环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (3): 1139-1145
引用本文
王怡, 王东启, 邱思静, 等. 2017. 上海市居民人发重金属含量及其空间分布特征研究[J]. 环境科学学报, 37(3): 1139-1145.
WANG Yi, WANG Dongqi, QIU Sijing, et al. 2017. Investigation on concentrations and spatial distribution characteristics of heavy metals in human hair of residents in Shanghai City[J]. ACTA SCTENTIAE CIRCUMSTANTIAE, 37(3): 1139-1145.
上海市居民人发重金属含量及其空间分布特征研究    [PDF全文]
王怡, 王东启 , 邱思静, 钱伟康    
华东师范大学地理科学学院, 上海 200241
收稿日期: 2016-05-11; 修回日期: 2016-06-07; 录用日期: 2016-06-07
基金项目: 国家自然科学基金（No.41473094）；科技基础性工作专项（No.2014FY210600）；上海市自然科学基金项目（No.14ZR1412100）；国家自然科学基金人才培养项目（No.J1310028）资助
作者简介: 王怡(1995-),女,E-mail:wy694400103@126.com
通讯作者（责任作者）: E-mail:dqwang@geo.ecnu.edu.cn
摘要: 采集上海市15个区（不包括崇明县），年龄在0~80岁之间的84例居民人发样品作为研究对象，着重分析上海市居民头发中镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）4种重金属元素含量，探究其与年龄的关系及空间分布特征.结果显示，上海市居民头发中Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属平均含量均在正常范围内，Cd含量为（0.11±0.19）μg·g-1，Cu为（11.42±8.75）μg·g-1，Pb为（1.64±2.12）μg·g-1，Zn为（121.20±106.59）μg·g-1，与国内外其他地区相比，上海市居民这4种重金属的污染水平较低.单因素方差分析（one-way ANOVA）表明，Pb和Cd含量的高值集中于0~10岁儿童，且与其他年龄段有显著差异，说明儿童较容易受到Pb和Cd的污染；利用样本数据进行反距离加权插值（IDW），得到上海市居民头发中4种重金属含量的空间分布规律，其中发Pb和发Cd含量呈现出由市区向郊区递减的变化特征.
关键词: 人发     重金属     空间分布     年龄    
Investigation on concentrations and spatial distribution characteristics of heavy metals in human hair of residents in Shanghai City
WANG Yi, WANG Dongqi , QIU Sijing, QIAN Weikang    
School of Geographical Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241
Received 11 May 2016; received in revised from 7 Jun 2016; accepted 7 Jun 2016
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 41473094), the Special Project of the Ministry of Science and Technology(No.2014FY210600), the National Natural Science Foundation of Shanghai(No.14ZR1412100) and the National Natural Science Foundation of China(No. J1310028)
Biography: WANG Yi(1995—),female,E-mail:wy694400103@126.com
*Corresponding author: E-mail:dqwang@geo.ecnu.edu.cn
Abstract: The aim of this study was to reveal spatial and age distribution of the potential exposure to heavy mental elements of residents in Shanghai. Hair samples from 84 volunteers aged 0~80 from 15 different regions in Shanghai were analyzed to determine the contents of 4 heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn). Concentrations of Cd, Cu, Pb and Zn were (0.11±0.19), (11.42±8.75), (1.64±2.12) and (121.20±106.59) μg·g-1, respectively, all of which were within the normal ranges indicating low pollution levels of heavy metals to residents in Shanghai. One-way ANOVA analysis presented that the concentrations of Pb and Cd in human hair from 0 to 10 years old children were significantly higher than those of the other age groups, which suggested that children were easier affected by Pb and Cd pollution. The spatial distribution maps of heavy metal concentrations in human hear derived from inverse distance weighted (IDW) interpolation implied a decreasing trend of heavy metals in human hair from urban area to suburban area.
Key words: hair     heavy metal     age groups     spatial distribution    
1 引言(Introduction)

人体健康受到环境重金属的严重威胁(中国科学技术协会学术部, 2007), 为了研究环境重金属暴露对人体的危害, 学者们一直在寻找能代表人体身体元素总体水平的、可靠的指示物和方法(Pan and Li, 2015).科研人员发现, 在一段时间内, 人发中可以高度稳定地积累随血液循环的各种元素(McLean et al., 2009；Moreda Piñeiro et al., 2007; Pereira et al., 2004).与血液、尿液相比, 人发样品更易收集、运输、贮存, 可以反映过去长时间的暴露, 展现出其生长过程的平均状态, 所以, 人发是一种合适的评估人体是否暴露于某些毒性元素的生物学标记(Gautam et al., 2004；Bencko, 1995).通过人体头发提供的实验数据可用于重金属的暴露评估、区域性生物死亡监测、回顾性调查与分析、医学诊断等(秦俊法等, 2005).

国内外已经有不少学者利用头发中微量元素进行相关分析：乌爱军等(2007) 发现城市居民头发中Pb、Cd等元素平均含量明显高于乡村居民平均水平, 且分布特征与土壤、浅层地下水、作物中重金属含量分布相关；Pereira等(2004) 对葡萄牙矿区附近居民做了类似的对比, 发现矿区居民头发中Cd、Cu含量更高；Pan等(2015) 对包头白云鄂博矿区的57例矿区居民及32例非矿区居民头发, 进行了25种元素分析, 也发现Cd、Pb、Zn含量与居住区域有关；徐友宁(2014a； 2008) 在小秦岭金矿带附近的研究认为, 未成年人发Pb含量最高;但 Anatoly等(2015) 对莫斯科及邻近地区居民人发的研究, 发现人发Pb、Cd等元素含量与年龄之间没有明显相关性；梁刚等(2012) 也认为各重金属含量与年龄相关性较低, 因此关于人发重金属含量与年龄相关性的分析仍存在争议.

目前国内对于人发元素的研究主要集中于矿区或疾病高发地区, 而对于特大城市人群受城市化、工业化环境重金属污染影响的研究不足.秦俊法等(1987；1990；1993) 曾报道过上海市长寿老人头发中低Cu 、高Mn特征.自20世纪90年代以来, 作为中国最大综合性工业城市, 上海建城区面积迅速扩张、人口膨胀, 城市化进程加快导致部分工业过程产生环境污染, 造成水体及土壤重金属污染、市区内机动车尾气排放增多, 势必会对居民健康产生影响.基于此本文将以上海市15个区的居民头发为研究对象, 着重分析上海市居民头发中Pb、Cu、Zn、Cd 4种重金属元素含量, 从而揭示本市居民重金属暴露水平, 同时利用统计方法, 探究其与年龄及空间分布特征的关系.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 样品采集

于2016年2月在上海市15个调查区域进行头发样本采集, 共计84例.采样点在每个区域内均匀分布, 均为当地理发店, 如图 1所示.头发样本采集过程中采取问卷调查形式, 调查问题包括性别、年龄段、有无烫染发历史、在当地居住时间及工作区域是否在当地等.选取满足无烫染发历史, 在采样地居住3年以上, 工作区域在采样点附近, 年龄在0~80岁之间的居民为研究对象.将样品编号并置于干净密封袋, 温室保存.

图 1 样品采集地区图 Fig. 1 Eight sampling sites in Shanghai
2.2 样品处理与测试

将头发样品剪碎混合, 将发样置于干净烧杯中, 用无水乙醇浸泡1 h.倒出乙醇, 用75%乙醇浸泡1 h.然后用蒸馏水冲洗3遍, 洗净发样.再将发样置于40 ℃的风箱中烘干.干燥后, 称取0.5000~0.5500 g头发样品, 放入微波消解罐杯中, 加入3 mL浓硝酸以及3 mL高锰酸后, 转移至微波消解仪.微波消解仪中样品在30 min内从常温升高至180 ℃, 在180 ℃维持2 h.消解后冷却至室温, 溶液转入50 mL比色管中, 加入 2%的稀硝酸定容至50 mL.吸取15 mL溶液至润洗过的针管中, 在针管前部套上一次性滤嘴, 将溶液过滤到干燥洁净的小瓶待测.

采用ICP(Optical Emission Sectrometer/Varian 710-ES)测试样品中Cu、Pb、Zn的含量, 采用contrAA 700型原子吸收光谱仪石墨炉法分析样品中Cd的含量.

2.3 质量控制

为了保证结果的准确性, 测定了样品处理前和分析过程中的加标回收率, 多次测定的发Cd、发Cu、发Pb和Zn的加标回收率均在80%~96%之间.同时, 用少量高纯水代替样品做空白试验, 此外随机选取样品中10%的发样做平行双样, 相对偏差在20%以内.用ICP、原子吸收光谱仪石墨炉法测试消解溶液的检出限均为0.001 μg·g-1.

2.4 分析方法

采用SPSS 17.0软件对上海市居民头发重金属含量进行统计分析：使用非参数Kolmogorov-Smirnov检验(K-S检验)是否服从正态分布；采取单因子方差分析法判断均值差异的显著性水平(α=0.05) , 研究年龄与人发重金属含量之间的关系.运用ArcMap 10.1进行IDW插值分析, 得到上海市居民人发重金属含量分布特征.

3 结果(Results) 3.1 上海市居民人发重金属的含量

上海市居民头发样品重金属含量测定结果见表 1.头发样品中重金属平均含量Cd为(0.11±0.19) μg·g-1, Cu为(11.42±8.75) μg·g-1, Pb为(1.64±2.12) μg·g-1, Zn为(121.20±106.59) μg·g-1.国内外部分地区人群的头发重金属含量比较见表 2.

表 1 上海市居民头发重金属描述性统计分析 Table 1 Statistic description of heavy mental concentrations in human hair in Shanghai

表 2 国内外部分地区人群头发重金属含量比较 Table 2 Comparison of heavy metal concentrations in human hair in different domestic and oversea areas

K-S检验用于检验数据是否符合正态分布, Cd和Pb的对数值经过非参数正态检验符合正态分布(p>0.05) , 其中Cd、Pb的几何平均值为0.051、1.101 μg·g-1.

变异系数(CV)反映各样本点平均变异程度(柳云龙等, 2012).表 1数据显示, 其中Cd和Pb变异系数大于Cu和Zn, 说明上海居民头发中Cd和Pb含量分异较大, 而Cd和Pb为污染元素, 现代医学已将人发中Pb、Cd等含量作为职业性中毒环境污染的检测指标(姚春霞等, 2008), 因此说明上海各区Pb、Cd污染分异性较大, 本文将从年龄、空间分异性这两方面进行讨论.

3.2 不同年龄段居民的发Pb和发Cd含量差异

在本研究中, 将样本年龄分为0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60岁以及60~80岁7个年龄段, 样本数分别为11、11、20、19、6、10、7例.利用单因素方差分析进行均值比较, 发现头发中Zn和Cu含量在不同年龄段之间并没有显著性差异(p>0.05) , 而Pb和Cd含量与年龄显著相关(p＜0.05) .为探讨年龄对发Pb和发Cd含量的影响, 计算不同年龄段的重金属含量见图 2.其中, 发Cd和发Pb含量的最大值均出现在儿童时期, 但是发Cd均值含量尚未超过中国居民头发铅正常值上限建议值0.5 μg·g-1, 且上海市居民发Pb含量低于国内外同龄群体(梁刚等, 2012；索有瑞, 1993).

图 2 上海市不同年龄段发Cd和发Pb重金属含量 Fig. 2 Cadmium and lead concentrations in human hair from different age groups in Shanghai

通过图 2可以看出, 上海市不同年龄段居民发Cd(图 2a)和发Pb(图 2b)含量变化趋势基本一致, 均在儿童时期达到最大, 随年龄增长递减在中青年后含量又逐渐增, 与前期其他地区研究结果一致.利用spearman相关分析表明重金属Cd与Pb有一定的相关性(r=0.509, p＜0.01) , 这一结论与梁刚等的报道结果相符(梁刚等, 2012).

为检验均值的差异是否有显著性意义, 利用单因素方差分析对各个年龄段发Cd、发Pb含量进行两两比较(Least-Significant Difference, LSD法), 结果见表 3.发现0~10岁儿童的发Cd和发Pb与其他6个年龄段均有显著性差异(p＜0.05) , 而其他6个年龄段间均没有显著性差异(p>0.05) , 即0~10岁儿童的发Cd和发Pb含量显著高于其他几个年龄段.

表 3 不同年龄段居民发Cd(发Pb)含量均值的单因素方差分析结果 Table 3 One-way AVONA of Cd and Pb concentrations of human hair with different ages
3.3 人发重金属含量的空间分布格局

利用ArcMap 10.1软件, 釆用反距离加权插值法(Inverse Distance Weighted, IDW), 绘制上海市人发重金属含量空间分布格局图, 并以拉伸的方式显示浓度变量, 研究结果见图 3.因在本研究中0~10岁年龄段发Cd和发Pb与其他年龄段有显著性差异, 为保证其空间分布规律不受年龄的影响, 故只选取10岁及以上年龄段的样本值进行插值分析.

图 3 上海市人发重金属含量空间分布格局图 Fig. 3 Spatial distribution of heavy mental contents in human hair
4 讨论(Discussion) 4.1 上海市人发重金属的含量

结合各重金属元素中位数、标准差及范围, 与文献报道的国内外部分地区人发重金属含量(表 2)对比, 发现本次研究中发Cd含量平均值为0.11 μg·g-1, 最大值为1.05 μg·g-1, 最小值为0.0004 μg·g-1, 且98%的样品均落在中国居民头发铅正常值上限建议值0.5 μg·g-1之内, 说明上海市居民头发Cd含量与我国其他地区居民发Cd含量相近, 且低于国外水平；对美国非职业暴露的成人头发进行研究的结果表明, 正常人的发Pb应该低于2.43 μg·g-1标准值(ASTDR, 2001);本次实验样品Pb含量的测试结果显示, 89%的样品在该标准之内, 因此上海地区居民发Pb含量比较正常, 远低于表 2中所列其他地区.而有关报道发现矿区人发Pb含量普遍较高, 由此说明居民发Pb含量可以反映环境性影响.Cu的含量范围与其他地区也接近, 92%的样品Cu含量集中于4~20 μg·g-1, 所以上海地区不存在Cu污染.健康人发Zn质量分数平均范围在93.6~209.0 μg·g-1, 本研究人发Zn质量分数平均值在此范围, 但有6%的人发Zn质量分数高于 210 μg·g-1, 说明居民健康存在一定暴露风险(李勇等, 2013；曾隆强等, 1996).

4.2 不同年龄段居民的发Pb和发Cd含量差异

众多研究探寻了头发重金属含量与年龄和性别的相关性, 但研究结果有较大差异.徐友宁等发现儿童的头发Pb更容易累积, 因此更容易受Pb污染的危害(徐友宁等, 2014a);耿忠厚发现, 婴幼儿发Pb含量最高, 老年人发Pb含量最低；并指出, 婴幼儿与学龄前儿童发Pb值增高可能与某些儿童的异食癖及不良卫生习惯等因素造成接触Pb的机会较多有关, 也可能是由于婴幼儿代谢和排泄功能不够完善, 造成了体内对Pb的轻度累积(耿忠厚等, 2002).在本研究中0~10岁儿童的发Pb和发Cd含量显著高于其他年龄段发Pb和发Cd含量, 与前期其他地区的研究相一致, 可能与儿童自身身体状况、行为习惯有关.

4.3 人发重金属含量的空间分布格局

研究区域内, Pb的高值区出现在长宁区和徐汇区, 表现出城市人群的发Pb含量明显高于郊区且由中心向周围递减的现象.其原因可能是受城市中汽车尾气排放、车轮磨损、早期工业污染残留的影响.有研究表明, 上海市灰尘重金属表现出内环区域Pb含量普遍高于外环区域的特征(李海雯等, 2007).因此, 在城市中人体吸入颗粒灰尘重金属风险增大, 从而导致人体在市中区Pb暴露的概率增大.

从中心往南, 在闵行区北部工业区, 发Pb含量出现峰值区, 而奉贤区、金山区为低值区.发Pb能够真实地反应体内对Pb的吸收程度, 并与环境污染有良好的相关性(索有瑞, 1993).本研究区域发Pb的空间分布情况与柳云龙等关于徐汇、闵行、奉贤土壤中Pb含量的空间分布相符合(柳云龙等, 2012), 推测闵北工业区附近的土壤以及人体内重金属的污染来源相似.环境中的重金属可通过大气污染直接作用于人体, 对人体健康产生危害(徐友宁, 2014b).

从中心往北, 在宝山区的发Pb含量较高, 可能与农产品中化学物质的残留有关系.周根娣、冯恭衍、沈根祥等的研究表明, 上海农业菜地土壤中的重金属污染严重, 以Cd、Pb等元素超标为主, 前者分布于浦东新区, 后者分布在宝山区个别地段.受其影响, 宝山区居民日常摄入的蔬菜中可能也积累了一定量的重金属元素Pb(周根娣等, 1994；施婉君等, 2009).同时宝山区作为宝钢出产地, 在进行冶炼加工等工业活动中向周围环境释放了大量重金属, 例如Cu、Pb、Zn等, 可通过大气、水、食物等进入人体内, 这是宝山区工业园区附近的居民头发中4种重金属含量都偏高的重要原因.在国内外的研究中, 钢厂及高速公路附近居民的重金属污染也类似.

研究区域中, 发Cd含量的峰值集中在市中区与闵行区一带, 呈现由中心向周围减少的分布特点, 与发Pb的空间分布格局相似.发Cd含量与周边地理环境中的Cd含量有着紧密的联系, 同时, 它也是人体Cd负荷的指标, 故对发镉的监测可以一定程度上分析环境对人体Cd含量的影响(秦俊法等, 2004).这种分布格局可能与市中区的汽车废气, 包括闵行闵北工业园区和莘庄工业园区的分布以及交通密集、城市化过程有关.Zn含量的高值区在青浦区东侧靠近与市中心连线一带, 以及浦东新区最北部.研究区域人发Cu含量的空间分布情况为高值区域出现在市中心、宝山区工业园区部分以及金山区西南面.就宝山区而言, 北面的罗店古镇低值区与南面的工业园区Cu含量的高值区对比鲜明, 说明发Cu含量可能受到工业区的影响.

5 结论(Conclusions)

1) 上海市人群头发中Cd、Cu、Pb、Zn这4种重金属平均含量Cd为(0.11±0.19) μg·g-1, Cu为(11.42±8.75) μg·g-1, Pb为(1.64±2.12) μg·g-1, Zn为(121.20±106.59) μg·g-1, 均处于正常范围内, 说明人体受到重金属污染较低.发Pb与发Cd含量变异系数较大, 说明其污染分异性较大.

2) 研究区域内发Pb、发Cd含量均呈现由市中心向四周递减的趋势, 说明了汽车尾气、灰尘重金属和工业废气对人发重金属累积程度的贡献.

3) 研究区域内0~10岁儿童的发Pb和发Cd含量均达到最高, 且与其他年龄段有显著性差异(p＜0.05) , 与儿童自身较容易接受Pb和Cd的污染有关.

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