饮水型砷中毒病区人群砷暴露量及尿砷的季节变化

韦炳干，高健伟，柴园庆,2，虞江萍，杨林生,*，夏雅娟，武克恭，郭志伟

1. 中国科学院地理科学与资源研究所 陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101 2. 中国科学院大学，北京 100101 3. 内蒙古地方病防治研究中心，呼和浩特 010031 4. 中国核电工程有限公司，北京 100840



饮水型砷中毒病区人群砷暴露量及尿砷的季节变化

韦炳干1，高健伟4，柴园庆1,2，虞江萍1，杨林生1,*，夏雅娟3，武克恭3，郭志伟3

1. 中国科学院地理科学与资源研究所 陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101 2. 中国科学院大学，北京 100101 3. 内蒙古地方病防治研究中心，呼和浩特 010031 4. 中国核电工程有限公司，北京 100840

地下水高砷暴露的健康危害是环境与健康领域面临的巨大挑战。水砷含量及暴露人群饮水量参数的季节性变化可能影响饮水砷暴露评估的准确性。本研究选择内蒙古饮水砷中毒病区为研究区，测定丰水期(2013年5月)和枯水期(2013年12月)居民饮用水和尿液各形态砷(三价无机砷iAs3+、五价无机砷iAs5+、一甲基砷MMA5+和二甲基砷DMA5+)含量，研究砷暴露量和尿砷的季节变化。结果表明，丰水期水砷含量(134.4±25.8) μg·L-1显著低于枯水期的(163.2±38.1) μg·L-1，且丰水期水中iAs3+的含量(58.9±51.2) μg·L-1也显著低于枯水期的(100.1±49.0) μg·L-1。研究人群丰水期通过饮水的摄砷量为313.1 μg·d-1，低于枯水期的378.6 μg·d-1。此外，丰水期居民尿液总砷含量(218.6 μg·L-1)显著低于枯水期(283.1 μg·L-1)。丰水期女性居民尿液iAs、MMA5+和总砷含量随当季饮水iAs5+含量的升高而显著降低，枯水期女性尿液MMA5+含量随当季饮水iAs3+及iAs含量的升高而显著升高。可见，病区居民饮水砷暴露量与尿砷含量具有明显的季节差异性，饮水砷与尿砷的关系受饮水砷形态、季节变化及性别等因素影响。

砷；暴露剂量；饮水；季节；尿

Received 13 June 2016 accepted 1 July 2016

饮水型砷中毒是长期暴露于因地球化学性原因导致含砷量过高的饮用水所致。水砷浓度可能随季节、时间的不同而不同，甚至变化幅度很大[1-3]。人群饮水暴露参数也随季节变化，夏季摄水量高于冬季，男性高于女性[4]。因此，研究砷浓度随季节变化的规律，对砷中毒的流行病学研究及其防治措施具有重要意义[5]。

我国内蒙古饮水型砷中毒病区是世界上仅次于印度-孟加拉病区的第二大病区。病区内砷中毒分布广，危害大，全自治区有11个县旗的600多个自然村流行砷中毒，受影响人口超过25万。目前为止，有关内蒙古饮水型砷暴露的季节性研究未见报道。因此，本研究探讨了该病区丰水期和枯水期饮用水总砷、形态砷，人群日砷摄入量以及尿砷排泄量的变化，为提高砷暴露评估的准确性与科学性提供依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究对象

本文选择研究区常住的92名村民为研究对象，其中男性44人，年龄在35～81岁，平均年龄54.5岁；女性48人，年龄在37～82岁，平均年龄54.9岁。经调查，这92名村民均为常住人口，生活环境无显著差异，且在采样前7 d内均未食用海产品。研究对象均获得知情同意。

1.2 样品采集和保存

丰水期(2013年5月)和枯水期(2013年12月)采集研究区居民饮用水和村民的空腹晨尿样品。水样采集于居民室内饮用的末梢水，采样前用水样反复冲洗干净的采样瓶及瓶塞3次，并将末梢水空放5 min后取水样100 mL。根据国际理论与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)关于微量元素相关的血液和尿液样品的采集、运输和储存标准[6]，采集空腹晨尿50 mL于100 mL聚丙烯离心管中。水样和尿样采集后立即放在0 ℃冰盒中避光保存，并于8 h内运送到地方疾控中心-20 ℃条件下保存。5 d内运回北京中科院地理所中心理化分析实验室，立即进行分析测定。

1.3 主要仪器和试剂

形态砷化合物的分离：高效液相色谱(HPLC)(PerkinElmer 200 series, USA)；形态砷化合物含量测定：电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(Elan DRC-e，PerkinElmer, USA)。

1.4 形态砷测定

待测样品在常温下解冻。进行形态分析之前，用0.22 μm的针筒式过滤器过滤样品除去杂质，防止大分子堵塞色谱柱。PRP-X100阴离子色谱柱分离4种形态砷化合物，色谱柱前加保护柱(10 μm, 20 mm, 2.0 mm id., Hamilton)。流动相为20 mmol·L-1磷酸二氢铵，用氨水调节pH值到6.0。用0.45 μm水性膜过滤流动相，超声振荡10 min后备用。三价无机砷iAs3+、五价无机砷DMA5+、一甲基砷MMA5+和二甲基砷DMA5+4种形态砷的出峰时间分别为1.3、1.9、3.7和7.2 min。采用LC 200色谱数据采集系统软件控制，按外标法以峰面积积分值计算各形态砷含量。

ICP-MS系统在动力反应池(DCR)模式下通入O2为反应气，对AsO+(91 amu)进行检测。由3倍空白标准偏差计算检出限，得到4种形态砷化合物(iAs3+, iAs5+, MMA5+和DMA5+)的检出限分别为0.11、0.39、0.134和0.158 μg·L-1，相对标准偏差<5%。砷形态测定的质量控制方法包括平行样品测定和加标回收。平行样品测定的偏差不超过5%，而尿样中分别加入浓度为50 μg·L-1的iAs3+、iAs5+、MMA5+和DMA5+标准样品，其回收率分别为83%～94%、85%～98%，80%～102%和96%～111%。

1.5 统计方法

研究人群通过饮水的砷摄入量计算公式为：

ADD=CAs×IRWater

公式中，ADD为砷的日平均摄入量(μg·d-1)，CAs饮水砷含量(μg·L-1)，IRWater饮水摄入量(mL·d-1)。

本文利用SPSS(version 11.5, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)软件对数据作统计分析。独立样本t-检验用于比较丰水期和枯水期的水砷浓度；配对样本t-检验用于比较丰水期和枯水期人群的尿砷含量；经检验本研究用于相关性分析的水砷、尿砷数据呈偏态或近似正态分布，故采用Spearman秩相关分析对原始水砷和尿砷数据进行相关性分析。

2 结果(Results)

2.1 水砷季节变化

根据我国生活饮用水卫生标准[7](GB 5749—2006)，病区水样总砷含量超标(10 μg·L-1)率100%。丰水期水总砷含量均值为134.4 μg·L-1，含量范围为88.2～193.7 μg·L-1，平均约是标准限值的13倍。枯水期水总砷含量均值是163.2 μg·L-1，含量范围为89.8～231.1 μg·L-1，平均约是标准限值的16倍。t-检验的结果表明，病区丰水期饮用水总砷含量显著低于枯水期(表1)。

水样砷以无机砷为主，所有水样均未检出有机砷。丰水期饮用水中iAs3+含量(58.9±51.2) μg·L-1，平均约占iAs的41.9%，显著低于枯水期的含量(100.1±49.0) μg·L-1，平均约占iAs的58.0%；而饮用水中iAs5+在丰水期的含量为(75.5±47.0) μg·L-1，在枯水期的含量为(63.1±25.0) μg·L-1，2个季节之间无明显差异。可见，饮水砷赋存形态的季节性差异主要表现为iAs3+含量的差异。

表1 内蒙古砷中毒研究区的丰水期和枯水期饮用水中的砷

注：“*”表示与丰水期相比，P<0.05；丰水期、枯水期饮用水水样分别采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note:“*” indicates P<0.05 compared with that in wet season; drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

2.2 摄砷量季节变化

在水中污染物浓度准确定量的情况下，饮水暴露参数的取值越接近于目标人群的实际暴露状况，对暴露剂量的估算愈准确。根据《中国人群暴露参数手册(成人卷)》[8]，内蒙古自治区农村地区居民的总饮水量(包括了直接饮水和通过食物的间接饮水)，春秋季和冬季分别为2 329 mL·d-1和2 320 mL·d-1。丰水期和枯水期的日摄砷(iAs)量分别为313.1 μg·d-1和378.6 μg·d-1，枯水期明显高于丰水期(表2)；其中丰水期日摄砷量包括137.2 μg·d-1的iAs3+摄入剂量和175.9 μg·d-1的iAs5+摄入剂量，枯水期日摄砷量包括232.2 μg·d-1的iAs3+砷摄入剂量和146.4 μg·d-1的iAs5+摄入剂量。WHO(World Health Organization)制定的人体摄入砷安全剂量参考值为3 μg·kg-1·d-1[9]，按照居民平均体重60 kg计算，人体摄入砷安全剂量为180 μg·d-1，丰水期和枯水期的日摄砷量均超过安全剂量，枯水期病区居民摄入的无机三价砷剂量也超过该安全值。

根据《中国人群暴露参数手册(成人卷)》，内蒙古农村地区居民丰水期和枯水期日常总饮水量参考值分别为，男性为2 445和2 400 mL·d-1，女性为2 193和2 226 mL·d-1，推算出的丰水期和枯水期男性饮水日摄砷量显著高于女性(图1)。丰水期男性日摄砷量比女性高11.5%，枯水期男性的日摄砷量比女性高7.8%。

2.3 尿砷季节变化

人体暴露的砷主要通过尿排泄，尿砷是短期砷暴露标志物[10-11]，能够较好反映人体的近期砷暴露水平。经配对样本t-检验，枯水期病区人群尿液无机砷(iAs)，一甲基砷(MMA)，二甲基砷(DMA)和总砷含量总体上均显著高于丰水期(图2)。这与枯水期病区居民日砷摄入量高于丰水期的结果一致。

无论是在丰水期还是枯水期，男性尿液iAs、MMA和总砷含量高于女性，可能与男性饮水砷摄入量较高有关；而在2个采样季节女性尿液DMA含量却比男性高，这与无机砷在人体内部甲基化能力的性别间差异有关(图3)。

图1 男性和女性的饮水砷日摄入量Fig. 1 The daily intake of arsenic from drinking water for male and female

图2 丰水期和枯水期人群的尿砷含量Fig. 2 Arsenic metabolites in urine of study subjects in wet and dry seasons

表2 内蒙古砷中毒研究区丰水季和枯水季暴露人群的饮水日摄砷量

注：丰水期、枯水期饮用水水样分别采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note: Drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

图3 居民尿砷代谢物含量的性别间差异Fig. 3 Arsenic metabolites in urine of female and male subjects studied

表3 饮用水砷与尿砷代谢物含量的Spearman相关性

注：“*”、“**”分别代表P<0.05、P<0.01；丰水期、枯水期饮用水水样分别采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note:“*” and “**” stand for P<0.05 and P<0.01, respectively; drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

2.4 水砷与尿砷关系

表3表明丰水期女性尿液iAs含量随饮水iAs3+的升高而显著升高，随iAs5+的升高而显著降低，女性尿液MMA、总砷含量亦与饮水iAs5+含量呈显著水平的负相关；枯水期居民尿液MMA含量总体随饮水iAs3+与iAs含量的升高而显著升高。此外，枯水期女性尿液MMA含量与饮水iAs3+、iAs含量，尿液DMA5+含量与饮水iAs3+含量具有显著的正相关性。

3 讨论(discussion)

根据前人研究，美国内华达州西部井水砷浓度季节性变化不显著，在所调查的365眼水井中，水砷含量雨季高于旱季的井数约占22%，旱季高于雨季的井数约占21%，其余水井的水砷含量季节差异较小[3]。一项来自印度西孟加拉邦饮水型砷中毒病区的研究[5]表明，夏季居民饮水砷含量均值(694 μg·L-1)最低、雨季(906 μg·L-1)最高；在不考虑井深条件下，水砷含量从2002年冬天的464 μg·L-1升高到2003年冬天的820 μg·L-1(P< 0.001)。在孟加拉Matlab的病区，管井水砷含量从2002年7月的153 μg·L-1降低到2005年9月的123 μg·L-1[2]。本研究结果表明内蒙古饮水型地方性砷中毒病区地下水砷季节性变化较为明显，枯水期(2013年12月份)地下水iAs3+和iAs含量显著高于丰水期(2013年5月份)。研究区居民所饮用的高砷水为浅层地下水，其对地表水补给的影响较为敏感。研究区灌溉高峰期为4—6月份，且处于雨季，因此研究区的浅层地下水在丰水期受到灌溉水和地表水补给的影响，导致丰水期地下水总砷含量降低，而枯水期浅层地下水得不到补给，地下水位下降，使得地下水总砷含量升高。而地下水iAs3+含量的季节性变化则可能受地下水与空气的接触性影响，浅层地下水与空气接触的减少可能造成沉积物中的砷发生还原性解吸附[12]。研究区枯水期常处于土壤上层冻结时期，影响地面空气进入浅层地下水，这可能是导致枯水期地下水iAs3+升高重要原因。

由于iAs5+对人体的毒性小于iAs3+，砷中毒病情不仅与饮水iAs含量有明显的剂量-效应关系，还与砷存在的形态和价态直接相关。Yang等[13]研究发现，同为饮水型砷中毒病区的内蒙古和新疆的砷中毒病情显著差异，内蒙古水砷含量超过50 μg·L-1就出现砷中毒临床皮肤损伤，而新疆水砷含量超过200 μg·L-1才出现皮肤损伤症状，且内蒙古的病情比新疆重。内蒙古病区的地下水化学环境中总溶解固体(TDS)、Na+、Cl-、F-、As、腐植酸等含量较高，为富含有机质、H2S、CH4气体的还原环境[14]，促使As5+向毒性更强的As3+转化。新疆病区地下水为以iAs5+为主的氧化环境[15]，这可能是其患病率低于内蒙古的主要原因。本研究中枯水期水样中iAs3+含量显著高于丰水期，表明枯水期砷暴露人群受到更强的毒性危害，在暴露评估中应重视砷形态的季节性变化。

饮水量是客观评价水中各种污染物(致癌、非致癌物)经饮水途径所致人群健康危害的关键指标之一。内蒙古农村地区春秋季和冬季的饮水量差异不大，均高于世界卫生组织建议的成人日均饮水量2 000 mL·d-1，摄砷量的差异主要来自水砷含量的变化。性别也是影响饮水率的重要因素。男性基础代谢通常高于女性，能量消耗也多于女性，故体内需水量往往比女性多，而相同身体活动形式下体重大的个体消耗的能量高于体重轻的个体，因此男性的饮水率大于女性，摄砷量的差异可能是我国地方性砷中毒病区普遍存在的男性砷中毒病情比女性严重的原因之一。

本研究结果显示，内蒙古饮水型地方性砷中毒病区枯水期饮用水的总砷和iAs3+含量、居民日摄砷量、尿砷代谢物含量均显著高于丰水期，因此在饮水砷的健康风险评估中砷暴露的季节性不容忽视。

致谢：感谢地方疾控部门和内蒙古自治区地方病防治研究中心工作人员在现场采样及流行病学调查中的大力支持和帮助。

[1] Farid A T M, Sen R, Haque M A, et al. Arsenic status of water, soil, rice grain and straw of individual shallow tube well command area of Brahmanbaria [C]// Arsenic in Aquifers, Soils and Plants. Conference Proceedings. Internal Symposium, Dhaka, 2005. http://arsenic.tamu.edu/pub/pubpres/DHAKA/dhaka4.pdf

[2] Bhattacharya P, Hossain M, Rahman S N, et al. Temporal and seasonal variability of arsenic in drinking water wells in Matlab, southeastern Bangladesh: A Preliminary evaluation on the basis of a 4 year study [J]. Journal of Environmental Science and Health Part A-Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 2011, 46(11): 1177-1184

[3] Thundiyil J G, Yuan Y, Smith A H, et al. Seasonal variation of arsenic concentration in wells in Nevada [J]. Environmental Research, 2007, 104(3): 367-373

[4] Anirban B, Debasree D, Aloke G, et al. Seasonal perspective of dietary arsenic consumption and urine arsenic in an endemic population [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(7): 4543-4551

[5] Savarimuthu X, Hira-Smith M M, Yuan Y. Seasonal variation of arsenic concentrations in tube wells in West Bengal, India [J]. Journal of Health Population and Nutrition, 2006, 24(3): 277-281

[6] Cornelis R, Heinzow B, Herber R F M, et al. Sample collection guidelines for trace-elements in blood and urine [J]. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 1996, 10(2): 103-127

[7] 中华人民共和国卫生部. GB 5749-2006 生活饮用水卫生标准[S]. 北京: 中华人民共和国卫生部, 2006.

Ministry of Health of the People's Republic of China. GB 5749-2006 Standards for drinking water quality [S]. Beijing: Ministry of Health of the People's Republic of China, 2006 (in Chinese)

[8] 环境保护部. 中国人群暴露参数手册(成人卷)[S]. 北京: 中国环境出版社, 2013

Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China. Exposure Factors Handbook of Chinese Population (Adults) [S]. Beijing: China Environmental Science Press, 2013 (in Chinese)

[9] FAO (Food and Agriculture Organization) and WHO (World Health Organization). Evaluation of certain contaminants in food: Seventy second report of the joint FAO/WHO expert committee on food additives [R]. Geneva: World Health Organization, 2011

[10] National Research Council. Arsenic in drinking water [R]. Washington DC: National Academic Press, 1999: 83-149. http://www.nap.edu/read/6444/chapter/6

[11] WHO (World Health Organization). WHO Technical Publication No. 30 Clinical Aspects of Arsenicosis [M]// Caussy D. Ed. A Field Guide for Detection, Management and Surveillance of Arsenicosis Cases. New Delhi: WHO Regional Office for South East Asia, 2005: 5-9

[12] Guo H M, Zhang Y M, Jia Y F, et al. Dynamic behaviors of water levels and arsenic concentration in shallow groundwater from the Hetao Basin, Inner Mongolia [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2013, 135: 130-140

[13] Yang L S, Peterson P J, Williams W P, et al. The relationship between exposure to arsenic concentrations in drinking water and the development of skin lesions in farmers from Inner Mongolia, China [J]. Environmental Geochemistry and Health, 2002, 24(4): 293-303

[14] 汤洁, 卞建民, 李昭阳, 等. 中国饮水型砷中毒区的水化学环境与砷中毒关系[J]. 生态毒理学报, 2013, 8(2): 222-229

Tang J, Bian J M, Li Z Y, et al. Relationship between hydrochemical environment and arsenism in areas with arsenic poisoning drinking water in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2013, 8(2): 222-229 (in Chinese)

[15] 林年丰, 汤洁. 我国砷中毒病区的环境特征研究[J]. 地理科学, 1999, 19(2): 135-139

Lin N F, Tang J. The study on environmental characteristics in arseniasis areas in China [J]. Scientia Geographica Sinica, 1999, 19(2): 135-139 (in Chinese)

Seasonal Variations of Arsenic in Drinking Water and Urine for Exposed Population from an Endemic Arsenism Region

Wei Binggan1, Gao Jianwei4, Chai Yuanqing1,2, Yu Jiangping1, Yang Linsheng1,*, Xia Yajuan3, Wu Kegong3, Guo Zhiwei3

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 3. Inner Mongolia Center for Endemic Disease Control and Research, Hohhot 010031, China 4. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China

Human health effects caused by arsenic exposure in drinking water is a remarkable challenge in the field of environmental health. The seasonal variation of arsenic content in drinking water and water intake parameter of exposed population may significantly influence the accuracy of arsenic exposure assessment. In order to investigate the seasonal variations of arsenic concentration in drinking water and the contents of arsenic metabolites in urine, an endemic arsenism region in Inner Mongolia was selected for study area. Arsenic concentrations in drinking water and arsenic metabolites concentrations in urine of the study subjects are determined in wet season (May, 2013) and dry season (Dec., 2013). The results indicate that the mean arsenic concentration in drinking water is significantly lower in wet season (134.4 μg·L-1±25.8 μg·L-1) than in dry season (163.2 μg·L-1±38.1 μg·L-1). The contents of iAs3+(trivalent arsenic)in water in wet season and dry season are (58.9±51.2) and (100.1±49.0) μg·L-1, respectively. The intake of arsenic via drinking water for the study subjects is 313.1 μg·d-1in wet season, while the value in dry season is 378.6 μg·d-1. In addition, total arsenic contents in urine of the study subjects in wet season and dry season are 218.6 and 283.1 μg·L-1, respectively. The concentrations of iAs (inorganic arsenic) and MMA5+(monomethylated arsenic) in urine of female are usually elevated with the increasing of iAs5+in drinking water in wet season. In dry season, the concentration of MMA5+in urine of female is positively associated with iAs3+and iAs in drinking water. It can be concluded that arsenic concentrations in drinking water and arsenic metabolites contents in urine for the study subjects have obviously seasonal variation. The relationships between arsenic in drinking water and arsenic in urine may be influenced by arsenic species, season and gender.

arsenic; exposure dose; drinking water; season; urine

国家自然科学基金重点项目(41230749)“饮水和燃煤砷污染生态系统中砷从环境到人体转化的比较研究”

韦炳干(1982-)，男，博士，研究方向为地理环境与人类健康，E-mail: weibg@igsnrr.ac.cn；

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: yangls@igsnrr.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20160613001

2016-06-13 录用日期：2016-07-01

1673-5897(2016)4-204-07

X171.5

A

简介：杨林生(1966—)，男，博士，研究员，主要研究方向为地理环境与人类健康，尤其关注环境生命元素与健康的研究，发表相关研究论文150余篇。

韦炳干, 高健伟, 柴园庆, 等. 饮水型砷中毒病区人群砷暴露量及尿砷的季节变化[J]. 生态毒理学报，2016, 11(4): 204-210

Wei B G, Gao J W, Chai Y Q, et al. Seasonal variations of arsenic in drinking water and urine for exposed population from an endemic arsenism region [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 204-210 (in Chinese)