内蒙古某地区饮用水砷含量与人体暴露及致癌风险分析

孔 畅, 杨林生, 虞江萍, 韦炳干①, 李海蓉, 崔 娜, 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.中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100190; 3.内蒙古综合疾病控制中心, 内蒙古 呼和浩特 010031)

砷在环境化学中是有毒的类金属元素,是国际癌症研究机构最早确认的一类致癌物质[1]。砷暴露途径包括空气、食物、水和土壤[2-3],其中饮水型砷中毒是环境砷中毒的主要类型。研究显示,砷暴露可引起皮肤病变,包括皮肤角化、皮肤脱色和皮肤沉色,长期砷暴露会使人患肺癌、皮肤癌和膀胱癌等癌症的几率明显增加[4-5],此外,砷暴露还与高血压、糖尿病、心血管疾病等有关[6-8]。于1991年被发现和被确认的内蒙古地方性砷中毒病区是中国第4个大的砷中毒病区[9]。内蒙古砷中毒病区饮用水砷含量和人体血砷以及尿砷含量均明显高于对照地区[10-11],但目前关于内蒙古地区人群砷暴露量的评估和健康风险评价研究较少。内蒙古某饮水型地方性砷中毒村尚未进行改水工程,区域内居民的健康状况可能受到一直饮用的高砷水影响。由于长时间砷暴露的累积效应,未来改水工程实施后,居民健康状况的恢复仍需要很长一段时间。因此笔者选择该村为研究区,应用美国环境保护局(EPA)推荐模型,调查不同季节人群对水砷暴露的直接摄入量、间接摄入量和皮肤接触吸收量,并评估砷的致癌健康风险。研究结果可为进一步开展砷健康效应的剂量-反应关系研究,以及内蒙古地区地方性砷中毒防治工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与对象

研究区位于内蒙古托克托县某饮水型地方性砷中毒村,当地居民一直以来以高砷地下水井(井深50～60 m)井水作日常饮水和生活用水,截至调研时未曾改水;对照区为和林格尔县某村,位于病村东南方位直线距离约35 km处,村民无饮水高砷暴露历史。

研究区共124名居民参与流行病学调查及环境样品采集,包括61名男性和63名女性,其中男性吸烟者47名，女性吸烟者14名。年龄范围为33～82岁,平均为54.8岁。砷致皮肤损伤患者有19名男性和15名女性。对照区共77名居民参与流行病学调查及环境样品采集,包括34名男性和43名女性,其中男性吸烟者27名，女性吸烟者6名,1名女性缺失是否吸烟信息。年龄范围为47～83岁,平均为61.7岁。对照区居民均未出现砷致皮肤损伤患者。

1.2 水样采集与水砷含量测定

分别于春季(2013年5月)、冬季(2013年12月)和夏季(2014年8月)采集研究区及对照区居民室内未经处理的饮用末梢水。采样前用水样反复冲洗聚四氟乙烯采样瓶及瓶盖3次,将末梢水空放5 min后,取水样100 mL。采集后立即放入冰盒中0 ℃条件下避光保存,并于当日运送到地方疾控中心-20 ℃条件下保存。5 d内运回北京中国科学院地理科学与资源研究所理化分析实验室,进行分析测定。

参照文献[12],利用高效液相色谱-电感耦合等离子体发射质谱仪分析(HPLC-ICP-MS)测定水样砷含量。在样品处理与分析过程中，通过同步处理平行样品和空白样品进行质量控制。采用去离子水为空白样品,随机抽取现场采样点取双份样品为平行样品,平行样品测定结果的偏差不超过5%。

1.3 砷暴露量评估

水中砷可通过直接饮水、对水的间接消费(如通过饮食间接摄入)以及皮肤接触吸收等途径进入人体,不同暴露途径下砷作用于人体的器官不同,砷的毒性也可能有所差异[13]。因此,该研究分别评估砷摄入量(包括直接摄入量和间接摄入量)和皮肤接触吸收量。砷的直接摄入量和间接摄入量计算公式相同，但参数不同,砷摄入量和皮肤接触吸收量计算公式[14-15]为

(1)

(2)

式(1)～(2)中各变量含义及参考值如表1～2所示。

1.4 砷致癌健康风险评价

按照毒理学性质将砷归为具有致癌风险的无阈化合物,砷经摄入和皮肤接触途径的致癌健康风险(R)计算公式[15]为

(3)

式(3)中,Ri为砷经i途径所致致癌健康风险,a-1;q为致癌强度系数,砷经口摄入及皮肤接触途径的致癌强度系数分别为1.50和3.66 kg·d·mg-1;DLAD，i为砷的日均暴露剂量,经口摄入和皮肤接触途径计算公式分别同DAD,oral和DAD，dermal,除DE为70 a外,其他参数不变,mg·kg-1·d-1。

2 结果与讨论

2.1 饮水砷含量

研究区居民饮水总无机砷含量为56.40～231.15 μg·L-1,平均值为129.92 μg·L-1(表3),显著高于对照区居民平均饮水总砷含量(4.92 μg·L-1)。GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》[19]中关于小型集中供水和分散供水中砷含量最大限值为10 μg·L-1,美国国家一级饮用水标准[20]限值也为10 μg·L-1,研究区饮水砷含量超标率为100%。对照区饮水砷含量最高值为11.99 μg·L-1,略高于我国生活饮用水卫生标准。

研究区居民饮水砷含量季节间变化顺序为冬季>春季>夏季,这是由于该地区饮用水为浅层地下水,受人为灌溉及降雨影响较大。夏季降雨量大且处于灌溉期,地下水水位上升,地下水中砷含量因稀释而降低;而在灌溉结束的冬季,地下水水位下降,地下水中砷含量升高[12,21]。

表1水砷暴露及有关参数参考值

Table1Referencevalueofdrinkingwaterarsenicexposureandrelatedparameters

暴露参数项目变量含义 参考值单位 DAD,oral经口摄入暴露量0.000 31)mg·kg-1·d-1DAD,dermal皮肤接触吸收量0.000 1231)mg·kg-1·d-1WC水中污染物浓度根据实测值mg·L-1RI饮水摄入率参考表22)中的饮水摄入量数据L·d-1FE暴露频率全年:365;春季:73;夏季:157;冬季:1353)d·a-1DE暴露持续时间总体:74.44;男性:72.04;女性:77.272)a WB体重总体:65.2;男性:68.6;女性:61.22)kg TA平均时间总体:27 170.6;男性:26 294.6;女性:28 203.55d AS皮肤暴露面积男性:17 000;女性:16 0002)cm2 CP化学物质皮肤渗透常数0.001 81)cm·h-1TE暴露时间参考表22)中的日均洗澡时间h·d-1FC体积转换因子0.0011)L·cm-3

1)数据来源于文献[16]; 2)数据来源于文献[17]; 3)数据来源于文献[18]。

表2内蒙古自治区农村成年居民日均饮水摄入量与洗澡时间参考值[16]

Table2Referencevalueofdailywaterintake,showerdurationofruraladultinInnerMongolia

暴露变量单位性别合计春季夏季冬季 总饮水摄入量mL·d-1男2 6722 4453 3982 400女2 4522 1933 1982 226 直接饮水摄入量mL·d-1男2 0031 8222 6111 759女1 8611 6592 4761 651 间接饮水摄入量mL·d-1男679633800650女613554749596 日均洗澡时间min·d-1男2251女3252

表3不同季节饮用水砷含量

Table3Contentofarsenicindrinkingwaterofdifferentseasons

μg·L-1

2.2 砷暴露量评估

2.2.1砷摄入量

通过饮水对砷的摄入可分为直接饮水摄入和作为饮食的间接饮水摄入。研究区男性和女性砷摄入量分别为1.80和1.89 μg·kg-1·d-1,其中直接摄入量分别为1.35和1.42 μg·kg-1·d-1,间接摄入量分别为0.45和0.47 μg·kg-1·d-1;而对照区男性和女性砷摄入量均为0.08 μg·kg-1·d-1,直接与间接摄入量均为0.06和0.02 μg·kg-1·d-1。可见,研究区男性和女性对砷的摄入量显著高于对照区,高砷水是居民砷暴露的一个重要来源。另外,因缺乏膳食结构的跟踪调查与采样,所以该研究未评估通过食物摄入的砷及其风险,这可能导致低估砷的摄入量。然而,目前的评估结果仍表明研究区男性和女性对水砷摄入量分别是美国EPA制定的无机砷经口暴露非致癌风险参考剂量(RfD=0.3 μg·kg-1·d-1)[15]的6和6.3倍,但低于WHO以皮肤损伤为健康效应终点推算的全膳食暴露(饮水和食物)无机砷基准剂量(DBML,0.5=5.4 μg·kg-1·d-1)[22]。

砷摄入量在季节间差异较大。研究区居民砷总摄入量及直接摄入量季节间变化顺序为夏季>冬季>春季,间接摄入量变化顺序为冬季>夏季>春季。对照区居民对砷的总摄入量、直接摄入量和间接摄入量排序为夏季>或≈冬季>春季(表4)。研究区饮用水砷含量季节差异较明显,是导致砷摄入量具有季节差异的重要原因。另外,居民在不同季节生活和饮食习惯等方面的差异也可能引起砷摄入量的季节差异。因此,评估地下水砷暴露量及其致癌健康风险时应分季节进行,以提高评估结果的可靠性。

表4男性和女性不同季节砷摄入量

Table4Arsenicingestiondoseofmaleandfemaleindifferentseasons

μg·kg-1·d-1

2.2.2砷皮肤接触吸收量

研究区居民通过洗澡时皮肤接触的砷吸收量比摄入量低2～4个数量级,男性和女性皮肤接触吸收量分别为8.89×10-4和1.10×10-3μg·kg-1·d-1,而对照区男性和女性的皮肤接触吸收量分别为4.18×10-5和4.93×10-5μg·kg-1·d-1(表5),均低于美国EPA制定的无机砷经皮肤暴露引起的非致癌风险参考剂量(RfD=0.123 μg·kg-1·d-1)[15]。研究区居民砷皮肤接触吸收量在季节间变化顺序为夏季>冬季>春季,与总摄入量的季节变化一致。

从性别上来看,男性砷皮肤接触吸收量低于女性。经调查,这是由于一方面女性卫生习惯较男性好;另一方面男性田间劳动时间及强度大于女性,高强度劳作结束后不经洗澡直接休息,男性暴露于高砷水的频率及时间小于女性。

2.2.3暴露途径和季节的贡献率

研究区男性和女性居民通过摄入及皮肤接触吸收砷的总暴露量分别为1.80和1.89 μg·kg-1·d-1,而对照区分别为7.60×10-2和7.98×10-2μg·kg-1·d-1。研究区和对照区居民通过摄入途径的砷暴露量约占总暴露量的99.93%,其中通过饮水对砷的直接摄入是主要摄入途径(表6)。此外,该研究未对食物摄入砷暴露量进行评估,因此这里的砷摄入量应低于真实的砷摄入量,其占总砷暴露量的比例应更高,说明摄入是饮水型中毒区砷暴露的主要途径。

从季节上来看,研究区和对照区居民夏季对砷的暴露量最高,冬季次之,且2季砷暴露量之和占全年砷暴露量的89.04%以上。饮水砷含量在夏季最低,然而砷的摄入量在夏季最高,这是由于摄入量不仅与饮水中砷含量水平有关,还与饮水摄入率和季节长短有关。饮水砷含量较低的夏季反而具有更高的砷摄入量是因为夏季人体新陈代谢较快,且居民普遍从事农耕活动,导致其在夏季对水的日摄入量较高;其次,研究区夏季持续时间较长,居民对水的摄入总量也相应增加。砷的皮肤接触吸收量也是夏季>冬季>春季,夏季皮肤接触吸收量最高是由于在夏季居民暴露于高砷水的频率和表面积更高。

表5男性和女性不同季节砷皮肤接触吸收量

Table5Arsenicdermalexposuredoseofmaleandfemaleindifferentseasons

10-3 μg·kg-1·d-1

表6不同暴露途径的贡献率

Table6Contributionrateofdifferentexposurepathways

%

2.3 砷致癌健康风险评价

研究区男性和女性居民摄入及皮肤接触吸收砷的致癌健康风险总和分别为3.75×10-5和3.67×10-5,对照区分别为1.58×10-6和1.55×10-6(表7)。可接受致癌健康风险水平一般为10-6～10-4a-1[23],综合考虑社会和科学等因素,该研究中致癌健康风险可接受水平选择为10-6a-1[24]。研究区和对照区2种途径总致癌健康风险均超过可接受风险水平,且研究区致癌健康风险高出1个数量级,表明研究区砷的暴露对人体造成了一定的致癌风险。

将研究区砷致癌健康风险评价结果与其他区域水砷致癌健康风险评价结果[23，25-27]进行比较(表8)。各地区水样类型、自然和人为污染程度等存在差异,使水砷含量不同;人群饮水摄入率和生活习惯等存在区域性差异,使不同地区暴露参数不同,因此砷的致癌健康风险有所差别。该研究区砷的饮水途径致癌健康风险低于新疆奎屯垦区、开封市、阿根廷圣地亚哥-德尔埃斯特罗省和查科省等地区,而高于武陵山区,与开封市水平接近。

为保障居民健康与安全,建议对水源排查,识别高砷水源,划定高砷区,将高砷区水源改为低砷水,降低居民的健康风险。居民自身可增设除砷净水设备,避免直接饮用和使用高砷水。

表7人群的砷致癌健康风险

Table7Arseniclifetimecarcinogenichealthriskofpopulation

10-8 a-1

表8国内外不同区域水砷致癌健康风险评估结果比较

Table8Comparisonofdifferentregionalwaterqualitycarcinogenichealthriskassessment

时间水样类型地点暴露途径致癌健康风险来源 2010—2014水库武陵山区饮水0.16×10-8～2.46×10-8[25] 2011地下水新疆奎屯饮水3.0×10-4～23.5×10-4[26] 2010—2011水源地阿根廷圣地亚哥-德尔埃斯特罗省和查科省饮水5×10-5～2×10-2[27] 2010水库水末梢水开封市饮水洗浴1.73×10-4～2.47×10-47.52×10-7～1.08×10-6[23]

3 结论

(1)研究区男性和女性居民对水砷的直接摄入量、间接摄入量和皮肤接触吸收量均明显高于对照区,而女性经摄入和皮肤接触吸收途径对砷的暴露量及其致癌健康风险均高于男性居民。

(2)研究区居民对饮水砷的摄入量约占饮水摄入量及皮肤接触吸收量总和的99.93%以上,摄入是饮水型砷暴露的主要途径。2种途径的砷暴露量及其致癌健康风险具有明显的季节差异,均呈现夏季>冬季>春季的规律。

(3)研究区饮水砷含量高于我国的生活饮用水卫生标准,饮水摄入及皮肤接触吸收途径砷的致癌健康风险均超过可接受风险水平(10-6a-1)。

致谢:感谢地方疾控部门和内蒙古综合疾病预防控制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。

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作者简介： 孔畅(1992—),女,山东枣庄人,博士生,研究方向为环境地理与健康。E-mail: kongc.15s@igsnrr.ac.cn