收录于合集：健康&毒理

文章信息

第一作者：郑雪明

通讯作者：李小平 教授

通讯单位：陕西师范大学

https://doi.org/10.1007/s12403-025-00706-3

下载链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12403-025-00706-3

亮点  

• 研究区域内成年人群体的头发金属元素水平显著高于未成年人群体。

• 头发中金属元素含量随年龄增长未呈现明显波动。

• 年龄与As呈现最强的正相关性，与Ca则呈现最强的负相关性。

• 距离因素与Ca的正相关性最强，与As的负相关性最强。

• 研究区域内Al、Cd、Co、Cr、Hg和Pb对大多数儿童和成人而言超出了可接受的限度范围。

研究概述

图1. 图文摘要

西秦岭铅锌成矿带是中国典型的重金属自然高背景值分布区，在矿山开采过程中，会释放大量重金属进入矿区多介质环境，破坏当地生态系统，并最终威胁到矿区及其周边居民健康。本研究以矿区（n=441）居民头皮头发作为生物标志物，探究各因素对人发金属含量的影响，阐明矿区居民的金属元素暴露情况。通过比较群体中不同性别的人发金属含量发现:矿区居民头皮头发中Ca、Mg、Zn、Cu、As、Cd、Pb的分布具有极显著的性别差异（p<0.001);涉及的所有潜在有毒金属元素（As、Al、Cd、Sb、Pb、Hg），在男性群体中的平均值均高于女性群体。将群体按照年龄划分发现：成年人群体的金属元素平均值均高于未成年人群体；随着年龄的增长，人发金属含量的含量均没有明显的波动；年龄与As的正相关性最强，与Ca的负相关性最强。头皮头发中Ca与距离的正相关性最强；而与中的As的负相关性最强。同时，在以下元素对之间确定了统计学上显著的协同相关性：Ca-Mg、Ca-Zn、V-Fe、V-Cr、Sb-As、Sb-Cd、Pb-Cd和Pb-Sb(p<0.001)。将本研究结果与其他研究相比较，发现本研究矿区居民头皮头发样本中Pb和Cr处于高暴露水平。结合以上结果，应及时制定相关政策，对矿区居民采取补救措施，缓解高浓度金属暴露风险。

主要研究结果

图2. 采矿居民头皮头发中金属元素的雨云图分析。（*：p<0.05；**：p<0.01：***：p<0.001）

由图2可以明显看出大部分人发金属元素的分布具有性别差异。性别是影响人类皮毛头发痕量金属的关键因素之一。在针对非污染区居民的研究中，Pb元素在头发中的性别差异与新陈代谢差异以及饮食生活习惯等有关，例如食用海鲜等肉类食物以及吸烟、酗酒等都会导致体内 Pb 含量升高。在针对矿区和工业区居民的研究中，男性高于女性的研究结果较多，可能与男性从事更多的工矿业工作，长期暴露在高浓度的重金属环境条件下有关。本研究区域为典型铅锌矿区，居民饮食生活习惯有一定相似性，男性头发中 Pb 元素显著高于女性很可能与当地矿业活动有关。同时As元素的均值差异紧随其后，在不同性别居民间存在显著差异（P<0.001），表现出男性比女性具有更高的 As 中毒风险，可能与 DNA 甲基化、As 的甲基化代谢、新陈代谢和行为习惯等与 As 代谢机制相关的性别差异有关。对于Ca，Mg，Zn这样的人体必需的生命元素，在本研究区域中女性群体的平均值均高于男性群体且均存在显著性差异（P<0.001）。Ca是人类骨骼，牙齿的主要无机成分，同时也是激素释放和乳汁分泌的必需元素。Mg在维持人体神经、肌肉机能正常运作扮演者重要角色。Zn是人体智力发育的必须元素。这三种人体必需生命元素在性别中的分布差异很可能和不同性别的生理结构和生理机能差异有关。

图3. （a）人发中各金属总量的元素聚类分析。（n=441），（b）男性头发中各金属的元素聚类分析。（n=365），（c）女性头发中各金属的元素聚类分析。（n=76），（d）儿童头发中各金属的元素聚类分析。（n=90），（e）成人头发中各金属的元素聚类分析。（n=351），（exp：归一化所有数据后的数值）

图3展示了基于采矿居民头皮毛发中金属元素浓度绘制的圆形聚类树状图。头皮毛发中的金属元素若聚集在相似的组别中，则暗示它们可能来源于共同的暴露途径。研究清楚地表明，头皮毛发中金属元素的聚类模式因年龄和性别而异。根据不同分组——包括男性（图3b）、女性（图3c）、儿童（图3d）、成人（图3e）及总体样本（图3a），大多数金属元素显示出明显的聚类趋势。这些聚类结果反映出年龄、性别及个人习惯对头皮毛发中金属积累具有重要影响。值得注意的是，无论年龄与性别，Ca、Mg、Co和Zn始终聚集在同一类别中，与之相同的还有Cd、As和Pb。这些不同的聚类组合在一定程度上反映了外源污染物排放与内源性代谢过程对头皮毛发中金属积累的复合影响。本研究证实铅锌矿产资源的开发影响居民毛发中金属元素的积累行为与分布特征。

图4. （a）人发中金属含量随年龄波动的曲线图；（b ）log10（人发中金属浓度）随年龄波动图。

根据研究结果可知，当地成年人的重金属负荷更重，这可能与当地的成年人更多地参与采矿活动，长期暴露与重金属污染环境有关。为了进一步探究人发中金属元素与年龄的关系，采用最小二乘回归Ordinary least square regression来分析个体人发元素含量作为因变量，个体年龄作为自变量的线性回归参数，绘制出的结果如图4所示。可以看出，随着年龄阶段的增长，所有金属元素的含量均没有明显的波动。

图5.距离、年龄和人发金属元素含量的PCA荷载图。

在图5中，变量的定位表明了它们之间的相关程度。如果它们在90°，这表明变量之间没有相关性，小于90°表示正相关，大于90°表示负相关。可以明显得出在研究涉及的人发金属元素中，年龄与As的正相关性最强；与Ca的负相关性最强。前人的研究指出老年人甲基化能力较差，容易受到砷的损害。同时老年人体内生理器官的衰老，也可能会阻止砷甲基化过程，导致了砷元素在体内的累积。儿童和老年人的新陈代谢相对较弱，因此在相同的暴露量下，他们可能比其他年龄组积累更多的As。Ca平衡会随着年龄的增长而降低，在中年人中就已经近乎于零。年龄与Ca元素的强负相关性很可能与老年人的负钙平衡有密切关联。人发中Ca与距离的正相关性最强，其次为Mg；而与人发中的As的负相关性最强，其次为Hg。在本研究中，居民地距矿区距离这一因素恰好与两种人体必需常量元素，两种有害的重金属元素呈现正相关与负相关。这一现象表明，在本研究中距离是影响人发中金属元素分布的重要因素之一，这与前人的研究结果相一致。导致这一情况的原因很有可能与金属的长距离迁移性有密切关联。

图6. 金属对儿童和成人的概率健康风险

（左栏为儿童，右栏为成人，垂直线代表金属的可接受范围下限至上限）

头皮头发金属的健康风险如图6所示，该图基于中国人发中38种微量元素的阈值（T/GDWJ 003-2020）。结果表明，金属对大多数居民的概率健康风险在安全范围内，如儿童和成人的头皮头发As、Cu、Fe、Mg、Sb、V和Zn，儿童的Ni和Mn。然而，Al、Cd、Co、Cr、Hg和Pb对大多数儿童和成人而言超出了可接受的限度范围。超过一半的成年人面临Pb、Ni、Mn、Co、Cd和Al暴露对健康产生概率影响的风险。因此，当地政府应采取更严格的措施来控制铅锌矿产开采的金属排放，并持续监测接触金属的当地居民的健康风险，优先考虑Al、Pb和Hg作为重点关注的污染物。

作者介绍

郑雪明，陕西师范大学地理科学与旅游学院区域环境学专业博士研究生，主要研究方向为污染物环境暴露与风险防控。

李小平，博士，陕西师范大学地理科学与旅游学院教授，博士生导师，陕西省污染暴露与生态环境健康国际联合研究中心主任，纳米环境科学与健康国际联合研究中心主任。获宝钢优秀教师奖、陕西最美科技工作者、西迁精神传承人、陕西省最美生态环保志愿者等荣誉。长期从事污染物区域环境过程、暴露风险与调控等方面的研究。先后主持国家和省部级各类项目近20项，以第一作者/通讯作者在Journal of Hazardous Materials、Science of the Total Environment等国内外重要期刊发表科技论文100余篇。研究成果获陕西省科学技术奖、陕西省高校科学技术奖、陕西省生态科技奖、陕西省环境保护青年科技奖等。