飲水型砷中毒病區(qū)人群砷暴露量及尿砷的季節(jié)變化

韋炳干，高健偉，柴園慶,2，虞江萍，楊林生,*，夏雅娟，武克恭，郭志偉

1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100101 3. 內(nèi)蒙古地方病防治研究中心，呼和浩特 010031 4. 中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

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飲水型砷中毒病區(qū)人群砷暴露量及尿砷的季節(jié)變化

韋炳干1，高健偉4，柴園慶1,2，虞江萍1，楊林生1,*，夏雅娟3，武克恭3，郭志偉3

1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100101 3. 內(nèi)蒙古地方病防治研究中心，呼和浩特 010031 4. 中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

地下水高砷暴露的健康危害是環(huán)境與健康領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。水砷含量及暴露人群飲水量參數(shù)的季節(jié)性變化可能影響飲水砷暴露評(píng)估的準(zhǔn)確性。本研究選擇內(nèi)蒙古飲水砷中毒病區(qū)為研究區(qū)，測(cè)定豐水期(2013年5月)和枯水期(2013年12月)居民飲用水和尿液各形態(tài)砷(三價(jià)無(wú)機(jī)砷iAs3+、五價(jià)無(wú)機(jī)砷iAs5+、一甲基砷MMA5+和二甲基砷DMA5+)含量，研究砷暴露量和尿砷的季節(jié)變化。結(jié)果表明，豐水期水砷含量(134.4±25.8) μg·L-1顯著低于枯水期的(163.2±38.1) μg·L-1，且豐水期水中iAs3+的含量(58.9±51.2) μg·L-1也顯著低于枯水期的(100.1±49.0) μg·L-1。研究人群豐水期通過(guò)飲水的攝砷量為313.1 μg·d-1，低于枯水期的378.6 μg·d-1。此外，豐水期居民尿液總砷含量(218.6 μg·L-1)顯著低于枯水期(283.1 μg·L-1)。豐水期女性居民尿液iAs、MMA5+和總砷含量隨當(dāng)季飲水iAs5+含量的升高而顯著降低，枯水期女性尿液MMA5+含量隨當(dāng)季飲水iAs3+及iAs含量的升高而顯著升高?？梢?jiàn)，病區(qū)居民飲水砷暴露量與尿砷含量具有明顯的季節(jié)差異性，飲水砷與尿砷的關(guān)系受飲水砷形態(tài)、季節(jié)變化及性別等因素影響。

砷；暴露劑量；飲水；季節(jié)；尿

Received 13 June 2016 accepted 1 July 2016

飲水型砷中毒是長(zhǎng)期暴露于因地球化學(xué)性原因?qū)е潞榱窟^(guò)高的飲用水所致。水砷濃度可能隨季節(jié)、時(shí)間的不同而不同，甚至變化幅度很大[1-3]。人群飲水暴露參數(shù)也隨季節(jié)變化，夏季攝水量高于冬季，男性高于女性[4]。因此，研究砷濃度隨季節(jié)變化的規(guī)律，對(duì)砷中毒的流行病學(xué)研究及其防治措施具有重要意義[5]。

我國(guó)內(nèi)蒙古飲水型砷中毒病區(qū)是世界上僅次于印度-孟加拉病區(qū)的第二大病區(qū)。病區(qū)內(nèi)砷中毒分布廣，危害大，全自治區(qū)有11個(gè)縣旗的600多個(gè)自然村流行砷中毒，受影響人口超過(guò)25萬(wàn)。目前為止，有關(guān)內(nèi)蒙古飲水型砷暴露的季節(jié)性研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究探討了該病區(qū)豐水期和枯水期飲用水總砷、形態(tài)砷，人群日砷攝入量以及尿砷排泄量的變化，為提高砷暴露評(píng)估的準(zhǔn)確性與科學(xué)性提供依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究對(duì)象

本文選擇研究區(qū)常住的92名村民為研究對(duì)象，其中男性44人，年齡在35～81歲，平均年齡54.5歲；女性48人，年齡在37～82歲，平均年齡54.9歲。經(jīng)調(diào)查，這92名村民均為常住人口，生活環(huán)境無(wú)顯著差異，且在采樣前7 d內(nèi)均未食用海產(chǎn)品。研究對(duì)象均獲得知情同意。

1.2 樣品采集和保存

豐水期(2013年5月)和枯水期(2013年12月)采集研究區(qū)居民飲用水和村民的空腹晨尿樣品。水樣采集于居民室內(nèi)飲用的末梢水，采樣前用水樣反復(fù)沖洗干凈的采樣瓶及瓶塞3次，并將末梢水空放5 min后取水樣100 mL。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)關(guān)于微量元素相關(guān)的血液和尿液樣品的采集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)[6]，采集空腹晨尿50 mL于100 mL聚丙烯離心管中。水樣和尿樣采集后立即放在0 ℃冰盒中避光保存，并于8 h內(nèi)運(yùn)送到地方疾控中心-20 ℃條件下保存。5 d內(nèi)運(yùn)回北京中科院地理所中心理化分析實(shí)驗(yàn)室，立即進(jìn)行分析測(cè)定。

1.3 主要儀器和試劑

形態(tài)砷化合物的分離：高效液相色譜(HPLC)(PerkinElmer 200 series, USA)；形態(tài)砷化合物含量測(cè)定：電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)(Elan DRC-e，PerkinElmer, USA)。

1.4 形態(tài)砷測(cè)定

待測(cè)樣品在常溫下解凍。進(jìn)行形態(tài)分析之前，用0.22 μm的針筒式過(guò)濾器過(guò)濾樣品除去雜質(zhì)，防止大分子堵塞色譜柱。PRP-X100陰離子色譜柱分離4種形態(tài)砷化合物，色譜柱前加保護(hù)柱(10 μm, 20 mm, 2.0 mm id., Hamilton)。流動(dòng)相為20 mmol·L-1磷酸二氫銨，用氨水調(diào)節(jié)pH值到6.0。用0.45 μm水性膜過(guò)濾流動(dòng)相，超聲振蕩10 min后備用。三價(jià)無(wú)機(jī)砷iAs3+、五價(jià)無(wú)機(jī)砷DMA5+、一甲基砷MMA5+和二甲基砷DMA5+4種形態(tài)砷的出峰時(shí)間分別為1.3、1.9、3.7和7.2 min。采用LC 200色譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件控制，按外標(biāo)法以峰面積積分值計(jì)算各形態(tài)砷含量。

ICP-MS系統(tǒng)在動(dòng)力反應(yīng)池(DCR)模式下通入O2為反應(yīng)氣，對(duì)AsO+(91 amu)進(jìn)行檢測(cè)。由3倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算檢出限，得到4種形態(tài)砷化合物(iAs3+, iAs5+, MMA5+和DMA5+)的檢出限分別為0.11、0.39、0.134和0.158 μg·L-1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%。砷形態(tài)測(cè)定的質(zhì)量控制方法包括平行樣品測(cè)定和加標(biāo)回收。平行樣品測(cè)定的偏差不超過(guò)5%，而尿樣中分別加入濃度為50 μg·L-1的iAs3+、iAs5+、MMA5+和DMA5+標(biāo)準(zhǔn)樣品，其回收率分別為83%～94%、85%～98%，80%～102%和96%～111%。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

研究人群通過(guò)飲水的砷攝入量計(jì)算公式為：

ADD=CAs×IRWater

公式中，ADD為砷的日平均攝入量(μg·d-1)，CAs飲水砷含量(μg·L-1)，IRWater飲水?dāng)z入量(mL·d-1)。

本文利用SPSS(version 11.5, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)軟件對(duì)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析。獨(dú)立樣本t-檢驗(yàn)用于比較豐水期和枯水期的水砷濃度；配對(duì)樣本t-檢驗(yàn)用于比較豐水期和枯水期人群的尿砷含量；經(jīng)檢驗(yàn)本研究用于相關(guān)性分析的水砷、尿砷數(shù)據(jù)呈偏態(tài)或近似正態(tài)分布，故采用Spearman秩相關(guān)分析對(duì)原始水砷和尿砷數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果(Results)

2.1 水砷季節(jié)變化

根據(jù)我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[7](GB 5749—2006)，病區(qū)水樣總砷含量超標(biāo)(10 μg·L-1)率100%。豐水期水總砷含量均值為134.4 μg·L-1，含量范圍為88.2～193.7 μg·L-1，平均約是標(biāo)準(zhǔn)限值的13倍。枯水期水總砷含量均值是163.2 μg·L-1，含量范圍為89.8～231.1 μg·L-1，平均約是標(biāo)準(zhǔn)限值的16倍。t-檢驗(yàn)的結(jié)果表明，病區(qū)豐水期飲用水總砷含量顯著低于枯水期(表1)。

水樣砷以無(wú)機(jī)砷為主，所有水樣均未檢出有機(jī)砷。豐水期飲用水中iAs3+含量(58.9±51.2) μg·L-1，平均約占iAs的41.9%，顯著低于枯水期的含量(100.1±49.0) μg·L-1，平均約占iAs的58.0%；而飲用水中iAs5+在豐水期的含量為(75.5±47.0) μg·L-1，在枯水期的含量為(63.1±25.0) μg·L-1，2個(gè)季節(jié)之間無(wú)明顯差異?？梢?jiàn)，飲水砷賦存形態(tài)的季節(jié)性差異主要表現(xiàn)為iAs3+含量的差異。

表1 內(nèi)蒙古砷中毒研究區(qū)的豐水期和枯水期飲用水中的砷

注：“*”表示與豐水期相比，P<0.05；豐水期、枯水期飲用水水樣分別采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note:“*” indicates P<0.05 compared with that in wet season; drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

2.2 攝砷量季節(jié)變化

在水中污染物濃度準(zhǔn)確定量的情況下，飲水暴露參數(shù)的取值越接近于目標(biāo)人群的實(shí)際暴露狀況，對(duì)暴露劑量的估算愈準(zhǔn)確。根據(jù)《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》[8]，內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)村地區(qū)居民的總飲水量(包括了直接飲水和通過(guò)食物的間接飲水)，春秋季和冬季分別為2 329 mL·d-1和2 320 mL·d-1。豐水期和枯水期的日攝砷(iAs)量分別為313.1 μg·d-1和378.6 μg·d-1，枯水期明顯高于豐水期(表2)；其中豐水期日攝砷量包括137.2 μg·d-1的iAs3+攝入劑量和175.9 μg·d-1的iAs5+攝入劑量，枯水期日攝砷量包括232.2 μg·d-1的iAs3+砷攝入劑量和146.4 μg·d-1的iAs5+攝入劑量。WHO(World Health Organization)制定的人體攝入砷安全劑量參考值為3 μg·kg-1·d-1[9]，按照居民平均體重60 kg計(jì)算，人體攝入砷安全劑量為180 μg·d-1，豐水期和枯水期的日攝砷量均超過(guò)安全劑量，枯水期病區(qū)居民攝入的無(wú)機(jī)三價(jià)砷劑量也超過(guò)該安全值。

根據(jù)《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》，內(nèi)蒙古農(nóng)村地區(qū)居民豐水期和枯水期日?？傦嬎繀⒖贾捣謩e為，男性為2 445和2 400 mL·d-1，女性為2 193和2 226 mL·d-1，推算出的豐水期和枯水期男性飲水日攝砷量顯著高于女性(圖1)。豐水期男性日攝砷量比女性高11.5%，枯水期男性的日攝砷量比女性高7.8%。

2.3 尿砷季節(jié)變化

人體暴露的砷主要通過(guò)尿排泄，尿砷是短期砷暴露標(biāo)志物[10-11]，能夠較好反映人體的近期砷暴露水平。經(jīng)配對(duì)樣本t-檢驗(yàn)，枯水期病區(qū)人群尿液無(wú)機(jī)砷(iAs)，一甲基砷(MMA)，二甲基砷(DMA)和總砷含量總體上均顯著高于豐水期(圖2)。這與枯水期病區(qū)居民日砷攝入量高于豐水期的結(jié)果一致。

無(wú)論是在豐水期還是枯水期，男性尿液iAs、MMA和總砷含量高于女性，可能與男性飲水砷攝入量較高有關(guān)；而在2個(gè)采樣季節(jié)女性尿液DMA含量卻比男性高，這與無(wú)機(jī)砷在人體內(nèi)部甲基化能力的性別間差異有關(guān)(圖3)。

圖1 男性和女性的飲水砷日攝入量Fig. 1 The daily intake of arsenic from drinking water for male and female

圖2 豐水期和枯水期人群的尿砷含量Fig. 2 Arsenic metabolites in urine of study subjects in wet and dry seasons

表2 內(nèi)蒙古砷中毒研究區(qū)豐水季和枯水季暴露人群的飲水日攝砷量

注：豐水期、枯水期飲用水水樣分別采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note: Drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

圖3 居民尿砷代謝物含量的性別間差異Fig. 3 Arsenic metabolites in urine of female and male subjects studied

表3 飲用水砷與尿砷代謝物含量的Spearman相關(guān)性

注：“*”、“**”分別代表P<0.05、P<0.01；豐水期、枯水期飲用水水樣分別采集于2013年5月份、2013年12月份。

Note:“*” and “**” stand for P<0.05 and P<0.01, respectively; drinking water samples in wet and dry season were collected from households in May and December, 2013 respectively.

2.4 水砷與尿砷關(guān)系

表3表明豐水期女性尿液iAs含量隨飲水iAs3+的升高而顯著升高，隨iAs5+的升高而顯著降低，女性尿液MMA、總砷含量亦與飲水iAs5+含量呈顯著水平的負(fù)相關(guān)；枯水期居民尿液MMA含量總體隨飲水iAs3+與iAs含量的升高而顯著升高。此外，枯水期女性尿液MMA含量與飲水iAs3+、iAs含量，尿液DMA5+含量與飲水iAs3+含量具有顯著的正相關(guān)性。

3 討論(discussion)

根據(jù)前人研究，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州西部井水砷濃度季節(jié)性變化不顯著，在所調(diào)查的365眼水井中，水砷含量雨季高于旱季的井?dāng)?shù)約占22%，旱季高于雨季的井?dāng)?shù)約占21%，其余水井的水砷含量季節(jié)差異較小[3]。一項(xiàng)來(lái)自印度西孟加拉邦飲水型砷中毒病區(qū)的研究[5]表明，夏季居民飲水砷含量均值(694 μg·L-1)最低、雨季(906 μg·L-1)最高；在不考慮井深條件下，水砷含量從2002年冬天的464 μg·L-1升高到2003年冬天的820 μg·L-1(P< 0.001)。在孟加拉Matlab的病區(qū)，管井水砷含量從2002年7月的153 μg·L-1降低到2005年9月的123 μg·L-1[2]。本研究結(jié)果表明內(nèi)蒙古飲水型地方性砷中毒病區(qū)地下水砷季節(jié)性變化較為明顯，枯水期(2013年12月份)地下水iAs3+和iAs含量顯著高于豐水期(2013年5月份)。研究區(qū)居民所飲用的高砷水為淺層地下水，其對(duì)地表水補(bǔ)給的影響較為敏感。研究區(qū)灌溉高峰期為4—6月份，且處于雨季，因此研究區(qū)的淺層地下水在豐水期受到灌溉水和地表水補(bǔ)給的影響，導(dǎo)致豐水期地下水總砷含量降低，而枯水期淺層地下水得不到補(bǔ)給，地下水位下降，使得地下水總砷含量升高。而地下水iAs3+含量的季節(jié)性變化則可能受地下水與空氣的接觸性影響，淺層地下水與空氣接觸的減少可能造成沉積物中的砷發(fā)生還原性解吸附[12]。研究區(qū)枯水期常處于土壤上層凍結(jié)時(shí)期，影響地面空氣進(jìn)入淺層地下水，這可能是導(dǎo)致枯水期地下水iAs3+升高重要原因。

由于iAs5+對(duì)人體的毒性小于iAs3+，砷中毒病情不僅與飲水iAs含量有明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，還與砷存在的形態(tài)和價(jià)態(tài)直接相關(guān)。Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，同為飲水型砷中毒病區(qū)的內(nèi)蒙古和新疆的砷中毒病情顯著差異，內(nèi)蒙古水砷含量超過(guò)50 μg·L-1就出現(xiàn)砷中毒臨床皮膚損傷，而新疆水砷含量超過(guò)200 μg·L-1才出現(xiàn)皮膚損傷癥狀，且內(nèi)蒙古的病情比新疆重。內(nèi)蒙古病區(qū)的地下水化學(xué)環(huán)境中總?cè)芙夤腆w(TDS)、Na+、Cl-、F-、As、腐植酸等含量較高，為富含有機(jī)質(zhì)、H2S、CH4氣體的還原環(huán)境[14]，促使As5+向毒性更強(qiáng)的As3+轉(zhuǎn)化。新疆病區(qū)地下水為以iAs5+為主的氧化環(huán)境[15]，這可能是其患病率低于內(nèi)蒙古的主要原因。本研究中枯水期水樣中iAs3+含量顯著高于豐水期，表明枯水期砷暴露人群受到更強(qiáng)的毒性危害，在暴露評(píng)估中應(yīng)重視砷形態(tài)的季節(jié)性變化。

飲水量是客觀評(píng)價(jià)水中各種污染物(致癌、非致癌物)經(jīng)飲水途徑所致人群健康危害的關(guān)鍵指標(biāo)之一。內(nèi)蒙古農(nóng)村地區(qū)春秋季和冬季的飲水量差異不大，均高于世界衛(wèi)生組織建議的成人日均飲水量2 000 mL·d-1，攝砷量的差異主要來(lái)自水砷含量的變化。性別也是影響飲水率的重要因素。男性基礎(chǔ)代謝通常高于女性，能量消耗也多于女性，故體內(nèi)需水量往往比女性多，而相同身體活動(dòng)形式下體重大的個(gè)體消耗的能量高于體重輕的個(gè)體，因此男性的飲水率大于女性，攝砷量的差異可能是我國(guó)地方性砷中毒病區(qū)普遍存在的男性砷中毒病情比女性嚴(yán)重的原因之一。

本研究結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古飲水型地方性砷中毒病區(qū)枯水期飲用水的總砷和iAs3+含量、居民日攝砷量、尿砷代謝物含量均顯著高于豐水期，因此在飲水砷的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中砷暴露的季節(jié)性不容忽視。

致謝：感謝地方疾控部門和內(nèi)蒙古自治區(qū)地方病防治研究中心工作人員在現(xiàn)場(chǎng)采樣及流行病學(xué)調(diào)查中的大力支持和幫助。

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Seasonal Variations of Arsenic in Drinking Water and Urine for Exposed Population from an Endemic Arsenism Region

Wei Binggan1, Gao Jianwei4, Chai Yuanqing1,2, Yu Jiangping1, Yang Linsheng1,*, Xia Yajuan3, Wu Kegong3, Guo Zhiwei3

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 3. Inner Mongolia Center for Endemic Disease Control and Research, Hohhot 010031, China 4. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China

Human health effects caused by arsenic exposure in drinking water is a remarkable challenge in the field of environmental health. The seasonal variation of arsenic content in drinking water and water intake parameter of exposed population may significantly influence the accuracy of arsenic exposure assessment. In order to investigate the seasonal variations of arsenic concentration in drinking water and the contents of arsenic metabolites in urine, an endemic arsenism region in Inner Mongolia was selected for study area. Arsenic concentrations in drinking water and arsenic metabolites concentrations in urine of the study subjects are determined in wet season (May, 2013) and dry season (Dec., 2013). The results indicate that the mean arsenic concentration in drinking water is significantly lower in wet season (134.4 μg·L-1±25.8 μg·L-1) than in dry season (163.2 μg·L-1±38.1 μg·L-1). The contents of iAs3+(trivalent arsenic)in water in wet season and dry season are (58.9±51.2) and (100.1±49.0) μg·L-1, respectively. The intake of arsenic via drinking water for the study subjects is 313.1 μg·d-1in wet season, while the value in dry season is 378.6 μg·d-1. In addition, total arsenic contents in urine of the study subjects in wet season and dry season are 218.6 and 283.1 μg·L-1, respectively. The concentrations of iAs (inorganic arsenic) and MMA5+(monomethylated arsenic) in urine of female are usually elevated with the increasing of iAs5+in drinking water in wet season. In dry season, the concentration of MMA5+in urine of female is positively associated with iAs3+and iAs in drinking water. It can be concluded that arsenic concentrations in drinking water and arsenic metabolites contents in urine for the study subjects have obviously seasonal variation. The relationships between arsenic in drinking water and arsenic in urine may be influenced by arsenic species, season and gender.

arsenic; exposure dose; drinking water; season; urine

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41230749)“飲水和燃煤砷污染生態(tài)系統(tǒng)中砷從環(huán)境到人體轉(zhuǎn)化的比較研究”

韋炳干(1982-)，男，博士，研究方向?yàn)榈乩憝h(huán)境與人類健康，E-mail: weibg@igsnrr.ac.cn；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: yangls@igsnrr.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20160613001

2016-06-13 錄用日期：2016-07-01

1673-5897(2016)4-204-07

X171.5

A

簡(jiǎn)介：楊林生(1966—)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榈乩憝h(huán)境與人類健康，尤其關(guān)注環(huán)境生命元素與健康的研究，發(fā)表相關(guān)研究論文150余篇。

韋炳干, 高健偉, 柴園慶, 等. 飲水型砷中毒病區(qū)人群砷暴露量及尿砷的季節(jié)變化[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(4): 204-210

Wei B G, Gao J W, Chai Y Q, et al. Seasonal variations of arsenic in drinking water and urine for exposed population from an endemic arsenism region [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 204-210 (in Chinese)