营养价值而备受重视，可为当地饮食提供蛋白质、膳食纤维、多种必需维生素（A、部分B族、C）、宏量及微量矿物质（钙、铁、镁、锰、钾、锌）以及生物活性植物化学物质。这种对木薯植物的广泛依赖保障了家庭粮食安全，也凸显了确保其安全供人食用的关键意义，特别是在获取其他营养丰富食物受限的地区。

然而，在受环境污染影响的区域，粮食作物（尤其是木薯叶等叶菜类蔬菜）的安全性受到严重威胁。赞比亚卡布韦区即为典型例证，该地区因长期大规模铅锌开采活动而遭受广泛的多金属污染。历史性污染导致多种金属在土壤和水体中大量沉积与累积，形成持续的环境健康危害。冶炼厂附近的土壤含有更高浓度的重金属；前矿区附近某些地点的地下水重金属污染也对当地居民构成严重健康风险。在受污染环境中生长的作物（包括木薯）容易吸收并在组织中累积这些金属（包括有毒金属），这引起严重关切。多种潜在有毒金属（如Al、As、Cd、Pb）通常通过根系吸收并在可食用部位（如叶片）转运累积。过量金属摄入可对人体产生一系列有害健康效应，包括非致癌和致癌风险，涉及神经毒性、肾毒性、肝毒性、生殖障碍及癌症风险增加等，具体取决于金属种类、浓度和暴露持续时间。这些健康风险源于采矿本身、矿产加工与处理、矿山废物管理以及矿山关闭后的持续暴露。

鉴于木薯的营养重要性以及卡布韦严重的重金属污染状况，本研究全面评估了从赞比亚卡布韦区马库卢卢镇区采集的木薯叶片中多种潜在有毒金属的含量水平及其消费相关的健康风险。尽管卡布韦矿已于1994年退役，但其仍是卡布韦区多个区域（包括马库卢卢镇区）铅及其他重金属持续慢性暴露的来源。卡布韦主运河的季节性洪水也被确定为周边地区金属毒物污染的来源。该运河最初建于1940年代，是矿山运营中废水排放的主要排水系统，将有毒废物从矿区携带至卡富埃河。此外，不完善的废物处理系统也可能导致土壤-作物系统污染。本研究旨在评估通过食用在历史上受污染的马库卢卢镇区种植的木薯叶而导致的膳食重金属暴露相关潜在健康风险，为制定膳食建议、支持公共卫生举措和指导必要的修复性农艺措施提供关键数据，以保障卡布韦区弱势群体的食品安全和粮食安全。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员在赞比亚中央省卡布韦区马库卢卢镇区（南纬14°26′49.40″，东经28°25′40.40″）的KB02B采样点采集了木薯叶片和复合土壤样品。木薯叶片样品经采集、清洗、阴干、烘箱干燥、粉碎并过425.0 μm筛后备用；复合土壤样品从0–20 cm深度采集，经风干、研磨、过筛后备用。研究人员采用三酸（高氯酸、硝酸、盐酸）混合开放消化法对叶片和土壤样品进行前处理，随后使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对21种金属元素（Al、As、Ba、Bi、Cd、Ca、Cr、Co、Cu、Fe、Pb、Li、Mg、Mn、Ni、K、Se、Ag、Na、V和Zn）进行定量分析。方法学验证显示所有金属的线性相关系数（R2）均超过0.997，检出限（LOD）范围为0.05–0.44 mg/L，定量限（LOQ）范围为0.36–2.02 mg/L，加标回收率范围为78.5%–114.4%。基于检测结果，研究人员计算了估计每日摄入量（EDI）、目标危害商（THQ）、危害指数（HI）和致癌风险（CR），以评估膳食暴露的健康风险。

三、主要研究结果

（一）木薯叶中重金属含量及与最大允许限量的比较

木薯叶中铝（Al）的平均浓度为997.38 mg/kg（范围876.65–1058.84 mg/kg），远超10–50 mg/kg的最大允许限量（MPL）。高水平的Al与多种健康问题相关，尤其是阿尔茨海默病等神经系统疾病。钡（Ba）平均浓度为41.06 mg/kg，超过其5–20 mg/kg的MPL。铅（Pb）平均浓度达49.41 mg/kg，处于其MPL上限，远高于其他研究报道的浓度（2.5 mg/kg和0.608 mg/kg），引起严重关切。锰（Mn）浓度为217.41 mg/kg，超过5–10 mg/kg的MPL。锌（Zn）平均浓度为932.31 mg/kg，远超50–100 mg/kg的安全限值。钙（Ca）和镁（Mg）的平均浓度分别为20559.01 mg/kg和7348.00 mg/kg，作为必需元素不表现出类似其他金属的毒性。砷（As）和镉（Cd）未被检出，铜（Cu）和镍（Ni）也未检出，可能表明木薯对这些金属的吸收不足或该区域土壤中这些特定金属的污染程度较低。

（二）健康风险评估结果

铝的EDI为0.5129 mg/kg/day，虽在JECFA推荐的0.0–0.6 mg/kg/day范围内，但其THQ高达1282.250（RfDo为0.0004），表明存在显著的非致癌健康风险；其CR为0.1026，超过阈值，提示显著的致癌健康风险。钡的EDI为0.0021 mg/kg/day，低于WHO的0.2 mg/kg/day阈值，但即使少量暴露也可能引起胃肠道病变。铬（Cr）的EDI为0.0022 mg/kg/day，THQ为0.0030，目前处于限值内，但慢性暴露可能增加健康风险；其CR为0.0011，提示中等程度的膳食致癌风险。铅的EDI为0.0254 mg/kg/day，虽在JECFA限值内，但鉴于其已知的严重神经影响（尤其是对儿童），仍需保持警惕。铁（Fe）的EDI为0.5230 mg/kg/day，低于其参考剂量0.7000 mg/kg/day和WHO限值8.000 mg/kg/day，表明该样品中铁的摄入是安全且有益的。

（三）累积风险指数

危害指数（HI）为1290.25，表明所检测有毒金属（Al、Ba、Cr和Pb）的累积非致癌风险极高，提示显著的健康危害。综合致癌风险（Σ CR）为0.0013（来自Cr和Pb），超过安全阈值，表明通过食用受污染木薯叶存在值得关注的致癌风险。这些风险值基于总平均浓度计算，代表最坏情况假设，实际生物可利用性可能受烹饪方法和消化过程等因素影响。

（四）土壤与叶片重金属含量比较

复合土壤样品（pH 7.855）显示多种重金属严重污染，尤其是Cd、Pb和Zn，远超典型农业和环境允许限值。土壤中多种潜在有毒金属（包括Al、Ba、Cd、Cr、Co、Cu、Fe、Pb、Li、Mn、Ni、Se、V和Zn）的浓度比木薯叶中高出数个数量级，符合土壤作为这些元素主要储库的预期。尽管碱性pH通常降低阳离子型潜在有毒金属的生物可利用性，但土壤中极高的Al浓度（88077 mg/kg）仍导致叶片中大量吸收累积（997.38 mg/kg）。相反，Cd、Cu和Ni在碱性pH下吸收受限，叶片中未检出。宏量营养素（Ca、K、Mg）在叶片中的浓度高于土壤，符合植物主动累积必需元素的预期。

四、讨论与结论

本研究表明，卡布韦区马库卢卢镇区木薯叶存在严重的重金属污染，可归因于历史采矿和冶炼活动。木薯叶中总Al、Ba、Mn和Zn浓度超过最大允许限量，Pb水平显著，共同构成实质性健康风险。极高的危害指数（1290.25）表明存在严重的非致癌风险，而综合致癌风险（Σ CR）为0.0013与食用木薯叶的膳食致癌风险相关。有毒金属如Al、Cr和Pb穿越血脑屏障的可能性较高，可能对消费者构成显著健康风险，包括儿童发育障碍、神经退行性病理和成人多种健康问题。鉴于卡布韦居民中74.9%的血铅水平超过CDC参考值，农产品安全问题尤为突出。这些结果与土壤重金属总水平升高相互印证，亟需采取持续监测、针对性公共卫生干预和修复性农艺策略，以保障马库卢卢镇区及卡布韦其他类似地区弱势群体的食品安全。未来研究应聚焦于纵向追踪有毒金属累积趋势、跨区域比较分析、植物内金属生物转化与生物可利用性研究、弱势人群健康影响评估、土壤修复技术研发以及社区教育倡议等方面。