重金属是环境中广泛存在的一类难降解无机污染物，近些年，重金属伴随着工业、交通与人类生活产生的大量污染物进入土壤、水体、大气等环境介质中引起了严重的环境污染^{[1, 2]}.由于重金属具有较强的生物富集能力，可以通过饮水、呼吸与食物等渠道进入人体，对人体健康产生危害，如镉、汞、铅等有毒有害重金属会对人体神经系统造成无法恢复的伤害，并且与癌症等疾病的发生有着密切的联系^{[3, 4]}.为研究环境中重金属对人体的危害，选择合适的生物指示物一直是科研工作者关注的焦点^[5].目前广泛应用的生物指示物有头发、血液、母乳、尿液等^{[3, 6, 7]}，而最近的一些研究中，越来越多的科研工作者青睐采用头发作为生物指示物来分析人体内重金属水平，这主要是由于头发容易采集、成本低廉、方便存储与运输^{[8, 9]}; 相对于其他生物指示物，重金属在头发中有着更高的浓度^{[10, 11]}；并且头发能够反映短期和长期的暴露信息^{[8, 9]}.且分布特征与土壤、浅层地下水、作物中重金属含量相关^[12].

重庆是中国西部唯一的直辖市，随着城市化进程的加快，工业生产中化石能源大量使用^[13]，城市中机动车数量的急剧增长，都成为了重金属的主要来源.此外，重庆主城位于“两江”(长江、嘉陵江) 和“四山” (缙云山、中梁山、铜锣山、明月山) 之间的槽谷地带，平均风速小，相对湿度高，地理气象条件不利于污染物的扩散，导致环境中的重金属浓度可能更高，势必对居民健康产生影响^[14].已有研究报道了重庆主城区的土壤、灰尘和大气重金属污染^[15~17]，其浓度都处于全国或者国际的中等水平，但关于重庆城市人群重金属暴露情况的研究还鲜见报道.有鉴于此，本文以重庆居民为研究对象，采集不同区域，不同年龄和性别的头发样品，以及环境样品土壤，通过分析头发中的Cd、Cu、Ni、Pb和Zn等重金属的浓度水平，组成特征，从而揭示重庆市居民重金属暴露水平，并通过统计分析的方法对研究区域人发中各重金属含量与年龄、性别和抽烟与否的关系进行了研究，最后通过各重金属元素之间相关性和主成分分析，初步了解人发中重金属的来源，以期为重庆地区环境污染导致人群健康的研究提供基础资料.

选择重庆的渝北区、南岸区、江北区和北碚区作为研究区域，根据人口密度和交通流量，将渝北区、南岸区和江北区作为主城，选择距离其他三区约30 km，人口密度及交通流量相对更少，并有国家自然保护区——缙云山的北碚区作为郊区.采样对象选取的是无重金属职业暴露的居民，并且2 a内未染发、烫发和焗油，用干净的不锈钢剪刀剪取枕后部接近头皮约3~5 cm的新生发2 g左右，用清洁的塑料袋密封保存，并同时记录年龄与是否吸烟等信息.本研究在2014年9月至2015年3月共采集头发样品229例，其中主城75例，郊区154例.收集人发样品的同时，在居民居住地附近的花坛和街道边采集土壤，现场混合为本采样点的土壤样品，用清洁的塑料袋密封保存.总共采集21个土壤样品，其中主城12个，郊区9个，具体的采样区位信息如图 1所示，样品信息如表 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites

表 1 (Table 1)

表 1 样品数目信息 Table 1 Information of the samples 项目 主城 郊区 0~15岁 15~40岁 40~60岁 >60岁 0~15岁 15~40岁 40~60岁 >60岁 男 7 26 5 2 4 14 42 19 女 9 18 6 2 5 27 33 10 抽烟 0 17 4 1 0 12 35 12

表 1 样品数目信息 Table 1 Information of the samples

发样的前处理：根据IAEA推荐方法，发样分别用丙酮、超纯水、丙酮依次洗涤3次，在60℃干燥无灰条件下干燥至恒重.用电子天平称取0.5 g左右发样至锥形瓶中，依次加入5 mL浓硝酸和1 mL过氧化氢，置于电热板上加热直至溶液澄清，冷却至室温后过滤并转移置容量瓶中用超纯水定容至25 mL.

土样的前处理：土壤样品经自然风干后，用陶瓷研钵磨细过100目尼龙网筛.称取1.0 g左右土样至锥形瓶中，加入10 mL王水，置于电热板上加热至微沸，再加入5 mL高氯酸加热土样至灰白色，冷却至室温后过滤并转移至容量瓶中，再用超纯水定容至25 mL.

人发与土壤中的镉、铜、镍、铅和锌均用火焰原子吸收法检测.为保证实验结果的准确性，采用人发成分标准物质 (GBW07601) 和试剂空白作为质控样品，每15个样品增加1个质控样品.质控样品5种重金属回收率为79%~98%，相对标准偏差 < 10%.将空白样品中目标物的3倍标准偏差作为最低检出限，镉、铜、镍、铅和锌的检出限分别为0.15、0.15、0.45、1.5和0.15 μg ·g^-1.

重庆市居民头发重金属含量测定值见表 2.头发中不同重金属之间的含量差异较大，但在主城和郊区的头发样品中均表现出Zn含量最高 (209.6±6.6) μg ·g^-1，其次是Pb (42.8±2.2)μg ·g^-1，再次是Cu (24.3±0.7)μg ·g^-1和Ni (9.7±0.5)μg ·g^-1，Cd的含量最低 (3.1±0.2)μg ·g^-1，这一变化趋势与电子垃圾拆卸区中重金属变化趋势一致^[18].本研究中居民头发中的Cu、Ni和Zn处于已有报道的浓度范围内^[19~21]，值得注意的是对于Pb和Cd两种有毒有害重金属，其在主城与郊区人发中的含量均显著高于我国居民头发中Pb和Cd的含量上限值10 μg ·g^-1和0.5 μg ·g^-1[22]，甚至与电子垃圾拆卸区中人发的浓度接近^[20].与其他国家头发中重金属含量相比较发现，本研究中居民头发Pb和Cd显著高于瑞典 (Pb: 0.96 μg ·g^-1, Cd: 0.058 μg ·g^-1)、法国等西方国家正常人群头发含量 (Pb: 0.41 μg ·g^-1, Cd: 0.01 μg ·g^-1)^{[23, 24]}以及巴基斯坦职业暴露者头发重金属含量 (Pb: 15.0 μg ·g^-1, Cd: 0.53 μg ·g^-1)^[21]，处于世界范围内较高水平，表明本研究中居民可能存在较高重金属暴露风险.当前研究表明城市环境中的重金属主要来源有交通、煤炭燃烧、建筑材料与工业生产等^[25].重庆作为一个老重工业城市，其主要能源依托80%是煤炭^[13]，而Sun等^[26]研究表明因燃煤而产生的工业废气是Pb的一个重要污染来源，而重庆市日益剧增的汽车保有量所导致的汽车尾气排放可能是Cd和Pb的另一个污染来源^{[27, 28]}.据相关研究显示^[15~17]，重庆主城土壤、降水与街道灰尘中Pb和Cd的污染更为严重，本研究中人发中Pb和Cd的含量很有可能受环境暴露影响.为了证实这一假设，本研究对头发采集者居住的周围土壤进行了分析，结果表明土壤重金属平均含量从高到低依次为Zn>Pb>Cu>Ni>Cd，与人发中重金属的组成一致 (图 2).主城土壤重金属含量除Ni以外其他4种重金属含量均高于土壤背景值，其中Cd和Pb分别是土壤背景值的25倍和2倍，环境中较高浓度的重金属可能对人发中重金属的富集有着一定的影响.

表 2 (Table 2)

表 2 研究区居民头发和土壤中重金属含量水平/μg ·g-1 Table 2 Contents of heavy metals in human hair and soil samples/μg ·g-1 重金属 主城人发 主城土壤均值 郊区人发 郊区土壤均值 最大值 最小值 均值 最大值 最小值 均值 Cd 11.9 0.9 3.1 4.3 2.7 0.2 0.9 2.9 Cu 41.7 13.4 24.3 49.3 77.8 8.7 15.8 24.0 Ni 25.0 1.4 9.7 36.5 12.3 2.3 5.6 28.2 Pb 95.1 9.4 42.8 58.5 30.5 3.9 15.2 38.1 Zn 390.6 80.9 209.6 95.5 563.9 93.0 173.4 64.5

表 2 研究区居民头发和土壤中重金属含量水平/μg ·g-1 Table 2 Contents of heavy metals in human hair and soil samples/μg ·g-1

图 2

Fig. 2

图 2 重金属在主城和郊区的组成特点 Fig. 2 Composition pattern of heavy metals in urban and rural areas

本研究中主城人发中的5种重金属含量显著高于郊区人发中 (t-检验，P < 0.01)，表明相对于郊区居民而言，主城居民更容易受到Cd和Pb的暴露风险.通过对环境样品土壤的分析，结果显示5种重金属在主城土壤中的浓度显著高于在郊区中的浓度 (P < 0.01)(图 2)，表明环境暴露可能是影响重金属在人发中富集的一个重要因素.而主城土壤中较高浓度的重金属极有可能来源于汽车尾气排放，因为相对于郊区，重庆主城拥有较高的汽车保有量.

人发中重金属与年龄的关系一直都是学术界关注的焦点，但当前的研究仍然没有统一的观点.在本研究中，将主城和郊区居民按照年龄分为4组：儿童组 (0~15岁)、青年组 (15~40岁)、中年组 (40~60岁) 和老年组 (>60岁).

主城和郊区不同年龄段居民头发中5种重金属的浓度水平见图 3.在主城中，5种重金属在居民头发中的浓度与年龄并未呈现出特定的规律，只是对于Cd和Pb两种有毒重金属来说，其在青年组中有着更高的富集，这可能是与这个年龄段的居民较多的室外活动所导致的环境暴露有关.对于Cu和Ni，其随着年龄的增长表现出相同的趋势，均是在老年组中富集更多，而对于Zn，则是在青年组中浓度较高；在郊区中，Cd、Ni和Pb在不同年龄段的含量基本稳定，这可能因为其浓度较低，变化不明显.在郊区居民头发中的Cu和Zn含量随着年龄增长而减少，这个结果与电子垃圾回收区的居民头发中Cu和Zn的趋势正好相反^[15]，可能是由于重金属在不同的环境，不同年龄阶段的人群中富集程度有差异.国内外的一些研究结果也显示出不同的结论，在长期生活在活火山附近的居民头发中Pb的含量与年龄呈正相关^[29]，而其他重金属与年龄则没有明显变化；此外还有报道指出人发中的Pb含量与人体血压体重以及生活方式等因素有关，从而呈现出与年龄负相关^[30].从当前的研究现状来看，不同地区的重金属含量与年龄间的关系没有统一的模式.这可能是由于不同区域中，影响人发中重金属含量的主要因素是不同的，因此，探讨人体重金属元素在不同年龄段分布应在一定条件下进行，结果不具有普遍性.

图 3

Fig. 3

图 3 不同年龄段人发重金属含量分布 Fig. 3 Heavy metals contents in hairs of human with different ages

除了年龄因素之外，性别因素对头发中重金属含量是否有影响也是当前研究的热点.本研究中主城和郊区不同性别之间的5种重金属的含量如图 4所示.在主城和郊区的居民头发中，5种重金属均表现出男性高于女性.一方面可能因为男性较女性活动量大，饮食量多，呼吸速率快，导致男性重金属摄入量多于女性^[31]；另一方面，由于男性吸烟喝酒的比例远高于女性，有研究显示，吸烟人群头发重金属含量显著高于非吸烟人群^[32]，这也是导致本研究中男性头发重金属水平高于女性的原因之一.通过t检验分析结果显示，在主城和郊区男性和女性头发中，只有Cd和Pb的含量均表现出显著性差异 (P < 0.01)，而其他元素之间并无统计学上的差异，表明人发中Cd和Pb的富集与性别有关.然而也有文献报道并证明性别差异并不是重金属在头发中积累的决定因素^[33]，由于人发重金属的来源较为复杂，除了通过一般途径如空气和饮食外，个人的因素如体重以及使用护肤品的情况也有一定的关系^[34].

图 4

Fig. 4

图 4 不同性别人发重金属含量 Fig. 4 Heavy metals contents in male and female hairs

本研究中还针对同一性别人群吸烟与否进行了调查，本研究中的受试女性人群均无抽烟习惯，故此项研究只是针对男性吸烟者和男性非吸烟者.研究结果显示在主城和郊区人发中，吸烟人群头发4种重金属的含量 (Zn除外) 均高于非吸烟者，其中吸烟者头发中的Cd和Pb显著高于非吸烟者 (P < 0.05), 有研究也发现了与本研究相似的结果，即在吸烟人群头发中Cd和Pb高于非吸烟者，且与吸烟量呈正比^[34].值得注意的是在主城和郊区人发中，非吸烟人群头发中Zn的含量稍高于吸烟者头发中Zn含量，但并无明显差异. Afridi等^[35]的研究表明，Zn在非吸烟者人发中含量比吸烟者的含量高出1.2倍，与本研究结果一致，这可能是由于吸烟者血清中的Cd能置换金属酶中的Cu、Zn，干扰肠道中Zn的吸收，可使血清Zn浓度降低，从而影响人发对重金属的吸收，所以使非吸烟人发中Zn含量高于吸烟者.

通过SPSS 14.0对主城和郊区居民头发中5种重金属含量进行相关分析和主成分分析，相关性分析结果如表 3所示，在主城中Pb和Cd、Cu、Ni以及Cu和Ni都具有较好的相关性，呈显著性正相关，表明主城居民头发中Pb和Cd、Cu、Ni以及Cu和Ni可能具有相同来源.而对于郊区居民头发中，Pb、Cd、Cu和Ni这4种重金属两两之间以及Cu和Zn之间均表现出显著正相关，表明郊区居民头发中Pb、Cd、Cu和Ni以及Cu和Zn具有相同的来源.从表 3可以发现，主城和郊区的各重金属之间的具有相似相关性模式，这可能是由于主城和郊区的重金属来自同一类型污染源.

表 3 (Table 3)

表 3 研究区居民头发重金属含量的相关关系1) Table 3 Correlations of heavy metals contents in human hair samples 位置 元素 Cd Cu Ni Pb Zn 主城 Cd 1 0.30* 0.18 0.39** -0.11 Cu 1 0.47** 0.60** 0.24* Ni 1 0.57** -0.11 Pb 1 -0.10 Zn 1 郊区 Cd 1 0.167* 0.307** 0.397** -0.06 Cu 1 0.437** 0.235** 0.421** Ni 1 0.413** 0.067 Pb 1 0.066 Zn 1 1) *表示在0.05水平 (双侧) 显著相关，**表示在0.01水平 (双侧) 上显著相关

表 3 研究区居民头发重金属含量的相关关系1) Table 3 Correlations of heavy metals contents in human hair samples

为了深层次揭示重庆主城和郊区居民头发重金属组成特征及其来源的内在联系，本研究利用主成分分析法识别污染物来源.主成分分析结果如表 4所示，在主城居民人发中，5种重金属可以由2个主成分反映68.0%，第一主成分的贡献率为47.3%，其中Cu、Ni和Pb有较高的正载荷.从表 3主城人发中重金属的相关关系可知，Cu、Ni和Pb相关性最强，从而判断Cu、Ni和Pb具有相似的来源.第二主成分的贡献率为20.7%，Zn呈现出较高的正载荷，与其他重金属元素有较大区别, 说明Zn的来源异于其他重金属.在郊区居民人发中，5种重金属可以由2个主成分反映63.2%，第一主成分的贡献率为36.7%，其中Cd、Ni和Pb有较高的正载荷，从相关性分析结果推断，Cd、Ni和Pb具有相似的来源，可能是来自汽车尾气排放.第二主成分的贡献率为26.5%，Zn和Cu呈现出较高的正载荷，说明Zn和Cu的来源异于其他重金属元素.

表 4 (Table 4)

表 4 主成分分析因子载荷值 Table 4 Total variance of heavy metals in human hair by PCA 因子 主城人发 郊区人发 第一主成分 第二主成分 第一主成分 第二主成分 Cd 0.570 -0.210 0.749 -0.201 Cu 0.826 0.205 0.471 0.727 Ni 0.750 -0.164 0.769 0.208 Pb 0.862 -0.166 0.664 -0.377 Zn 0.228 0.946 -0.134 0.756 特征值 2.364 1.035 1.834 1.325 贡献率/% 47.28 20.71 36.68 26.50 累积贡献率/% 47.28 67.99 36.68 63.18

表 4 主成分分析因子载荷值 Table 4 Total variance of heavy metals in human hair by PCA

重庆居民头发Cu、Ni和Zn含量均在已有报道正常值范围内，而Cd和Pb含量均处于世界范围内较高水平，并且显著高于我国居民头发中Pb和Cd的含量上限值，表明本研究中居民可能存在重金属暴露风险. 5种重金属在主城居民头发中的含量均显著高于郊区居民头发中含量，并且其组成与居民附近土壤样品的组成基本一致，表明环境暴露可能是影响重金属在人发中富集的一个重要因素. 5种重金属的含量在不同年龄段人群中的分布没有明显趋势，只是在郊区居民头发中的Cu和Zn含量随着年龄增长而减少.主城和郊区男性头发中Cd和Pb含量均显著高于女性，并且在主城和郊区吸烟者头发中的Cd和Pb显著高于非吸烟者；通过相关性分析发现主城和郊区中Cd、Cu、Ni和Pb之间具有相似相关性模式，并且主成分分析结果显示，在主城中，人发中Cu、Ni和Pb具有相似的来源，而在郊区中，人发中Cd、Ni和Pb具有相似的来源.