大米中砷、硒和汞的形态研究及其风险评估

论文摘要

硒（Se）是一个典型的双功能元素,安全域值很窄,含量过低或过高都会影响人体健康;砷（As）和汞（Hg）在自然界中广泛存在,是自然环境中毒性较强的重金属元素。环境中砷、硒和汞元素的毒理效应、生态效应、代谢机制以及迁移转化规律与其的形态分布及含量密切相关。因此,在食品安全、毒理学以及环境监测中,砷、硒和汞元素的分析研究被列为重点监测指标。中国是大米生产和消费大国,大米是全国60%以上人口的主要食品,是人体摄入微量元素重要的膳食来源之一。然而,随着污染物的不合理处理及含重金属的农药、化肥的使用,环境重金属污染日益严重,砷和汞等重金属进入土壤中,广泛地提升了土壤中砷和汞等重金属的含量,从而可能使砷和汞等重金属通过污染土壤入侵稻米,使得大米成为人体砷和汞暴露的主要来源。人体摄入了含有砷、硒和汞的大米后,其中的砷、硒和汞等元素不同形态会随着大米进入人体内,有可能与蛋白质相互作用,影响甚至改变蛋白质分子固有的结构和功能。因此,大米中砷、硒和汞元素的形态分析及其对人体健康的风险评估,以及砷、硒和汞的不同形态与蛋白质相互作用的研究,对于准确反映砷、硒和汞的暴露水平、对生态环境的影响、大米安全性与健康风险评价、强化从农田到餐桌的全程监管以及从源头上做好食品安全工作以及研究砷、硒和汞元素形态在体内的代谢过程及生物效应的作用机理具有重要意义。论文首先利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）对我国8个地区21种大米和1种泰国大米中11种微量元素含量进行了分析,利用高效液相色谱（HPLC）与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的联机技术（HPLC-ICP-MS）对其中砷和硒含量较高的8种大米进一步进行砷和硒元素形态的同时分析,并对汞含量超过国家相关标准的大米进行汞形态分析,评估了大米中砷、硒和汞元素及其形态对人体健康的潜在影响。论文还利用圆二色光谱（CD）技术分析研究了砷、硒和汞元素中毒性较强的As（Ⅲ）、As（Ⅴ）、Se（Ⅳ）、Se（Ⅵ）、CH3Hg+和Hg2+形态与牛血清蛋白（BSA）相互作用的CD谱图及其二级结构。论文具体研究内容和结果如下:（1）建立了微波消解-ICP-MS测定9个地区22种大米中Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Se、Cd、Sn、Pb和Hg等11种微量元素的分析方法,各元素的精密度为1.08%～2.86%,回收率为80.0%～113.7%,检测限为0.010～1.904 ng g-1,并将该方法用于GBW10012-生物成分分析标准物质-玉米标准样品中微量元素含量的分析,实验结果与标准值相吻合。该方法样品前处理简单、方法快捷、结果准确。（2）研究了大米中砷和硒元素的形态及其与BSA的相互作用。①建立了 HPLC-ICP-DRC-MS联用技术对砷和硒含量较高的8种大米中砷和硒形态同时分析的方法。以人工胃液为提取剂对砷和硒形态进行提取,提取效率均高于70%,液相色谱（HPLC）选用Hamilton PRP-X100阴离子交换柱,以50mmolL-1（NH4）2CO3（pH9.5）为流动相,在流速为1.5mLmin-1条件下进行梯度洗脱,ICP-MS采用先进的动态反应池（DRC）技术,以CH4为反应气,与As反应,生成质量数为89的离子75As12CHH+,消除75ArCl+对75As+的干扰;并使CH4与多原子离子40Ar40Ar+反应,消除多原子离子对80Se+的干扰。在14 min内将砷甜菜碱（AsB）、亚砷酸（As（Ⅲ））、单甲基砷（DMA）、二甲基砷（MMA）、砷酸（As（V））、亚硒酸（Se（Ⅳ））和硒酸（Se（Ⅵ））7种形态完全分离,各形态的检测限为0.02～0.06 ngmL-1,精密度为0.32%～4.67%。样品分析结果表明:大米中有毒的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）无机砷形态含量较高,占总砷形态的70%以上,并经计算得出,大米中每日摄入无机砷的量约为22800～38000 ng,高于世界卫生组织建议每日砷摄入量20000ng;大米中Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）的含量较低,仅江苏-1大米及浙江杭州-2大米中检测到了少量的Se（Ⅳ）,但每日摄入总硒的量约为12660～21100 ng,低于推荐每日补充量（RDA）建议的硒的摄入量70000 ng。由于大米是中国主要的膳食,其中高含量的无机砷和低含量的硒可能会导致中国居民砷中毒以及缺硒,从而对人体健康产生不利影响。②采用CD研究了生理条件（pH7.4）下,As（Ⅲ）、As（V）、Se（Ⅳ）或Se（Ⅵ）与BSA摩尔浓度比为1:1、2:1、3:1、4:1和5:1时的相互作用。分析结果表明,不同浓度的As（Ⅲ）、As（Ⅴ）、Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）造成BSA溶液CD光谱特征峰强度的变化,特征峰的位置未变化,并引起了BSA二级结构发生变化。浙江工业大学硕士学位论文（3）研究了大米中汞元素的形态及其与BSA的相互作用。①建立了HPLC-ICP-MS联用技术应用于汞含量超过国家标准GB 2762-2005《食品中污染物限量》中汞限量的浙江湖州-2大米、四川-2大米和四川-3大米中汞形态的分析方法,以超纯水、流动相和人工胃液为提取剂对大米中汞元素形态进行提取,HPLC选用C18柱,通过色谱分离、2-巯基乙醇含量、甲醇含量和流速等条件的优化,以60 mmol L-1乙酰胺/0.4%2-巯基乙醇（pH 6.8）和5%甲醇作为流动相,分离出了CH3Hg+和Hg2+2种汞化合物,检测限均为0.006 ng mL-1,大米样品分析结果表明:流动相有利于提取大米中的汞形态,但是三种提取剂的提取效果不是很理想,当超纯水作为提取剂时,3种大米中均未检测到CH3Hg+和Hg2+;当流动相和人工胃液作为提取剂时,在浙江湖州-2大米和四川-2大米中均检测到了CH3Hg+和Hg2+,在四川-3大米中仅检测到了 Hg2+。②采用CD研究了生理条件（pH 7.4）下,CH3Hg+或Hg2+与BSA摩尔浓度比为1:1、2:1、3:1、4:1和5:1时的相互作用。分析结果表明,不同浓度的CH3Hg+和Hg2+造成BSA溶液CD光谱特征峰强度的变化,特征峰的位置未变化,并引起了 BSA二级结构发生变化。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号说明
• 第一章 文献综述
• 1.1 大米中砷、硒和汞元素的来源及其食品安全问题
• 1.1.1 大米中砷、硒吧和汞元素的来源
• 1.1.2 大米中砷、硒和汞元素与人体的关系
• 1.1.3 有关大米的安全法规
• 1.2 大米中砷、硒和汞元素的分析方法
• 1.2.1 大米中微量元素的分析方法
• 1.2.2 砷、硒和汞元素形态的分析方法
• 1.3 圆二色光谱研究砷、硒和汞与牛血清蛋白的相互作用
• 1.3.1 砷、硒和汞与血清白蛋白的相互作用
• 1.3.2 砷、硒和汞与牛血清蛋白相互作用研究的现状
• 1.4 论文选题背景和主要研究内容
• 第二章 大米中微量元素的分析及其风险评估
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 样品及其前处理
• 2.2.2 仪器及设备
• 2.2.3 试剂与材料
• 2.2.4 标准溶液的配制
• 2.2.5 样品的处理
• 2.2.6 样品的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 分析方法的精密度、回收率和准确度实验结果
• 2.3.2 大米样品中微量元素的测定及其风险评估
• 2.4 本章小结
• 第三章 大米中砷和硒形态的同时分析及其风险评估
• 3.1 引言
• 3.2 大米中砷和硒元素形态的同时分析
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 圆二色光谱法研究砷和硒形态与BSA的相互作用
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 大米中汞形态的研究及其风险评估
• 4.1 引言
• 4.2 大米中汞元素形态的分析
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 圆二色光谱法研究汞形态与BSA的相互作用
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录