大冶某矿区农地土壤重金属污染健康风险评价*

冯 博，周 皓，徐 阳，周俊哲，乐雪梅，陈 勇,2,3

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.国家环境保护矿冶资源利用与污染控制重点实验室，湖北 武汉 430081；3.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

0 引言

矿产资源开发过程中会引起农地大面积重金属污染问题，与一般污染物引起的环境污染不同，农地重金属污染具有隐秘性和积累性等特点，因此治理难度较大[1]。加强对矿区农地土壤重金属污染健康风险评价研究，对保护矿区农户身体健康、保障农作物产量和质量具有重要意义[2]。

西方发达国家最早提出了健康风险评价的概念，美国环境保护署于1983年对健康风险评价提出了要求，指出通过“四步法”来评价重金属污染导致的人体健康风险，“四步法”包括危害鉴别、暴露评估、剂量-反应评估和风险表征4个步骤[3-4]。其中：危害识别是明确可能对人体健康产生危害的污染物种类；暴露评估是计算出人体暴露于污染物的量；剂量-反应评估是找出污染物对应的剂量-反应关系，比如一般化学物的浓度阈值；风险评估是综合前面三部分计算出健康风险[5]。通过对土壤重金属污染影响人体健康的研究，得出人体暴露于重金属污染的健康危害主要有3种途径：①呼吸摄入，指吸附于土壤扬尘与空气污染物中的重金属通过呼吸进入人体；②经口摄入，指在重金属污染环境下经口摄入土壤扬尘与空气污染物中的重金属导致中毒；③皮肤接触，指皮肤直接接触重金属污染物导致慢性中毒[6]。矿山开采、运输等活动导致矿区农地土壤重金属含量升高，通过以上途径危害矿区农户的身体健康。因此，本文以湖北省大冶市某矿区农地为研究对象，运用健康风险评价模型对农地土壤重金属污染健康风险进行评价[7]，以期为农地土壤重金属污染防治提供参考。

1 研究区概况和样品分析

1.1 研究区概况

某矿区位于湖北省大冶市内，面积约6 km2。研究区内东南部为丘陵区，西北部为盆地。北部有主港与流向大冶湖的河流相连，区内存在多条乡村公路，交通较为便利。矿区位于亚热带，气候属大陆性季风气候，四季分明，日照充足，降水丰富，年平均气温为16.9 ℃，多年极端最高气温达40.1 ℃，最低气温仅为-10 ℃，年均无霜期261 d，年均降水量为1 385.84 mm。

1.2 土壤样品采集和测定

根据矿区土地利用类型，通过现场踏勘掌握研究区矿业生产活动现状，了解重金属污染来源及影响途径。在矿区范围内确定采样点位置，共设置了21个采样点，采样点的布置覆盖每个田块。利用ArcGIS生成采样点对应的地理位置，各采样点空间分布见图1。在每个采样点的位置取表层深0～30 cm的土壤，每个采样点需采集4份土壤，均匀混合得到1份样品，现场去除大块杂石后装入样品袋，标记采样点编号并记录位置。将土壤样品在实验室内风干，去除碎石等杂物后研磨，过0.149 mm筛，备用。土壤样品的pH使用pH计测定[8]，土壤样品中各重金属质量分数采用AA-240 FS型原子吸收分光光度计检测。

图1 采样点分布

2 健康风险评价模型

农地土壤重金属污染健康风险评价采用人体健康风险评价模型，该模型在我国得到了广泛应用。选取As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等6种重金属元素，设定3种暴露途径(经口摄入暴露、皮肤接触暴露、呼吸吸入暴露)，分别对成人和儿童进行土壤重金属健康风险评价，计算其非致癌风险和致癌风险[9]，主要步骤包括暴露量计算和健康风险表征。

2.1 暴露量计算

经口摄入、皮肤接触、呼吸吸入暴露量计算公式[10-11]分别为

(1)

(2)

(3)

式中：ADIing、ADIcon和ADIinh分别代表土壤重金属经口摄入、皮肤接触和呼吸吸入的日均暴露量，mg/(kg·d)；Ci表示土壤中重金属i的质量分数，mg/kg；重金属健康风险暴露系数EF、ED等含义与单位[12-14]见表1。

表1 土壤重金属健康风险暴露系数

2.2 风险表征

非致癌健康风险指数和致癌健康风险指数[15-17]计算公式分别为

(4)

THI=∑HIi=∑(HIing+HIcon+HIinh),

(5)

(6)

TCR=∑CRi=∑(CRing+CRcon+CRinh),

(7)

式中：HQ表示采样点重金属的非致癌健康风险系数；HQi表示采样点在重金属i的所有暴露途径下的非致癌健康风险系数；HIi表示某种重金属在某暴露途径下的非致癌健康风险系数；THI表示多种重金属在所有暴露途径下的综合非致癌健康风险指数；HIing、HIcon、HIinh分别表示研究区内各采样点单一重金属在对应暴露途径下的非致癌健康风险系数平均值[18]；ADIn表示单一重金属在某种暴露途径下的暴露量(单位体质量日均摄入量)，mg/(kg·d)；RFDi表示重金属i的非致癌日均参考剂量，mg/(kg·d)；HC表示采样点的重金属致癌健康风险系数；HCi表示采样点单一重金属在所有暴露途径下的非致癌健康风险系数；SFi为重金属i的致癌斜率因子，mg/(kg·d)；CRi为单一重金属在所有暴露途径下的致癌风险系数总和；TCR表示多种重金属的综合致癌风险系数。当HQi、HI、THI均小于1时，表示非致癌风险可以忽略，否则表示存在非致癌风险；当HQi、HI、THI均大于等于10时，表示存在很强的非致癌风险[19]。根据美国环保局(USEPA)给出的建议，认为TCR可接受风险水平为10-4～10-6，高于10-4表示存在致癌健康风险[20]。不同暴露途径下土壤重金属的RFD与SF[21-23]见表2。

表2 不同暴露途径下土壤重金属的RFD与SF 单位：mg/(kg·d)

3 结果与分析

3.1 非致癌风险评价

土壤重金属经口摄入、皮肤接触和呼吸吸入引起的成人和儿童非致癌风险评价结果分别见表3、表4。判断土壤各重金属元素在不同途径下暴露风险的高低[24]。由表3可知，土壤中重金属在不同途径下对成人的非致癌风险中，除Pb表现为HQing>HQcon>HQinh以外，其余5种重金属元素均为HQcon>HQing>HQinh。由表4可知，土壤重金属在不同途径下对儿童的非致癌风险中，6种重金属元素均表现为HQcon>HQing>HQinh。综上所述，重金属非致癌风险暴露途径主要为经口摄入和皮肤接触，呼吸吸入产生的非致癌风险较小。各采样点重金属非致癌风险系数HQ分布情况如图2所示。由图2可知：对成人而言，土壤中各采样点HQ由高到低分别为Cr>As>Cd>Cu>Pb>Zn；对儿童而言，土壤中各采样点HQ由高到低分别为Cr>As>Pb>Cu>Cd>Zn。

表3 土壤重金属非致癌风险系数(成人)

表4 土壤重金属非致癌风险系数(儿童)

图2 土壤重金属非致癌风险系数HQ箱式图

土壤重金属非致癌风险系数THI见表5。由表5可知：成人HI范围为1.05×10-3～4.81，儿童HI范围为1.09×10-2～32.62；成人THI为4.93，儿童THI为33.52；对比分析发现，对于每种重金属的HI和THI，都是儿童的大于成人的，说明土壤重金属污染对于儿童存在更大的非致癌健康风险；成人THI大于1，儿童THI大于10，表明成人与儿童均存在土壤重金属非致癌风险，而儿童存在严重的土壤重金属非致癌风险。

表5 土壤重金属非致癌风险系数THI

3.2 致癌风险评价

土壤重金属经口摄入、呼吸吸入、皮肤接触引起的成人和儿童致癌风险评价结果分别见表6、表7。当HCi、CRi、TCR均小于1×10-4时，表示致癌风险可以忽略，否则存在致癌风险[25]。

由表6可知，土壤重金属在不同途径下对成人的致癌风险，As和Cd均表现为CRcon>CRing>CRinh，Cr和Pb仅有呼吸一条途径。由表7可知，土壤重金属在不同途径下对儿童的致癌风险，As和Cd均表现为CRing>CRcon>CRinh，Cr和Pb仅有呼吸一条途径。土壤各采样点重金属非致癌风险系数HC分布情况如图3所示。由图3可知，对成人和儿童而言，土壤中各重金属非致癌风险系数HC由高到低分别为As>Cd>Cr>Pb。

表6 土壤重金属致癌风险系数(成人)

表7 土壤重金属致癌风险系数(儿童)

图3 土壤样点重金属致癌风险系数HC箱式图

土壤重金属致癌风险值TCR见表8。由表8可知，成人和儿童的TCR分别为5.71×10-5和3.82×10-4，对比每种重金属的CR和TCR，均显示儿童的数值大于成人的，说明土壤重金属污染对于儿童存在更大的致癌健康风险。成人TCR位于1×10-4～1×10-6之间，而儿童TCR高于1×10-4，表明研究区土壤对成人不存在重金属暴露致癌风险，而对儿童存在重金属暴露致癌风险，需避免儿童进入该区域。

表8 成人和儿童土壤重金属综合致癌风险系数TCR

4 结论

大冶某矿区农地土壤的重金属污染健康风险评价结果表明，成人与儿童均存在重金属非致癌风险，而儿童存在严重的重金属非致癌风险；矿区农地土壤对成人不存在重金属暴露致癌风险，而对儿童存在重金属暴露致癌风险。农地土壤重金属非致癌风险和致癌风险均显示儿童的数值大于成人的，说明土壤重金属污染对于儿童存在更大的健康风险。矿区内农地土壤对农户存在健康风险，需要采取相关处理措施。