采样区域为某铅锌矿区, 主要生产铅、 锌、 硫、 锰精矿, 其矿区、 周边菜园土壤中铅、 砷、 镉和锌等重金属污染严重, 部分土壤存在铜的轻度污染。 采样对象为此铅锌矿区的当地居民, 年龄多为50~80岁之间, 共采集34人的头发样品, 其中16人为男性, 18人为女性。 用洁净的不锈钢剪刀, 剪取发枕部离发根1~2 cm处不少于1 g的头发, 装进小纸袋中密封保存, 同时记录采样对象的姓名、 性别、 年龄等个人信息。

发样用超纯水-丙酮-超纯水洗涤法清洗, 即超纯水洗涤三遍, 丙酮洗涤三遍, 超纯水再洗涤三遍, 每次洗涤加入试剂15 mL, 搅拌10 min后过滤, 放入烘箱于50 ℃下烘干12 h。

称取0.050 0 g头发于消解罐, 用2:1的浓硝酸和过氧化氢对发样依次进行预消解和高温消解, 冷却后用超纯水定容稀释, 用于ICP-MS(Perkin Elmer NexION 300Q)及ICP-OES(Perkin Elmer OES 8300)测定。 ICP-MS仪器条件为: 载气流量0.6 L· min^-1, 冷却器流量: 1.0 L· min^-1, 入射功率1 200 W, 反射功率1 000 W, ICP-OES仪器条件为: RF功率1 150 W, 载气流量30.6 L· min^-1, 辅助气流量1.0 L· min^-1。 实验中带标样、 重复样及空白样, 用于质量监控。

使用自主研发的共聚焦微区XRF光谱仪(Micro-XRF)进行微区分析。 利用微束X射线光管(XOS公司生产, 靶材为Rh靶, 额定功率50 W, 额定电压50 keV, 额定电流1 mA, 最小光斑尺寸为13.7 μ m, 最佳工作距离为4.0 mm)和高性能硅漂移探测器(SDD), 搭配三维可控样品台, 可实现对样品的点、 线、 二维和三维元素微区分析; 实验前, 用纯铜片校正Micro-XRF的能量刻度。 目前XRF能量探测器的分辨率还不足以分辨某些元素的谱线重叠干扰, 而Pb Lα 1(10.55 keV)和As Kα 1(10.54 keV)谱线几乎完全重叠, 因此本实验选择Pb Lβ 1(12.61 keV), As Kβ 1(11.73keV)作为测定谱线。

实验时, 样品调至距X射线光管出口约4 mm处, 均采用光管电压48.0 keV, 电流0.80 mA, 光斑大小20~50 μ m, 步长为25 μ m(头发纵向)× 10 μ m(头发横向), 测量时间20 s, 测量在室温下进行。

XANES实验于上海光源BL15U1和BL14W1线站进行。 上海光源(SSRF)由150 MeV电子直线加速器、 3.5 GeV增强器、 3.5 GeV电子储存环以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。 SSRF是先进的第三代中能同步辐射光源, 其主要性能指标居国际前列。 SSRF是生命科学、 材料科学、 环境科学、 地球科学等众多学科研究中不可替代的先进手段和综合研究平台。 XANES分析化合物: PbS, PbO和Pb₃O₄均为国产分析纯试剂。 铅-谷胱甘肽(Pb-GSH)标样谱图来自上海同步辐射标样库。 储存环能量为3.5 GeV, 束流强度为120~210 mA。 所有测试在空气环境和室温中进行。 调节水平和垂直狭缝使入射光斑大小为6 μ m× 2 μ m, 样品与入射光束成45° 夹角, 测试前用铅箔进行Pb-LⅢ 吸收边(13 035 eV)能量的校准。 标样Pb含量高, 均匀涂在无硫胶带上, 透射模式下测定; 样品Pb含量低, 固定在支架上用荧光模式测定。 数据使用Athena软件进行处理, 通过把样品与标准化合物的XANES谱进行线性组合拟合来研究样品的形态组成。

为了保证分析数据的可靠性, 本实验采用国家一级头发标准物质GBW09101b来进行质量监控, Pb, As, Cd, Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn及Sr的测定值与推荐值的相对偏差在0.79%~9.95%。

铅锌矿区居民头发样品中各元素的含量与中国居民正常参考值的对比列于表1。 头发中的元素含量随种族不同有较大区别^[11], 因此本文选择中国居民头发中的元素正常值范围作为文献参考值^[12], 通过比较矿区居民发中的元素含量与中国居民的正常值, 反映矿区污染对人体的影响程度。 结果表明, 矿区居民头发中的Pb, Zn, Fe, Ca(女), Mn(男)五种元素的平均含量均高于正常参考值, 分别为对应正常值的1.2倍、 1.3倍、 3.9倍、 1.6倍和1.2倍; 同时, 部分居民的头发中Cu和Cd的含量显著高于正常值。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 铅锌矿区居民头发中各元素与文献参考值比较 Table 1 Comparison between element concentration of residents hair and reference values from literature 元素 矿区头发各元素含量 中国居民头发各元素正常参考值[12] 平均值/(μ g· g-1) 浓度范围/(μ g· g-1) 平均值/(μ g· g-1) 浓度范围/(μ g· g-1) Pb 8.03 0.95~39.25 6.6 < 10 Cd 0.11 0.01~1.04 0.29 < 0.6 As 0.60 0.01~2.33 0.68 < 1.1 Zn 215.68 54.82~804.58 165 120~210 Cu 11.03 3.43~42.47 11.30 8.0~20.0 Fe 97.60 18.44~566.96 25 18~50 Ca(男) 889.22 462.98~1 688.48 980 480~1 600 (女) 1 923.89 246.54~4 912.14 1 200 710~2 000 Mg(男) 44.38 19.90~85.72 80 30~130 (女) 65.13 14.05~223.33 105 65~260 Mn(男) 2.37 0.39~7.66 2.0 0.6~2.0 (女) 2.45 0.18~7.67 2.7 0.8~2.8 Sr(男) 1.50 0.60~3.44 3.8 1.3~5.2 (女) 4.89 3.36~12.38 6.2 2.8~10.6 注: ICP-MS所测元素为Pb, Cd, As, Zn, Cu, Mn, Sr; ICP-OES所测元素为Ca, Mg, Fe

表1 铅锌矿区居民头发中各元素与文献参考值比较 Table 1 Comparison between element concentration of residents hair and reference values from literature

由于该矿区的生态环境中已存在着这些元素的严重污染, 因此通过生物链的传递, 导致了人体的摄入量增加。 Pb和Cd等重金属元素将通过食物链积累在人体中, 而人发是人体元素的排泄器官之一。 金属元素一旦积累在头发中, 就不容易被重新吸收, 因此发中元素含量能反映出一段时间内矿区的毒性元素对人体的污染情况。 另外, 该矿区的主要产品含锰精矿, 这可能使该地区也存在Mn污染, 造成人体内Mn过量。 头发中过量Fe可能来源于该地区存在的的黄铁矿。 采样时发现, 当地居民都有不同程度的身体疼痛, 这有可能是矿区铅污染造成的铅中毒。 而铅中毒会损伤肝脏等人体器官, 对造血系统造成危害, 抑制红细胞膜(Na⁺-K⁺)-ATP酶的活性, 使细胞内的K⁺逸出, 破坏了细胞膜导致溶血使体内Fe含量增多; 同时, 红细胞表面有磷酸盐, 铅会与其形成不溶性磷酸铅, 这使得红细胞脆性增加, 导致溶血性贫血, 使血中Fe含量增高^[13]。 铅暴露也会增强Ca²⁺的细胞膜渗透性, 抑制(Ca²⁺-Mg²⁺)-ATP酶的活性, 造成体内钙稳态失衡。

头发中许多化学元素的存在都存在着相关性, 它们之间可能存在拮抗作用和协同作用。 对矿区居民头发中的各元素两两作相关性分析, 结果列于表2。 两元素之间高度相关的有Ca-Sr(0.957), Ca-Mg(0.875), Mg-Sr(0.808)和Pb-Cd(0.800); 中度相关的有Cd-Cu(0.748), Pb-Mn(0.619), Zn-Mg(0.551), Cd-Mn(0.548), Fe-Mn(0.536), Pb-Cu(0.535), Cu-Mn(0.509)和Zn-Sr(0.500), 低度相关的有Zn-Ca(0.495)。 由此可见, 矿区居民头发中的元素相关关系可分为三组: (1)Ca-Mg-Sr-Zn; (2)Pb-Cd-Cu-Mn; (3)Fe-Mn, 每组中的元素都有不同程度的相互关联, 这说明它们之间可能有相同的来源。

Ca, Mg和Sr三种元素都同处于元素周期表的Ⅱ A族中, 都能形成二价阳离子, 原子半径相似, 具有相似的化学性质, 因此它们的迁移及吸收机制可能类似。 前人研究也表明头发中Ca, Mg和Sr之间存在着正相关性^[14]。 在Ca的胃肠吸收过程中, Mg参与了必需的活性1, 25-二羟维生素D3的产生过程^[6]。 水和植物性食物是人体摄入Sr的主要途径, 与Ca和Mg有相同的饮食来源。 另外, Sr与Ca化学性质相同, 常常在斜长石、 磷灰石和各种碳酸盐中替代Ca, 且Sr与Ca的胃肠吸收机制类似, 都在骨骼、 牙齿等组织中积蓄, 这使得Sr与Ca有很强的正相关性^[6]。

Pb, Cd, Cu和Mn之间相互依赖的关系可能表明它们有相同的来源— — 矿区污染、 此铅锌矿区的主要产品之一为锰精矿, 且存在Pb, Cd和Cu等重金属的复合污染, 使得Pb, Cd, Cu和Mn有相同的污染来源、 同时, 矿区菜园土壤中也发现Pb与Cd相关性显著, Pb和Cd都是以可还原态占大部分, 这可能是因为闪锌矿为此矿的铅锌矿石的主要矿石之一, 而闪锌矿中Pb和Cd常常相互伴生。 Pb, Cd和Cu之间的正相关性在其他研究中也被发现, 但并没有解释原因^[15]。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 矿区居民头发中元素间相关性 Table 2 The correlation coefficients between elements in hair Pb Cd Cu Zn Ca Mg Fe Mn Sr As Pb 1 Cd 0.800* * 1 Cu 0.535* * 0.748* * 1 Zn 0.181* 0.066 0.081 1 Ca 0.006 0.135* 0.145* 0.495* * 1 Mg -0.031 0.021 0.055 0.551* * 0.875* * 1 Fe 0.088 -0.067 0.012 0.150* -0.174* 0.094 1 Mn 0.619* * 0.548* * 0.509* * 0.156* 0.137* 0.159* 0.536* * 1 Sr 0.094 0.214* 0.195* 0.500* * 0.957* * 0.808* * -0.262* 0.109 1 As 0.079 0.057 0.101* -0.176* -0.302* -0.171* 0.192* 0.069 -0.296* 1 注: 样本数n=34, * 在 0.05水平上显著相关; * * 在0.01水平上显著相关

表2 矿区居民头发中元素间相关性 Table 2 The correlation coefficients between elements in hair

前人研究中也发现了头发中Fe与Mn的正相关性^[16]。 Mn可能在头发中替代Fe或与Fe有相似的吸收代谢机制, 且Fe和Mn都主要来源于日常饮食的摄入。

头发中的元素含量受到人的性别、 生理特征、 生活习性、 饮食结构及生活环境等诸多因素的影响, 元素含量在矿区不同性别群体中的差异也较大。 研究发现, 生活在铅锌矿区的女性头发中Pb, Cd, Ca, Mg, Zn和Sr平均含量分别约为男性的1.74, 2.17, 2.16, 1.46, 1.48和3.26倍; 而相对于女性头发, 男性头发中Fe含量比女性高约48%。 这一规律也在相关的研究论文中报道, 例如相比男性, 女性头发中含较多的Pb, Cd, Ca, Mg, Zn, Sr与较少的Fe^{[17, 18]}。

性别差异带来的头发中元素含量的不同应源于性别群体间在生理上的新陈代谢、 性激素、 代谢酶等差异, 或是饮食生活习惯上的不同。 例如女性头发中较高的Ca, Mg和较低的Fe含量与女性繁殖生育的生理特征相关^[19], 男女摄入动植物食物的比例不同导致了男女头发中Sr含量差异较大^[20], 而女性从生理构造及身体成分上在大气环境下更易于接触及积累重金属元素^[16]。 此外, 染发及吸烟分别会导致头发中的Pb和Cd含量升高^[21]。 然而, 也有研究表明男性比女性体内含更多的Pb, Zn和更少的Fe^{[20, 21]}, 而导致研究结论的不一致原因应是由于研究区域的环境及当地生活习惯不同, 导致人群对各元素的暴露和吸收情况的有很大差异。

Micro-XRF微米级的束斑大小赋予其优秀的微区分析能力、 本研究选取矿区典型头发样本进行了Micro-XRF扫描分析, Pb和As的Micro-XRF扫描图如图1所示。 Pb和As主要沿头发中轴分布, 在横向上, Pb与As由内向外浓度梯度骤降; 纵向上, Pb和As的分布特征无明显规律性变化, 但从发根至发梢含量略呈逐渐增多的趋势, 与Pb分布相似我们也曾在铅冶炼工人的头发中发现。

图1

Fig.1

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	图1 单根头发中Pb, As的Micro-XRF分布图Fig.1 Elemental mapping of Pb and As along the hair sample

Pb和As是常见的毒性元素, 人体常通过从周边环境的空气中吸入或从饮食中摄入Pb与As。 摄入后, 大部分血液中的Pb和As通过尿液排泄, 在代谢3~4 d内会降到一个最低水平, 一部分积累在骨骼和一些组织如肝脏、 肾脏中, 然后通过头发、 指甲、 皮肤、 粪便和汗水排泄, 因此头发反映了人体内的元素浓度。 头发结构上可分为三个主要的同轴部分: 头发中心为由不连续的髓质细胞构成的直径5~10 μ m的髓质; 中间层为皮质层, 占头发的85%~90%, 由含黑色素的柱状角蛋白纤维螺旋而成; 最外层是由5~10层纵向重叠排列的毛鳞片组成的角质层, 表面覆盖着一层薄油脂。 Pb和As可通过外部污染如灰尘、 烟雾等沉积在头发表面上, 而头发的日常清洁、 磨损等可能导致这部分结合不紧密的Pb和As等元素从发表脱落, 使得头发外层Pb和As相对含量较低。 同时, Pb和As在头发的三层结构中分布不均也可能与头发中蛋白质、 脂类、 黑色素等成分的分布及这些成分与金属元素的亲和力不同有关。 铅锌矿区居民典型发样中Pb和As的纵向分布特征反映了矿区居民在外界环境污染中暴露的变化情况, 可能与矿区的开采情况有关。

环境中重金属元素的毒性和生物有效性及迁移释放效率与其赋存形态密切相关。 不同形态的元素性质差异很大, 往往决定着它们在环境中的行为及归宿。 为了进一步明确Pb在人体中的代谢过程及潜在毒性作用, 对典型矿区居民的发样进行了Pb的X射线吸收近边结构分析。 XANES指吸收边后50 eV以内的区域, 该区域可提供物质的电子结构, 如氧化态、 共价键等信息。 头发的Pb-LⅢ XANES谱图如图2所示, 吸收峰的白峰位于13 047~13 048 eV, 与标准样品的XANES谱图对比, 发现与Pb₃(PO₄)₂, PbO, PbS和Pb-GSH(谷胱甘肽)的吸收谱白峰位置接近, 峰型相似, 但与Pb(NO₃)₂, Pb(C₁₇H₃₅COO)₂的白峰位置有明显偏差, 可初步推测头发中的铅可能并不是单纯以某种化合物存在, 而是一部分与P O43-络合, 另一部分与O和S配位。 数据通过Athena软件中的linear combination data进行拟合分析, 拟合效果用R-factor评估, 其值越小则拟合误差越小, 效果越好。 以与样品谱图最相似的Pb₃(PO₄)₂, PbO, PbS和Pb-GSH来拟合头发样品, 每次拟合最多使用三种标样, 在吸收边-20~60 eV范围进行线性拟合, 结果如图3所示。 最佳拟合结果为Pb₃(PO₄)₂ 54.7%, Pb-GSH 36.8%, PbS 8.4%, R-factor为0.000 771 9, Reduced chi-square=0.008 76。

图2

Fig.2

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	图2 头发和标样的Pb-LⅢ XANES谱图Fig.2 Pb-LⅢ XANES spectra of hair and standard samples

图3

Fig.3

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	图3 标样对头发的最佳拟合结果Fig.3 The best fitting spectra for hair using standard samples

铅吸收后进入血液循环, 主要以磷酸氢铅、 甘油磷酸化合物、 蛋白复合物或铅离子状态分布全身各组织, 约有95%的铅以不溶性磷酸铅沉积于骨骼系统, 约50%的铅在半衰期内经肾脏、 肠腔及头发和指甲排泄出体外。 每根头发轴的发根不断接触流动的血液, 因此头发在生长中可与循环血液中的金属进行结合。 拟合结果表明, 头发中约一半左右的铅为磷酸铅, 表明铅在排泄至头发时是以不溶性磷酸盐的形式积蓄, 与骨骼中类似。 同时, 头发干重的80%以上是由角蛋白构成。 角蛋白分子呈螺旋纤维状, 彼此旋转成链形成中间纤维。 而这些蛋白质包含很高比例的半胱氨酸(约14%), 半胱氨酸中的巯基对金属元素如Pb和As等有很高的亲和力。 有研究发现, As的K-edge μ XANES显示头发中As形态以As(Ⅲ )与S结合为主, 为As₂S₃或As-半胱氨酸及27%± 5%的As(V) O43-[7]。 本研究的拟合结果中, PbS和Pb-GSH总占约二分之一, 而谷胱甘肽是一种由谷氨酸、 半胱氨酸和甘氨酸结合, 含有巯基的三肽。 这说明Pb与As类似地经过血液与发根不断接触, 与头发中半胱氨酸的— SH结合积累在头发中, 造成了图1中Pb和As在头发的内层含量较高。