2018, Vol. 38
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2. 北京师范大学环境学院, 北京 100875;
3. 环境保护部环境保护对外合作中心, 北京 100035;
4. 中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037
2. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875;
3. Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035;
4. MNR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037
重金属是一类广泛存在于土壤、大气、水体等环境介质的难降解污染物，由于其具有高毒性、不可降解性和生物累积性受到了国内外学者的广泛关注(Liu et al., 2013; Liu et al., 2016; Xing et al., 2016).重金属可以通过食物链、饮食和接触等途径进入人体，对人体健康造成严重的威胁(Zhuang et al., 2009).2014年《全国土壤污染状况调查公报》表明我国土壤污染以重金属无机型污染为主；河流和地下水重金属超标也屡见不鲜，因此，重金属污染已成为威胁我国环境保护和食品安全的主要因素之一.
重金属可以在人体内累积，并产生一系列的毒害作用.人发中的重金属含量可以间接反映人体内重金属含量水平，因此，人体头发常作为生物标志物来分析人体内重金属水平，并评估人体在一段时期内重金属的暴露水平(Liang et al., 2017; Jiang et al., 2017).随着大连沿海临港工业的高速发展，环境重金属污染状况日趋恶化，湖泊河流等水体及土壤，均受到一定程度的重金属污染(孙慧玲，2015)，大连地区居民可能暴露在重金属异常的环境中.此外，已有研究表明大连市售部分食品中存在不同程度重金属超标(张磊等，2017).然而大连市居民体内重金属水平如何，大连市居民重金属暴露情况如何？到目前为止相关研究还未见报道.
As、Cd和Hg 3种重金属的毒性较Cr、Cu、Ni和Zn强；Pb的毒性仅次于As，与Cu和Ni毒性相当；因此，As、Cd、Hg和Pb的生态风险指数较高，是重点关注的典型重金属污染物(Hakanson, 1980).基于此，本研究采集辽宁省大连市不同年龄群体、不同性别居民头发样品，分析了头发中As、Cd、Hg和Pb等重金属含量，旨在以人发作为生物标志物来评估本地区居民重金属暴露水平，分析人体重金属来源，并通过统计方法对本地区人发重金属含量水平及与年龄、性别的关系进行研究，揭示头发中典型重金属富集特征.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 样品采集选取本地区不同居民住宅小区(周围)为采样点，共采集大连市健康居民头发样品102份，其中男性50份，女性样品52份.所采集的头发样品均未经过烫、染等方式处理，样品采集后至使用前存放在聚乙烯塑料袋中保存.头发样本年龄范围在7~75岁之间，并分成5个年龄组，具体的头发样品信息见表 1.
| 表 1 大连地区不同年龄群体头发样本信息 Table 1 Hair sample characteristics of different groups from Dalian City |
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将人发样品均剪成0.2~0.5 cm的小段，依次用乙醚/丙酮(3:1，V/V)、EDTA溶液(5%)、超纯水清洗，然后置于烘箱中烘干(80 ℃)，备用(Sreenivasa Rao et al., 2002).准确称取人发样品0.20 g，置于聚四氟乙烯罐中，并依次加入硝酸(2 mL)、双氧水(1 mL)，室温静置12 h.将上述聚四氟乙烯罐放入不锈钢外套中，拧紧，于160 ℃烘箱中加热处理4 h，待冷却后取出聚四氟乙烯罐.将硝化后的溶液转移至容量瓶中，用超纯水定容至10 mL，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，德国，SPECTRO ARCOS EOP)测定Cd、Pb含量.取ICP-OES待测液1 mL，加入1 mL硫脲(5%)和3 mL硝酸(10%)，混合均匀，静置6 h，用原子荧光光度计(AFS，北京吉天仪器有限公司AFS-930)测定As、Hg含量.
2.3 质量控制为保证测定结果的准确性，每份头发样品均设定3组平行样品，并采用超纯水、双氧水和硝酸空白组作为对照实验(溶液的酸度控制在5%以内)；每组实验中用人发标样(GBW 07601 No. 5)作为标准样品，标准样品中Cd、As、Pb和Hg 4种金属的回收率分别为91%±3%、99%±6%、102%±5%、103%±3%.
2.4 统计分析首先采用SPSS软件(20.0)对不同组样品(不同年龄、不同性别)进行正态性及方差齐性检验，结果表明仅有部分组样品符合正态分布和方差齐性，因此，对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)中选择“未假定方差齐性”中的Games-Howell法进行进一步的统计分析.单因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相关分析用SPSS软件(20.0)实现；采用CANOCO软件(4.5)对数据进行主成分分析(PCA).
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 大连市居民头发中重金属含量表 2列出了不同地区居民头发重金属含量.从表 2可知，该地区人发样品中所测定的Cd、Pb、As和Hg 4种重金属含量分别为(0.09±0.07)、(2.89±1.54)、(0.07±0.08)和(0.55±0.27) mg·kg-1.4种重金属浓度处于较低的水平，均低于我国居民头发中的重金属含量建议上限值(Cd：0.5 mg·kg-1；Pb：10 mg·kg-1；As：1.0 mg·kg-1；Hg：1.5 mg·kg-1) (秦俊法，2004)，且没有样本超过上限值，表明大连居民重金属暴露风险较低.与其它国家和地区相比，大连市居民头发中重金属含量较瑞典低，与上海相当；而工业地区或城市(波兰/重庆)居民头发中Cd和Pb含量明显较大连高.大连市居民头发中重金属含量也明显较矿区附近地区低.研究表明广西南丹地区居民头发中Cd、Pb和As的含量分别是大连居民头发中含量的27.4倍、7.24倍和18.0倍(田美玲等，2016)；贵州万山地区居民头发中Hg可高达837 mg·kg-1 (李玉锋等，2004).城市环境中重金属的主要来源有交通、煤炭燃烧、建筑材料、工业生产等(Kurt-Karakus, 2012).重庆是一个重工业城市，主要依托能源为煤炭(何明靖等，2017)；同样波兰产业结构也以重工业为主.煤炭燃烧可能是城市中Pb和Cd的重要来源，也是波兰/重庆居民头发中Pb和Cd过高的原因.对于重金属污染严重的地区，饮食、皮肤接触、呼吸等均是重金属进入人体的渠道(Kim et al., 2016).而大连作为有名的旅游城市，其旅游、物流等第三产业比较发达，工业污染相对较少，通过呼吸和皮肤接触而进入人体的重金属含量相对较少，因此，饮食途径可能对大连市居民重金属摄入贡献较大.如牛小丽等也对大连本地区食材金属Hg含量进行了分析，并证实了水产品(15.32 μg·kg-1)的摄入是人体中汞的重要来源(牛小丽等，2014).
| 表 2 不同地区居民头发重金属含量比较 Table 2 Heavy metals concentrations comparison of human hair in different areas |
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研究表明，性别也会影响头发中重金属的含量.如图 1所示，大连市男性头发中Cd、Pb、As和Hg的平均含量分别为(0.14 ±0.10)、(3.07 ±1.72)、(0.10±0.10)和(0.48±0.28) mg·kg-1；大连市女性头发中Cd、Pb、As和Hg的平均含量分别为(0.09 ±0.08)、(2.28 ±1.34)、(0.04±0.04)和(0.54±0.24) mg·kg-1.不同性别居民头发中的重金属经正态性和方差齐性检验表明，男性组中4种重金属不符合正态分布，女性组中仅Pb和Hg符合正态分布；方差齐性结果分析类似.但有研究表明单因素方差分析对正态性并不敏感(Mcdonald, 2009)，且当前样本量相对较大(男性样本为50个，女性样本为52个)，因此，单因素方差分析可用于不同性别样本间的统计分析.单因素方差分析表明，男性头发中Cd、Pb和As等重金属平均含量明显比女性头发重金属含量高(p < 0.05)，其中As平均含量差异达到极显著水平(p < 0.01)；而男性和女性头发中Hg的浓度差异并未达到显著性(p>0.05).该原因主要是因为：①男性饮食量较女性多，呼吸速率快，重金属摄入量较女性多(Özden et al., 2007)；②吸烟能明显增加体内重金属含量(Afridi et al., 2011)，而男性吸烟的比例远高于女性.除此之外，个人因素如使用护肤品、体重等也会影响头发中重金属含量(Huang et al., 2014; 何明靖等，2017).
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| 图 1 大连城市居民不同性别群体人发中重金属含量(male: n=50; famale: n=52) Fig. 1 Human hair heavy metals concentrations of different genders from Dalian City (male: n=50; famale: n=52) |
考虑到部分不同年龄居民头发样本数据方差不齐，在单因素方差分析中选择“未假定方差齐性”的Games-Howell法进行了统计分析.由图 2可知大连市不同年龄段居民头发中Cd的含量分别为7~12岁：(0.09±0.05) mg·kg-1、13~18岁：(0.05±0.02) mg·kg-1、19~35岁：(0.16±0.10) mg·kg-1、36~55岁：(0.09±0.06) mg·kg-1；56~75岁：(0.06±0.04) mg·kg-1.其中19~35岁年龄组居民头发中Cd含量最高，且与13~18岁和56~75岁年龄组的Cd含量均呈显著差异水平(p < 0.05).19~35岁年龄组头发中Pb的含量在各年龄组中最高，为(3.59±1.33) mg·kg-1，且与56~75岁年龄组呈现显著差异(p < 0.05).56~75岁年龄组中Cd和Pb的含量均最低.对于As，不同年龄组居民头发中As的含量呈现随着年龄的增加先减小后增大的趋势.56~75岁年龄组中As含量最高且与其它4组的差异均达到了显著水平(p < 0.05)；13~18岁和19~35岁组头发中As含量均值也显著低于其它几组.不同年龄组居民头发中的Hg含量随着年龄的增加逐渐增加，56~75岁年龄组Hg含量最高(p < 0.05)，为(0.81±0.32) mg·kg-1.
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| 图 2 大连城市居民不同年龄组头发金属含量(注：其中不同字母代表同一元素、不同年龄组之间差异达到显著水平(p < 0.05, one way-ANOVA)(7~12岁：n=17；13~18岁：n=21；19~35岁：n=21；36~55岁：n=21；56~75岁：n=22)) Fig. 2 Heavy metals concentrations in human hair of different age groups from Dalian City (Note: Different letters within the same metal indicate significant differences between different age groups (p < 0.05, one way-ANOVA) (7~12岁: n=17;13~18岁: n=21;19~35岁: n=21;36~55岁: n=21;56~75岁: n=22) |
不同年龄组中重金属含量变化研究较多，但并未得到有规律的且一致的结果(Ashraf et al., 1995; Khalique et al., 2005; Liang et al., 2017).不同年龄段居民，生活饮食习惯并不同，造成了重金属暴露途径和暴露水平不同(Pereira et al., 2004; Cao et al., 2010).何明靖等(2017)研究了重庆主城区居民头发中重金属的含量发现，Cd、Pb和Zn在青年组(15~40岁)居民头发中含量较高，Cu和Ni在老年组(>60岁)居民头发中含量较高；市区与郊区相比，重金属在不同年龄段居民头发中的分布规律也不同(何明靖等，2017).电子垃圾回收区居民头发中Cu和Zn的含量随着年龄的增加而增加(Zheng et al., 2011).倪善芹等对重金属暴露水平较高矿区附近居民头发中重金属含量进行了分析，也发现不同年龄段人群中重金属含量对矿山开发环境的响应不同(倪善芹等，2012).由此可见，人发重金属含量与年龄关系较为复杂，不同暴露途径、不同地区头发中的重金属与居民年龄呈现的规律并不相同.
对于一般居民来说，饮食是体内重金属的主要来源(Cao et al., 2010).有文献报道人体内Hg含量与食用的鱼量呈正相关关系(Hajeb et al., 2008)，长期食用鱼类等海产品的人体内Hg含量会明显高于对照组群体，因此，滨海城市大连居民头发Hg含量随年龄增长呈现递增现象，可能是由于食用鱼类过多的原因.牛小丽等研究也发现大连市居民头发中Hg的含量与年龄和水产品食用量呈现正相关(牛小丽等，2014).人体内不同组织中Cd含量达到最大值的年龄段也不相同.研究表明头发中Cd含量达到最大值年龄大概在三四十岁左右(Pereira et al., 2004)，与本文得到结果基本一致.As含量在7~35岁间含量水平接近文献值，而且变化趋势也是逐渐降低，这一点也与国外文献报道相符(González-Muñoz et al., 2008; Caroli et al., 1992).
3.3 大连居民头发中4种重金属相关分析用CANOCO 4.5软件对所有数据进行去趋势对应分析(Detrended correspondence analysis, DCA)，结果显示梯度长度大于4，因此选择主成分分析对数据进行分析做图.主成分分析如图 3所示.由分析结果可知第一组分可解释总变量的78.5%，第二组分可解释总变量的13.6%.4种重金属之间相关性很好，基本属于同一组分.这说明大连市居民对4种重金属的暴露途径基本相同.4种重金属间的Pearson相关系数如表 3所示.从表 3中可知，头发中Pb与As显著正相关(p < 0.05)，与Cd呈现显著正相关(p < 0.01).头发中As与Hg的相关性也达到了显著水平(p < 0.05).仅As与Cd、Hg与Cd及Hg与Pb之间的相关性未达到显著水平.图 3中也可得到Hg和Cd箭头所指方向不一致，这也表明PCA分析结果与Pearson分析结果基本一致.
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| 图 3 大连市居民头发样本和重金属主成分投影图(n=102) Fig. 3 Biplotsof the investigated heavy metals and samples from PCA analysis(n=102) |
| 表 3 大连城市居民头发中4种重金属间的Pearson相关性(n=102) Table 3 Pearson′s correlation between studied four heavy metals in hair samples of Dalian City (n=102) |
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此外，从大连市居民头发样品的投影中可以看出，部分男性头发样品投影在了第一和第四象限，与As、Pb和Cd箭头方向一致，第一排序轴值为正且值较高；部分女性头发样品投影在了第二和第三象限，与As、Pb和Cd箭头方向相反，第一排序轴值为负且较小.而不同性别大连市居民头发中重金属平均值比较发现，男性头发中Cd、Pb和As的平均含量明显较女性中高(p < 0.05).这也表明PCA分析的结果与不同性别大连市居民头发中重金属均值分析结果相似.但是从图 3中也可以看出，大多数样品分布集中在第一排序轴和第二排序轴中间，说明性别在本研究中并不是影响头发中重金属含量的主要因素，这一结论与其它研究结果一致(钮志远等，2016; Liu et al., 2008; 张磊，2009).
4 结论(Conclusions)1) 该地区居民头发中Pb、Cd、As、Hg等重金属的平均含量均低于我国居民人发中重金属上限建议值，初步反映了大连居民Pb、Cd、As、Hg等重金属暴露风险较低，未对本地区居民健康产生影响.
2) PCA分析表明4种重金属的暴露途径基本相同.不同性别头发重金属研究表明，男性头发中Cd、Pb和As等重金属含量明显高于女性(p < 0.05)；不同年龄段居民头发中重金属研究表明，由于生活饮食习惯等差异性，造成了重金属暴露途径和暴露水平不同，不同年龄组中重金属含量变化并未呈现一致规律性.
3) 相关分析表明，头发中Pb与As显著正相关(p < 0.05)，与Cd呈显著正相关(p < 0.01).该研究也表明，人发重金属含量与年龄、性别关系较为复杂，不同暴露途径、不同地区、不同饮食习惯等都会对人发重金属含量产生影响.
4) 头发重金属含量随年龄(性别)变化规律不尽相同，这可能跟不同年龄(性别)群体的饮食结构、饮食方式有很大的关系，因此开展研究不同年龄(性别)群体饮食差异，对解释重金属含量与年龄(性别)之间的变化规律可以提供直接数据支持，具有重要研究意义.
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