拉萨河水体砷和镉的分布特征与健康风险评价

秦欢欢，黄丽想，陈益平，高 柏，孙占学,

(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)

随着我国经济发展和人口增长，地表水污染已经成为全社会不可忽视的重要生态环境问题。受污染水体是许多疾病发生的重要诱发因素，饮水不良导致世界上约80%的疾病和约20%的癌症病例[1-2]，我国约90%的癌症病例是由于患者与致癌物质直接接触所致[3-4]。此外，全世界每年有超过80万人的死亡原因是饮用和接触受污染水所致，亚、非、拉3大洲每年有近350万人的死亡原因是患上与水相关的疾病[5]。因此，水环境质量与人体健康息息相关，对水环境的改善是人类社会的共同目标。然而，国内一般多关注水质超标情况，关于水质指标对人体健康的影响与评价则缺少关注[6-7]。与传统水质等级评价相比，水质健康风险评价能更直观地定量描述与评价水体各类污染物质对人体健康可能产生的潜在风险与危害[8-10]，因而越来越受到全世界环境健康研究人员的重视。

一般来说，水体中对人体健康有害的物质包括化学致癌物、放射性物质等基因毒物质和非致癌物等躯体毒物质[11-13]，人类通过直接摄入、口鼻吸入和皮肤接触3种方式接触这些有害物质，而饮水是人体暴露于水体污染物的重要途径之一[14]。相比于其他2种有毒物质，化学致癌物对人体产生的健康风险和危害最大。As和Cd广泛存在于水体、土壤和空气中，其作为重金属元素具有的致癌性、持久性、可富集和可放大等特性[15-17]使得它们可以通过许多不同途径进入人体，并对多个组织和器官产生不可逆的毒害作用[18-19]，容易引起多种心血管疾病和肺癌、肝癌等癌症[20-21]，故而受到研究人员广泛关注。目前，国内有许多针对河流水体中砷、镉和其他重金属健康风险评价案例和研究成果[1,11-13,16-17,22]，这些研究采用美国环境保护署(US EPA)水环境健康风险评价模型，取得了较好的评价效果，展现了该方法的科学性和有效性。

拉萨河地处青藏高原，是西藏经济发展的“大动脉”，其生态环境具有多变性和脆弱性。近年来受到沿线地热与矿产开发、城镇化发展、人口急剧增长等因素的剧烈影响，拉萨河遭受不可忽视的污染，水体中As和Cd等化学致癌物对流域居民健康造成潜在风险和危害[23-25]。然而，针对拉萨河水体中As和Cd健康风险的评价较少[26]。通过对拉萨河中下游和堆龙曲支流16个采样点水样进行分析，查明拉萨河流域水体As和Cd浓度与空间分布特征，采用健康风险评价模型估算由饮水途径所致的As和Cd健康风险，定量阐述As和Cd与人体健康之间关系，为拉萨河流域水质安全保障、沿线居民健康风险防控和流域可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

拉萨河全长为551 km，流域面积为32 588 km2，处于冈底斯-念青唐古拉地质构造带中，呈现南北高中间低的地势特点[27]。拉萨河谷基岩以中生代石灰岩和喜玛拉雅期花岗岩为主，以燕山期花岗岩和第三纪、第四纪火山喷出岩、碎屑岩为辅。拉萨河流域平均海拔为5 400 m，由高山和中高山河谷2种地貌类型组成，日照充足，气温较低，年均降水量和蒸发量分别为460和1 217 mm[23]。拉萨河流域分为上、中和下游，其中，上游是人口较少的牧区，中游耕地面积较小，但人类活动相对较多，下游是农业发达且人口密度最大的地区。拉萨河流域拥有十分丰富的矿产资源，包括有色金属、地热和自然硫等各类矿产，大中型矿山有12个，其他矿山有57个。然而，研究区大部分选矿场建在拉萨河两岸，从这些选矿场排出的废水只经过简单处理即排入拉萨河，对拉萨河生态环境产生严重影响。

1.2 样品采集方法

于2017年7月23—29日沿着拉萨河流向选择16个采样点，其中，中游有6个(SP1～SP6)，下游有7个(SP7～SP13)，堆龙曲支流有3个(SP14～SP16)，利用瞬时采样法对河水进行采样，水样采集器采用预清洗过的高密度聚乙烯瓶，采样点分布见图1。由于上游人口稀少，人类活动较弱，因此将采样点SP1作为“源头”，其他采样点距SP1的距离为该采样点沿拉萨河的距离。采样时先润洗采集器2～3次，随后逆水流方向进行水样采集，采用0.45 μm孔径滤膜对水样进行过滤，然后加入6 mol·L-1超纯硝酸将水样酸化至pH<2后，包裹好水样瓶，确保不泄露，同时做好标记，样品送至东华理工大学分析测试中心进行测试。水样经预处理后，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Thermo Element 2型)，按照HJ 700—2014《水质 65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》中标准方法对As和Cd浓度进行测定。

图1 研究区位置、水系和采样点示意

1.3 健康风险评价模型及参数

采用US EPA确定的健康风险评价模型，以研究区不同年龄组人群为研究对象，考虑经饮水途径摄入的化学致癌物As和Cd对人体产生的致癌风险，具体计算公式为

(1)

式(1)中，Rc为As和Cd通过饮水途径导致个人罹患癌症的年总风险，a-1；Rci为化学致癌物i通过饮水途径导致个人罹患癌症的年风险， a-1；i为1和2分别表示As和Cd；Dci为经饮水途径摄入的化学致癌物i的单位体重日均暴露剂量，mg·kg-1·d-1；Qci为经饮水途径摄入的化学致癌物i的致癌强度系数，kg·d·mg-1；70为人均寿命，a；Cci为化学致癌物i质量浓度，mg·L-1；UT为年龄组T人群日均饮水量，L·d-1；WT为年龄组T人群平均体重，kg。根据沈威等[28]和齐文[29]的研究以及原核工业部的推荐方法，将人群划分为幼儿(≤7岁)、少年(>7～17岁)和成年(>17岁)，这3个年龄组人群日均饮水量分别为1.10、1.37和2.00 L·d-1[28-29]，平均体重分别为14.90、40.71和60.33 kg[30]。As和Cd的致癌强度系数分别为15和6.1 kg·d·mg-1[3]。

2 结果与讨论

2.1 研究区As和Cd浓度及分布特征

拉萨河水体As和Cd浓度统计结果见表1。如表1所示，As质量浓度范围为0.650～4.270 μg·L-1，平均值为(2.280±0.969) μg·L-1，最大值和最小值相差5.57倍，范围跨度较大；Cd质量浓度范围为0.067～0.134 μg·L-1，平均值为(0.092±0.017) μg·L-1，最大值和最小值相差1倍，范围跨度较小。As和Cd浓度均未超过GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》规定限值，也均达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中I类和Ⅱ类水质标准，说明拉萨河水体水质总体处于良好水平，可用于集中式生活饮用水水源。变异系数是衡量污染物浓度平均变异程度的指标，变异系数大于50%表明浓度分布不均匀，可能存在因外源物质流入导致的点源污染。研究区As和Cd变异系数分别为42.5%和18.9%，均小于50%，表明研究区As和Cd浓度分布相对均匀，拉萨河沿程出现As和Cd点源污染的可能性很小。

表1 拉萨河水体中As和Cd浓度统计

与国内不同河湖中As和Cd平均浓度(表2[11,26,31-42])相比而言，拉萨河水体As和Cd浓度总体处于较低水平，但As浓度高于滦河、黄浦江(上游)、赤水河和赣江，Cd浓度高于漓江和九龙江。刘凤等[26]在2010年4月测得拉萨河干流以及主要支流As和Cd平均质量浓度分别为27.700和0.059 μg·L-1，As浓度显著高于笔者研究结果，而Cd浓度则略低。

表2 国内不同水体As和Cd平均浓度[11,26,31-42]

拉萨河水体中As和Cd浓度沿程变化情况见图2。如图2所示，拉萨河中下游和堆龙曲支流水体As浓度均沿程增长，但呈不同趋势。中游As浓度(y)与沿程距离(x)呈一定程度正相关关系，相关性方程为y=0.012 7x+1.765 3 (R2=0.323 2,P<0.05)，沿程距离每增加100 km，ρ(As)增加1.27 μg·L-1；下游As浓度与沿程距离呈较好正相关关系，相关性方程为y=0.014 9x+0.307 2 (R2=0.545 5,P<0.01)，沿程距离每增加100 km，ρ(As)增加1.49 μg·L-1；堆龙曲支流As浓度与沿程距离呈较弱正相关关系，相关性方程为y=0.011 6x-1.626 4 (R2=0.181 0,P<0.05)，沿程距离每增加100 km，ρ(As)增加1.16 μg·L-1。而Cd浓度则在中下游和堆龙曲支流呈不同变化趋势，中游Cd浓度与沿程距离呈较强负相关关系，相关性方程为y=-0.000 3x+0.096 1 (R2=0.814 4,P<0.01)，沿程距离每增加100 km，ρ(Cd)下降0.03 μg·L-1；下游Cd浓度与沿程距离呈弱负相关关系，相关性方程为y=-0.000 2x+0.130 7 (R2=0.254 3,P<0.05)，沿程距离每增加100 km，ρ(Cd)下降0.02 μg·L-1；堆龙曲支流Cd浓度与沿程距离呈弱正相关关系，相关性方程为y=0.000 3x+0.019 2 (R2=0.2095,P<0.05)，沿程距离每增加100 km，ρ(Cd)增加0.03 μg·L-1。

图2 拉萨河水体As和Cd浓度沿程分布曲线

拉萨河As和Cd浓度与采样点经纬度之间的关系见图3。在地理分布上，拉萨河水体As浓度从南到北(纬度增加)整体呈下降趋势，Cd浓度呈微弱上升趋势，纬度每增加1°，ρ(As)减少1.778 μg·L-1，ρ(Cd)增加0.000 2 μg·L-1；拉萨河水体As浓度从西到东(经度增加)整体呈上升趋势，Cd浓度则呈下降趋势，经度每增加1°，ρ(As)增加0.456 μg·L-1，ρ(Cd)则减少0.010 7 μg·L-1。

图3 拉萨河水体As和Cd浓度与经纬度变化关系

2.2 As和Cd的健康风险评价

根据研究区水体As和Cd浓度数据，采用健康风险评价模型及相关参数，计算得到研究区各采样点水体As和Cd经由饮水途径对不同年龄人群的健康风险，结果见表3。如表3所示，3个人群致癌总风险排序为幼儿(3.647×10-5a-1)>少年(1.670×10-5a-1)>成年(1.645×10-5a-1)，幼儿经饮水途径的致癌总风险分别为少年和成年的2.18和2.22倍。这是因为幼儿具有比少年和成年更加敏感的身体结构，更容易受到化学致癌物的影响，因此其对幼儿的危害也更大，这与文献[11]的研究结果一致。除幼儿组在采样点SP4、SP12和SP13的总致癌风险超过国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受值(5×10-5a-1)外，其余各年龄组在不同采样点的总致癌风险均低于US EPA推荐的最大可接受值(1×10-4a-1)和ICRP推荐值，说明拉萨河水体由As和Cd导致的致癌风险总体上处于安全水平，但需要对幼儿在饮水安全方面给予更多关注。

表3 研究区各采样点As和Cd的个人年风险水平

表3显示，拉萨河水体化学致癌物经饮水途径对不同年龄人群的致癌风险在1×10-7～1×10-5范围内，As致癌风险值大于Cd。As和Cd致癌风险值范围分别为0.462×10-5～6.714×10-5和0.019×10-5～0.086×10-5a-1，总致癌风险值范围为0.485×10-5～6.767×10-5a-1。As经饮水途径的个人致癌健康风险最大值为6.714×10-5a-1，是ICRP推荐值的1.34倍。对拉萨河流域不同年龄人群，As致癌风险占As和Cd总致癌风险的比例大于98.3%，而Cd的致癌风险占比小于1.7%，表明拉萨河流域As致癌风险占据主导地位，贡献了绝大多数致癌健康风险。由此可见，与Cd相比，As为拉萨河流域主要致癌污染物，对拉萨河流域进行管理时需加强对As浓度的监测，确保As引起的致癌风险处于可接受范围。

从笔者研究结果可知，相比于国内其他水体来说，拉萨河流域水体As和Cd浓度水平较低(表2)，均不超过国家规定相关水质标准限值，适合作为饮用水水源。相关致癌健康风险评价计算结果表明，As经饮水途径导致的致癌风险最大值略超过ICRP推荐的最大可接受风险值，需要给予一定关注和重视。因此，对于拉萨河流域水体水质，在进行常规监测时需结合健康风险评价进行管理，这有利于更全面地了解拉萨河作为饮用水水源地的环境质量与健康安全状况，以便有针对性地进行风险管理，制定污染防治和治理策略。

2.3 与国内其他水体比较与分析

采用健康风险评价模型计算得到国内不同水体As和Cd对不同年龄人群经饮水途径的致癌风险见表4[11,26,31-42]。表4显示，与国内其他水体相比，拉萨河流域As和Cd总致癌风险(1.645×10-5～3.647×10-5a-1)处于较低水平。在幼儿、少年和成年3组人群中，拉萨河流域As和Cd总致癌风险在15条河流中均排第13位，仅高于滦河(1.470×10-5～3.260×10-5a-1)和赤水河(1.293×10-5～2.867×10-5a-1)。由此可见，拉萨河流域As和Cd经饮水途径的致癌风险总体处于可接受的安全水平。

表4 国内不同水体As和Cd的平均个人年风险水平[11,26,31-42]

3 结论

(1)拉萨河流域水体As和Cd平均质量浓度分别为(2.280±0.969)和(0.092± 0.017) μg·L-1，未超过GB 5749—2022规定限值，也达到GB 3838—2002中Ⅰ类和Ⅱ类水质标准，变异系数分别为42.5%和18.9%，空间波动性较小，存在As和Cd点源污染的可能性很小。与国内其他水体相比，拉萨河水体As和Cd浓度处于较低水平。

(2)拉萨河中下游和堆龙曲支流As浓度均呈一定程度沿程增长趋势，Cd浓度在拉萨河中下游呈沿程下降趋势，在堆龙曲支流呈沿程增长趋势。在地理分布上，随着纬度增加，拉萨河水体As浓度呈下降趋势，Cd浓度呈微弱上升趋势；随着经度增加，拉萨河水体As浓度呈上升趋势，Cd浓度呈下降趋势。

(3)拉萨河流域水体As和Cd健康风险评价结果表明，与Cd相比，As为拉萨河流域水体起主导作用的化学致癌物，贡献了超过98%的致癌风险，应成为拉萨河流域水质管理的优先管控对象。拉萨河流域As和Cd经饮水途径的致癌风险总体处于可接受的安全水平。相比于少年和成年，幼儿为更敏感的健康风险受体，受As和Cd的危害更大，需要在幼儿饮水安全方面给予更多关注。