基于农田土壤重金属生物可给性的人体健康风险评价

尹 娟,邓超冰,王晓飞,许桂苹,邓渠成

(1.广西财经学院 管理科学与工程学院,广西 南宁 530003;2.广西大学 轻工与食品工程学院,广西 南宁 530004;3.广西壮族自治区环境监测中心站,广西 南宁 530028;4.澳洲国立大学 克劳福德公共政策学院,澳大利亚 堪培拉 541004)



基于农田土壤重金属生物可给性的人体健康风险评价

尹 娟1,2,邓超冰2*,王晓飞2,3,许桂苹2,3,邓渠成4

(1.广西财经学院 管理科学与工程学院,广西 南宁 530003;2.广西大学 轻工与食品工程学院,广西 南宁 530004;3.广西壮族自治区环境监测中心站,广西 南宁 530028;4.澳洲国立大学 克劳福德公共政策学院,澳大利亚 堪培拉 541004)

利用SBET方法研究了广西某流域农田土壤7种重金属的生物可给性,并评估了土壤重金属经口摄入途径对不同人群造成的健康风险。结果表明:土壤中重金属Cd、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Cr的生物可给性均值分别为70.55%、25.72%、10.89%、10.81%、7.78%、0.93%、0.71%。未经生物可给性修正的风险评价结果表明：土壤重金属对儿童的总非致癌风险(HI)和总致癌风险(Rt)分别为2.47和6.12×10-5,对成人的HI和Rt分别为0.32和4.01×10-5,即对儿童有较大的风险。经生物可给性修正后，土壤重金属对儿童和成人的非致癌风险和致癌风险均大幅度降低,但对儿童依然有一定的致癌风险。

农田土壤;重金属;生物可给性;健康风险;评价

土壤重金属污染问题已经成为我国污染面积最广、危害最大的环境问题之一[1]。由于重金属元素具有很强的毒性和生物积累效应,一旦农业活动区中的农田土壤遭受重金属污染,重金属极易通过食物链进入动物和人体而危害人畜健康,长期饮食、呼吸及皮肤接触将会导致人体内重金属的积蓄而出现中毒症状[2-3]。近年来,由矿业活动导致的土壤重金属污染和随之而来的环境及人体健康风险问题已引起国内外研究者的广泛关注,而经口摄入在很多情况下已成为重金属进入人体的主要途径[4-7],且多数研究者主要利用重金属全量进行土壤重金属对人体健康的危害风险评价,重金属对人体健康的负面影响很有可能会被高估,因为经口摄入的重金属不可能被消化系统100%吸收,因此,有学者提出生物可给性能准确评价重金属的危害风险[8-14]。

目前,欧美国家已经开展了重金属生物可给性的体外消化实验并将实验结果应用于人体健康风险评价工作,利用生物可给性评价土壤重金属对人体的健康风险将逐步成为人体健康风险评估的重要方法之一。国内已有应用体外模拟实验法来评价土壤重金属的生物可给性或健康风险评价的报道，特别是针对企业周围土壤、矿区土壤、污灌区土壤、污染场地以及城市灰尘中的重金属污染及人体健康风险评价方面已有较多的研究[9-19],而针对国内一些流域沿岸农业活动区土壤重金属的污染水平及其对当地居民构成的健康风险方面的研究相对较少。

本研究选取SBET法分析了土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr和Ni的生物可接受性,并利用生物可给性修正前后的人体健康风险评价模型评估了农田土壤中重金属通过经口摄入途径对暴露人群造成的健康风险,以期为土壤重金属生物可给性在人体健康风险评价中的应用提供科学依据,同时为风险管理者提供该区域重金属污染物对人体健康造成风险大小等方面的信息。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土壤样品采集于广西某流域沿岸农田土壤,按照五点法共采集7个表层(0～10 cm)土壤混合样品。所采集样品放置于实验室内自然风干,挑拣出样品中的甘蔗根和小石块等杂质,将风干的土样按照四分法取适量样品分别过20目和100目尼龙筛,装袋,待分析用[20]。

1.2 SBET提取方法

SBET (Simple Bioaccessibility Extraction Test)法改编自PBET (Physiologically Based Extraction Test)法,且被英国地理学会釆用。SBET的体外消化方法的具体组成及操作步骤参照文献[7]。将实验所用土壤与pH值为1.5的氨基乙酸溶液(模拟胃液)以1∶100的比例混合,放置于恒温(37 ℃)水浴箱以100 r/min振荡一定时间；振荡结束后将消化液离心10～15 min (4000 r/min)，最后取上清液，过0.45 μm滤膜后待测。

1.3 土壤及生物可给性的重金属含量分析

土壤重金属的全量及SBET的消化液中重金属含量测定参照文献[21],采用电感耦合等离子体质谱法。质量控制:样品重金属全量的测定设置3个平行, SBET的消化液中重金属含量的测定设置3个平行。在分析过程中加入国家标准样品GSS-21和GSS-25进行质量控制,确保各重金属的回收率均在允许范围内。

1.4 健康风险评价

1.4.1 暴露剂量模型 假设土壤重金属经口摄入被当地居民摄入。参照美国环保署(USEPA)提出的健康风险模型[22-25]来计算日均暴露剂量，具体计算公式如下：

(1)

式(1)中: CDIm为经口摄入途径的日均暴露剂量[mg/(kg·d)]；其他参数的含义及取值见表1。

表1 重金属日均暴露量计算参数的含义及取值

1.4.2 健康风险表征 根据美国环保署的健康风险模型,健康风险要分别考虑致癌风险和非致癌风险。各重金属某一途径潜在的致癌风险和非致癌风险可用公式(2)～(3)计算:

Ri=CDImi×SF

(2)

HQi=CDImi/RfD

(3)

上式中:Ri为不同重金属的致癌风险;HQi为不同重金属的非致癌风险;CDImi为不同重金属经口摄入的日均量[mg/(kg·d)];SF为致癌斜率因子;RfD为经口摄入的参考剂量[mg/(kg·d)]。SF和RfD的具体取值见表2。

表2 重金属经口摄入健康风险评价的参考剂量和致癌斜率因子

对于多种重金属经口摄入，计算总致癌风险(Rt)和总非致癌风险(HI),计算公式如下：

(4)

(5)

1.4.3 重金属的生物可给性及其修正 重金属在模拟人体消化系统中的生物可给性OB(oral bioaccessibility)用下式[10]计算:

(6)

式(6)中:OB为重金属在人体消化系统中的生物可给性(%);C为体外实验模拟胃、肠阶段反应液中的重金属浓度(mg/L)；V为各反应器中反应液体积;Cs为土样中重金属总量(mg/kg);Ms为加入反应器中的土样质量(mg)。

Ramendi=CDImi×OB×SF

(7)

HQamend i=CDImi×OB/RfD

(8)

上式中:Ramendi为修正后的不同重金属的致癌风险;HQamend i为修正后的不同重金属的非致癌风险;RfD为经口摄入的参考剂量[mg/(kg·d)];OB为生物可给性。

对于修正后的多种重金属经口摄入，同样按照公式(4)～公式(5)计算总致癌风险(Rt)和总非致癌风险(HI)。

1.5 数据处理与分析

对所有实验数据均采用Excel 2010及SPSS 21.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属的含量

本研究区域土壤pH值和各种重金属的含量见表3。由表3可知,该区域土壤呈酸性。以广西土壤背景值[26]为评价标准,除Cu、Cr、Ni的含量低于广西土壤背景值外, Pb、Zn、As和Cd的含量分别是土壤背景值的20.76、3.16、2.50、1.50倍。各重金属的单项污染指数表现为Pb>Zn>Cd>As>Cu>Ni>Cr。7种重金属元素的内梅罗综合污染指数为14.98,按照分级标准，该区域的土壤环境质量等级为5级。重金属Pb、Zn、Cd和As在本农业活动区土壤中产生了不同程度的累积,因此要高度重视这4种重金属在土壤中的积累对农业生产和人体健康的危害。

表3 农业活动区内土壤pH值和各重金属的含量

2.2 土壤中重金属的生物可给性

土壤重金属生物可给性指土壤重金属直接进入人体的消化系统并可被人体胃肠道溶解出的部分。本研究采用SBET法模拟消化液对农业活动区域土壤中的7种重金属进行生物可给性测定。从表4结果来看,各重金属的生物可给性范围为0.71%～68.23%,与文献中的生物可给性存在差异。如李继宁等[11]应用SBET法测定得出的株洲市某农田土壤Cd、Pb、Cu、Zn、As、Cr的生物可给性平均值分别为66.0%、59.0%、44.9%、35.8%、16.9%、5.7%。Kim等[27]用SBET方法研究了金-银矿区附近稻田土壤中Cu、Zn、As、Cd、Pb的生物可给性，其值分别为28.3%～101.8%、12.5%～49.8%、4.7%～32.2%、50.0%～79.5%、46.5%～75.6%。AureliePelfren等[28]应用体外提取法分析了法国某农田土壤中Cd、Pb、Zn的生物可给性，得出的均值分别为82%、55%、33%。在本研究中，不同重金属的生物可给性差异很大,主要原因可能是土壤理化性质以及土壤中重金属的来源、形态等不同。但在以上研究中Cd的生物可给性均是各重金属中最高的,主要原因在于Cd在土壤中以Cd(OH)2、CdCO3和Cd3(PO4)2的形态存在,其中以CdCO3为主。本研究中土壤呈酸性,Cd的弱酸提取态和还原态为主要存在形式,Cd的弱酸提取态含量较高,推断其具有较高的生物有效性; Cr的生物可给性最低，主要是由于土壤中Cr主要以残渣态的形式存在,不易被消化液溶出[29]。

表4 用SBET法模拟消化液提取土壤各重金属 的浓度范围及生物可给性

2.3 人体健康风险评价

2.3.1 未经生物可给性修正的评价结果 经计算发现,经口摄入途径下非致癌风险和致癌风险均呈现出儿童高于成人的特点,计算结果如表5所示。

从表5可以看出：农业活动区土壤重金属对儿童的非致癌风险(HQ)表现为Pb>As>Cr>Zn>Ni>Cu>Cd，其中Pb和As的HQ值均大于1,因此,对于敏感儿童群体,该农业活动区的土壤Pb和As污染是产生非致癌危害的主要因素;土壤重金属对成人的非致癌风险(HQ)顺序与对儿童的相同,但风险值远小于对儿童群体的；儿童和成人群体的总非致癌风险(HI)分别为2.47和0.32,很明显该区域土壤重金属会对儿童群体产生较大的非致癌危害。

表5 土壤各重金属对人体的非致癌风险和致癌风险值

在致癌风险方面,本研究7种重金属中的As、Cr、Pb、Cd为致癌重金属。本农业活动区土壤重金属污染对儿童和成人的致癌风险均表现为As>Cr>Pb>Cd。用Ri或Rt评价致癌风险时,一般认为Ri或Rt<1.0×10-6表示风险甚微;在1.0×10-6～1.0×10-4之间表示存在一定风险,但尚可接受；>1.0×10-4表示风险相对显著[23]。在本研究区域中，As、Cr、Pb的致癌风险值介于1.0×10-6～1.0×10-4之间,4个致癌重金属对儿童和成人的总致癌风险值分别为6.12×10-5和4.01×10-5,因此不管是单个重金属元素还是加和重金属元素都会对儿童和成人产生潜在的致癌风险。

2.3.2 生物可给性修正后的评价结果 用生物可给性对风险评价结果进行调整,非致癌风险和致癌风险评价结果如表6所示。

表6 生物可给性修正后的各重金属的健康风险值

本农业活动区土壤重金属对儿童和成人的非致癌风险(HQ)顺序均为Pb>As>Cd>Cu>Cr>Zn>Ni。从各重金属的非致癌风险(HQ)和总的非致癌风险(HI)来看，相对于修正之前存在两个变化:HQ的排序发生了变化;HQ值明显下降,比修正前低2个数量级，都降低至安全水平。经修正后,土壤重金属对儿童和成人群体的总非致癌风险(HI)分别为0.11和1.43×10-2，较修正前大幅度下降。

经生物可给性修正后，土壤重金属污染对儿童和成人的致癌风险顺序变为Cd>As>Pb>Cr,其总致癌风险分别为1.38×10-6和9.07×10-7，也较修正前大幅度下降，但对儿童群体还存在轻微的致癌风险。

综上所述,如果忽略生物可给性,直接利用土壤重金属含量作为评价依据，则可能过高估计其对人体的健康风险。

3 结语

采用土壤重金属含量作为依据,对儿童和成人经口摄入风险进行评估时, Pb、As、Cr的非致癌风险位列前三;对儿童和成人的致癌风险顺序依次为As>Cr>Pb>Cd。从土壤重金属的总非致癌风险和总致癌风险结果看,对儿童和成人均存在较大的风险。儿童的非致癌风险和致癌风险均高于成人的,儿童的HI和Rt值分别为成人的7.62和1.53倍。

采用生物可给性对风险评估结果进行修正后,土壤重金属对敏感人群的非致癌风险和致癌风险均会大幅度降低,仅对儿童存在轻微的致癌风险；同时修正后各重金属的非致癌和致癌风险的排序会发生变化,尤其是致癌风险的排序。

由于不同土壤类型、不同生物可给性提取方法对土壤重金属生物可给性的最终结果有一定的影响，因此应根据不同土壤类型的关键影响因子和生物可给性分析结果构建生物可给性的相对可利用度预测模型[11，13]。同时基于体外实验的生物可给性是当前健康风险评价的重要途径之一,因此有必要建立一套适合我国土壤污染场地的生物可给性实验室操作、计算参数、评价标准规范,从技术方面完善我国基于生物可给性的重金属健康风险评价。

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(责任编辑:黄荣华)

Assessment of Human Health Risk from Heavy Metals in Farmland Soil Based on Their Bioaccessibility

YIN Juan1,2, DENG Chao-bing2*, WANG Xiao-fei2,3, XU Gui-ping2,3, DENG Qu-cheng4

(1. College of Management Science and Engineering, Guangxi University of Finance and Economics, Nanning 530003, China; 2. College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3. Environmental Monitoring Center of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530028, China; 4. Crawford School of Public Policy, Australian National University, Canberra 541004, Australia)

The bioaccessibilities of 7 kinds of heavy metals in farmland soil in Guangxi were studied by using SBET method, and the risks of the oral intake of these heavy metals to the health of children and adults were assessed. The results indicated that the average bioaccessibility of Cd, Cu, Zn, Ni, Pb, As and Cr in the soil was 70.55%, 25.72%, 10.89%, 10.81%, 7.78%, 0.93% and 0.71%, respectively. Under the condition of not modifying the human health risk assessment results by the bioaccessibility, the total non-carcinogenic risk (HI) and total carcinogenic risk (Rt) of soil heavy metals to children were 2.47 and 6.12×10-5, respectively, and theHIandRtto adults were 0.32 and 4.01×10-5, separately, suggesting that the heavy metals in the farmland soil had a great risk to the health of children. After modifying the human health risk assessment results by the bioaccessibility, the non-carcinogenic risk and carcinogenic risk of soil heavy metals to both children and adults were decreased by a large margin, but they still had a certain risk to the health of children.

Farmland soil; Heavy metal; Bioaccessibility; Health risk; Assessment

2016-06-19

广西自然科学基金项目“西江流域水环境重金属污染机制与调控”(2013GXNSFEA053001);广西自然科学基金重大项目“基于镉、砷污染农田安全利用的生态修复研究”(2015GXNSFEA139001);广西财经学院管理科学与工程学院开放性课题“基于无人机遥感的内陆水环境应急监测研究”(GK2015009)。

尹娟(1984─),女,讲师,博士研究生,从事环境管理与糖副产品土壤污染控制研究。*通讯作者:邓超冰。

S153.61

A

1001-8581(2016)12-0110-05