近年来,饮用水中重金属污染物越来越受到学者和公众的重视[1-2]。镉可以在人体蓄积而损害肾脏和骨骼,导致痛痛病,且有致癌性;铅可以损害骨髓造血系统、免疫系统和神经系统;砷可以损害神经系统、皮肤、动脉血管,甚至导致皮肤癌;长期低剂量接触六价铬会引起扁平上皮癌、腺癌、肺癌等疾病;汞也是一种危害较严重的污染物,1931年日本发生的水俣病是由于饮用水受到汞污染造成的[3]。地下水是石家庄市农村生活饮用水的主要来源,然而,目前石家庄市还缺乏农村地区饮用水中的重金属对人体健康危害的风险评估资料。本研究采用美国环保局推荐的健康风险评价模型[4]对石家庄市10个农村县的地下饮用水进行健康风险评价,以便确定污染物的主次及治理的优先程度,对指导农村生态系统管理和降低农村饮用水污染风险具有重要意义。
1 材料与方法 1.1 对象结合地理位置、经济水平、供水范围等因素抽取10个县(A县、B县、C县、D县、E县、F县、G县、H县、I县、J县)、245个行政村,每村随机抽取1个集中式供水厂作为监测点,共计245个国家级和省级监测点。
1.2 水样的采集与检测于2012年枯水期(4月)和丰水期(7月)分别对各监测点的出厂水进行采集检测,水样的采集、保存和检测按照《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB/T 5750-2006)[5]进行。检测指标包括对人体健康有危害的且可能超标的砷、镉、铬、铅和汞共计5项重金属指标。检测结果按照《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[6]进行评价。
1.3 检测的质量控制为保证检测数据的可靠性,参加检测的实验室均通过了计量认证,现场采样和实验室分析均有严格质量保证措施和检测数据的审核检查制度。
1.4 统计分析方法采用SPSS 17.0统计软件分析检测数据,采用秩和检验统计分析丰水期与枯水期砷、铬、镉、铅和汞含量的差异性。
1.5 健康风险评价本研究采用美国环保局推荐的健康风险评价模型[4],对调查地区地下水中重金属进行健康危险度特征分析。重金属污染物健康危害风险评价分为基因毒物质和躯体毒物质风险评价两类。
1.5.1 基因毒物质所致健康风险危害评价风险评价模式为:
$\begin{array}{l} {R^c} = \sum\limits_{i = 1}^k {R_j^c} \\ R_j^c = \left[ {1 - \exp \left( {{D_i}{Q_i}} \right)} \right]/70\\ {D_i} = 2.2 \times {C_i}/70 \end{array}$ |
式中:Rc—k个基因毒物质通过饮水途径所致的健康危害个人年总风险,/年;
Ric—基因毒物质i通过饮水途径所致平均个人健康危害年风险, /年;
Di—基因毒物质i通过饮水途径的单位体重日均暴露剂量, mg/(kg ·d);
Qi—基因毒物质通过饮水途径致癌系数, mg/(kg ·d);
70—人类平均寿命,年;
2.2—成人每日平均饮用水量,L;
Ci—基因毒物质i的浓度,mg/L;
70—成人平均体重,kg。
1.5.2 躯体毒物质所致健康风险危害评价风险评价模式为:
$\begin{array}{l} {R^n} = \sum\limits_{i = 1}^l {R_i^c} \\ R_i^c = \left( {{D_{ip}} \times {{10}^{ - 6}}/Rf{D_{ip}}} \right)/70 \end{array}$ |
式中:Rn—l个躯体毒物质通过饮水途径所致健康危害个人年总风险,/年;
Ric—躯体毒物质i通过饮水途径所致个人的健康危害年风险,/年;
Dip—躯体毒物质i通过饮水途径的单位体重日均暴露剂量,mg/(kg ·d);
RfDip—躯体毒物质通过饮水途径参考剂量,mg/(kg ·d);
70—人类平均寿命,年。
假设有毒物质对人体健康危害的毒性作用呈相加关系,而非协同或拮抗关系,则饮用水重金属总的健康危害风险为:
${R_总} = {R^c} + {R^n}$ |
参考美国环保局的公众健康评估手册[4],砷、铬(六价)和镉的基因毒物质致癌强度系数(Qi)分别是15 mg/(kg ·d)、41 mg/(kg ·d)和6.1 mg/(kg ·d);汞和铅的躯体毒物质参考剂量(RfDip)分别是3.0×10-4mg/(kg ·d)和1.4×10-3 mg/(kg ·d)
2 结果 2.1 农村饮用水重金属含量情况石家庄市农村饮用水砷、铬、镉、铅和汞含量全部符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[6]规定限值。经秩和检验,砷、汞含量枯水期和丰水期有显著差异(砷:Z=-2.603,P<0.05;汞:Z=-6.210,P<0.05),而铬、镉和铅在枯水期和丰水期无显著差异(铬:Z=-0.830,P>0.05;镉:Z=-1.713,P>0.05;铅:Z=-1.733,P>0.05)。5种金属的具体检测结果及中位数见表 1。
监测 时期 | 监测点 (县) | 样品数 (份) | 砷* | 镉 | 铬 | 铅 | 汞* | |||||
范围 | 中位数 | 范围 | 中位数 | 范围 | 中位数 | 范围 | 中位数 | 范围 | 中位数 | |||
枯 水 期 | A | 10 | 5.00 | 5.00 | 0.25 | 0.25 | 2.00 | 2.00 | 5.00 | 5.00 | 0.10 | 0.10 |
B | 30 | 0.25~0.5 | 0.25 | 0.05 | 0.05 | 2~19.00 | 9.50 | 0.25~0.50 | 0.50 | 0.03~0.90 | 0.30 | |
E | 40 | 0.61~5.00 | 3.25 | 0.03~0.25 | 0.14 | 2.00 | 2.00 | 0.04~1.25 | 0.79 | 0.03~0.20 | 0.10 | |
D | 10 | 0.50 | 0.50 | 2.50 | 2.50 | 2.00 | 2.00 | 5.00 | 5.00 | 0.50 | 0.50 | |
E | 30 | 5.00 | 5.00 | 1.50~2.50 | 2.50 | 2.00 | 2.00 | 5.00 | 5.00 | 0.50 | 0.50 | |
F | 10 | 5.00 | 5.00 | 0.25 | 0.25 | 2.00 | 2.00 | 1.25 | 1.25 | 0.01 | 0.01 | |
G | 25 | 5.00 ~25.00 | 5.00 | 0.25~0.50 | 0.25 | 11.00~26.00 | 16.00 | 2.50~5.00 | 2.50 | 0.50 | 0.50 | |
H | 20 | 5.00 | 5.00 | 0.50 | 0.50 | 5.00 | 5.00 | 5.00 | 5.00 | 0.50 | 0.50 | |
I | 40 | 0.50 | 0.50 | 1.00~5.00 | 2.50 | 2.50~46.50 | 20.00 | 2.50 | 2.50 | 0.11~0.62 | 0.36 | |
J | 30 | 1.00 | 1.00 | 0.50 | 0.50 | 4.00 | 4.00 | 2.50 | 2.50 | 0.10 | 0.10 | |
合计 | 245 | 0.25~25.00 | 1.00 | 0.03~5.00 | 0.50 | 2.00~46.50 | 4.00 | 0.04~5.00 | 2.50 | 0.01~0.90 | 0.35 | |
丰 水 期 | A | 10 | 5.00 | 5.00 | 0.25 | 0.25 | 2.00 | 2.00 | 5.00 | 5.00 | 0.10 | 0.10 |
B | 30 | 0.50 | 0.50 | 0.20~0.40 | 0.20 | 2.00~11.00 | 5.50 | 0.05~0.70 | 0.05 | 0.05~0.80 | 0.05 | |
C | 40 | 0.25~5.00 | 5.00 | 0.25~2.50 | 0.25 | 2.00 | 2.00 | 1.25~5.00 | 1.25 | 0.10~0.25 | 0.10 | |
D | 10 | 3.00~4.00 | 3.00 | 2.50 | 2.50 | 2.00 | 2.00 | 5.00 | 5.00 | 0.10 | 0.10 | |
E | 30 | 5.00 | 5.00 | 2.50 | 2.50 | 4.00 | 4.00 | 5.00 | 5.00 | 0.50 | 0.50 | |
F | 10 | 5.00 | 5.00 | 0.25 | 0.25 | 2.00 | 2.00 | 1.25 | 1.25 | 0.01 | 0.01 | |
G | 25 | 5.00 | 5.00 | 0.25~2.00 | 0.25 | 11.00~25.00 | 16.00 | 2.50 | 2.50 | 0.50 | 0.50 | |
H | 20 | 0.50 | 0.50 | 0.25 | 0.25 | 5.00 | 5.00 | 2.50 | 2.50 | 0.05 | 0.05 | |
I | 40 | 0.50 | 0.50 | 1.00~5.00 | 2.50 | 12.10~47.80 | 24.30 | 5.00 | 5.00 | 0.05 | 0.05 | |
J | 30 | 0.50 | 0.50 | 0.25 | 0.25 | 0.25~2.00 | 2.00 | 1.25 | 1.25 | 0.05 | 0.05 | |
合计 | 245 | 0.25~5.00 | 0.50 | 0.20~5.00 | 0.25 | 0.25~47.80 | 4.00 | 0.05~5.00 | 2.50 | 0.01~0.80 | 0.05 | |
注:*经秩和检验,枯水期与丰水期比较有显著性差异,P<0.05 |
2.2 农村饮用水基因毒物质健康危害风险评价
由表 2可知,石家庄市砷、镉、铬通过饮水途径引起的健康危害个人年总风险范围,枯水期为4.99 ~39.61×10-5/年;丰水期为3.90~46.67×10-5/年。枯水期有5个监测点铬的健康危害个人年风险水平高于ICRP推荐的最大可接受水平(5.0×10-5/年),分别是I县、G县、B县、H县和J县,最高值为38.52×10-5/年(I县),超过ICRP推荐水平近7倍。除D县外,其它9个监测点3种基因毒物质的健康危害的个人年总风险水平高于ICRP推荐的最大可接受水平,最高值为39.61×10-5/年(I县),超过ICRP推荐水平近7倍;丰水期有5个监测点铬的健康危害的个人年风险水平高于ICRP推荐的最大可接受水平,分别是I县、G县、B县、E县和H县,最高值为46.67×10-5/年(I县),超过ICRP推荐水平8倍多。除J县外其它9个监测点3种基因毒物质的健康危害的个人年总风险水平高于ICRP推荐的最大可接受水平,最高值为47.76×10-5/年(I县),超过ICRP推荐水平8倍多。3种基因毒物质通过饮水途径引起的健康危害的个人年风险水平由高到低的监测点顺序为枯水期:I县>G县>B县>H县>J县>E县>A县、F县>C县>D县;丰水期:I县>G县>E县>B县>H县>D县、C县、F县>D县>J县。
监测时期 | 监测点(县) | 基因毒物质(10-5/年) | 躯体毒物质(10-10/年) | |||||
砷 | 镉 | 铬 | 合计 | 铅 | 汞 | 合计 | ||
枯水期 | A | 3.57 | 0.07 | 3.90 | 7.54 | 17.01 | 1.56 | 18.57 |
B | 0.18 | 0.01 | 18.43 | 18.62 | 1.7 | 4.76 | 6.46 | |
C | 2.32 | 0.04 | 3.90 | 6.26 | 2.67 | 1.59 | 4.26 | |
D | 0.36 | 0.73 | 3.90 | 4.99 | 17.01 | 7.94 | 24.95 | |
E | 3.57 | 0.73 | 3.90 | 8.20 | 17.01 | 7.94 | 24.95 | |
F | 3.57 | 0.07 | 3.90 | 7.54 | 4.25 | 0.16 | 4.41 | |
G | 3.57 | 0.07 | 30.90 | 34.54 | 8.5 | 7.94 | 16.44 | |
H | 3.57 | 0.15 | 9.73 | 13.45 | 17.01 | 7.94 | 24.95 | |
I | 0.36 | 0.73 | 38.52 | 39.61 | 8.5 | 5.64 | 14.14 | |
J | 0.71 | 0.15 | 7.79 | 8.65 | 8.5 | 1.59 | 10.09 | |
丰水期 | A | 3.57 | 0.07 | 3.90 | 7.54 | 17.01 | 1.59 | 18.60 |
B | 0.36 | 0.06 | 10.70 | 11.12 | 0.17 | 0.79 | 0.96 | |
C | 3.57 | 0.07 | 3.90 | 7.54 | 4.25 | 1.59 | 5.84 | |
D | 2.14 | 0.73 | 3.90 | 6.77 | 17.01 | 1.59 | 18.60 | |
E | 3.57 | 0.73 | 7.79 | 12.09 | 17.01 | 7.94 | 24.95 | |
F | 3.57 | 0.07 | 3.90 | 7.54 | 4.25 | 0.16 | 4.41 | |
G | 3.57 | 0.07 | 30.90 | 34.54 | 8.5 | 7.94 | 16.44 | |
H | 0.36 | 0.07 | 9.73 | 10.16 | 8.5 | 0.79 | 9.29 | |
I | 0.36 | 0.73 | 46.67 | 47.76 | 17.01 | 0.79 | 17.80 | |
J | 0.36 | 0.07 | 3.90 | 4.33 | 4.25 | 0.79 | 5.04 |
2.3 农村饮用水躯体毒物质健康危害风险评价
由表 2可知,铅和汞通过饮水途径引起的健康危害个人年总风险范围,枯水期为4.41~24.95×10-10/年,平均值为14.06×10-10/年;丰水期为0.96~24.95×10-10/年,平均值为9.29×10-10/年。铅通过饮水途径引起的健康危害的个人年风险水平高于汞,但均低于ICRP推荐的最大可接受水平。2种躯体毒物质通过饮水途径引起的健康危害的个人年风险水平由高到低的监测点顺序为枯水期:D县、E县、H县>A县>G县>I县>J县>B县>C县>F县;丰水期:E县>A县、D县>I县>G县>H县>C县>J县>F县>A县。
3 讨论健康风险评价不同于当前依据国家标准限值来评价水质是否合格的方法,较传统的水质等级评价体系能够更直观地表征水体中各污染物对人体健康的潜在危害,有利于明确水体污染物治理的优先顺序,为水环境管理提供科学依据[7-8],它综合了污染物危害程度、暴露水平、暴露时间等因素在内的一种将水环境污染与人体健康联系起来的评价方法,以人体健康危害的年风险作为评价因子,使评价指标落实到人体健康上,更有现实意义[9]。水环境健康风险评价主要是针对水环境中有害于人体的两类物质:基因毒物质和躯体毒物质。前者包括放射性污染物和化学致癌物;后者则指非化学致癌物。在一般水体中放射性污染物污染程度很轻,因此基因毒物质仅考虑化学致癌物。
3种基因毒物质通过饮水途径所致的健康危害的个人年总风险超过ICRP推荐的最大可接受水平的有9的监测点,占90%,表明石家庄市农村饮用水重金属污染存在较大的健康危害风险。在整个健康风险中,由铬引起的健康危害风险水平占主导地位,占总风险度的47.6%~97.7%,说明铬是石家庄市农村饮用水中重金属产生健康危害风险的主要污染物,为优先控制污染物,在以后的监测和治理工作中应以铬为重点。这与沈阳、河北农村地下饮用水中重金属健康风险评价结果一致[10-11]。10个监测点中有5个监测点的铬健康危害个人年风险水平超过ICRP推荐的最大可接受水平,占50%。其中,I县和G县健康危害个人年风险水平较高,丰水期I县达46.67×10-5/年,表示每年每千万人口中因饮用地下水中的铬而受到的健康危害或死亡人数为4 667人。I县和G县距石家庄市区较近,化肥厂、化工厂、制药厂、铬盐厂等化工企业较多,另外I县曾是农田污水灌溉区,农田土壤严重受到重金属污染,这可能是造成两县饮用水中铬含量较高的原因。
两种躯体毒物质通过饮水途径所致的健康危害的个人年总风险远低于ICRP推荐的最大可接受水平,表明石家庄市农村饮用水中铅和汞所引起的健康危害风险较低,不会对居民健康构成危害。与基因毒物质相比躯体毒物质对人体健康危害的个人年风险水平低5个数量级,因此,躯体毒物质引起的健康危害风险可以忽略,基因毒物质为优先控制污染物。与安徽、重庆、广东地下水重金属健康风险评价结果基本一致[12-14]。
完整的健康风险评价应包括对大气、土壤、水和食物链4种介质携带的污染物,通过食入、吸入和皮肤接触3种暴露途径进入人体,对人体健康产生危害的评价[15],且评价过程中会涉及到难以确切测定而需要估算的参数,使得风险评价本身存在不确定性[16]。另外,本研究只评价重金属通过饮水途径对人体健康产生的危害风险,没有分析其它污染物所致的健康风险,也没有考虑其它暴露途径、污染物的作用方式、居民的饮水习惯等不确定因素,实际上低估了重金属的实际暴露风险。在今后的研究过程中,进一步扩大监测范围,增加样本量,长期系统对更多污染物指标研究和分析,真正揭示出石家庄市农村饮用水中污染物对人体健康潜在危害风险的空间时间变化特征。
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