饮水安全关系人类健康,多种疾病由饮水卫生污染引起。健康风险评价(health risk assessment,HRA)是20世纪80年代以后兴起的狭义环境风险评价的重点内容之一,是以风险度作为评价指标,把环境污染与人体健康联系起来,定量描述污染对人体产生的健康危害的风险[1],现有研究多应用国际辐射防护委员会(ICRP)“风险识别—暴露评价—剂量效应评价—风险表征”的评价程序进行环境健康风险评价。
丰台区农村地区以集中式自备井供水为主,受地质条件的影响,丰台区永定河以东的农村地区浅层自备井水长期存在硝酸盐污染。为改善农村人口饮水卫生状况,丰台区政府自2002年开展农村饮水安全工程建设,建立农村桶装水厂,以各村自备井水为源水,深度净化处理和消毒后灌装成桶装水供应村民饮用。本研究于2013年枯水期和丰水期分别对丰台区22个农村饮水安全工程桶装水厂自备井水源水及处理后水进行监测,根据饮用水监测数据建立健康风险评价模型,评估丰台区饮水安全工程水质健康风险,并分析自备井水深度处理后水质改善状况及健康风险的变化。
1 材料与方法为建立健全丰台区健康因素与健康监测体系,本研究针对农村饮水安全工程桶装水厂开展主动监测,作为国家饮水监测网的补充监测内容,并针对监测结果开展风险评估与预警。
1.1 研究对象2013年枯水期(5月)和丰水期(8月)对丰台区22家农村饮水安全工程桶装水厂进行两轮饮用水水质监测,每轮采集各水厂自备井水源水与处理后桶装水各1件,全年共监测饮用水样品88份。
1.2 检测方法及结果表述样品按照《生活饮用水标准检测方法》(GB/T 5750-2006)[2]进行检测。根据中国疾病预防控制信息系统数据上报要求,当检测结果低于检出限时,检测结果记录为检出限值的1/2。
1.3 质量控制为保证样品来源的真实性与可靠性,现场采样均由两名研究人员共同开展并由水厂人员陪同确认。整体监测工作在计量认证受控下展开。样品的采集和运输方法按照《生活饮用水标准检测方法》(GB/T 5750-2006)[2]要求进行,实验室检验过程中进行平行样和空白样的测定、加标回收率实验,对异常结果(检测值过高或过低)进行复测,必要时重新采集样品重新检测。
1.4 健康风险评价模型 1.4.1 污染因子筛选根据国际癌症研究机构(IARC)为全面评价化学有毒物质致癌性编制的分类系统,1组和2A组化学物质是化学致癌污染物,其它物质是非化学致癌污染物[3-4]。水质健康风险评价主要评价饮用水中基因毒物质(放射性污染物和化学致癌污染物)及躯体毒物质(非化学致癌污染物)对人体的健康影响。由于放射性污染物在多数污染程度较低的饮用水中很难检出, 通常在评价时不予考虑[8]。参考国内研究常用评价指标[1, 3-4],本研究所选择的污染因子有化学致癌污染物砷(As)、镉(Cd)和铬(Cr6+),非化学致癌污染物铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、汞(Hg)、硒(Se)、硝酸盐(NO3-)、氨氮(NH3-N)、挥发酚(VP)、氰化物(CN-)和氟化物(F-)。
1.4.2 化学致癌污染物健康风险的评价模型[4-6]$ {\mathit{R}^\mathit{c}}{\rm{ = }}\sum\limits_{\mathit{i} = 1}^\mathit{k} {\mathit{R}_\mathit{i}^\mathit{c}} $ | (1) |
$ \mathit{R}_\mathit{i}^\mathit{c}{\rm{ = [1-exp(-}}{{\mathit{D}}_\mathit{i}}{{\mathit{q}}_\mathit{i}}{\rm{)]/81}}{\rm{.35}} $ | (2) |
式中:Rc—化学致癌污染物综合健康风险,/年;
Ric—化学致癌污染物i通过饮水途径而产生的人均致癌年风险,/年;
Di—化学致癌污染物i通过饮水途径单位体重的日均暴露剂量,mg/(kg·d);
qi—化学致癌污染物i通过饮水途径的致癌系数,(kg·d)/mg;
81.35—2013年颁布的《北京市卫生与人群健康白皮书》2012年底北京市人均期望寿命,年。
1.4.3 非化学致癌污染物所致健康危害风险的评价模型[5-7]$ \mathit{R}_\mathit{i}^\mathit{n}{\rm{ = (}}{{\mathit{D}}_\mathit{i}}{\rm{/}}\mathit{Rf}{\mathit{D}_\mathit{i}}{\rm{) \times 1}}{{\rm{0}}^{ - {\rm{6}}}}{\rm{/81}}{\rm{.35}} $ | (3) |
式中:Rin—非化学致癌污染物i通过饮水途径而产生的人均健康危害年风险,/年;
Di—非化学致癌污染物i通过饮水途径单位体重的日均暴露剂量,mg/(kg·d);
RfDi—非化学致癌污染物i通过饮水途径的参考剂量,mg/(kg·d)。
1.4.4 通过饮水途径单位体重的日均暴露剂量(Di)$ {\mathit{D}_\mathit{i}}{\rm{[mg/(kg}} \cdot {\rm{d)] = 2}}{\rm{.2 \times }}{\mathit{C}_\mathit{i}}{\rm{/60}} $ | (4) |
式中:2.2 —成人每日平均饮水量,L/d;
Ci—相关污染物i质量浓度mg/L;
60—WHO标准人体重,kg。
1.5 评价参数根据世界卫生组织、国际癌症研究机构(IARC)编制的分类系统和美国环保署综合风险信息系统(IRIS)的分类信息[6-8],化学致癌污染物和非化学致癌污染物的饮水途径参考剂量分别见表 1、表 2。
指标 | 参考剂量[mg/(kg·d)] |
铁(Fe) | 3.0×10-1 |
锰(Mn) | 1.4×10-1 |
铜(Cu) | 5.0×10-3 |
铅(Pb) | 1.4×10-3 |
锌(Zn) | 3.0×10-1 |
汞(Hg) | 3.0× 10-4 |
硒(Se) | 5.0×10-3 |
硝酸盐(NO3-) | 1.6 |
氨氮(NH3-N) | 9.7×10-1 |
挥发酚(VP) | 1.0×10-1 |
氰化物(CN-) | 3.7×10-2 |
氟化物(F-) | 6.0×10-2 |
1.6 数据分析
监测结果用Excel 2007建立数据库,采用SPSS 17.0进行统计分析,呈正态分布的资料,两组间比较采用t检验,非正态分布的资料,组间比较采用秩和检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果 2.1 水质监测结果全年监测88份饮用水样品,以样品各指标平均值作为每类、每次饮用水中污染物浓度。自备井水源水中硝酸盐年均值为36.96 mg/L,超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[9]规定的10 mg/L限值,其他各污染物指标在饮用水中含量的最大值符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[9]的限值规定。
枯水期、丰水期各污染物指标结果有差别,但不具有规律性,对枯水期、丰水期各指标检测值分别进行t检验,差异无统计学意义(P>0.05)。本研究应用自备井水源水和处理后桶装水各污染物指标检测年平均值(表 3)进行健康风险评价。
项目 | 自备井水源水 | 处理后桶装水 | |||||||
枯水期 | 丰水期 | 年平均值 | P | 枯水期 | 丰水期 | 年平均值 | P | ||
砷(As) | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 1.000 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 1.000 | |
铬(Cr6+) | 5.00×10-4 | 5.00×10-4 | 5.00×10-4 | 1.000 | 5.00×10-4 | 5.00×10-4 | 5.00×10-4 | 1.000 | |
镉(Cd) | 2.00×10-3 | 2.00×10-3 | 2.00×10-3 | 1.000 | 2.00×10-3 | 2.00×10-3 | 2.00×10-3 | 1.000 | |
铁(Fe) | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | |
锰(Mn) | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | |
铜(Cu) | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | |
铅(Pb) | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 1.000 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 1.000 | |
锌(Zn) | 5.67×10-2 | 3.84×10-2 | 4.95×10-2 | 0.565 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 2.50×10-2 | 1.000 | |
汞(Hg) | 2.00×10-4 | 2.00×10-4 | 2.00×10-4 | / | 2.00×10-4 | 2.00×10-4 | 2.00×10-4 | 1.000 | |
硒(Se) | 5.40×10-3 | 7.40×10-3 | 5.80×10-3 | 0.281 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 2.50×10-3 | 0.329 | |
硝酸盐(NO3-) | 41.63 | 33.81 | 36.96 | 0.146 | 3.35 | 3.97 | 3.66 | 0.741 | |
氨氮(NH3-N) | 1.00×10-2 | 1.00×10-2 | 1.00×10-2 | 1.000 | 1.05×10-2 | 1.00×10-2 | 1.02×10-2 | 0.329 | |
挥发酚(VP) | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.000 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.000 | |
氰化物(CN-) | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.000 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.00×10-3 | 1.000 | |
氟化物(F-) | 2.17×10-1 | 2.45×10-1 | 2.33×10-1 | 0.201 | 6.93×10-2 | 8.14×10-2 | 7.53×10-2 | 0.263 |
2.2 化学致癌污染物健康风险评价
将自备井水源水及处理后桶装水的砷(As)、铬(Cr6+)、镉(Cd)检测年均值代入化学致癌污染物的健康风险评价模型,计算处理前后经饮水途径所致的健康风险度。评价结果表明自备井水源水、处理后桶装水各化学致癌污染物个人危害风险没有发生变化,化学致癌污染物合计健康风险均为2.47×10-5/年(表 4),个人年风险以砷(As)>铬(Cr6+)>镉(Cd)。
项目 | 自备井水源水(/年) | 处理后桶装水(/年) | 百分比 (%) |
砷(As) | 1.32×10-5 | 1.32×10-5 | 53.44 |
铬(Cr6+) | 7.20×10-6 | 7.20×10-6 | 29.15 |
镉(Cd) | 4.28×10-6 | 4.28×10-6 | 17.33 |
合计 | 2.47×10-5 | 2.47×10-5 | 100.00 |
2.3 非化学致癌污染物质健康风险评价
将自备井水及处理后水铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、汞(Hg)、硒(Se)、硝酸盐(NO3-)、氨氮(NH3-N)、挥发酚(VP)、氰化物(CN-)和氟化物(F-)指标的年均检测值代入非化学致癌污染物的健康风险评价数学模型, 计算处理前后经饮水途径所致健康风险度(表 5)。
项目 | 自备井水源水 | 处理后桶装水 |
铁(Fe) | 2.93×10-11 | 2.93×10-11 |
锰(Mn) | 6.27×10-11 | 6.27×10-11 |
铜(Cu) | 1.76×10-9 | 1.76×10-9 |
铅(Pb) | 6.27×10-10 | 6.27×10-10 |
锌(Zn) | 5.80×10-11 | 2.92×10-11 |
汞(Hg) | 2.34×10-10 | 2.34×10-10 |
硒(Se) | 4.07×10-10 | 1.76×10-10 |
硝酸盐(NO3-) | 8.11×10-9 | 8.03×10-10 |
氨氮(NH3-N) | 3.62×10-12 | 3.69×10-12 |
挥发酚(VP) | 3.51×10-12 | 3.51×10-12 |
氰化物(CN-) | 9.49×10-12 | 9.49×10-12 |
氟化物(F-) | 1.36×10-9 | 4.41×10-10 |
合计风险 | 1.27×10-8 | 4.18×10-9 |
将两种饮用水样品污染物指标的健康风险按从大到小顺序排列,自备井水源水中硝酸盐(NO3-)>铜(Cu)>氟化物(F-)>铅(Pb)>硒(Se)>汞(Hg)>锰(Mn)>锌(Zn)>铁(Fe)>氰化物(CN-)>氨氮(NH3-N)>挥发酚(VP),处理后水中铜(Cu)>硝酸盐(NO3-)>铅(Pb)>氟化物(F-)>汞(Hg)>硒(Se)>锰(Mn)>铁(Fe)>锌(Zn)>氰化物(CN-)>氨氮(NH3-N)>挥发酚(VP),总体排序合并为(硝酸盐、铜)>(氟化物、铅)>(硒、汞)>(锰、锌、铁、氰化物、氨氮、挥发酚)。自备井水源水个人年风险首位污染物指标为硝酸盐(NO3-),且该指标风险为该类致癌污染物年总风险的63.86%。处理后桶装水硝酸盐(NO3-)排序降为第二位,仅占该类致癌污染物年总风险的19.21%。
自备井水经过处理后,硝酸盐(NO3-)、硒(Se)、锌(Zn)氟化物(F-)等危害因素的风险出现了不同程度的下降,个人年风险分别下降90.09%、56.76%、49.66%。处理后水比自备井水的非化学致癌污染物经饮水途径所致健康危害的个人年风险降低67.09%。
2.4 总健康风险评价按照总健康风险评价模型, 将两类污染物健康风险相加, 计算得出总健康风险度(表 6)。评价结果显示,自备井水源水、处理后桶装水各类致癌污染物的个人健康年总风险分别为2.47×10-5/年、2.46×10-5/年,处理后桶装水总风险降低0.40%。两种水样的化学个人健康年总风险均以化学致癌污染物为主,占个人健康年总风险的99.60%。
3 讨论
通过饮用水水质健康风险评价,确定饮用水中各类污染物指标的主次顺序,从而为饮用水健康风险管理提供数据支持。即使各种污染物在饮用水中含量很低,但长期低剂量暴露也可能会影响人体健康,因此相关研究越来越受到人们的重视[5]。
本研究显示农村饮水安全工程桶装水厂饮用水中各化学污染物个人健康年风险均低于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受限值5.0×10-5/年[7-8]。化学致癌污染物砷(As)的健康危害风险最大,占致癌污染物年总风险的53.48%,高于相关研究结果[6],铬(Cr6+)次之,镉(Cd)最小,3种化学致癌污染物的健康风险顺序与相关研究相似[4, 6]。但砷(As)、铬(Cr6+)、镉(Cd)检测值均低于检出限,远低于国家饮水卫生标准,说明其含量在我国规定的饮水健康风险控制范围内。
非化学致癌污染物能够对人体造成不同程度的危害,当硝酸盐质量浓度达到90~140 mg/L时,在人体中经过还原作用,硝酸盐被还原生成亚硝酸盐,亚硝酸盐可与血液中的血红蛋白结合形成高铁血红蛋白,引起婴儿高铁血红蛋白症而发生窒息,也可导致孕妇自发性流产[10]。如饮用水中铜过量会引起儿童肝内胆汁淤积,贫血。本研究的非化学致癌污染物健康风险小于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受限值5.0×10-5/年[7-8]。丰台区农村饮水安全工程饮用水中非化学致癌污染物以硝酸盐为主,水源水中硝酸盐占非化学致癌污染物年总风险的63.86%,且自备井水源水硝酸盐年均值36.96 mg/L,超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[9]规定的10 mg/L限值。当前多数国家规定饮用水中硝酸盐含量不超过10 mg/L,我国新标准将限值定为10 mg/L是为了与国际水平接轨,但有的学者认为10 mg/L的限制过于严格,应予放宽[11]。值得注意的是,水源水硝酸盐年均值36.96 mg/L也超过了《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[9]规定的特殊情况下(在某些地区,地下水硝酸盐含量高)的允许限值20 mg/L。因此提示虽然硝酸盐健康风险小于国际辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受限值,但仍应结合我国国家标准及水质特点重点关注硝酸盐的健康风险。
自备井水源水通过农村饮水安全工程桶装水厂净化处理后,非化学致癌污染物风险值下降67.09%,表明实施农村饮水安全工程能够降低非化学致癌污染物对人体造成的健康风险。
本研究存在的不足主要在于只对饮水摄入部分进行了评价,没有考虑其他途径的摄入,即人体的实际暴露剂量可能会更高,这需要进一步用多因素的综合暴露评估方法对污染因子开展健康风险研究。
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