黄连重金属污染分析及其健康风险评估

Analysis of heavy metal pollution in Rhizoma Coptidis and its health risk assessment

摘要

目的 研究不同产区5年生黄连中重金属存在现状并对其进行健康风险评估，为不同产区精准治理重金属污染问题提供理论依据。 方法 采用电感耦合等离子体光谱法（ICP-OES）测定不同产地共计39份5年生黄连根部组织中Cu、Cd、Pb、As、Hg 5种重金属含量。利用每日最大可耐受摄入量（EDI）、靶标危害系数（THQ）和致癌风险（CR）评估模型进行健康风险评估。 结果 39份黄连样本中重金属Cu、Pb、Cd、As、Hg的平均含量分别为20.77、3.27、0.53、0.14、0.002 mg/kg。参照《中国药典》（2020年版）中给出的重金属及有害元素一致性限量指导值规定，该39份黄连中有7份Pb含量超标，超标率为17.95%，分别是开州、眉山、北川、峨眉、彭州的样本；有19份Cu含量超标，超标率为48.17%，分别是利川、石柱、眉山、北川、峨眉、彭州的样本；Cd、As、Hg的含量均在规定范围内。健康风险评估结果显示，该研究中黄连的5种重金属含量对成人和儿童的EDI值均小于PTDI，THQ值均小于1，CQ值均小于10^-6，说明对人体无明显健康影响。 结论 结合不同产区黄连重金属污染现状，有针对性进行重金属污染治理，可以减少源头污染，保障黄连临床用药安全。

Abstract

Objective The study aimed to investigate the present situation of heavy metals in 5-year-old Rhizoma Coptidis in different production areas and assess its risk for health，laying a theoretical basis for precise control of heavy metal pollution in different areas. Method The Inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) was used to determine the contents of Cu，Cd，Pb，As and Hg in the root tissues of 39 5-year-old Rhizoma Coptidis from different regions.Health risk assessment was performed by using the maximum estimated daily intake (EDI)，target hazard quotients (THQ) and carcinogenic risks (CR) assessment models. Result The average contents of Cu，Pb，Cd，As and Hg in the samples were 20.77，3.27，0.53，0.14 and 0.002 mg/kg，respectively.According to the guidance of the consistency limit of heavy metals and harmful elements provided by the Chinese Pharmacopoeia (2020 edition)，the content of Pb in 7 of the 39 samples exceeded the standard，with an exceeding rate of 17.95%，which were samples from Kaizhou，Meishan，Beichuan，Emei and Pengzhou.There were 19 samples in which the Cu content exceeded the standard，with an exceeding rate of 48.17%，which were sampled from Lichuan，Shizhu，Meishan，Beichuan，Emei and Pengzhou.The contents of Cd，As and Hg were within the specified range in all samples.The results of health risk assessment showed that the EDI values of the five heavy metal contents in Rhizoma Coptidis for adults and children were less than PTDI，the THQ values were less than 1，and the CQ values were less than 10^-6，indicating that there was no significant impact on human body health. Conclusion Combined with the assessment on current situation of heavy metal pollution in Rhizoma Coptidis in different production areas，the targeted control of heavy metal pollution could reduce source pollution and ensure the safety of clinical medication of Rhizoma Coptidis.

Graphical abstract

关键词

黄连 / 重金属 / 不同产地 / 电感耦合等离子体光谱 / 健康风险评估

Key words

Rhizoma Coptidis / heavy metal / different regions / inductively coupled plasma-optical emission spectrometry （ICP-OES） / health risk assessment

Author summay

张健，硕士，助理研究员，主要从事中药材分子生物学研究。E-mail：[e-mail]

黄连为毛茛科、黄连属多年生草本植物，以根茎入药，具有清热燥湿、泻火解毒的功效^［1］。目前《中国药典》收载3种黄连，分别为黄连（Coptis chinensis Franch.）、三角叶黄连（Coptis deltoidea C.Y.Cheng et Hsiao.）、云连（Coptis teeta Wall.），即味连、雅连和云连。雅连、云连因产量较低，市场上黄连主要以味连为主^［2］。现代药理学发现黄连及其生物碱成分具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗肿瘤、抗糖尿病、降血脂等多种作用^{［3- 7］}。此外，含有黄连的方剂如黄连解毒汤、三黄泻心汤等也被研究表明具有更广的临床适应症^［8-9］。随着黄连药用价值的不断拓展，市场对黄连的需求量也在增加，这对黄连的临床用药安全性提出了新的要求。重金属是天然存在的元素，在环境中广泛分布并且能够持续存在^［10］。其在植物中富集并间接转移到人体内对人类健康安全构成威胁，引起心血管疾病、发育异常、神经行为障碍、免疫疾病等^［11-12］。《中国药典》（2020年版）中给出的重金属及有害元素一致性限量指导值对铜、镉、铅、砷、汞5种重金属含量标准做出了规定。目前通常采用原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电感耦合等离子体光谱法（ICP-OES）对中药材的重金属含量进行检测，例如对雷公藤、桔梗和白术中重金属元素的测定^［13-15］。一般而言，生长越久的植物积累的重金属越多^［16］。黄连生长周期在5~6 a，且以根茎入药，易受到重金属污染的影响。朱海兰等^［17］通过对不同产地黄连中重金属含量和富集特性的研究，发现黄连根部组织包括须根和根茎是重金属主要的富集部位。周利等^［18］发现黄连煎煮和原粉入药两种入药形式下重金属的溶出值均小于黄连重金属限量理论值（MRL），表明2种入药方式均不会对人体产生明显危害。由于商品黄连以5年生为主，但对于5年生黄连重金属的研究鲜有报道。为此，本研究从黄连主要产区采集新鲜5年生黄连样品39份，通过ICP-OES方法检测样品中铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）5种重金属含量，比较5种重金属的含量差异以及各产区间重金属污染现状。然后通过每日最大可耐受摄入量（EDI）、靶标危害系数（THQ）和致癌风险（CR）算法模型评估黄连中重金属含量可能引起的健康风险，以期为黄连重金属的质量控制和临床安全用药提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

Optima 8000电感耦合等离子体光谱仪［珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司］、MARS6微波消解仪（美国培安公司）、PURELABflex超纯水仪［威立雅水处理技术（上海）有限公司］、ME204电子天平［梅特勒托利多科技（中国）有限公司］。浓硝酸购自默克化工技术有限公司，铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）标准溶液质量浓度1 000 μg/mL购自中国计量科学研究院。

1.2 样品

2021年9月至2021年11月期间，采集了湖北（利川、恩施）、重庆（城口、武隆、开州、石柱）、四川（眉山、北川、峨眉、彭州）范围内人工种植的5年生黄连，共计39份样品，每份5~8株，经鉴定均为毛茛科植物黄连Coptis chinensis Franch.。黄连经过除杂后置于烘箱中干燥，去除须根粉碎后过筛混匀备用。

1.3 仪器工作参数

输出功率：1 200 W、载气流量：15 L/min、辅助气流量：0.5 L/min、蠕动泵速：1 L/min、氩气压力：0.65 MPa、正常进样时间：15 s、清洗时间：5 s、测量次数：3次。检测波长：Cu（327.393 nm）、Cd（228.802 nm）、Pb（220.353 nm）、As（193.696 nm）、Hg（253.652 nm）。

1.4 标准溶液的制备

精密吸取各标准品贮备溶液，用5% HNO₃溶液稀释，配制成相应浓度的多元素混合系列溶液，其中Cd、Cu、As：0、5、10、20、50、100 μg/L；Pb：0、25、50、100、250、500 μg/L；Hg：0、1、2、4、10、20 μg/L。

1.5 供试品溶液的制备

精密秤取黄连样品0.20 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入7 mL硝酸，浸泡过夜，拧紧盖后置于微波消解仪中，按以下程序进行消解：6 min升温至100 ℃，保持3 min；7 min升温至160 ℃保持4 min；6 min升温至190 ℃保持30 min。消解完成，待冷却至室温转入50 mL量瓶中，用少量超纯水洗涤消解罐3次，洗涤液合并转入量瓶中，用超纯水稀释至刻度。采用相同方法制备空白对照。

1.6 线性关系与精密度试验

空白对照溶液连续进样11次，以空白对照溶液测定值的3倍标准偏差（3SD）所对应的待测元素浓度作为检出限，将系列标准溶液分别分析，得到各元素的线性方程和相关系数。取样品溶液连续进样6次，测定Cu、Cd、Pb、As、Hg元素浓度的相对标准偏差（RSD）分别为2.2%、2.5%、2.1%、1.8%、2.0%，显示精密度良好。

1.7 加样回收率试验

取编号SZ-1黄连样品6份，精密称取0.20 g每份，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入一定量Cu、Cd、Pb、As、Hg标准溶液，按“1.5 供试品溶液的制备”方法制备样品，按“1.3 仪器工作参数”条件进行分析测定，计算Cu、Cd、Pb、As、Hg的加样回收率分别为95.4%、92.3%、90.2%、86.7%、88.9%。

1.8 重金属风险评估

参照《中国药典》（2020年版）中给出的重金属及有害元素一致性限量指导值规定：Cu≤20 mg/kg、Pb≤5 mg/kg、Cd≤1 mg/kg、As≤2 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg，分析样本的重金属超标情况。

每日最大可耐受摄入量（estimated daily intake，EDI）作为每日估计摄入重金属量，其与每日暂定可耐受摄入量（provisional tolerable daily intake，PTDI）进行比较分析，得到黄连可能导致的健康风险水平。计算公式如下：

EDI=\frac{C\times IRD}{BA}（1）

式中：C为药材中重金属质量分数（mg/kg），IRD为每日摄入药材量（2020年版《中国药典》规定黄连用药量为2~5 g，采用最大量5 g），BA为人体的平均体质量（采用国际通用标准成人为55.9 kg，儿童为32.7 kg）。

靶标危害系数（target hazard quotients，THQ）和致癌风险（carcinogenic risks，CR）是美国环保局（USEPA）提出的一种用于评估人体通过食用患非致癌和致癌风险的方法。计算公式如下：

THQ=\frac{C\times EF\times ED\times IRD}{BA\times AT\times RFD}（2）

CR=\left(\frac{C\times IRD\times EF\times ED\times CSF}{BA\times AT}\right)\times10^-6（3）

式中：EF为每年暴露于毒物的天数（定为30 d），ED为暴露于毒物的年数（定为30 a），AT为平均接触非致癌毒物的时间（定为70 a×365 d）。RFD为参考剂量（USEPA提供的参考计量为Cd 0.001 mg/kg、As 0.000 3 mg/kg、Hg 0.000 3 mg/kg、Cu 0.04 mg/kg、Pb 0.001 5 mg/kg）。CSF为致癌斜率因子，定为As 1.5 mg/kg、Pb 0.008 5 mg/kg、Cd 6.1 mg/kg。

2 结果与分析

2.1 线性关系

由表1结果可知，5种待测重金属的浓度与测量值之间具有良好的线性关系（R²>0.999）。

2.2 黄连中重金属含量测定结果

本研究共测定了3个大产区（湖北、重庆、四川）包括10个小产区（利川、恩施、城口、武隆、开州、石柱、眉山、北川、峨眉、彭州）共计39批黄连药材的重金属含量，检测结果见表2。样品中5种重金属平均含量从高到低依次为Cu、Pb、Cd、As、Hg，其中Cu含量为2.67~45.13 mg/kg，平均值20.77 mg/kg；Pb含量为1.08~6.02 mg/kg，平均值3.27 mg/kg；Cd含量为0.3~0.91 mg/kg，平均值0.53 mg/kg；As含量为未检出~0.28 mg/kg，平均值为0.14 mg/kg；Hg含量为未检出~0.005 mg/kg，平均值为0.002 mg/kg。

2.3 不同产区黄连重金属含量比较

为了比较黄连重金属含量的区域性差异，本研究对3大产区黄连重金属含量进行分析，见图1-A。发现Cu、Pb 2种重金属含量以四川地区产黄连中含量最高，其次为重庆、湖北；As含量从高到低分别为四川、湖北、重庆；Cd、Hg 2种重金属残留量在重庆和四川所产黄连中情况相似，相较重庆和四川，湖北黄连中Cd含量最低，Hg含量最高。五种重金属含量之和由高到低依次为峨眉、眉山、北川、石柱、彭州、利川、开州、恩施、武隆、城口（图1-B）。

2.4 不同种类重金属间的相关性分析

为了分析黄连中5种重金属含量的相关性和相关性强弱，本研究对39份黄连中重金属含量进行Spearman分析，结果见表3。Cd与Pb含量间存在显著性相关（P<0.05），相关系数在0.2~0.4之间，属于弱相关。

2.5 重金属污染危害评估

将得到的39批黄连样品的重金属含量平均值带入公式（1）中计算得到黄连样品的EDI，见表4。Cd、Cu、Pb、As、Hg的PTDI分别为0.000 830、0.500 000、0.003 570、0.002 140、0.000 570。当EDI<PTDI时，认为人体负荷重金属的量无明显健康影响。表中数据显示黄连中各重金属项下EDI均小于PTDI，可认为人体负荷重金属的量无明显健康影响。

2.6 非致癌与致癌风险评估

将得到的39批黄连样品的重金属含量平均值带入公式（2）~（3）中计算得到黄连样品的THQ、CR，见表5。当THQ<1时，认为人体负荷的重金属的量无明显的非致癌健康危害。当CR<10^-6时，认为人体负荷的重金属的量无致癌风险。黄连样品中5种重金属的THQ均小于1，CR均小于10^-6，可认为该批次黄连对人体不会产生非致癌与致癌风险。

3 讨论

中医药现代化是中药发展的方向，同时也对中药质量控制提出了更高的要求。近年来，中药重金属污染问题愈加突出。目前，主要通过原子吸收光谱法、ICP-MS、ICP-OES等方法对重金属污染情况进行分析，并结合EDI、THQ、CR等模型对暴露造成的健康风险进行评估^［19-20］。例如，肖琦等^［21］通过ICP-MS对不同产地莪术中重金属及有害元素的残留情况进行分析，发现莪术中镉元素合格率仅为36.67%，并且健康风险评估结果表明莪术中铅和镉存在健康风险。孔丹丹等^［22］对药食同源中药黄芪、党参、昆布的重金属污染水平及残留情况进行分析，发现所检样品中黄芪、党参、昆布的重金属超标率分别为25%、77%、100%，并且THQ限量值均高于标准值，表明黄芪、党参、昆布中的重金属对暴露人群存在一定的健康危害。通过分析重金属污染情况，评估健康风险影响，为精准治理重金属污染问题提供了参考价值，也对中药材重金属限量标准的制定具有重要意义。

通常，中药材重金属污染在种植阶段就已经产生，受土壤、水质、气候等环境因素以及施肥、除草剂、杀虫剂等人为因素的影响^［23］。由于黄连的种植常以个体生产经营模式为主，缺乏科学指导，容易发生重金属污染情况。本研究通过对利川、恩施、城口、武隆、开州、石柱、眉山、北川、峨眉、彭州10个产地5年生黄连进行采样收集并对重金属污染情况进行分析，根据《中国药典》2020版重金属及有害元素一致性限量指导值规定，发现有19批Cu含量超标，超标率为48.71%，在石柱、眉山、北川、峨眉4个地方超标严重，在利川、彭州存在部分超标；有7批Pb含量超标，超标率为17.95%，在峨眉超标严重，在开州、眉山、北川、彭州存在部分超标；Cd、As、Hg均未发现超标情况。吴四维等^［24］研究发现，黄连及其炮制品中5种重金属除As外，其余均存在超标，且Cu严重超标。但按照《中国药典》2020版标准，只有Cu依旧严重超标，这与本研究的结论一致。在39份样品中，5种重金属含量最高的是Cu，平均为20.77 mg/kg，其次为Pb 3.27 mg/kg、Cd 0.53 mg/kg、As 0.14 mg/kg、Hg 0.002 mg/kg。EDI、THQ、CR健康风险模型下，黄连对暴露人群均没有造成明显的健康影响，且不存在潜在的致癌影响，与周利等^［18］的研究结论一致。综上，针对以上地区可以重点治理超标重金属元素，减少重金属源头污染，保障黄连临床用药安全。

4 结论

本研究结果表明，黄连中的重金属对暴露人群不会造成明显的健康风险，但不同产区的黄连存在不同程度的重金属污染情况，在调查的10个产区中有7个产区存在重金属污染问题，其中峨眉、眉山、北川、彭州，存在Cu和Pb 2种重金属含量超标；石柱、开州、利川，存在Cu或Pb一种重金属含量超标。因此，在黄连栽培阶段要更加关注Cu、Pb元素污染的发生，对于已经发生污染的地区，要及时开展治理修复。

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基金资助

重庆英才计划创新领军人才项目(CQYC20200301170)

鲁渝协作项目(2023335)