大冶某礦區(qū)農(nóng)地土壤重金屬污染健康風(fēng)險評價*

馮 博，周 皓，徐 陽，周俊哲，樂雪梅，陳 勇,2,3

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.國家環(huán)境保護(hù)礦冶資源利用與污染控制重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

0 引言

礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中會引起農(nóng)地大面積重金屬污染問題，與一般污染物引起的環(huán)境污染不同，農(nóng)地重金屬污染具有隱秘性和積累性等特點，因此治理難度較大[1]。加強(qiáng)對礦區(qū)農(nóng)地土壤重金屬污染健康風(fēng)險評價研究，對保護(hù)礦區(qū)農(nóng)戶身體健康、保障農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義[2]。

西方發(fā)達(dá)國家最早提出了健康風(fēng)險評價的概念，美國環(huán)境保護(hù)署于1983年對健康風(fēng)險評價提出了要求，指出通過“四步法”來評價重金屬污染導(dǎo)致的人體健康風(fēng)險，“四步法”包括危害鑒別、暴露評估、劑量-反應(yīng)評估和風(fēng)險表征4個步驟[3-4]。其中：危害識別是明確可能對人體健康產(chǎn)生危害的污染物種類；暴露評估是計算出人體暴露于污染物的量；劑量-反應(yīng)評估是找出污染物對應(yīng)的劑量-反應(yīng)關(guān)系，比如一般化學(xué)物的濃度閾值；風(fēng)險評估是綜合前面三部分計算出健康風(fēng)險[5]。通過對土壤重金屬污染影響人體健康的研究，得出人體暴露于重金屬污染的健康危害主要有3種途徑：①呼吸攝入，指吸附于土壤揚(yáng)塵與空氣污染物中的重金屬通過呼吸進(jìn)入人體；②經(jīng)口攝入，指在重金屬污染環(huán)境下經(jīng)口攝入土壤揚(yáng)塵與空氣污染物中的重金屬導(dǎo)致中毒；③皮膚接觸，指皮膚直接接觸重金屬污染物導(dǎo)致慢性中毒[6]。礦山開采、運輸?shù)然顒訉?dǎo)致礦區(qū)農(nóng)地土壤重金屬含量升高，通過以上途徑危害礦區(qū)農(nóng)戶的身體健康。因此，本文以湖北省大冶市某礦區(qū)農(nóng)地為研究對象，運用健康風(fēng)險評價模型對農(nóng)地土壤重金屬污染健康風(fēng)險進(jìn)行評價[7]，以期為農(nóng)地土壤重金屬污染防治提供參考。

1 研究區(qū)概況和樣品分析

1.1 研究區(qū)概況

某礦區(qū)位于湖北省大冶市內(nèi)，面積約6 km2。研究區(qū)內(nèi)東南部為丘陵區(qū)，西北部為盆地。北部有主港與流向大冶湖的河流相連，區(qū)內(nèi)存在多條鄉(xiāng)村公路，交通較為便利。礦區(qū)位于亞熱帶，氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，日照充足，降水豐富，年平均氣溫為16.9 ℃，多年極端最高氣溫達(dá)40.1 ℃，最低氣溫僅為-10 ℃，年均無霜期261 d，年均降水量為1 385.84 mm。

1.2 土壤樣品采集和測定

根據(jù)礦區(qū)土地利用類型，通過現(xiàn)場踏勘掌握研究區(qū)礦業(yè)生產(chǎn)活動現(xiàn)狀，了解重金屬污染來源及影響途徑。在礦區(qū)范圍內(nèi)確定采樣點位置，共設(shè)置了21個采樣點，采樣點的布置覆蓋每個田塊。利用ArcGIS生成采樣點對應(yīng)的地理位置，各采樣點空間分布見圖1。在每個采樣點的位置取表層深0～30 cm的土壤，每個采樣點需采集4份土壤，均勻混合得到1份樣品，現(xiàn)場去除大塊雜石后裝入樣品袋，標(biāo)記采樣點編號并記錄位置。將土壤樣品在實驗室內(nèi)風(fēng)干，去除碎石等雜物后研磨，過0.149 mm篩，備用。土壤樣品的pH使用pH計測定[8]，土壤樣品中各重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用AA-240 FS型原子吸收分光光度計檢測。

圖1 采樣點分布

2 健康風(fēng)險評價模型

農(nóng)地土壤重金屬污染健康風(fēng)險評價采用人體健康風(fēng)險評價模型，該模型在我國得到了廣泛應(yīng)用。選取As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等6種重金屬元素，設(shè)定3種暴露途徑(經(jīng)口攝入暴露、皮膚接觸暴露、呼吸吸入暴露)，分別對成人和兒童進(jìn)行土壤重金屬健康風(fēng)險評價，計算其非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險[9]，主要步驟包括暴露量計算和健康風(fēng)險表征。

2.1 暴露量計算

經(jīng)口攝入、皮膚接觸、呼吸吸入暴露量計算公式[10-11]分別為

(1)

(2)

(3)

式中：ADIing、ADIcon和ADIinh分別代表土壤重金屬經(jīng)口攝入、皮膚接觸和呼吸吸入的日均暴露量，mg/(kg·d)；Ci表示土壤中重金屬i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；重金屬健康風(fēng)險暴露系數(shù)EF、ED等含義與單位[12-14]見表1。

表1 土壤重金屬健康風(fēng)險暴露系數(shù)

2.2 風(fēng)險表征

非致癌健康風(fēng)險指數(shù)和致癌健康風(fēng)險指數(shù)[15-17]計算公式分別為

(4)

THI=∑HIi=∑(HIing+HIcon+HIinh),

(5)

(6)

TCR=∑CRi=∑(CRing+CRcon+CRinh),

(7)

式中：HQ表示采樣點重金屬的非致癌健康風(fēng)險系數(shù)；HQi表示采樣點在重金屬i的所有暴露途徑下的非致癌健康風(fēng)險系數(shù)；HIi表示某種重金屬在某暴露途徑下的非致癌健康風(fēng)險系數(shù)；THI表示多種重金屬在所有暴露途徑下的綜合非致癌健康風(fēng)險指數(shù)；HIing、HIcon、HIinh分別表示研究區(qū)內(nèi)各采樣點單一重金屬在對應(yīng)暴露途徑下的非致癌健康風(fēng)險系數(shù)平均值[18]；ADIn表示單一重金屬在某種暴露途徑下的暴露量(單位體質(zhì)量日均攝入量)，mg/(kg·d)；RFDi表示重金屬i的非致癌日均參考劑量，mg/(kg·d)；HC表示采樣點的重金屬致癌健康風(fēng)險系數(shù)；HCi表示采樣點單一重金屬在所有暴露途徑下的非致癌健康風(fēng)險系數(shù)；SFi為重金屬i的致癌斜率因子，mg/(kg·d)；CRi為單一重金屬在所有暴露途徑下的致癌風(fēng)險系數(shù)總和；TCR表示多種重金屬的綜合致癌風(fēng)險系數(shù)。當(dāng)HQi、HI、THI均小于1時，表示非致癌風(fēng)險可以忽略，否則表示存在非致癌風(fēng)險；當(dāng)HQi、HI、THI均大于等于10時，表示存在很強(qiáng)的非致癌風(fēng)險[19]。根據(jù)美國環(huán)保局(USEPA)給出的建議，認(rèn)為TCR可接受風(fēng)險水平為10-4～10-6，高于10-4表示存在致癌健康風(fēng)險[20]。不同暴露途徑下土壤重金屬的RFD與SF[21-23]見表2。

表2 不同暴露途徑下土壤重金屬的RFD與SF 單位：mg/(kg·d)

3 結(jié)果與分析

3.1 非致癌風(fēng)險評價

土壤重金屬經(jīng)口攝入、皮膚接觸和呼吸吸入引起的成人和兒童非致癌風(fēng)險評價結(jié)果分別見表3、表4。判斷土壤各重金屬元素在不同途徑下暴露風(fēng)險的高低[24]。由表3可知，土壤中重金屬在不同途徑下對成人的非致癌風(fēng)險中，除Pb表現(xiàn)為HQing>HQcon>HQinh以外，其余5種重金屬元素均為HQcon>HQing>HQinh。由表4可知，土壤重金屬在不同途徑下對兒童的非致癌風(fēng)險中，6種重金屬元素均表現(xiàn)為HQcon>HQing>HQinh。綜上所述，重金屬非致癌風(fēng)險暴露途徑主要為經(jīng)口攝入和皮膚接觸，呼吸吸入產(chǎn)生的非致癌風(fēng)險較小。各采樣點重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)HQ分布情況如圖2所示。由圖2可知：對成人而言，土壤中各采樣點HQ由高到低分別為Cr>As>Cd>Cu>Pb>Zn；對兒童而言，土壤中各采樣點HQ由高到低分別為Cr>As>Pb>Cu>Cd>Zn。

表3 土壤重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)(成人)

表4 土壤重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)(兒童)

圖2 土壤重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)HQ箱式圖

土壤重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)THI見表5。由表5可知：成人HI范圍為1.05×10-3～4.81，兒童HI范圍為1.09×10-2～32.62；成人THI為4.93，兒童THI為33.52；對比分析發(fā)現(xiàn)，對于每種重金屬的HI和THI，都是兒童的大于成人的，說明土壤重金屬污染對于兒童存在更大的非致癌健康風(fēng)險；成人THI大于1，兒童THI大于10，表明成人與兒童均存在土壤重金屬非致癌風(fēng)險，而兒童存在嚴(yán)重的土壤重金屬非致癌風(fēng)險。

表5 土壤重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)THI

3.2 致癌風(fēng)險評價

土壤重金屬經(jīng)口攝入、呼吸吸入、皮膚接觸引起的成人和兒童致癌風(fēng)險評價結(jié)果分別見表6、表7。當(dāng)HCi、CRi、TCR均小于1×10-4時，表示致癌風(fēng)險可以忽略，否則存在致癌風(fēng)險[25]。

由表6可知，土壤重金屬在不同途徑下對成人的致癌風(fēng)險，As和Cd均表現(xiàn)為CRcon>CRing>CRinh，Cr和Pb僅有呼吸一條途徑。由表7可知，土壤重金屬在不同途徑下對兒童的致癌風(fēng)險，As和Cd均表現(xiàn)為CRing>CRcon>CRinh，Cr和Pb僅有呼吸一條途徑。土壤各采樣點重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)HC分布情況如圖3所示。由圖3可知，對成人和兒童而言，土壤中各重金屬非致癌風(fēng)險系數(shù)HC由高到低分別為As>Cd>Cr>Pb。

表6 土壤重金屬致癌風(fēng)險系數(shù)(成人)

表7 土壤重金屬致癌風(fēng)險系數(shù)(兒童)

圖3 土壤樣點重金屬致癌風(fēng)險系數(shù)HC箱式圖

土壤重金屬致癌風(fēng)險值TCR見表8。由表8可知，成人和兒童的TCR分別為5.71×10-5和3.82×10-4，對比每種重金屬的CR和TCR，均顯示兒童的數(shù)值大于成人的，說明土壤重金屬污染對于兒童存在更大的致癌健康風(fēng)險。成人TCR位于1×10-4～1×10-6之間，而兒童TCR高于1×10-4，表明研究區(qū)土壤對成人不存在重金屬暴露致癌風(fēng)險，而對兒童存在重金屬暴露致癌風(fēng)險，需避免兒童進(jìn)入該區(qū)域。

表8 成人和兒童土壤重金屬綜合致癌風(fēng)險系數(shù)TCR

4 結(jié)論

大冶某礦區(qū)農(nóng)地土壤的重金屬污染健康風(fēng)險評價結(jié)果表明，成人與兒童均存在重金屬非致癌風(fēng)險，而兒童存在嚴(yán)重的重金屬非致癌風(fēng)險；礦區(qū)農(nóng)地土壤對成人不存在重金屬暴露致癌風(fēng)險，而對兒童存在重金屬暴露致癌風(fēng)險。農(nóng)地土壤重金屬非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險均顯示兒童的數(shù)值大于成人的，說明土壤重金屬污染對于兒童存在更大的健康風(fēng)險。礦區(qū)內(nèi)農(nóng)地土壤對農(nóng)戶存在健康風(fēng)險，需要采取相關(guān)處理措施。