抚河南昌段地表水中重金属污染及健康风险评价

章艳红， 陈俊华， 张卫民， 时 红， 唐玉红， 卓 振

(1.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013；3.江西省灌溉试验中心站,江西 南昌 330201)

重金属是环境中常见的污染物，具有高稳定性、不可降解性、可积累性等特征(Kavcar et al., 2009；Muhammad et al., 2011；Chu et al., 2021)，河流水体重金属污染对人体健康的影响受到全球关注。水环境中的重金属富集到一定程度会对水生生物产生严重的危害，并能通过皮肤接触、饮水和食物链等途径直接或者间接地威胁人体健康(孙超等, 2009；孙莉娜等，2018；Eleonora et al., 2002; Li et al., 2008;朱鹏等，2022)。因此研究河流水体中重金属的污染程度及健康风险评价对科学防控河流水体重金属污染有着重要的意义(刘亚宾等, 2018)。

国内外学者针对不同水体中的重金属健康风险评价进行了研究(蔡永兵等,2021; Safiur et al., 2021; 章艳红等,2021)。Achary等(2016)、程鹏等(2017)、秦普丰等(2008)、余葱葱等(2017)采用健康风险评价模型分别对孟加拉湾西南海岸、洋河流域、湘江湘潭段、电镀厂周边等地表水体中重金属污染进行了初步健康风险评价。段小丽等(2011)在健康风险评价模型的基础上，基于模型中部分参数的实测研究，对河南泌阳县城镇和居民的饮用水进行了健康风险评价。抚河南昌段作为昌南应急水源地，前人研究大多集中在对浮游动植物多样性及藻类群落的调查研究(计勇等, 2013; 张洁等, 2013)，以及对抚河南昌段底泥中有机污染及重金属污染特征研究(刘小真等,2008,2009)，但鲜见抚河南昌段重金属的健康风险研究。选择抚河南昌段为研究区域，对该流域地表水中重金属进行采样调查，采用重金属污染指数法评价重金属污染程度，综合考虑饮水和皮肤接触两个暴露途径评价地表水中重金属潜在的健康风险，以期为该流域用水安全和人类健康保障提供科学依据，同时为抚河南昌段水资源的开发利用和保护提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

抚河属长江流域鄱阳湖水系，位于江西省东部辖区，发源于广昌，河流全长429 km，流域面积达17 185.7 km2，总体流向从南向北，水系中长度达10 km以上的支流共有52条，其中上游的盱河与黎滩河为最大的两条支流，盱河与黎滩河汇集后始称抚河(高柏等, 2005；翟宏宇等，2020)。抚河流域属亚热带湿润季节性气候，地势南高北低，地貌以丘陵为主，年平均气温为17.2～18.9 ℃，年平均降雨量为1 722 mm，降雨量时空分布不均，雨季主要为5～7月，降雨量约占全年的51%，冬、春两季降雨量相对较少(姜淞川等, 2020)。

1.2 样品采集与分析

2019年8月，综合考虑抚河沿岸乡镇、村庄、养殖场、污水排污口、工矿企业等分布特征的基础上，自李渡镇向北共采集23个河流地表水水样(编号D1～D23)，采样布点见图1。使用聚氯乙烯采样器采集距河岸1～2 m处，深度约0.5 m处的地表水，放置于干净的500 mL聚乙烯塑料取样瓶中，加入3 mL左右的硝酸调节水样pH至2以下，密封后放入低温箱中保存，运输至实验室后立即4 ℃低温保存。

图1 采样布点图

待测水样过膜(0.45 μm)处理后采用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 5100 ICP-OES)分析测定水样中重金属含量，实验过程中所需玻璃器皿均使用硝酸浸泡后采用超纯水洗涤、晾干。采用空白样和标样进行质量控制，标准物质由国家标准中心提供，所有待测元素的相对标准偏差均小于15%，加标回收率为 97%～103%，相对误差均小于±20%，标准曲线的R2高于0.999 9，测试分析的精度及准确度均符合要求。

1.3 研究方法

1.3.1 重金属污染指数法

重金属污染指数法(IHP)是一种计算重金属在水体中潜在环境危险指数的评价方法(Mohan et al., 2008)，常被用于综合评价重金属对整体水环境质量的影响(Qu et al., 2018; USEPA, 1987)。计算表达式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，Ni为第i个重金属分项指标，Wi为第i个重金属的单位重量，反映重金属的权重，n为参与评价的重金属总数，Ci为第i个重金属的实测浓度，Cs为第i个重金属的标准浓度，具体参考地表水Ⅲ类水质标准限值，k为比例常数，为便于计算，k取值为1。重金属污染评价等级及标准为：IHP<15，水体低污染；15≤IHP≤30，水体中等污染；IHP>30，水体高污染。

1.3.2 健康风险评价

根据现场调查结果，确定考虑饮水和皮肤接触两个暴露途径的健康风险，分析可能的敏感受体为儿童和成人。根据污染物对人体健康的危害效应，包括致癌效应和非致癌效应，选取了饮水途径、皮肤接触和总健康风险的具体评价模型和参数。

(1)饮水途径健康风险。致癌性化学物质经饮水途径健康风险评价模型为：

Ric=(DADi×FSi)/L

(4)

若Ric>0.01，按高剂量暴露计算：

Ric=(1-exp(-DADi×FSi))/L

(5)

式中，Ric表示致癌化学物质i通过饮水途径暴露产生的平均个人年健康风险(a-1)，FSi为致癌化学物质i在饮水途径暴露下的致癌强度系数(kg·d·mg-1)，L为人类平均寿命，按70 a算，DADi为致癌化学物质i经饮水途径暴露的单位体重日均暴露剂量(mg·kg-1·d-1)。

非致癌性化学物质经饮水途径健康风险评价模型为：

Rin=(DADi×10-6)/(DRfi×L)

(6)

式中，Rin表示非致癌化学物质i通过饮水途径暴露产生的平均个人年健康风险(a-1)，DRfi为非致癌化学物质i在饮水途径暴露下的日均摄入参考剂量(mg·kg-1·d-1)。

DADi=(Cw×IR×FE×TED)/(WB×TA)

(7)

式中，Cw为水中重金属i的实际浓度(mg·L-1)，IR为日均饮水量(L·d-1)，FE为暴露频率(d·a-1)，TED为暴露持续时间(a)，WB为人均体重(kg)，TA为平均暴露时间(d)。

(2)皮肤接触途径健康风险。致癌化学物质经皮肤接触途径健康风险评价模型：

Rdc=(DADd×FSd)/L

(8)

若Rdc>0.01，则按高剂量暴露计算：

Rdc=(1-exp(-DADd×FSd))/L

(9)

式中，Rdc表示致癌化学物质通过皮肤接触途径暴露产生的平均个人年健康风险(a-1)，FSd为致癌化学物质在皮肤接触途径下的致癌强度系数(kg·d·mg-1)，DADd为通过皮肤接触途径的单位体重日均暴露剂量(mg·kg-1·d-1)。

非致癌化学物质经皮肤接触途径健康风险评价模型：

Rdn=(DADd×10-6)/(DRfd×L)

(10)

式中，Rdn表示非致癌化学物质d通过皮肤接触途径产生的平均个人年健康风险(a-1)，DRfd为非致癌化学物质d经皮肤接触途径的日均摄入参考剂量(mg·kg-1·d-1)。

DADd=(Cw×AS×PC×TE×TED×FC)/(WB×TA)

(11)

式中，AS为皮肤接触表面积(cm2)，PC为金属元素在皮肤上的渗透常数(cm·h-1)，TE为暴露时间(h·d-1)，FC为体积转换因子(L·cm-3)。

(3)总健康风险。假设重金属对人体健康的毒性作用呈相加关系，而不是协同或者拮抗关系，则经饮水暴露途径对人体产生的总健康风险危害为：

(12)

经皮肤接触暴露水途径对人体产生的总健康风险危害为：

(13)

(4)模型参数选取。上文涉及的模型参数选取参考资料(USEPA,1987)及相关研究文献(周巾枚等, 2019；段小丽等，2011)，具体取值详见表1和表2。

表1 重金属暴露参数取值

表2 重金属毒理学参数取值

2 结果与讨论

2.1 水质分析及污染评价

抚河南昌段地表水中重金属含量分析统计结果见表3。本研究区重金属As、Zn的平均含量分别为21.9 μg·L-1和29.1 μg·L-1，与鄱阳湖地表水中As、Zn平均含量(16.233 μg·L-1和33.496 μg·L-1)大小相近(何亚卓等，2021)。对比萍水河中的重金属As、V、Mn、Fe和Zn平均含量(15.3、52.3、58.3、128.2和16.3 μg·L-1，章艳红等，2021)，重金属含量大小相近，属同一数量级。以《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水质标准限值为评价标准(国家环境保护总局科技标准司，2002)，重金属V、Mn和Fe的超标率分别为61.87%、39.13%和47.83%，As、Ba、Zn未出现超标现象，重金属Sr未找到相关标准限值。但是重金属As在本研究区检出率为78.26%(18/23)，检出率偏高，而且As是一种致癌类金属，对人体和生态影响显著。综合考虑重金属含量、性质和超标率，确定重金属V、Mn、Fe和As为本研究区的关注污染物。

表3 抚河南昌段水体中重金属含量分析统计

重金属污染指数IHP的计算结果具体见图2，数值范围为40.60～139.93，根据重金属污染评价等级及标准，23个采样点处的IHP都大于30，研究区水质污染程度均属于水体高污染。IHP算术平均值为79.70，最大值为139.93，最小值为40.60；IHP数值变化区间大小为99.33，不同位置的IHP数值变化明显(图2)，说明研究区水质污染程度整体呈现出明显的空间差异性。其中采样点D3的污染程度最高(IHP=139.93)，该点位于干流农田水渠入河口处，表明农业活动产生的重金属污染物对水环境具有显著的影响。抚河南昌段自李渡镇开始，整体流向由南向北，在袁渡镇附近分流，总体分为3条主要支流：

图2 所有采样点重金属污染指数

(1)抚河西支(中支)由袁渡镇经三江镇、黄马乡、向塘镇等最终汇入鄱阳湖(D5—D11)，该支流表现出水质污染程度随流向整体上升的趋势，最高点位于D10，该点位于向塘镇附近，可能与附近的人类活动和工业活动有关。

(2)抚河东支(右支)由文港流经温圳镇、架桥镇、塔城乡等地最终汇入青岚湖(D17—D12)，该支流表现出水质污染程度除点D16外整体数值变化不大，D16位于温圳镇某高速公路旁，可能与该处的交通污染有关。该支流沿途均处于农业灌溉区，表现出一定的面源污染特征，同时该支流IHP偏高可能与农业活动有关。

(3)抚河故道(左支)由广福镇流经冈上镇、富山乡、东新乡等地，最后经象湖汇入赣江(D18—D23)，该支流也表现出水质污染程度随流向整体上升的趋势，最高点位于D22，该点位于富山大道旁，为人工鱼塘养殖河段，该处水质污染可能与人工养殖活动有关。因此，污染评价结果表明抚河南昌段由重金属引起的水质污染程度较高且空间差异性较大。

2.2 抚河南昌段重金属污染健康风险评价

2.2.1 饮水途径健康风险评价

地表水中重金属的含量对流域内的工农业活动及人体健康具有重要的影响，通过健康风险评价模型计算抚河南昌段地表水中金属元素经饮水途径暴露所引起的个人平均年健康风险结果见表4，总健康风险如图3所示。对比不同人群(成人和儿童)的健康风险水平，经饮水途径由重金属所产生的健康危害对儿童更大，在此途径下儿童相对成人更加敏感，为该暴露途径的优先保护人群。此结果与周巾枚等(2019)的研究结果相似。不同重金属的致癌风险不同，由致癌性元素As产生的健康风险值最大，非致癌重金属V产生的健康风险值次之，重金属V经饮水途径产生的最大风险值为6.64×10-9a-1，低于各健康组织推荐的最大可接受风险水平(1.0×10-6a-1)。非致癌性重金属经饮水途径引起的平均个人年健康风险大小顺序为V>Mn>Fe>Sr>Ba>Zn，6种非致癌重金属元素通过饮水途径对人体产生的个人平均年健康风险水平均低于国际推荐的可忽略风险水平(1.0×10-8a-1；张瑶佳，2022)。其中致癌金属As的健康风险数量级为10-5，而其他重金属的数量级则为10-9～10-12，致癌性重金属对人体的健康风险远远大于其他非致癌性重金属，数值上相差约4～7个数量级。

表4 重金属经饮水途径产生的个人平均年健康风险

抚河南昌段地表水中重金属经饮水途径对成人和儿童所产生的健康风险总健康风险范围分别为4.94×10-9～2.77×10-5和5.39×10-9～3.03×10-5a-1(图3)。采样点D6、D9、D12、D14、D20总健康风险相对较低，这是由于这些采样点处未检出As，As是总健康风险的主要贡献元素，应作为重点关注重金属。研究区地表水中重金属元素经饮水途径产生的成人、儿童的总健康风险值大多高于国际推荐的最大可接受风险水平1.0×10-6a-1。

图3 重金属经饮水途径暴露引起的总健康风险

2.2.2 皮肤接触途径健康风险评价

抚河南昌段地表水中金属元素经皮肤接触途径暴露所引起的个人平均年健康风险结果见表5，总健康风险如图4所示。对比不同人群(成人和儿童)的健康风险水平，地表水中重金属元素经皮肤接触对儿童产生的健康危害均低于成人，这与经饮水途径的结论相反。这是因为皮肤接触途径的健康风险与模型参数皮肤接触面积(As)暴露时间(TE)成正比，与人均体重(WB)成反比，成人的参数(As×TE)是儿童的3.42倍，成人的体重(WB)是儿童的2.40倍，参数(As×TE)占优，所以最终表现为该途径下成人的健康风险高于儿童。不同重金属的致癌风险不同，致癌元素As经皮肤接触途径产生的个人平均年健康风险最高，最大值为6.31×10-7a-1，非致癌金属V产生的健康风险值次之，最大值为6.30×10-9a-1，各非致癌金属产生的个人平均年健康风险(最大值)大小顺序为V>Fe>Mn>Zn>Sr>Ba。地表水中七种金属元素通过皮肤接触途径对人体健康产生的风险值，均低于各国际健康组织推荐的最大可接受水平(1×10-6)，但部分高于国际推荐的可忽略风险水平(1.0×10-8a-1)。致癌类金属As经皮肤接触途径产生的个人平均年健康风险比非致癌金属高2～7个数量级。

表5 重金属经皮肤接触途径产生的个人平均年健康风险

地表水中重金属经皮肤接触途径导致的成人和儿童总健康风险范围分别为3.66×10-9～6.34×10-7和2.57×10-9～4.45×10-7a-1(图4)，均低于各国际健康组织推荐的最大可接受水平(1.0×10-6)，但是部分风险高于国际推荐的可忽略风险水平(1.0×10-8a-1)。对比不同暴露途径的计算结果(表4，表5)，抚河南昌段地表水中重金属经皮肤接触途径所产生的健康风险水平明显低于经饮水途径，数值上相差约两个数量级，说明饮水暴露途径为重金属元素对人体健康产生危害的主要暴露途径，此结果与杜维等(2014)对长江武汉段水体经饮水、皮肤接触途径造成的健康风险研究结论一致。

图4 重金属经皮肤接触途径暴露引起的总健康风险值

3 结论

(1)以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水质标准限值为评价标准，重金属V、Mn和Fe的超标率分别为61.87%、39.13%和47.83%，As、Ba、Zn未出现超标现象，确定重金属V、Mn、Fe和As为本研究区的关注污染物。

(2)重金属污染指数的计算结果表明研究区水质污染程度均属于水体高污染且具有明显的空间差异性。

(3)重金属经饮水途径所产生的健康风险水平较高，个人年平均总健康风险基本大于最大可接受风险水平(1.0×10-6a-1，除采样点D6、D9、D12、D14、D20外)；重金属经皮肤接触途径导致的个人年平均总健康风险均低于最大可接受风险水平。

(4)同一暴露途径致癌性金属元素对人体健康产生的风险高于非致癌性金属元素；在饮水途径下重金属对儿童产生的健康风险大于成人，而在经皮肤接触途径下则表现为儿童低于成人。对比两种不同暴露途径，饮水途径对人体健康产生的风险比经皮肤接触途径大，数值上相差约两个数量级。