广西DC矿区周边农村土壤砷、铅、镉污染及儿童健康风险评估*
2021-03-20汤治仙张新英宋勇进梁秋怡陈天来
汤治仙,张新英,宋勇进,梁秋怡,陈天来
(1.南宁师范大学 地理科学与规划学院，广西 南宁 530001; 2.广西体育高等专科学校，广西 南宁 530001)
0 引言
由于采矿、冶炼、化石燃料燃烧等人类活动造成的土壤重金属污染、农产品健康质量下降，已成为威胁农业可持续发展和人类健康的环境问题之一[1]。重金属污染的土壤已是全球性棘手环境问题[2]。 2014 年《全国土壤污染调查公报》显示，19.4%的农田土壤样点主要受到 As，Pb，Cd等重金属污染，农田土壤环境质量堪忧[3]。为此，国家相继出台了一系列土壤污染防治法律法规，推动农用地安全利用。土壤的重金属污染可能会导致人体对重金属暴露机率的增加，尤其是儿童[4]。目前国内外已有关矿区土壤的重金属污染以及人体健康风险评价方面的研究[5-7]，但对于矿区土壤中重金属的含量及对儿童造成健康风险方面的研究较少。DC矿区位于广西河池南丹县境内，矿产资源丰富[8]。矿山作业活动的长期性、频繁性导致周边环境受到不同程度的污染。因此，本研究通过测定广西DC矿区周边8个村屯土壤中As，Pb，Cd的含量，评估当地儿童的健康风险，并为当地儿童的重金属暴露风险建立数据库。
1 材料与方法
1.1 土壤样品的采集
采用梅花采样法，随机选取村屯农户家菜地中的5个采样点，在每个采样点用木勺拨开与铁铲接触部分的枯枝落叶层后，取其表层土壤(0～20 cm)，均匀混合后用四分法取约500 g装入样品袋中，编好样品编号并在样品袋上贴好标签，共采集具有代表性的土壤样品48份。
1.2 样品处理及其重金属含量的测定
把采集回来的土壤样品摊开成2～3 cm薄层置于实验室自然风干，去除土壤中的砂砾、枯枝落叶等杂质，用干净的木棒将其打碎后置于玛瑙研钵研磨后，用100目筛子筛选样品，装入自封样品袋贴好标签贮存备用。
土壤样品中 As，Pb，Cd的含量采用内标法测定，检测仪器为电感耦合等离子体质谱仪(安捷伦科技有限公司，型号：7700e)，采用国家土壤标准物质(GSS-5和GSS-3： 购于国家标准物质研究中心)进行质量控制的标准曲线线。回归方程为:y=ax+b。相关系数:r=0.9998。检出限分别为:0.245，0.0218，0.0218，标准土壤样品中重金属元素的回收率为95%～105%，RSD<4%。
1.3 评价标准(表1)
表1 暴露评价参数
本次土壤pH的检测结果均为：5.5≤pH≤6.5，依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)的标准， As，Pb，Cd分别以40 mg/kg，90 mg/kg，0.3 mg/kg 为评价标准风险筛选值，分别以150 mg/kg，500 mg/kg，2 mg/kg 为评价标准风险管控值。
1.4 问卷调查
采用整群抽样方法，抽取DC矿区大厂镇周边211名3～6岁儿童作为研究对象。调查前对所有参与调查的人员进行统一培训，在监护人同意并配合的情况下，儿童的身高、体重在培训现场测定；统一填写问卷进行调查年龄、本地居住年限等信息并签署知情同意书。
1.5 土壤健康风险评价方法
1.5.1 暴露剂量模型
手-口直接摄入、皮肤接触和呼吸吸入3种暴露途径是儿童摄取土壤中As，Pb，Cd元素的主要途径。参考美国环保署(US EPA)提出的风险模型来估算不同暴露途径下的暴露剂量。暴露剂量模型见式(1)～(3)[9]：
ADDing土壤-口=(Cs×IngR×ED×EF×CF)/(BW×AT)
(1)
ADDderm土壤-皮肤=(Cs×SA×AF×ED×EF×ABSd×CF)/(BW×AT)
(2)
ADDinh土壤-呼吸=(Cs×InhR×ED×EF)/(PEF×BW×AT)
(3)
本研究的参数通过查阅美国 EPA 暴露因子手册[10]，并结合矿区实际情况资料[11-17]确定了当地居民的暴露评价参数，见表 1，各重金属不同途径下的参考剂量(RfD)和斜率因子(SF)，见表2和表3。
表2 各重金属不同暴露途径参考剂量[mg/(kg·d)]
表3 各重金属不同暴露途径的致癌斜率因子[(kg·d)/mg]
1.5.2 暴露参数的选择
1.5.3 健康风险表征
As，Pb，Cd重金属某一暴露途径潜在的非致癌风险和致癌风险计算式:(4)和(5)。
HQ=(ADD/RfD) ×10-6/70
(4)
Risk=(ADD×SF)/70
(5)
计算总非致癌风险(HI)和总致癌风险(Risktotal)，分别为式(6)和(7)。
HI=Σm i=1Σn j=1 HQij
(6)
Risktotal=Σm i=1Σn j=1 Riskij
(7)
US EPA建议，有毒物质的健康风险水平在1.0×10-6/年～1.0×10-4/年为可接受风险水平[16]，小于1.0×10-6/年表示风险甚微；在1.0×10-6/年～1.0×10-4/年之间表示存在一定的风险，但尚可接受；大于1.0×10-4/年表示风险较为显著。
1.6 统计学方法
2 结果
2.1 儿童一般情况
共调查211名年龄为3～6岁儿童，其中男性109名，女性102名；平均(4.45±1.10)岁，身高为90～132cm，平均(108.56±9.17)cm；体重10.80～30.52kg,平均(18.17±3.11)kg。
2.2 土壤中的重金属的水平
由表4可知，As，Pb，Cd的在土壤中的含量较高，差异具有统计学意义(P<0.05)；各点土壤的As，Pb，Cd含量均超标，除村庄2超标率为84%(2/6)，其他点位砷超标率均为100%。村庄2未超标，村庄1和村庄8均为83%(5/6，其余点位铅超标率均为100%。村庄2超标率为83%(5/6)，其余点位镉超标率均为100%。
表4 DC矿区周边农村土壤重金属含量(mg/kg)
2.3 土壤重金属含量的相关性分析
土壤中As ，Pb，Cd含量两两之间均呈正相关，As含量与Pb含量之间有相关性(P为0.00<0.05)差异较为显著,而As与Cd，Pb，Cd含量之间均无相关性(P>0.05)。
2.4 土壤重金属健康风险评价
致癌物日均摄入量依次为呼吸吸入<皮肤接触<经口摄入，非致癌日均摄入量依次为皮肤接触<呼吸吸入<经口摄入。三种途径中各重金属的非致癌和致癌日均摄入量依次为As 表5 DC矿区周边农村土壤中重金属经不同暴露途径的非致癌日均摄入量[mg/(kg·d)] 表6 DC矿区周边农村土壤中重金属经不同暴露途径的致癌日均摄入量[mg/(kg·d)] 续表6 DC矿区周边农村土壤中重金属经不同暴露途径的致癌日均摄入量[mg/(kg·d)] 由表7可知，经口摄入非致癌风险依次为Cd>Pb>As；经呼吸摄入途径和经皮肤接触途径暴露风险均为Cd>As>Pb；各重金属的非致癌风险水平依次为As 表7 DC矿区周边农村土壤中重金属经不同暴露途径的非致癌风险(/年) 由表8可知，土壤中3种重金属引起的致癌风险水平依次为Pb 表8 DC矿区周边农村土壤中重金属经不同暴露途径的致癌风险(/年) As，Pb，Cd的复合污染是DC矿区周边村屯土壤的主要环境问题。与国内外其他地区(湖北、海南、匈牙利)等土壤相比较[19-21]，DC矿区土壤As，Pb，Cd的含量处于中等或偏上水平。其原因可能是矿区采矿作业行为过程中废水、废气、尾矿等不合理的管理导致了矿区周边村屯受到不同程度的污染。此外，经实地走访调查研究发现，当地居民以种植作物作为经济来源之一，农业活动过程中化学农药的施用也可能是土壤重金属污染的一个重要途径。各重金属元素含量间的相关性分析结果显示，土壤中As，Pb，Cd含量两两之间均呈正相关，这说明土壤为重金属复合污染，或者污染具有同源性。 本研究结果显示，土壤中重金属的总致癌风险和总健康风险均大于US EPA 推荐的最大可接受风险水平(1.0×10-4)，会对当地儿童健康造成明显的损伤；致癌和非致癌风险风险均主要来源于Cd(其贡献率分别为97.76%和84.3%)，因此，将Cd列为优先管理控制的污染物；儿童土壤暴露风险的最主要的途径是经手-口直接摄入，这可能是由于儿童“吮手现象”等行为导致，因此，勤洗手保持手口干净清洁和制止小孩“吮手”行为是十分有必要的，干净整洁的个人卫生有助于降低重金属对人体的摄入。 综上所述，DC矿区周边村屯土壤中受As，Pb，Cd的复合污染，总健康风险大于US EPA 推荐的最大可接受风险水平，会对当地儿童健康造成显著的危害。
3 讨论
