孝昌县地表水重金属健康风险评价

万 婷， 黄瑞成， 柯坤家， 李剑超， 魏灵巧，宋红元， 李灵凤， 赵 海， 赵明哲

(1.湖北省地质局 第六地质大队,湖北 孝感 432000; 2.湖北楚鹏检测科技有限责任公司,湖北 孝感 432000)

随着城市不断发展扩张,生活污水与垃圾的产生、农业生产中农药与化肥的使用、工矿企业未经处理污水的排放等[1]导致水环境污染问题日益严重。松花江污染、湖南岳阳饮用水源砷化物污染、广西龙江镉污染、浙江台州蓄电池厂导致的村民血铅超标等水质重金属污染事故屡见不鲜,引起了国家相关部门的高度重视。

水体重金属具有长期性、隐蔽性、不易降解性及易在生物体富集等特点[2],即使浓度很低,也能通过饮水和皮肤接触对人类健康产生严重的危害[3]。长期砷暴露会对神经系统、皮肤、动脉血管等产生不良影响,同时存在致癌性[4-5]。镉能在人体组织内积累,损伤肾脏和骨骼为主的特异性靶器官,对人群慢性疾病和死亡存在潜在的非特异性影响[6]。铅会危害造血功能,影响免疫功能、内分泌系统和消化系统[7]。汞中毒会引起视力模糊、肌肉神经功能变化、头痛以及综合性神经异常,还会引发致癌性、呼吸系统毒性等不良后果[8]。急性铜中毒会出现恶心、呕吐、上腹痛、腹泻等症状,病情严重者可因肾衰竭而死亡[9]。急性硒中毒时会出现特征为失明、腹痛、流涎的“蹒跚盲”综合征(瞎撞病),最后因肌肉麻痹而死于呼吸困难；慢性硒中毒会出现眉毛、胡须等脱落、四肢僵硬、跛行、心脏萎缩、肝硬化和贫血等症状[10]。锌过量会引起动物的毒性反应,出现临床症状和病理损害,甚至引起发病动物死亡[11]。铬(六价)可以使蛋白质变性、核酸和核蛋白沉淀、酶系统受干扰,并具有致突变性和致癌性[12]。

健康风险评价是把水环境污染与人体健康联系起来的一种新的评价方法,能够为风险管理提供科学依据。水环境健康风险评价模型能通过引入有毒物质的致癌系数和参考计量等毒理学参数,将污染物浓度值与人体健康定量联系起来,从而对污染物给人体造成危害的可能性及其程度做出科学估算[13]。

以孝昌县境内澴河流域地表水为研究对象,通过测定铜、锌、硒、砷、汞、镉、铅和铬(六价)的含量,综合考虑其通过饮水和皮肤接触对人体健康造成的危害,利用水环境健康风险评价模型对重金属污染物健康风险进行评价,以期为孝昌县地表水环境风险管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据地表水监测断面的布设原则,于2020年1—12月在孝昌县境内澴河流域选取了6个断面进行连续监测。采用洁净的500 mL棕色玻璃瓶作为采样容器,水样采集后现场加入数滴浓硝酸将水样pH值调至2以下,密封后带回实验室放冰箱冷藏保存、待测。

1.2 样品测定

监测项目包括铜、锌、硒、砷、汞、镉、铅和铬(六价),检测依据、仪器及检出限详见表1。检测过程中采取全程序空白、平行双样、有证标准样品等措施进行质量控制,当空白值、平行双样的相对偏差及有证标准样品测定值都达到方法允许范围时,数据方能被认可。

表1 8种重金属指标的检测依据、仪器及检出限Table 1 The detection basis,instrument and detection limit of eight kinds of heavy metals

2 环境健康风险评价模型

饮水途径健康风险评价采用美国环保局推荐的健康风险评价模型[17-18],皮肤接触途径健康风险评价采用Strenge等[19]提出的计算模型。水环境中对人体有害的物质主要包括致癌污染物和非致癌污染物。根据国际癌症研究机构的致癌性分类标准,对监测项目进行分类：砷、镉和铬(六价)属于化学致癌物,其他5种元素属于非致癌物。

2.1 饮水途径健康风险评价模型

(1) 化学致癌物质经饮水途径所致健康风险Rc为：

(1)

(2)

饮水途径的单位体重日均暴露剂量Di为：

Di=θCi/W

(3)

式中：θ为成人每日平均饮水量,L；Ci为化学致癌物质或非致癌物质的质量浓度,mg/L；W为人均体重,kg。

(2) 非致癌物质经饮水途径所致健康风险Rn为：

(4)

(5)

2.2 皮肤接触途径健康风险评价模型

(1)化学致癌物质经皮肤接触途径所致健康风险Rp为：

(6)

(7)

(2) 非致癌物质经皮肤接触途径所致健康风险Rf为：

(8)

(9)

CDIi=Ii×Asd×FE×EF×ED/(W×AT×f)

(10)

(11)

2.3 水环境健康风险评价总体模型

假定每种化学物质的作用是独立的,即各有毒物质危害人体健康的累积效应呈相加关系,而不是协同或拮抗关系,则水环境总体健康危害风险R总[20]可表示为：

R总=Rc+Rn+Rp+Rf

(12)

2.4 参数选择

污染物系数采用US EPA[21]的非致癌参考剂量和致癌强度系数,砷、镉和铬(六价)属于致癌物,致癌强度系数分别为15 [Mg/(kg·d)]-1、6.1 [Mg/(kg·d)]-1和41 [Mg/(kg·d)]-1；铜、锌、硒、汞和铅属于非致癌物,非致癌参考剂量分别为0.04 Mg/(kg·d)、0.3 Mg/(kg·d)、0.005 Mg/(kg·d)、0.000 3 Mg/(kg·d)、0.001 4 Mg/(kg·d)。人均寿命L取70 a,成人每日平均饮水量θ取2.2 L。对于评价模型中的其他参数,参考杨仝锁等[22-23]的相关研究成果。人体表面积Asd取16 600 cm2；洗澡频率FE取0.3次/d；暴露频率EF取365 d/a；暴露延时ED对非致癌物取35 a,致癌物取70 a；平均体重W取70 kg；平均暴露时间AT对非致癌物取35 a,即12 775 d,致癌物取70 a,即25 550 d；肠道吸附比率f取1；皮肤吸附参数k取0.001 cm/h；延滞时间τ取1 h；洗澡时间TE取0.4 h。

3 结果与讨论

3.1 水体重金属含量分析

选取孝昌县境内澴河流域的6个断面进行重金属监测,以各指标的全年平均值作为该断面的浓度值进行评价。不同采样点的重金属浓度平均值情况如表2所示,参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[24],各断面水质均满足Ⅰ类水质要求。

表2 孝昌县地表水水体中重金属含量(mg/L)Table 2 Heavy metal contents in surface water of Xiaochang County

3.2 风险评价

根据健康风险评价模型及相关模型参数,可计算出各断面水体中重金属通过饮水途径及皮肤接触途径所引起的平均个人年风险,计算结果见表3-表7。

表3 非致癌物经饮水途径所致的个人年风险(a-1)Table 3 Individual annual risk of non-carcinogenicsubstances through drinking water

从表3和表5结果可以看出,各断面5种非致癌物经饮水途径所致个人风险高于经皮肤接触途径所致个人风险,个人年风险分别为6.04×10-11～1.74×10-10a-1、2.39×10-13～6.88×10-13a-1之间；非致癌物对人体健康危害的个人年风险为6.06×10-11～1.74×10-10a-1,风险水平<1.0×10-8a-1,即每年每千万人口中因水中非致癌污染物而受到健康危害(或死亡)的不到1人[23],因此可忽略非致癌物所致的个人年风险。

表4 致癌物经饮水途径所致的个人年风险(a-1)Table 4 Individual annual risk of carcinogens through drinking water

表5 非致癌物经皮肤接触(洗浴)途径所致的个人年风险(a-1)Table 5 Personal annual risk caused by non-carcinogenic substancesthrough skin contact (bath) pathway

从表4和表6结果可以看出,化学致癌物风险等级由高到低依次是砷、镉、铬(六价)；化学致癌物经饮水途径所致的风险远高于经皮肤接触途径所致的风险,年风险分别为8.48×10-6～1.44×10-5a-1、

表6 致癌物经皮肤接触(洗浴)途径所致的个人年风险(a-1)Table 6 Personal annual risk caused by carcinogens through skin contact (bath)

表7 有毒污染物所致健康危害个人年风险(a-1)Table 7 Individual annual risk of health hazards caused by toxic pollutants

3.36×10-8～5.70×10-8a-1；致癌物对人体健康危害的个人年风险在8.52×10-6～1.45×10-5a-1,低于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险水平5.0×10-5a-1[25]。

从表7结果可以看出,6个断面由8种重金属经饮水途径所致健康危害要大于经皮肤接触途径所致健康危害；8种重金属所致的个人健康危害的总风险主要源于致癌物所致风险,整体水平在8.52×10-6～1.45×10-5a-1之间,低于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险水平5.0×10-5a-1。因此,孝昌县地表水环境总体健康风险水平较低。

4 结论

(1) 在孝昌县6处地表水中,8种重金属所致的个人危害的总风险主要源于致癌物砷,总风险水平在8.52×10-6～1.45×10-5a-1之间,低于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险水平5.0×10-5a-1。

(2) 5种非致癌物对人体健康危害的个人年风险水平在6.06×10-11～1.74×10-10a-1之间,低于1.0×10-8a-1,因此可以忽略由非致癌物所致的个人年风险。

(3) 化学致癌物风险：砷>镉>铬(六价),非化学致癌物风险：铅>铜>硒>锌>汞,8种重金属经饮水途径所致的风险远高于经皮肤接触途经所致的风险。