砷'毒药之王'在食物和水中

通过 安德鲁·尤西姆(Andrew Yosim), 凯瑟琳·贝利(Kathryn Bailey), 丽贝卡·弗莱(Rebecca C.Fry)

这种有毒元素的含量可能远远超过美国环境保护署'普通食品(例如大米)中的水标准。

环境 伦理 政策

目前的问题

这篇文章从发行

2015年1月至2月

第103卷第1期
第34页

DOI: 10.1511 / 2015.112.34

砷正在污染世界各地的水,包括美国。例如,我们最近的工作强调砷对北卡罗来纳州和墨西哥居民的水造成有害的健康影响,特别是对儿童。世界卫生组织称孟加拉国存在砷污染,由于管井的建立,普遍存在富含砷的饮用水,这是“历史上最大的人口中毒事件”。

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目前,估计全世界有超过1亿人长期暴露于饮用水中的无机砷水平,这可能对人类健康构成重大威胁。发育中的胎儿和儿童特别容易受到砷的影响;暴露已与许多健康状况相关,包括发病率增加,死亡率增加,免疫系统改变以及生命后期罹患癌症和慢性疾病的风险增加。

饮用水往往是全世界砷暴露的最大来源。根据不断增长的研究,2001年,美国环境保护署(EPA)将公共饮用水的最高污染物含量定为十亿分之十。尽管EPA的监管权已帮助减少了公共饮用水中的砷暴露,但最近的结果表明,消费者可能在不知不觉中从目前不受管制的来源接触了砷,这是最卑鄙的罪魁祸首之一。

2012年11月, 消费者报告 发布了一份报告,该报告对全球最常见的主食之一大米进行了无机砷测试。结果是惊人的。在测试的223种大米和大米产品中,大多数都超过了EPA规定的饮用水中十亿分之十的无机砷限量。许多样品中的砷含量明显高于该限值。最高抽样产品超过了十亿分之270。大约在同一时间,美国食品药品监督管理局(FDA)公布了自己在美国可购买的近200种大米产品的结果,发现无机砷含量同样较高。

国家媒体迅速报道了调查结果,但许多人怀疑这是否仅仅是媒体引发恐慌的另一例。不幸的是,这种报告对健康的影响不会那么容易被驳回。取而代之的是,它们为美国潜在的重要慢性砷暴露源提供了新的见解。

自古以来就已认识到砷的急性毒性。这种元素的臭名昭著在中世纪期间被称为“毒药之王”和“国王的毒药”,几乎是一种无法追踪的谋杀手段。砷几乎无味无味,可以谨慎地滑落到食物或饮料中,几乎可以保证受害者的及时离开,但被食物中毒的类似症状所掩盖。结果,贵族的突然死亡或疾病常常伴随着通过毒物被暗杀的嫌疑。例如,意大利博尔贾宫(House of Borgia)通过使用砷污染的葡萄酒暗杀15和16世纪有影响力的教皇和红衣主教,获得了可观的财富和力量。

从19世纪中叶开始,一旦开发出敏感的检测方法来检测砷,最终砷的使用就减少了。但是,它的臭名昭著并没有被忘记,现代流行病学表明,砷不必落入杀手的手中就可以致命。这种准金属-具有金属和非金属特性的元素-存在于地球的每个区域。砷存在于土壤中,这是由于其在地壳中的自然分布,以及作为当前和历史性工业或农业过程(如农药使用,冶炼和木材防腐)的副产品。

考虑到环境中砷的普遍存在,有趣的是,有关某些大米样品中无机砷含量高的报道只是最近才发表。要了解这些发现,重要的是要认识砷的基本化学成分。该元素可能以有机或无机形式存在,并且无机砷的毒性远比在环境和食物中发现的大多数有机形式高。在人体中,一系列连续的还原和氧化反应会生物转化无机砷,产生不同的砷代谢物,其中某些代谢物的毒性可能比无机砷高。每种代谢物的毒性都反映了其化合价状态,这决定了其反应性,半衰期以及在体内的分布。结果,每种砷形式都可能对人体产生不同的作用,从而导致毒性差异很大。

直到最近,最常见且最具成本效益的测量砷含量的方法还没有区分食物中的有机形式和无机形式,因此可以预测,不同食物中砷的积累主要是有机的(可能是毒性较小的形式)。但是,技术的进步使研究人员可以对不同的产品进行专门的测试,就大米而言,已经揭示出无机砷的大量积累。

砷暴露的后果

在过去的40年中,研究人员发现了成年人与无机砷接触所引起的一系列健康状况,包括糖尿病,血液疾病,心血管疾病以及各种癌症,例如肺,膀胱,皮肤和肾脏的癌症。由于有大量证据表明它与癌症有关,因此国际癌症研究机构将无机砷列为第1组致癌物,这意味着它是人类已知的致癌物。由于其毒性和对人体的潜在危害,美国有毒物质和疾病管理局将无机砷列为其物质优先事项上的最高健康危害。

Although the inorganic arsenic content of some other foods has been of concern, most of these foods are below the threshold for inorganic arsenic in drinking water set by the EPA. By contrast, rice far outstrips these other foods in inorganic arsenic content. (All arsenic levels are approximate and based on: FDA. 2011. <a target="_blank" href="http://1.usa.gov/1ybRXBx" data-id=http://1.usa.gov/1ybRXBx; R.A.Schoof等人。 食品和化学毒理学 37:839; FDA,2013年; K.E.Nachman等。 环境卫生观点 121:818; J. J. Sloth,K。Julshamin和A. K. Lundebye。 水产养殖营养 11:61;枫丹白露 农业与食品化学杂志 59:10013。) 斯蒂芬妮·弗里斯">

怀疑儿童和婴儿特别容易受到无机砷的有害影响。如果是 在子宫内 暴露后,砷已被证明很容易穿过胎盘。结果,胚胎的暴露水平与怀孕母亲的相似。当胎儿通过发育易感性的重要窗口前进时,这一点很重要,因为它会影响出生结局以及孩子以后的健康。产前砷暴露与死亡率增加,神经毒性和生长障碍以及周围和中枢神经系统的变化有关。除了会影响新生儿的健康状况外,还需要接触无机砷 在子宫内 在儿童时期和成年后期,它还与不良健康影响相关,例如各种癌症的发展。鉴于最近的大米测试和最近的研究表明,与母亲没有食用大米的母亲相比,新生儿的脐带血中无机砷的含量增加,这些健康终点尤其令人担忧。

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除婴儿外,由于砷暴露的有害影响,儿童的风险也增加了。随着大脑和神经系统的发育,儿童特别容易受到环境毒物的影响。与成人接触相同或相似水平的儿童可能会面临更大的风险,因为该接触可能与他们的体重成比例,并且解毒剂所需的酶可能在儿童中不那么丰富或活跃。像成人一样

还有可能增加儿童的接触水平。例如,欧洲食品和安全局2009年的一份报告发现,三岁以下儿童的饮食中所含无机砷的含量是成人饮食的三倍之多。此外,研究人员使用《美国国家健康与营养检查研究》的数据发现,食用米饭的儿童总尿砷水平高于未食用米饭的儿童。综上所述,这些暴露水平尤其令人担忧,因为儿童时期砷暴露的增加与成年期的一系列负面健康后果有关,包括心血管疾病,肺病和多种癌症。

砷如何诱发疾病

尽管无机砷暴露与多种健康影响有关,但尚不清楚其诱导毒性作用的确切方法。一些最有力的实验证据表明,酶抑制,内分泌系统破坏,DNA修复改变,氧化应激的产生和表观遗传修饰等机制可能与砷的毒性有关。尽管仍未完全了解这些机制的程度和相互作用,但有人提出准金属可能会异常地“打开”或“关闭”基因,例如那些调节关键基因的蛋白质以及在DNA复制和修复过程中检查错误的蛋白质。以及控制新陈代谢和胎儿生长的物质。基因表达的这种变化可能反映了 表观基因组,一组不包含在DNA序列本身中的生物学信息,但是影响DNA转录或翻译方式的信息。

表观遗传学的新领域很有希望,使研究人员能够研究砷对表观基因组的影响。与某些可能直接修饰DNA碱基的化学物质不同,砷可以通过表观遗传机制(例如DNA甲基化,组蛋白修饰和microRNA表达变化)改变基因组的功能。例如,在DNA甲基化的情况下,许多环境毒物会诱导DNA上表观遗传“标记”或“标签”的添加或缺失,从而激活或沉默特定基因。研究表观遗传学的研究人员开始阐明环境(包括砷等环境污染物)如何以及在多大程度上可以改变表观基因组。重要的是,已经提出在胎儿发育的关键时期改变表观基因组,作为环境毒物暴露与生命后期健康并发症之间的合理联系。

无机砷暴露与整个基因组和特定基因中的许多表观遗传学改变有关。这些基因中有许多与疾病发展有关,包括那些可能引起或预防癌症的基因。这些与疾病相关的基因具有多种功能,例如确保细胞可以利用营养,进行DNA修复或触发程序性细胞死亡(对预防癌症形成很重要的自然防御机制)。无机砷对表观遗传机制的影响是其作为致病因子的潜能的另一种可能的机制,并且可以解释长期暴露于有毒物质与各种不良健康后果之间的关系。

砷如何污染大米

砷会积存在大米等食物中,因此是儿童暴露的潜在来源。水稻被描述为金属化合物的天然“海绵”,它可以掺入土壤或水中存在的多种重金属,包括砷,镉和汞。与大多数其他谷物不同,稻米植物从土壤中运输硅来强化和保护其茎和壳。螯合水稻中硅的相同机制也可以将砷运输并吸收到植物中,因为当水稻在富含砷的水或土壤中生长时,准金属容易积累。水稻吸收的砷形式受水和土壤化学以及所种植水稻种类的影响。结果,某些水稻物种对无机或有机形式的砷的积累具有比其他物种更大的亲和力。

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多数土壤自然含有大约十亿分之一至十亿分之十的砷,但是在种植水稻的许多地区,砷的浓度可能要高得多。这可能是由于砷分布的自然变化,含砷肥料或农药的使用或工业生产的径流所致。长期以来,科学家已经认识到,在孟加拉国等地下水中砷含量很高的地区,种植的水稻中砷含量很高。但是,即使在美国,许多用于种植水稻的农场的土壤中砷的含量也很高,这导致了富含砷的水稻的生产。尽管与孟加拉国等砷污染的“热点”相比,用于灌溉许多美国水稻农场的土壤和地下水的无机砷含量要低得多,但最终的水稻作物所积累的有毒物质水平却超过了EPA对无机砷的限制。在水里。

Inorganic class=激光烧蚀电感耦合等离子体质谱,左图显示的是未成熟的米粒的切片截面中的砷含量(右侧用红色虚线表示 )。右图显示了米粒不同部分的使用方式。保留大米营养丰富的外层的大米产品也往往具有较高的无机砷含量。 左图为A.-M.凯里等。 分析和生物分析化学 402:3275。斯蒂芬妮·弗里斯的插图">

尽管人们可能通过空气或土壤暴露于准金属,但饮用水和食物往往是美国暴露的最大来源。稻米远不是食物接触食物的唯一潜在来源。几十年来,研究人员一直关注贝类中的砷含量。与金枪鱼等肥大的鱼类积聚汞的方式类似,科学家观察到,通过大量水作为滤食器进行筛分的贝类可以积聚高水平的砷。然而,对贝类的进一步测试表明,尽管无脊椎动物的总砷含量很高,但大多数砷以相对无毒的有机形式存在。

In class=地图由美国地质调查局和美国农业部国家农业统计局提供。">

除了大米以外,砷还可能通过许多其他作物进入我们的饮食。苹果和梨等许多果园都生长在砷含量高的土壤中。尽管这类树木产生的果实中砷的含量较高,但FDA对苹果汁和梨汁以及浓缩汁的检测发现,大多数商业苹果汁都远远低于EPA水中无机砷的限量。最近,许多人呼吁减少基于砷的家禽饲料和基于砷的抗生素,因为发现鸡肉和猪肉样品中含有大量的无机砷。作为回应,一些公司积极暂停在家禽和猪饲料中使用基于砷的药物,而FDA则开始禁止使用其中几种产品。

Countries class=来自Naujokas等人的数据。 环境卫生观点 121:295.">

与以前的示例不同,大米和大米食品中的砷含量可能比水果,贝类或肉中的砷含量高100倍。 2013年9月,FDA公布了对1300多种大米和大米产品的综合研究结果。与一年前他们对大约200个大米样品进行的测试一样,结果令人惊讶。在美国可供购买的486种经测试的大米样品中,所有样品均超过了EPA的限量(十亿分之十),最高水平几乎达到了该限量的25倍(十亿分之249)。糙米中的砷含量高于白米,几乎是印度香米的两倍。品种之间的差异是可以预料的,因为砷在米糠和稻壳中不成比例地积累,而在几乎所有的商业白米生产中都将其清除。同样令人震惊的是大米产品的结果。大米类零食的平均含量远远超过了世界卫生组织对水中无机砷的现行限量,在许多情况下还高于大米的平均砷含量。

In class=数据来自美国食品药品监督管理局,2013年。插图:斯蒂芬妮·弗里斯">

经常食用受污染的大米的人可能会因长期暴露于砷而增加健康风险。尽管美国人平均每年消费25磅大米,但某些人群的消费量可能是这一数字的许多倍。结果来自 消费者报告 FDA的测试表明,从面条到零食(例如年糕)等大米产品中的砷含量与大米本身相当。结果,饮食上受到限制的个人,例如无麸质饮食的人,食用大米产品以降低胆固醇的人,或饮食中鼓励摄入诸如糙米等复杂碳水化合物的人,可能会面临额外的风险。

达特茅斯有毒金属超级基金研究计划的研究人员最近报道了有机糙米糖浆的高砷含量,有机糙米糖浆是在许多对健康敏感的产品中发现的高果糖玉米糖浆的替代品,包括谷物棒,牛奶配方和能量棒或中药。食用含有有机糙米糖浆的产品的人,砷相关健康影响的风险也可能增加。更令人担忧的是,研究人员发现,许多基于大米的婴儿配方食品和首批食品中的无机砷含量同样都很高,超过了EPA在水中的无机砷限量。

水稻中的砷怎么办?

负责保护美国食品供应安全的FDA目前正在调查与长期食用大米有关的长期潜在健康后果。该机构报告说,他们已经重新启动了确定风险的评估,这是一种系统的方法,可以量化由于接触特定的药物而给个人健康带来的额外风险。作为该过程的一部分,该机构将召集一个由毒理学家,流行病学家和营养学家组成的小组,以确定个人长期食用大米后可能产生的不利影响。此过程将导致积累有关个人可能遇到的暴露范围以及与此类暴露相关的健康影响的可量化数据。在缺乏剂量反应或健康影响数据的情况下,风险评估过程应包括用于警告的错误的标准不确定性值。

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最近对苹果汁中的砷含量进行了同样的审查。与大米的故事相似,在有关苹果汁中砷含量的报道引起全国关注之后,FDA开始测试市售苹果汁中的砷含量。儿童可能是苹果汁的最大消费者,因此,许多组织担心苹果汁可能是儿童长期暴露的来源。在进行了此风险评估之后,2013年对苹果汁中的砷含量采取了新的行动标准,即十亿分之十(与FDA为瓶装水设定的限值相同)。尽管针对苹果汁的新行动水平旨在确保安全,但应注意的是,大多数经过测试的苹果汁产品中的砷含量已经低于十亿分之十,因此符合新规则。另一方面,大米中的砷含量可能比苹果汁产品高25倍。考虑到这一比例,以及大米消耗的生命周期和普遍存在,有理由认为,大米(和富含无机砷的其他食物)的作用水平应得到保证。

目前,美国对任何固体食品中的砷含量没有法规限制。为了减少接触有毒物质及其相关疾病负担的努力,2002年颁布了新的饮用水标准,即每十亿分之十的饮用水限值已从之前的每十亿分之50限制。此时,水被认为比食物更容易受到污染,因为人们认为大多数食物仅含有少量的无机砷,因此被认为相对安全。 FDA和美国食品和药物管理局对大米的最新测试结果 消费者报告 迫使人们重新评估了一些先前的假设。

根据最近的报道,某些大米和大米产品制造商已开始采取步骤确保公众健康。例如,有机糙米糖浆的生产商Nature's One开发了过滤器,以将其产品中的无机砷含量降低到目前的EPA饮用水限值以下。某些政府机构已经开始对其自身进行审查,例如世界卫生组织的 食品法典 欧盟委员会批准了关于限制食物中砷含量极限的新研究。其他国家,例如中国,最近在食品中设定了无机砷限量,已经领先美国应对砷污染的大米问题。

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由于没有FDA设定的大米中砷的确定最大限量,许多人一直想知道继续食用大米和大米产品带来的相对风险。尽管任何具体的服务建议都超出了我们的专业知识范围,但鉴于大米的测试结果,FDA发表了一份声明,建议“均衡饮食以获取良好的营养,并尽量减少食用过量一种食物所带来的潜在不良后果” 。”美国儿科学会也提出了类似的建议,即应食用“多种食物”以尽量减少砷的暴露。英国食品标准局最近建议婴幼儿限制米浆和其他米基饮料的量,以最大程度地减少无机砷的暴露。考虑到与砷暴露相关的健康影响之间的联系,尤其是在发育敏感性时期,遵循这种建议似乎是审慎的做法。

不幸的是,即使FDA认为有必要将饮食中无机砷的暴露降至最低的新标准,这种限制也可能无法解决全球健康问题。全世界有数以百万计的人继续饮用受砷污染的水,并食用富含砷的大米和蔬菜,这远远超出了美国境内面临的任何可能的接触。言归正传,数以百万计的美国家庭在不受管制的私人井中,除了稻米中的砷暴露外,还可能面临着类似的污水污染。例如,我们已经确定北卡罗来纳州的井水水平达到了十亿分之800。无处不在的水,如今已成为全球最大的粮食主食大米,会被无机砷污染,这引起了越来越多的关注。最终,随着研究人员和政策制定者寻求了解和限制暴露,砷已经有数百年的历史了,继续成为“毒药之王”。

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