重金属的区域健康风险评价

重金属的区域健康风险评价

0引导人体健康和区域风险评价风险是指不幸事件发生的可能性及其发生后的损害。健康风险评价是指识别环境中可能的风险源,评价其与人体发生接触的暴露途径以及定量评价暴露的结果对人体健康产生的危害程度。美国在1998年正式颁布了生态风险评价指南。在这个基础上,美国环保局(EPA)提出了金属风险评价框架,为所有的EPA项目和地区政府在他们目前开展的各种金属评价中提供指导,而且它概括了主要金属的作用机理,描述了怎样运用它们用以引导人体健康和区域风险评价。世界健康组织国际化学安全计划(WHO/IPCS)结合美国环保局和经济合作发展组织(OECD),提出了综合的人体健康和生态风险评价框架,旨在通过交流人体健康和生态风险评价者之间的信息,提高评价的质量和效率,同时为过程的决策提供更完整一致的输入信息。其实健康风险评价已经作为一种有效手段用来鉴定人类活动带来的健康风险,并开始从区域上对健康风险评价进行填图,为政府的决策和管理发挥越来越重要的作用。重金属污染已经成为全球问题,集中于点污染的重金属风险评价开展过较多的研究。在中国,有关农田土壤的重金属污染导致食品安全问题和潜在健康风险已有不少研究,尤其在工业城市的郊区,农作物和蔬菜已经受到重金属的严重威胁。然而,我国关于重金属的区域健康风险评价研究还是较少。生态地球化学评价作为一扇了解地球表层生态问题的窗口,为研究元素及化合物在地球各大层圈中的迁移转化规律,评价其所产生的生态效应提供了一套理论方法和技术。根据研究区已有的一些研究成果,发现重金属存在一定的超标现象。因此,立足于生态地球化学评价的成果,开展基于重金属的区域健康风险评价,为研究区生态地球化学预测预警服务,对政府为区域的生态问题提供决策依据有重要的意义。本文通过引用国外较完善的风险评价理论,从影响人体的健康出发,对区域上的重金属健康风险评价进行探讨。1样品及分析方法研究区域为成都经济区(CER),包括成都、德阳、绵阳、乐山、眉山和雅安6个地区。按照空间相对均匀分布、特殊地区加密采样的原则,本研究在成都经济区的农田区采集了61件水稻样品和33件大气颗粒物样品(点位分布见图1)。送成都综合岩矿测试中心测定农作物中As、Cd、Hg、Pb等元素的含量,送安徽省地质实验研究所测定大气颗粒物中Cd、Pb等元素的含量。通常在5亩以内、长势整齐的农田中采集水稻,采用对角线法选取4～5个样点,四周样点要距地边1m以上,每个样点取50cm×50cm的样方1个,然后组成1件样品。操作中戴手套,避免其他污染。待水稻籽实自然晾干后,将水稻籽实去壳、洗净,然后在80～90℃鼓风烘箱中烘15～30min,降温至60～70℃,逐尽水分,时间大约12～24h。样品加压消解,用原子荧光分光光度法测定As、Hg等元素的含量。样品经过550℃灰化,用王水分解,用原子吸收分光光度法、等离子光源全谱法测定Pb、Cd等元素的含量。大气颗粒物样品采样仪器为武汉天虹仪表有限公司生产的TH1500C型智能中流量(80～120L/min)空气总悬浮微粒采样器。采样滤膜为英国生产的Whatman石英滤膜。采样高度为150cm左右,采样流量为100L/min,采样时间为8h,采用PM2.5采样切割器采集大气颗粒物样品。样品采好后,送实验室分析。取1/2张滤膜于聚四氟乙烯坩埚中,首先加入15mLHF于电热板上(130℃)加热,至溶液清亮除去大部分硅,加入浓HCl、浓HNO3和浓HClO4各5mL溶解样品,升温至360℃,待HClO4烟冒尽,用5mL1∶1王水提取,定容至25mL,控制酸度在7%定容,利用ICP-MS测定Cd、Pb等元素含量。样品分析的质量控制按照《区域生态地球化学评价样品分析技术要求》执行。经检验,其准确度和精密度均达到要求。2研究区域内重金属健康风险的评估风险评价系统一般包括几个步骤:风险识别、暴露评价、毒性评价和风险特征描述。2.1水稻籽实重金属含量分布传统的风险评价中风险识别包括两步:一是确定污染物的特性、浓度和分布情况;二是对污染物替代品进行分析。本文为了反映研究区土壤中重金属存在的风险及对人体健康的危害,对水稻籽实中As、Cd、Hg、Pb4种重金属进行了风险识别。我国大米绿色食品标准和无公害食品标准见表1。本研究中,籽实中重金属含量低于绿色食品卫生标准的样品称为绿色食品;超过绿色食品标准,但低于无公害食品标准的样品称为安全食品;超过无公害食品标准的样品称为超标食品。研究区61件水稻籽实的As、Cd、Hg、Pb含量分布特征如图2所示。水稻籽实As含量比较低,绝大部分为绿色食品,只有1件超标样品。水稻籽实Cd含量变化范围较大,各地区均有一定比例的超标样品,污染最严重的地区为德阳,德阳地区63.64%样品超过Cd无公害食品卫生标准。水稻籽实Hg含量仅德阳和成都有样品超过无公害标准,其他地区多数样品属于绿色食品。水稻籽实的Pb含量呈明显的地域差异,超标样品集中在成都、德阳,超标样品比例都达到了100%,而乐山、眉山、绵阳、雅安4个地区基本上为绿色食品。2.2重金属暴露途径和危害暴露反映了人体与污染物的接触,暴露评价就是对暴露范围、频率、周期和途径的评估,包括识别潜在的暴露途径、评估暴露浓度、确定潜在暴露人口、评估化学物质吸入量。化学物质吸入量一般用每日每公斤体重摄入的污染物的质量单位(mg/(kg·d))表示,以此对污染物的影响进行评价。暴露评价的核心是计算摄入量(intake),是指每日每公斤体重摄入污染物的剂量:I=C×RC×FE×DEWB×TAΙ=C×RC×FE×DEWB×ΤA(1)I为每日每公斤体重的摄入量(mg/(kg·d));C为污染物的浓度(暴露期间接触的平均浓度,如mg/kg或mg/m3);RC为接触率,即单位时间接触污染物的量(g/d或m3/d);FE为污染物的暴露频率(d/a);DE表示暴露持续时间(a);WB为体重(kg);TA为平均暴露时间(d)。研究区Cd等重金属的暴露途径主要为食物摄入、饮水和空气摄入,由于饮水有效数据缺乏,本文主要考虑食物摄入和空气摄入。根据诸洪达等进行的中国人膳食组成和元素摄入量研究,四川等地主要日常食品类型为谷类、薯类、肉类、蛋类、蔬菜(表2),本文确定当地消费量最大且重金属含量相对较高的4类食物进行风险评价,即谷类、蔬菜类、薯类和豆类。谷类的数据来自本研究的水稻数据,蔬菜类、薯类和豆类的数据引自诸洪达。空气摄入的数据为本研究可吸入颗粒物PM2.5的数据。假设人体终生每年每天都暴露在此种环境条件下,即FE×DE的值与TA的值相当,则由食物摄入和空气摄入的不同金属的人平均日摄入量按下面的简化公式计算:Ii=(∑Cij×Qj+CiA×RI×TE)/WB(2)i={As,Cd,Hg,Pb};j={谷类,蔬菜,薯类,豆类}式中:Ii为金属i的日摄入量(μg/(人·d));Cij为食物j中重金属i的平均浓度(μg/kg);Qj为食物j的日平均消耗量(kg/(人·d),鲜重);CiA为空气中金属i的浓度(μg/m3);RI为人均吸入空气的频率(m3/(人·h));TE为日均的暴露持续时间(h/d);WB为平均体重(kg)。根据一般中国人的体重特征,在忽略男女性别差异且仅考虑成人的情况下,取平均体重为60kg,成人平均吸入空气20m3/d。由Ii计算每日每千克体重摄入的重金属量,结果见表3。2.3暴露程度与致病程度的关系毒性评价是建立在大量试验的基础上,反映某种危害因子的暴露量与反应间的关系,一般从非致癌和致癌两方面效应获得相应的毒性阈值和斜率系数。毒性评价为特殊污染物的暴露对个体造成致病影响提供了潜在的证据,反映了污染物暴露程度与增加的致病程度和可能性的关系。包括危害识别和剂量—反应评估两个要素。危害识别是检查某种因子对人和其他动物产生不良健康反应的能力;危害识别可以通过毒理学的方法和流行病学的方法进行研究。剂量—反应评估是检查对某种危害因子的暴露量与相应反应间的量化关系。从这种量化的剂量—反应关系中引出毒性值(如参考剂量和斜率系数),用于估算暴露于某种因子的人群产生不良健康效应的发生率或潜在的可能性。2.4有数量和质量特征的风险程式风险描述是健康风险评价中的最后一步。在这个程序中将毒性和暴露评估统一起来成为具有数量和质量特征的风险表达式。当一种污染物通过几种不同途径或几种污染物同时对人体健康造成危害时,风险的表达则是各个不同途径或污染物的风险之和。一般来说,在风险评价理论中对于非致癌效应使用危害指数来表达,对于致癌效应使用致癌风险来表达。2.4.1健康风险评价drfi对于非致癌效应,可以通过计算危害指数反映重金属的风险。对于某种暴露途径或某种污染物,一般用危害商(HazardQuotient)来表示,其含义可用下面的等式计算:QH=I/DRf(3)式中:I为某种暴露途径或某种污染物摄入量或暴露水平;DRf为相应污染物的参考剂量。危害指数IH(HazardIndex)是危害商的累加,表达了总的发病风险的尺度,其含义可用下面的等式计算:IH=∑QH(4)当I>DRf,即IH>1时,就有发生疾病的风险,而且在影响存在的情况下,IH越显著,发病风险就越大。本文中健康危害指数定义为每日每公斤体重对金属的摄入量与可接受的每日金属摄入量(DRfi)的商,因此,危害指数按下面公式计算:IHi=Ii/DRfii={As,Cd,Hg,Pb}(5)式中:IHi为元素i的危害指数;Ii为金属i的日摄入量(μg/(kg·d));DRfi为一生中元素i经口暴露的安全水平(可接受的日摄入量,μg/(kg·d))。本文根据FAO/WHO所公布的暂定每周耐受摄入量(PTWI)进行折算得到每日耐受摄入量,以此替代DRf(表4)。由公式(5)计算研究区不同地区的重金属危害指数(表5),其中IH为各金属的风险和。从表中可以看出,成都经济区生态风险较高的重金属为Cd和Pb,Cd的风险最高,除乐山和绵阳的Cd危害指数略低于1外,其他地区都大于1。As的风险次之,Hg的风险最低。从总的风险来看,地域差别较明显,以德阳和成都存在的风险最高,这与两地工业较发达,向环境中排放了更多的Cd和Pb有密切关系,尤其是德阳建有大量的化工厂。区域上的健康风险评价是一项较大尺度的研究工作,不同于点源的风险评价。由于多数样品,特别是植物样品并不具有空间上的变异性,同时考虑风险管理相对方便的原则,评价单元一般按照行政区划选取,然后对评价单元进行相应的填图。按照评价单元必需有样点布置的原则,可以根据研究的需要确定采样密度,根据密度大小调节相应的评价单元。本文考虑植物数据有限,仅对成都经济区不同地区的重金属进行了健康风险评价,但是从评价结果来看也比较客观地反映了区域上的健康风险问题。为了探讨不同暴露途径的重金属风险水平,通过不同暴露途径的重金属日摄入量与DRf的比值,获得不同暴露途径的危害商及其对总风险的贡献比例(表6,表7)。可以看出,通过谷类暴露的风险最高,仅谷类Cd的危害商就达1.16,其次为Pb,危害商达0.67。谷类对总风险的贡献比例最高,为71.19%,其中又以Cd的贡献最大,为36.58%,其次为Pb,二者的贡献和占到总风险的78.55%。通过吸入空气造成的风险最低,仅占0.69%。不同暴露途径对总风险的贡献比例顺序为谷类>薯类>蔬菜类>豆类>空气吸入。2.4.2致病性风险的评估对于没有阈值的化学物,则需要计算人群危险性,即致癌作用强度×摄入量,即评价根据摄表6成都经济区不同暴露途径危害商统计(无量纲)入量估计出所增加的癌症病例数是可以接受的(不构成危险)或不可接受的(构成危险)。表述这种化合物的致癌效应,风险以平均寿命(70岁)中发生癌症的概率来表示:R=ICD×FS(6)式中:R为致癌风险;ICD为慢性日摄入量,单位为mg/(kg·d);FS是指暴露量与反应率之间的比例系数,可以理解为单元剂量存在的风险,单位为(mg/(kg·d))。致癌风险R发映了一个人一生中因慢性摄入某种污染物而增加的患癌症的概率。美国环保局已认可了这种剂量—反应关系的斜率系数FS,并且其单位(mg/(kg·d))-1已为公众所熟知。另外,致癌风险也可根据饮水或空气中污染物浓度与存在的单元风险进行计算,单元风险是根据污染物的斜率系数、平均体重和日均摄入空气体积计算出来的。目前大多数污染物可接受的致癌风险水平为10-6～10-4,小于10-6的风险可以忽略不计,当风险达到10-4认为是不可接受的风险,有必要采取降低风险的措施。根据EPA的研究,重金属中无机As和Cd具有通过吸入途径带来的致癌效应,其终生暴露的吸入单元风险分别为4.3×10-3和1.8×10-3,单位为(μg/m3)-1。由于大气颗粒物缺少无机As数据,本文仅对空气中颗粒物PM2.5中的Cd进行致癌风险评估,计算公式为:R=ρCA×ρCU(7)式中:R为致癌风险;ρCA为空气中Cd的浓度(μg/m3);ρCU为Cd的吸入单元风险((μg/m3)-1)。通过计算,研究区的平均致癌风险为7.6×10-6,基本上处于可接受的风险水平。按照市县级的行政区划作为评价单元对研究区的风险水平进行填图(图3),可以发现高风险区主要为德阳以西的什邡和广汉以及乐山市周围地区,成都的西北部分地区处于较高风险水平。绵阳和眉山的风险水平较低,低于10×10-6。德阳和乐山部分地区的吸入风险水平相对较高,应该引起足够的重视。2.5不确定性分析不确定性评价是风险评价的重要组成部分,这是由风险评价各个计算层次固有的不确定性决定的,包括暴露和毒性评价应用到的大量假设。进行风险评价的不确定性分析,可以了解风险评价数据来源的方式和可靠程度,从而提高风险评价结果的可靠性,为风险管理的决策提供更加合理的依据。由于环境风险评价的不确定性因素很多,因此识别对不确定性有很大贡献的有关变量和假设相比精确地定量化风险评价中不确定性的程度显得更为重要。风险评价中不确定性主要有3方面来源:在取样数据和毒性信息的基础上,进行描述暴露和风险的初始污染物的选择;各种污染物和暴露方式的暴露评价;用来描述风险的污染物毒性值。2.5.1重金属假设的选择本文选择的污染物为As、Cd、Hg、Pb4种重金属,没有考虑其他金属可能带来的风险,并且假设布置的样点对所在的评价单元具有足够的代表性。2.5.2不确定性来源暴露评价的不确定性描述是一个重点,一般应考虑的几个不确定性来源包括评价环境的描述、暴露的参数值假设以及不确定性的追踪,即不确定性经过评价的几个步骤是怎样传递的。(1)研究区的描述评价环境的内在特征是基于专业的判断和假设进行描述的,本文假设研究区相同的膳食结构和重金属对人体的可能暴露途径,忽略了不同人群在体质和抗病方面的差异。(2)暴露参数值的假设本文计算重金属摄入量假设了相关的参数,例如食物消费量、平均体重、日均空气吸入量等。(3)罗模拟方法和定性分析方法各种参数的不确定性会导致最后风险评价结果的不确定性,用于描述这种不确定性的传递有定量、半定量和定性3种分析方法。定量分析中2种常用方法是优先顺序分析和蒙特卡罗(MonteCarlo)模拟。优先顺序分析是基于输出变量模型的总方差假设是各个输入变量模型方差与输出变量对输入变量的灵敏度的函数而提出的。蒙特卡罗模拟是一种常用的不确定性方法,是将符合一定概率分布的大量随机数作为参数带入数学模型来获得有关变量的概率分布,从而得到最终风险的概率分布。定量模型需要获得所有输入参数的概率分布情况和参数间依赖程度的信息,因此实际操作起来比较困难。半定量分析这种方法由于有效数据的常常缺乏,并不能描述全部的参数分布情况,但是通过描述参数值(例如暴露频率和暴露时间)的最小值和最大值,可以估计暴露和风险的范围。定性分析方法有时是风险评价中描述不确定性的最实际的方法,通过描述参数的不确定性可以反映他们对最终风险结果的可能影响。本文风险评价中仅考虑As、Cd、Hg、Pb4种重金属,会造成最终风险和的偏低,但由于研究区其他有害金属含量较低,影响可能不大。本文假设对于环境介质的终生暴露和100%的人体吸收,其实分别取了暴露时间和暴露剂量的最大值,这种保守的评价也会造成风险结果的偏高。由于一定区域重金属的暴露浓度存在空间上的差异,这种差异造成的不确定性是不可避免的,为了尽量减少这种差异对结果的影响,因此就要求采样点具有足够的代表性。2.5.3长期暴露的对人体的影响污染物毒性值的不确定性来源是多方面的,由于污染物的参考剂量是通过致病的高剂量反应外推到人体与环境接触的低水平获得的,利用了短期暴露的实验研究来预测长期暴露的影响,并且是根据动物的研究来预测对人体的影响,这些都会给获得的毒性值带来误差。另外污染物之间可能存在相互的协同或拮抗作用,但是还缺少这种定量评价相