黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬健康風(fēng)險評價

張永江，鄧　茂，王祥炳，姚　靖，劉先良，程睿韜，張宗慶

(重慶市黔江區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，重慶 黔江　409000)

黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬健康風(fēng)險評價

張永江，鄧茂，王祥炳，姚靖，劉先良，程睿韜，張宗慶

(重慶市黔江區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，重慶 黔江409000)

摘要：采用地積累指數(shù)和健康風(fēng)險，對黔江區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg重金屬進行評價。從重慶市土壤重金屬背景值計算的地積累指數(shù)結(jié)果來看，黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中只有Hg的地積累指數(shù)為0.18，達到輕度污染，而其它7種重金屬均沒有對土壤造成污染；通過健康風(fēng)險評價模型來計算，重金屬暴露風(fēng)險商HQ和風(fēng)險指數(shù)HI均小于1，不會對身體健康造成危害；結(jié)果表明:土壤中As、Cr、Cd和Ni各元素經(jīng)呼吸途徑不具有致癌風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)土壤；重金屬；地積累指數(shù)；健康風(fēng)險評價

0引言

土壤重金屬污染已成為我國最嚴重的環(huán)境問

題之一。土壤中的重金屬通過農(nóng)作物的富集，食物鏈的遷移轉(zhuǎn)化，給人體健康帶來潛在危害[1,2]。近年來，農(nóng)業(yè)耕作區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量成為關(guān)注焦點和研究熱點，對農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬進行調(diào)查研究主要集中于北京、上海、廣州和重慶等大城市，大多采用綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害評價對農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中的重金屬進行風(fēng)險評估[3-8]，而對具有特色的區(qū)域研究較少[9]，利用健康風(fēng)險評價典型武陵山區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬尚未見報道。

黔江區(qū)位于渝東南，地處武陵山腹地，具有典型武陵山區(qū)特色。因此，以黔江區(qū)農(nóng)業(yè)土壤為研究典型，開展農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中重金屬的健康風(fēng)險評價，對研究整個武陵山區(qū)農(nóng)業(yè)土壤污染與防治具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1材料與方法

1.1樣品采集與處理

研究過程分別選擇黔江區(qū)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(南海村、冊山村和新建村)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)域土壤作為研究對象，參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166-2004)，共采集表層(0～20cm)土壤樣品9個，分別采集于基本農(nóng)田區(qū)、菜園地區(qū)和居民生活區(qū)。土壤樣品貼好標(biāo)簽帶回實驗室后，用不銹鋼鑷子去除植物殘體和石塊，并放置室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干1～2周。風(fēng)干后對每一份樣品采用四分法取樣進行磨碎處理，過100目土壤篩，保存于塑料瓶中備用。

1.2樣品分析測試方法

土壤樣品采用王水-高氯酸開放式消煮法，消解樣品采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，Optima 8000，PerkinElmer，USA)進行測定Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等重金屬元素含量，采用原子熒光分光光度計(AFS-930，北京海光分析儀器公司)進行測定As和Hg含量。

1.3重金屬污染評價方法

地積累指數(shù)(Index of geoaccmulation,Igeo)是1969年德國科學(xué)家Muller提出的一種研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，并規(guī)定了相應(yīng)的污染程度級別劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。地積累指數(shù)Igeo計算公式為：

Igeo=log2(Cn/k·Bn)

(1)

式中，Cn表示污染物實測值，Bn是該染物的地球化背景值，k為考慮到造巖運動可能引起背景值波動而設(shè)定的常數(shù)，k=1.5。

表1　地積累指數(shù)分級

1.4健康風(fēng)險評價方法

1.4.1暴露劑量模型

土壤重金屬污染一般通過3種途徑影響人體健康，即手-口攝入、呼吸吸入和皮膚接觸。涉及研究的8種重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)均具有慢性非致癌健康風(fēng)險，且Cr、Cd和Ni同時還具有致癌風(fēng)險。對土壤中重金屬進行健康風(fēng)險評估參考美國環(huán)境保護局(EPA)人體暴露風(fēng)險評價方法。其中，非致癌暴露量具體計算方法如下：

重金屬經(jīng)呼吸吸入途徑日均暴露量：

(2)

重金屬經(jīng)手-口攝入途徑日均暴露量：

(3)

重金屬經(jīng)皮膚接觸途徑日均暴露量：

(4)

由于美國環(huán)保局(EPA)沒有給出致癌重金屬經(jīng)手-口攝入和皮膚接觸的致癌暴露劑量參考值，僅考慮Cr、Cd和Ni這3種致癌金屬經(jīng)呼吸吸入途徑的暴露劑量。其終生日平均暴露劑量LADDinh為

(5)

暴露參數(shù)取值參考美國EPA土壤健康風(fēng)險評價方法和國內(nèi)外相關(guān)的研究成果，見表2。

表2　土壤重金屬暴露風(fēng)險參數(shù)取值

1.4.2健康風(fēng)險評價模型

1.4.2.1非致癌健康風(fēng)險評估

對于非致癌重金屬，一般采用非致癌健康風(fēng)險指數(shù)法進行評估。利用非致癌暴露劑量除以相應(yīng)污染的參考劑量(Reference Dose,RfD)，可得到非致癌風(fēng)險商(Hazard Quotient,HQ),

(6)

而污染物非致癌風(fēng)險商之和為重金屬非致癌健康總風(fēng)險指數(shù)(Hazard Index,HI)。

(7)

式(6)和式(7)中，ADDij為第i種土壤中重金屬第j種暴露途徑的暴露劑量；RfDij為第i種土壤中重金屬第j種暴露途徑的參考劑量(表3)。HQ和HI數(shù)值大小，表示風(fēng)險的大小，當(dāng)其值小于1時，認為風(fēng)險較小或者可以忽略；當(dāng)其值大于1時，認為存在風(fēng)險。

表3　各重金屬參考劑量(RfDij)

1.4.2.2致癌健康風(fēng)險評估

對于致癌重金屬(Cr、Cd和Ni)，其致癌效應(yīng)采用風(fēng)險度(Riski)表示。Riski即暴露量與致癌斜率因子(SFi)之積，表示癌癥發(fā)生概率，通常以單位數(shù)量人口出現(xiàn)癌癥患者的比例表示。其公式為：

Riski=LADDinh·SFi

(8)

總風(fēng)險度為

(9)

式中，LADDinh為經(jīng)口鼻呼吸終生日平均暴露劑量(mg/kg·d)。SFi為斜率因子，即人體暴露于一定量重金屬環(huán)境下產(chǎn)生致癌效應(yīng)的最大概率(mg/kg·d)-1，Cr、Cd和Ni的斜率因子分別為42，6.30和0.84。RiskT為(Cr、Cd和Ni)3種重金屬的致癌總風(fēng)險度。當(dāng)Risk小于10-6～10-4時，一般認為基本不存在致癌風(fēng)險。

2結(jié)果與討論

2.1重金屬污染地積累指數(shù)法評價

地積累指數(shù)對土壤中重金屬的評價，引入背景值作為標(biāo)準(zhǔn)對重金屬含量進行歸一化處理，不但有助于了解重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人類活動對環(huán)境的影響。以國家和重慶市土壤中重金屬背景值進行計算，黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中8種重金屬元素的地積累指數(shù)及分級情況見表4。從應(yīng)用重慶市土壤重金屬背景值計算的地積累指數(shù)來看，黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中Hg達到輕度污染，其它7種重金屬沒有造成污染。但從國家土壤中重金屬背景值計算結(jié)果來看，8種重金屬均沒有對黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤造成污染。這主要是因為8種重金屬的重慶市土壤背景值和國家背景值差異所致。

表4　8種重金屬元素按重慶市及國家背景值計算地積累指數(shù)及其分級情況

然而對各村來說，又有明顯的差異。以重慶市土壤重金屬背景值計算地積累指數(shù)為例，南海村，各元素的污染程度從高到低依次為Hg>Cr>As>Cu>Pb>Zn>Ni>Cd。Hg、Cr和As地積累指數(shù)分級為1，輕度污染，其余5種(Cd、Cu、Ni、Pb和Zn)地積累指數(shù)分級為0，無實際污染；對于新建村，僅存在Cu的輕度污染；對于冊山村Cd和Hg的地積累指數(shù)分別為0.14和0.12，地積累指數(shù)分級為1，存在輕度污染。由于以上分析是基于黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域或3個村內(nèi)各元素的地積累指數(shù)的平均值，因此可以解釋這些區(qū)域8種土壤重金屬元素污染的平均情況。該研究應(yīng)用地積累指數(shù)法評價空間上不同功能區(qū)的人為污染狀況，與文獻[9]一致。

2.2健康風(fēng)險評價

2.2.1暴露量的計算

根據(jù)公式(2)～(5)計算土壤重金屬各種暴露途徑的暴露劑量見表5。

表5　重金屬不同途徑暴露劑量

結(jié)果表明，8種重金屬通過3種途徑的非致癌暴露劑量從大到小依次為Zn> Cr> Ni> Cu>Pb>As> Cd >Hg，與土壤中重金屬質(zhì)量濃度大小順序一致。在3種暴露途徑中，兒童的暴露劑量要均大于成人的暴露劑量。從暴露途徑來看，不論對于兒童還是成人，均是通過手-口攝食為土壤重金屬最主要的暴露途徑，其次是皮膚接觸，最后是呼吸吸入。Cd、Cr和Ni這3種致癌重金屬呼吸吸入途徑的終生日平均暴露劑量遠小于非致癌暴露劑量。

2.2.2非致癌風(fēng)險評估

根據(jù)公式(6)和(7)計算出黔江區(qū)農(nóng)業(yè)土壤區(qū)域重金屬的非致癌風(fēng)險商HQ和非致癌風(fēng)險指數(shù)HI(表7)。從表7看出，不同暴露途徑非致癌風(fēng)險均呈現(xiàn)兒童高于成人的特征，兒童的風(fēng)險指數(shù)HI是成人的3.98倍。在3種暴露途徑中，通過手-口攝食途徑接觸重金屬的風(fēng)險最高，兒童手-口攝食途徑風(fēng)險占非致癌暴露總風(fēng)險的95.8%，成人通過該途徑暴露風(fēng)險占總風(fēng)險的97.2%。不論對于兒童還是成人，不同重金屬在3種暴露途徑下風(fēng)險指數(shù)HI順序為As>Cr>Pb>Ni>Cu>Hg>Zn>Cd?？傮w來看，As和Cr為主要非致癌風(fēng)險因子，其HI分別為0.268和0.125。3種途徑的重金屬暴露風(fēng)險商HQ和風(fēng)險指數(shù)HI均小于1，說明黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中重金屬未達到對人體健康產(chǎn)生明顯非致癌危害水平。

重金屬健康風(fēng)險的大小除了與暴露劑量有關(guān)外，還與重金屬本身的毒性相關(guān)。Hg是自然界最主要的污染物之一，具有生物毒性的重金屬，其毒性具有持久性、生物累積性和神經(jīng)毒性(a)。Cd是環(huán)境中普遍存在的有毒重金屬之一。長期低劑量的暴露于鎘的環(huán)境中對骨骼、肝臟、腎臟等多種組織器官造成危害，甚至致癌致畸。Zn是人體必需的微量元素之一，促進人體的生長發(fā)育，促進傷口和創(chuàng)傷的愈合和調(diào)節(jié)影響大腦生理功能的各種酶和受體，但過多的Zn可使體內(nèi)的維生素C和Fe的含量減少，抑制Fe的吸收和利用，引起缺鐵性貧血。根據(jù)美國EPA提出的土壤健康風(fēng)險評價規(guī)則，某種暴露途徑的RfD值表示在單位時間、單位體重攝取的不會引起人體不良反應(yīng)的污染物最大量，該值越大，表示某元素的健康風(fēng)險越小。黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬手-口攝入途徑的風(fēng)險占總風(fēng)險的95%以上。比較手-口攝入途徑的RfDing可知，8種重金屬元素毒性從小到大依次為Hg>As>Pb>Cr>Cd>Ni> Cu>Zn。因此，在研究8種重金屬中，雖然Zn的暴露劑量是最大的，但暴露風(fēng)險卻僅高于Cd。而As因濃度較小，暴露劑量最小，但毒性大，暴露風(fēng)險最大。

表6　黔江區(qū)土壤重金屬非致癌風(fēng)險商HQ和致癌風(fēng)險指數(shù)HI

2.2.3致癌風(fēng)險評估

從表7可見，As、Cr、Cd和Ni各元素經(jīng)呼吸暴露途徑的致癌風(fēng)險度(Riski)平均值分別為9.26×10-9、1.16×10-7、4.93×10-11、1.72×10-9，各種金屬各種暴露途徑疊加后的總致癌風(fēng)險度(RiskT)為1.27×10-7，即重金屬污染將導(dǎo)致百億人中至少增加127例癌癥患者。其中Cr污染是主要致癌風(fēng)險因子，致癌風(fēng)險度貢獻率為91.3%，Cd對人的身體健康威脅基本上可以忽略不計，Cr的致癌風(fēng)險約為As的10倍。總體來看，黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤重金屬致癌風(fēng)險度均未超過10-6，遠遠低于美國EPA推薦致癌風(fēng)險度(10-6～10-4)，認為土壤重金屬通過呼吸吸入途徑不具有致癌風(fēng)險。

表7　呼吸途徑致癌風(fēng)險度

3結(jié)論

1)受地方區(qū)域背景值影響：從國家土壤重金屬背景值計算的地積累指數(shù)結(jié)果來看，8種重金屬均沒有對土壤造成污染；而從重慶市土壤重金屬背景值計算，黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)域土壤中僅Hg地積累指數(shù)為0.18，達到輕度污染，其它7種重金屬均沒有造成污染；

2)健康風(fēng)險評價結(jié)果表明，無論是成人還是兒童，手-口攝入途徑是土壤重金屬引起非致癌風(fēng)險的主要途徑。兒童的非致癌風(fēng)險均大于成人，總非致癌風(fēng)險次序為As>Cr>Pb>Ni>Cu>Hg>Zn>Cd。重金屬暴露風(fēng)險商HQ和風(fēng)險指數(shù)HI均小于1，不會對身體健康造成危害。土壤中As、Cr、Cd和Ni各元素經(jīng)呼吸途徑不具有致癌風(fēng)險。

3)應(yīng)該說明的是，研究所涉及的污染元素有限，同時重金屬對人體健康的影響過程也比較復(fù)雜，在一定程度上低估了土壤中重金屬對人體健康的潛在風(fēng)險。另外，暴露劑量評價時主要引用的是美國EPA提供的暴露參數(shù)相關(guān)的參考值，這主要針對的對象是美國人群，由于亞洲東方人種和體格等方面的差異，因而人群的實際暴露參數(shù)存在一定的差異，需要通過進一步研究對模型和評價結(jié)果進行修正。

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Assesssment on human health risk of potentially heavy metals in agricultural farmland of Qianjiang district

ZHANG Yongjiang, DENG Mao, WANG Xiangbing, YAO Jing,LIU Xianliang, CHENG Ruitao, ZHANG Zongqing

(Environmental Monitoring Center Station of Qianjiang District in Chongqing, Qianjiang, Chongqing 409000, China)

Abstract:Sample of soil was collected from agricultural farmland in Qianjiang district.The index of geoaccmulation was used to indicate the extent of heavy metal pollution. The health risk assessment model recommended by the USA EPA was used to calculate the intake of heavy metals through halation and skin exposure.The assessment results of geoaccumulation index of potential ecological risk indicated that only Hg was mild pollutant. Health risk assessment indicated that the non-cancer risk value is less than 1, indicating a relatively low health risk.Carcinogen risks (As, Cr, Cd, Ni) were lower than their threshold values, suggesting that they will not harm the health.

Key words:agricultural soil；heavy metal； index of geoaccmulation；health risk assessment

文章編號：1004—5570(2016)02-0037-06

收稿日期：2015-12-19

基金項目：重慶市社會事業(yè)與民主保障科技創(chuàng)新專項(cstc2015shmszx0042)

作者簡介：張永江(1983-)，男，高級工程師，研究方向：環(huán)境管理和監(jiān)測研究及健康風(fēng)險評價，E-mail：yjzhang008@163.com.

中圖分類號：X131.3；X820.4

文獻標(biāo)識碼：A