References

proanaris

Проблемы анализа риска

Issues of Risk Analysis

1812-52202658-7882

ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

10.32686/1812-5220-2021-18-4-48-65

proanaris-509

Research Article

РИСК ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ

HEALTH RISK

Оценка риска накопления тяжелых металлов в овощных культурах

Assessment of the Risk of Heavy Metals Accumulation in Vegetable Crops

Башкин

В. Н.

Bashkin

V. N.

Башкин Владимир Николаевич: доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки

ResearcherID: J-4621-2018

Scopus Author ID: 7005340339

142290, Московская обл., г. Пущино, Институтская ул., д. 2-1

Institute str., 2-1, Pushchino, Moscow region, 142290

vladimirbashkin@yandex.ru

Галиулина

Р. А.

Galiulina

R. A.

Галиулина Роза Адхамовна: научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки

Scopus Author ID: 6602432775

142290, Московская обл., г. Пущино, Институтская ул., д. 2

Institute str., 2, Pushchino, Moscow region, 142290

rosa_g@rambler.ru

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАНРоссияInstitute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

Институт фундаментальных проблем биологии РАНРоссияInstitute of Fundamental Problems of Biology of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

2021

27082021

1844865

2021

Башкин В.Н., Галиулина Р.А.

Bashkin V.N., Galiulina R.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.risk-journal.com/jour/article/view/509

На основании обширного материала рассмотрены подходы к оценке риска накопления тяжелых металлов (ТМ) в овощных культурах, выращиваемых в открытом и защищенном грунте, в том числе в условиях гидропоники. Предложена схема выполнения оценки риска, включая такие этапы, как идентификация опасности, оценка экспозиции, оценка воздействия в системе доза-эффект, характеристика риска и управление риском. Для каждого этапа приведены модельные подходы к количественной оценке риска, даны примеры характеристики неканцерогенного и канцерогенного рисков в различных регионах при потреблении овощных культур, загрязненных ТМ. Показано, что управление риском накопления ТМ в овощных культурах возможно с помощью различных штаммов микроорганизмов, вносимых в ризосферу и способствующих как иммобилизации этих металлов в почве, так и препятствующих их поступлению в товарную часть овощной продукции.

Based on the extensive material, approaches to assessing the risk of accumulation of heavy metals in vegetable crops grown in open and protected ground, including hydroponics, are considered. A scheme for performing risk assessment is proposed, including such stages as hazard identification, exposure assessment, the dose-effect estimates, risk characterization, and risk management. For each stage, model approaches to quantifying the risk are presented, and examples of the characteristics of non-carcinogenic and carcinogenic risk in different regions are given when consuming vegetable crops contaminated with HM. It is shown that the risk of accumulation of HM in vegetable crops can be managed with the help of various strains of microorganisms that promote both the immobilization of these metals in the soil and prevent their entry into the marketable part of vegetable products.

овощные культурытяжелые металлынеканцерогенные и канцерогенные рискиассоциативные микроорганизмыуправление риском

vegetable cropsheavy metalsnon-carcinogenic and carcinogenic risksassociative microorganismsrisk management

References1

Пинчук Е.В., Беспалько Л.В., Козарь Е.Г., Балашова И.Т., Сирота С.М., Шевченко Т.Е. Ценная овощная зелень на гидропонике для круглогодичного потребления // Овощи России. 2019. № 3. С. 45—53. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2019-3-45-53. [Pinchuk E.V., Bespalko L.V., Kozar E.G., Balashova I.T., Sirota S.M., Shevchenko T.E. Valuable vegetable green on hydroponics for seasonal use // Vegetable crops of Russia. 2019. No 3. P. 45—53 (in Russ.) https://doi.org/10.18619/2072-9146-2019-3-45-53]

Солдатенко А.В., Разин А.Ф., Шатилов М.В., Иванова М.И., Разин О.А., Россинская О.В., Башкиров О.В. Межрегиональный обмен в контексте выравнивания потребления овощей в субъектах Федерации // Овощи России. 2018. № 6. С. 41—46. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2018-6-41-46. [Soldatenko A.V., Razin A.F., Shatilov M.V., Ivanova M.I., Razin O.A., Rossinskaya O.V., Bashkirov O.V. Interregional exchange in the context of the alignment of the consumption of vegetables in subjects of the Russian Federation // Vegetable crops of Russia. 2018. No. 6. P. 41—46 (in Russ.) https://doi.org/10.18619/2072-9146-2018-6-41-46]

Мамедов М.И. Перспективы защищенного грунта в России // Овощи России. 2014. № 4 (25). С. 4—9. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2014-4-4-9. [Mamedov M. I. Prospects of protected ground in Russia // Vegetable crops of Russia. 2014. No. 4. P. 4—9. (in Russ.) https://doi.org/10.18619/2072-9146-2014-4-4-9]

Башкин В.Н. Управление экологическим риском. М.: Научный мир. 2005. 368 с. [Bashkin V. N. Ecological risk management. M.: Nauchny Mir. 2005. 368 p. (in Russ.)]

Башкин В.Н. Агрогеохимия азота // Пущино: ОНТИ НЦБИ. 1987. 270 c. [Bashkin V. N. Agrogeochemistry of nitrogen // Pushchino: ONTI NCBI. 1987. 270 p. (in Russ.)]

Nagajyoti P.C., Lee K.D. & Sreekanth T.V.M. Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: a review. Environ Chem Lett 8, 199—216 (2010). https://doi.org/10.1007/s10311-010-0297-8

Clemens S, Ma JF. Toxic Heavy Metal and Metalloid Accumulation in Crop Plants and Foods. Annu Rev Plant Biol. 2016 Apr 29;67:489-512. doi: 10.1146/annurev-arplant-043015-112301. Epub 2016 Jan 21. PMID: 27128467.

Goyer RA. Toxic and essential metal interactions. Annu Rev Nutr. 1997;17:37-50. doi: 10.1146/annurev.nutr.17.1.37. PMID: 9240918.

Kopittke PM, Blamey FP, Asher CJ, Menzies NW. Trace metal phytotoxicity in solution culture: a review. J Exp Bot. 2010 Feb;61(4):945-54. doi: 10.1093/jxb/erp385. Epub 2010 Jan 6. PMID: 20054033

Hughes MF. Arsenic toxicity and potential mechanisms of action. Toxicol Lett. 2002 Jul 7;133(1):1-16. doi: 10.1016/s0378-4274(02)00084-x. PMID: 12076506

Li WC, Tse HF. Health risk and significance of mercury in the environment. Environ Sci Pollut Res Int. 2015 Jan;22(1):192-201. doi: 10.1007/s11356-014-3544-x. Epub 2014 Sep 16. PMID: 25220768.

Järup L, Akesson A. Current status of cadmium as an environmental health problem. Toxicol Appl Pharmacol. 2009 Aug 1;238(3):201-8. doi: 10.1016/j.taap.2009.04.020. Epub 2009 May 3. PMID: 19409405.

R.L. Canfield, C.R. Henderson, D.A. Cory-Slechta, C. Cox, T.A. Jusko and B. P. Lanphear. “Intellectual impairment in Children with Blood Lead Concentrations below 10 μg Per Deciliter,” New England Journal of Medicine, Vol. 348, No. 16, 2003, pp. 1517—1526. doi: 10.1056/NEJMoa022848

Mergler D, Anderson HA, Chan LH, Mahaffey KR, Murray M, Sakamoto M, Stern AH; Panel on Health Risks and Toxicological Effects of Methylmercury. Methylmercury exposure and health effects in humans: a worldwide concern. Ambio. 2007 Feb;36(1):3-11. doi: 10.1579/0044-7447(2007)36[3:meahei]2.0.co;2. PMID: 17408186.

Meharg AA, Norton G, Deacon C, Williams P, Adomako EE, Price A, Zhu Y, Li G, Zhao FJ, McGrath S, Villada A, Sommella A, De Silva PM, Brammer H, Dasgupta T, Islam MR. Variation in rice cadmium related to human exposure. Environ Sci Technol. 2013 Jun 4;47(11):5613-8. doi: 10.1021/es400521h. Epub 2013 May 23. PMID: 23668419.

Åkesson A, Barregard L, Bergdahl IA, Nordberg GF, Nordberg M, Skerfving S. Non-renal effects and the risk assessment of environmental cadmium exposure. Environ Health Perspect. 2014 May;122(5):431-8. doi: 10.1289/ehp.1307110. Epub 2014 Feb 25. PMID: 24569905; PMCID: PMC4014752.

EFSA (Eur. Food Saf. Auth.). Scientific opinion of the Panel on Contaminants in the Food Chain on a request from the European Commission on cadmium in food // EFSA J. 2009. Vol. 980. P. 1—139.

Clemens S, Aarts MG, Thomine S, Verbruggen N. Plant science: the key to preventing slow cadmium poisoning. Trends Plant Sci. 2013 Feb;18(2):92-9. doi: 10.1016/j.tplants.2012.08.003. Epub 2012 Sep 12. PMID: 22981394.

Zhao FJ, Ma Y, Zhu YG, Tang Z, McGrath SP. Soil contamination in China: current status and mitigation strategies. Environ Sci Technol. 2015 Jan 20;49(2):750-9. doi: 10.1021/es5047099. PMID: 25514502.

EFSA (Eur. Food Saf. Auth.). Scientific opinion on lead in food // EFSA J. 2010. No. 8. P. 1570.

EFSA (Eur. Food Saf. Auth.). Scientific opinion on the risk for public health related to the presence of mercury and methylmercury in food // EFSA J. 2012. No. 10. P. 2985.

FAO (Food Agric. Organ. UN), WHO (World Health Organ.). Evaluation of certain food additives and contaminants: seventy-third report of the Joint FAO/ WHO Expert Committee on Food Additives. WHO Tech. Report Ser. 960, WHO, Geneva, Switz. 2010. http://whqlibdoc.who.int/trs/WHO_TRS_960_eng.pdf

Veltman K, Huijbregts MA, Hendriks AJ. Cadmium bioaccumulation factors for terrestrial species: application of the mechanistic bioaccumulation model OMEGA to explain field data. Sci Total Environ. 2008 Dec 1;406(3):413-8. doi: 10.1016/j.scitotenv.2008.05.049. Epub 2008 Aug 22. PMID: 18722646.

Alonso E, González-Núñez M, Carbonell G, Fernández C, Tarazona JV. Bioaccumulation assessment via an adapted multi-species soil system (MS.3) and its application using cadmium // Ecotoxicol Environ Saf. 2009. Vol. 72. No 4. 1038—1044. doi: 10.1016/j.ecoenv.2008.08.004

Chary NS, Kamala CT, Raj DS. Assessing risk of heavy metals from consuming food grown on sewage irrigated soils and food chain transfer. Ecotoxicol Environ Saf. 2008 Mar; 69(3):513-24. doi: 10.1016/j.ecoenv.2007.04.013. Epub 2007 Jun 6. PMID: 17555815.

L. C. Chien, T. C. Hung, K. Y. Choang, C. Y. Yeh, P. J. Meng, M. J. Shieh and B. C. Ha, “Daily Intake of TBT, Cu, Zn, Cd and As for Fishermen in Taiwan,” Science of the Total Environment, Vol. 285, No. 1-3, 2002, pp. 177185. doi: 10.1016/S0048-9697(01)00916-0

Zheng N, Wang Q, Zheng D. Health risk of Hg, Pb, Cd, Zn, and Cu to the inhabitants around Huludao Zinc Plant in China via consumption of vegetables. Sci Total Environ. 2007 Sep 20;383(1-3):81-9. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.05.002. Epub 2007 Jun 15. PMID: 17573096.

Zheng N, Wang QC, Zheng DM. [Transfer characteristics of mercury, lead, cadmium, zinc and cuprum from soil to vegetable around zinc smelting plant]. Huan Jing Ke Xue. 2007 Jun;28(6):1349-54. Chinese. PMID: 17674748.

Yang Q.W, Lan C.Y, Wang H.B, Zhuang P, Shu W.S. Cadmium in soil—rice system and health risk associated with the use of untreated mining wastewater for irrigation in Lechang, China // Agric Water Manag. 2006. Vol. 84 (1— 2). P. 147—152.

Millis PR, Ramsey MH, John EA. Heterogeneity of cadmium concentration in soil as a source of uncertainty in plant uptake and its implications for human health risk assessment. Sci Total Environ. 2004 Jun 29;326(1-3):49-53. doi: 10.1016/j.scitotenv.2003.12.009. PMID: 15142764.

Bashkin V.N. Modern Biogeochemistry: Environmental Risk Assessment // 2d Edition Springer Publishers. 2006. 444 pp.

Li Z, Ma Z, van der Kuijp TJ, Yuan Z, Huang L. A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment. Sci Total Environ. 2014 Jan 15;468-469:843-53. doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.08.090. Epub 2013 Sep 25. PMID: 24076505.

Fryer M, Collins C.D. Ferrier H., Colvile R.N., Nieuwenhuijsen M.J. Human exposure modelling for chemical risk assessment: a review of current approaches and research and policy implications // Environ Sci Pol. Vol. 9. 2006. No. 3. P. 261—274. DOI: 10.1016/j.envsci.2005.11. 011

Sun Qu. K., Wang S.R., Huang L., Bi J. Monte Carlo simulation based health risk assessment of heavy metal pollution: a case study in Qixia mining area, China // Hum. Ecol. Risk Assess. 2012. No. 18. P. 733—750. DOI: 10.1080/10807039.2012.688697

Ordóñez A., Álvarez R., Charlesworth S., De Miguel E., Loredo J. Risk assessment of soils contaminated by mercury mining, Northern Spain // J Environ Monit, 2011. No. 13(1). P. 128—136. DOI: 10.1039/c0em00132e

USEPA. Guidelines for the health risk assessment of chemical mixtures [R]. US Environmental Protection Agency, Washington, DC (1986).

Risk assessment guidance for Superfund. Human health evaluation manual, (part A) [R], vol. 1, Office of emergency and remedial response, Washington, DC (1989).

Guidelines for exposure assessment [R]. US Environmental Protection Agency, Washington, DC (1992).

Example exposure scenarios [R]. National Center for Environmental Assessment, Washington, DC (2003) [EPA/600/R-03/036].

Hu, X., Zhang, Y., Ding, Z.H., Wang, T.J., Lian, H.Z., & Sun, Y.Y. (2012). Bio-Accessibility and Health Risk of Arsenic and Heavy Metals (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn and Mn) in TSP and PM2.5 in Nanjing, China. Atmospheric Environment, 57, 146—152. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.04.056

USEPA. Supplemental guidance for developing soil screening levels for Superfund sites [R]. Soild Waste and Emergency Response, Washington, DC (2002).

Carrington C.D., Bolger P.M. Uncertainty and risk assessment // Hum Ecol Risk Assess. 1998. Vol. 4. No. 2. P. 253—257. doi.org/10.1080/10807039891284325

Mesa-Frias M, Chalabi Z, Vanni T, Foss AM. Uncertainty in environmental health impact assessment: quantitative methods and perspectives. Int J Environ Health Res. 2013;23(1):16-30. doi: 10.1080/09603123.2012.678002. Epub 2012 Apr 19. PMID: 22515647.

Mari M, Nadal M, Schuhmacher M, Domingo JL. Exposure to heavy metals and PCDD/Fs by the population living in the vicinity of a hazardous waste landfill in Catalonia, Spain: health risk assessment. Environ Int. 2009 Oct;35(7):1034-9. doi: 10.1016/j.envint.2009.05.004. Epub 2009 Jun 10. PMID: 19515422.

Molak V. Fundamentals of risk analysis and risk management // Lewis Publishers, New York (1997). DOI: 10.1201/9780367803056. COPY. ABSTRACT

Осипова Н.А., Язиков Е.Г., Янкович Е.П. Тяжелые металлы в почве и овощах как фактор риска для здоровья человека // Фундаментальные исследования. 2013. № 8 (часть 3). С. 681—686. [Osipova N.A., Yazikov E.G., Yankovich E.P. Heavy metals in soil and vegetables as a risk factor for health of consumers // Basic research. 2013. No. 8 (part 3). P. 681—686 (in Russ.)]

Prasad M.N.V., Hagemeyer J. (eds.). Heavy metal stress in plants: from molecules to ecosystems // Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1999.

Белоголова Г.А., Соколова М.Г., Пройдакова О.А. Влияние почвенных бактерий на поведение химических элементов в системе почва-растение // Агрохимия. 2011. № 9. С. 58—76. [Belogolova G.A., Sokolova M.G., Prokhodakova O.A. Effect of soil bacteria on the distribution of chemical elements in the soil-plant system // Agrochemistry. 2011. No. 9. P. 58—76 (in Russ.)]

Pishchik V.N., Vorobyev N.I., Chernyaeva I.I., Timofeeva, A.P Kozhemyakov, Y.V. Alexeev. Y., Lukin S.M. Experimental and mathematical simulation of plant growth promoting rhizobacteria and plant interaction under cadmium stress // Plant Soil. Vol. 243. 2002. No. 2. P. 173—186. DOI: 10.1023/A:1019941525758

Белимов А.А., Кунакова А.М., Сафронова В.И., Степанок В.В., Юдкин Л.Ю., Алексеев Ю.В., Кожемяков А.П. Использование ассоциативных бактерий для инокуляции ячменя в условиях загрязнения почвы свинцом и кадмием // Микробиология. 2004. Т. 73. № 1. С. 118—125 [Belimov A. A., Kunakova A.M., Safronova V.I. Stepanov V.V., Yudkin L. Yu. Employment of rhizobacteria for the inoculation of barley plants cultivated in soil contaminated with lead and cadmium // Microbiology. Vol. 73. 2004. No. 1. P. 118—125 (in Russ.)]

Шабаев В.П., Бочарникова Е.А., Остроумов В.Е. Ремедиация загрязненной кадмием почвы при применении стимулирующих рост растений ризобактерий и природного цеолита // Почвоведение. 2020. № 6. С. 733—760 DOI: 10.31857/S0032180X20060118 [Shabaev V.P., Bocharnikova E.A., Ostroumov V. E. Remediation of cadmium-polluted soil using plant growth-promoting rhizobacteria and natural zeolite // Soil science. 2020. No 6. P. 733—760 (in Russ.) DOI: 10.31857/S0032180X20060118]

Шабаев В.П. Эффективность применения азотфиксирующей бактерии при выращивании растений в различных почвенных условиях // Агрохимия. 2020. № 11. С. 41—52. DOI: 10.31857/S0002188120110083 [Shabaev V.P. Efficiency of using n2-fixing bacterium under growing plantsin various soil conditions // Agrochemistry. 2020. No 11. Р. 41—52 (in Russ.) DOI: 10.31857/S0002188120110083]

Krupa, P., Kozdrój, J. Ectomycorrhizal Fungi and Associated Bacteria Provide Protection Against Heavy Metals in Inoculated Pine (Pinus Sylvestris L.) Seedlings. Water Air Soil Pollut 182, 83—90 (2007). https://doi.org/10.1007/s11270-006-9323-7

Awad F., Romheld V. Mobilization of heavy metals from contaminated calcareous soils by plant born, microbial and synthetic chelators and their uptake by wheat plants // J. Plant Nutrit. 2000. Vol. 23. P. 1847—1855. DOI: 10.1080/01904160009382147

Zaidi S, Usmani S, Singh BR, Musarrat J. Significance of Bacillus subtilis strain SJ-101 as a bioinoculant for concurrent plant growth promotion and nickel accumulation in Brassica juncea. Chemosphere. 2006 Aug;64(6):991-7. doi: 10.1016/j.chemosphere.2005.12.057. Epub 2006 Feb 17. PMID: 16487570.

Кравченко Л.В., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Азарова Т.С., Тихонович И.А. Динамика численности антифугальных штаммов Pseudomonas в ризосфере огурцов, выращиваемых в условиях гидропоники на минеральном тепличном субстрате // Микробиология. 2006. Т. 75. № 3. С. 404—409. [Kravchenko L.V., Shaposhnikov A.I., Makarova N.M., Azarova T.S., Tikhonovich I.A. Dynamics of abundance of antifungal strains of pseudomonas in the rhizosphere of hydroponic cucumbers grown on greenhouse mineral substrate // Microbiology. 2006. Vol. 75. No 3. Р. 404—409 (in Russ.)]

Белимов А.А., Тихонович И.А. Микробиологические аспекты устойчивости и аккумуляции тяжелых металлов у растений (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 10—15. [Belimov A.A., Tikhonovich I.A. Microbiological Aspects of resistance and accumulation of heavy metals by plants // Agricultural biology. 2011. No. 3. Р. 10—15 (in Russ.)]

Лукаткин А.С., Башмаков Д.И., Кипайкина Н.В. Протекторная роль обработки тидиазуроном проростков огурца при действии тяжелых металлов и охлаждения // Физиология растений. 2003. Т. 50. № 3. С. 305— 307. [Lukatkin A.S., Bashmakov D.I., Kipaikina N.V. Rotective role of thidiazuron treatment on cucumber seedlings exposed to heavy metals and chilling // Russian Journal of Plant Physiology. 2003. Т. 50. No 3. С. 305—307 (in Russ.)]

Быков А.А., Башкин В.Н. Об экстремальных природных явлениях и оценке природных и экологических рисков // Проблемы анализа риска. Т. 15. 2018. № 3. 4—5. https://doi.org/10.32686/1812-5220-2018-15-3-4-5 [Bykov A.A., Bashkin V.N. On extreme natural phenomena and the assessment of natural and environmental risks // Issues of Risk analysis. Vol. 15. 2018. No 3. P. 4—5 (In Russ.) https://doi.org/10.32686/1812-5220-2018-15-3-4-5]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.