湖南洞庭湖水系重金屬健康風險評價

張光貴,黃 博

湖南洞庭湖水系重金屬健康風險評價

張光貴1,黃 博2

(1.湖南省洞庭湖生態環境監測中心,湖南岳陽 414000;2.岳陽市環境監測中心,湖南岳陽 414000)

為了掌握洞庭湖水系重金屬健康風險狀況,采用美國環境保護署推薦的水環境健康風險評價模型,對洞庭湖水系重金屬通過飲用水途徑引起的健康風險進行評價。結果表明：重金屬總健康風險在2.27×10-5～1.004×10-4a-1之間,平均為4.87×10-5a-1,未超過美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1×10-4a-1;重金屬健康風險從大到小的順序為：As、Cd、Pb、Cu、Zn,湘江、資水、沅江、洞庭湖、澧水,豐水期、枯水期;As為主要風險污染物;1988年以來,洞庭湖水系“四水”重金屬健康風險均呈增加趨勢,其中湘江和資水分別增加了13.34和5.07倍,因此,加強洞庭湖流域特別是湘江和資水重金屬的污染治理是降低洞庭湖水系重金屬健康風險的有效途徑。

重金屬污染;健康風險評價;洞庭湖水系

重金屬污染具有持久、隱蔽、毒性大等特點,且不能被微生物降解,還會通過生物富集作用破壞生態系統平衡,甚至通過化學作用、生物作用與有機物結合形成毒性更強的有機金屬[1]。重金屬污染物通過工農業及生活廢水的排放、降水徑流、受污染底泥的釋放及大氣沉降等途徑進入水體,在水體中積累到一定程度會對水-水生植物-水生動物系統產生嚴重危害,并通過飲水、食物鏈等途徑直接或間接地影響人類的健康[2]。目前,已確定危害較大的重金屬元素有As、Cd、Pb、Cu、Zn等[3],其中,As是公認的致癌物,是當前環境中最普遍、危害最大的毒性物質之一,長期暴露在As污染環境下可導致慢性As中毒,甚至肝癌、皮膚癌等;Cd也是有毒重金屬,主要蓄積在人體的肝臟和腎中,具有較強的致癌性,還會干擾人的雌激素分泌情況。重金屬作為環境污染物和潛在的有毒有害物質已引起了國內外的廣泛關注。

湖南省的絕大部分河流、湖泊均屬洞庭湖水系。洞庭湖水系是長江水系的重要組成部分,是湖南人民重要的生活飲用水源,其水質的好壞直接影響湖南省乃至長江中下游人民群眾的身體健康。湖南省素有“有色金屬之鄉”之稱,礦產資源豐富,特別是湘江流域衡陽水口山的鉛鋅礦、郴州的鎢礦、湘潭的錳礦和資水流域錫礦山的銻礦更是蜚聲中外。然而,隨著礦產資源的開發和洞庭湖流域社會經濟的迅速發展,洞庭湖水系水質已受到不同程度的污染[4],流域重金屬污染問題突出,因此,開展洞庭湖水系重金屬健康風險評價研究具有十分重要的意義。

健康風險評價是一種把污染物與人體健康聯系起來,進而判斷環境是否安全的評價方法[5]。水環境健康風險評價是20世紀80年代后興起的健康風險評價的重要組成部分,是建立水體污染與人體健康定量聯系的一種評價方法,由美國率先提出,20世紀90年代開始在我國得到應用[6],其目的是通過水體污染物危害鑒定、污染物暴露評價和污染物與人體的劑量-反應關系的分析等,定量評估水體污染物對人體健康的潛在風險[7]。目前,我國水環境健康風險評價研究主要針對河流和湖庫,對整個水系水環境健康風險進行研究的尚不多見。筆者利用楊忠芳等[8]的研究數據,采用美國環境保護署推薦的水環境健康風險評價模型,對洞庭湖水系重金屬健康風險進行評價,旨在掌握洞庭湖水系重金屬健康風險狀況,以期為洞庭湖流域水環境風險管理及重金屬污染治理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

洞庭湖水系指最終匯入洞庭湖的各水網系統,由洞庭湖和入湖的湘江、資水、沅江、澧水等河流組成,流域面積26.28萬km2,占長江流域總面積的14.6%,其中湖南省境內的面積為20.48萬km2,占全省總面積的96.7%。

洞庭湖位于湖南省北部、長江中游荊江南岸,北接長江松滋、太平、藕池“三口”,南納湘、資、沅、澧“四水”,經城陵磯匯入長江,湖體呈近似“U”字形,水位33.50m時(岳陽站,黃海基面),湖長143.00km,最大湖寬30.00 km,平均湖寬17.01 km,湖泊面積2 625 km2,最大水深23.5 m,平均水深6.39 m,相應蓄水量167億m3,多年平均徑流量3126億m3[9],約占長江多年平均徑流量的1/3,為我國第二大淡水湖。

湘江、資水、沅江、澧水俗稱湖南“四水”,自南向北貫穿湖南省匯入洞庭湖,并與其他河湖構成以洞庭湖為中心、呈扇形展開的發育完善的洞庭湖水系。洞庭湖水系主要河流概況見表1。

表1 洞庭湖水系主要河流概況[9]

1.2 水環境健康風險評價模型

水環境健康風險評價主要是針對水環境中對人體有害的物質。這些物質對人體健康產生危害的途徑主要有3種,即直接接觸、攝入水體中的食物和飲用,其中飲用被認為是一個很重要的暴露途徑。本研究主要考慮重金屬污染物通過飲用途徑對人體造成的健康危害。

重金屬污染物通過飲用水進入人體后,引起的健康風險主要包括基因毒性物質(致癌物質)健康風險和軀體毒性物質(非致癌物質)健康風險,兩者的計算公式分別為

式中：Rci為致癌物質i通過飲用水途徑產生的年平均致癌風險,a-1;Rni為非致癌物質i經飲用水途徑產生的年平均健康風險,a-1;Di為毒性物質i對人體的日均暴露劑量,mg/(kg·d);Qi為致癌物質i通過飲用水途徑產生的致癌強度系數,(kg·d)/mg;RFDi為非致癌物質i通過飲用水途徑被人體攝入的參考劑量,mg/(kg·d);70為人均壽命,a。

重金屬污染物通過飲用水途徑對人體的日均暴露劑量(Di)按下式計算：

式中：2.2為成人每天平均飲水量,L/d;ρi為飲用水體中各重金屬的實測質量濃度,mg/L;70為人均體重,kg。

假定各重金屬污染物對人體健康危害的毒性作用不存在拮抗或協同關系,則重金屬通過飲用水途徑對人體產生的總健康風險為：R總=Rc+Rn。

表2 洞庭湖水系重金屬質量濃度μg/L_

1.3 研究區水質監測數據

為了查明洞庭湖水系Cd等重金屬的自然來源、輸送通量及影響因素,楊忠芳等[8]在2007年7—8月(豐水期)和2007年12月至2008年1月(枯水期)進行了4個多月的水質監測工作,監測結果見表2。

1.4 模型參數的選擇

根據國際癌癥研究機構(IARC))和世界衛生組織(WHO)編制的分類系統,As和Cd為化學致癌物質,Cu、Zn和Pb為非致癌物質。模型中化學致癌物質的致癌強度系數和非致癌物質通過飲水途徑暴露的參考劑量均參照美國環境保護署標準,具體情況見表3。

表3 化學致癌物質致癌強度系數和非致癌物質的參考劑量

1.5 評價標準的確定

水環境風險評價是通過建立人體健康與環境污染的關系,定量描述各種環境污染物對人體健康造成的危害及其發生概率,并將所得結果與國際推薦的風險水平對比,使風險管理國際化。目前,部分機構推薦的最大可接受風險水平在10-6～10-4a-1之間[10],考慮到我國的實際情況,選取美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1×10-4a-1作為評價標準。

2 結果與討論

2.1 重金屬健康風險評價結果

根據前述評價模型和評價參數,可以計算出2007年洞庭湖水系重金屬通過飲用水途徑產生的健康風險,計算結果見表4。

從表4可以看出,致癌重金屬健康風險在2.27 ×10-5～1.004×10-4a-1之間,平均為4.87×10-5a-1,其中As健康風險在2.24×10-5～9.79×10-5a-1之間,平均為4.77×10-5a-1;Cd健康風險在3.01×10-7～2.49×10-6a-1之間,平均為9.69×10-7a-1;致癌重金屬健康風險在各河湖均表現為As＞Cd。非致癌重金屬健康風險在4.90×10-10～2.68×10-9a-1之間,平均為1.31×10-9a-1,其中Cu健康風險在8.62×10-11～3.66×10-10a-1之間,平均為2.35×10-10a-1;Zn健康風險在3.38×10-12～1.09×10-11a-1之間,平均為8.09×10-12a-1;Pb健康風險在4.01×10-10～2.39× 10-9a-1之間,平均為1.07×10-9a-1;非致癌重金屬健康風險按從大到小排序在各河湖均表現為Pb、Cu、Zn。

洞庭湖水系重金屬總健康風險在2.27×10-5～1.004×10-4a-1之間,平均為4.87×10-5a-1,未超過美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1×10-4a-1。

洞庭湖水系重金屬健康風險主要來自致癌重金屬,As的健康風險占總健康風險的比例在97.05%～98.92%之間,平均為97.95%;Cd的健康風險占總健康風險的比例在1.13%～2.87%之間,平均為1.99%。可見,As是洞庭湖水系各河湖重金屬健康風險的主要污染物。孫樹青等[7]在2006年評價湘江干流水環境健康風險得出的結論是,毒性物質由飲用水途徑所致健康危害的風險As最大;秦普豐等[11]對湘江湘潭段、劉麗等[12]對湘江株洲段進行水環境健康風險評價時得出了同樣的結論。

非致癌重金屬的健康風險很小,僅為總健康風險的0.003%,低于荷蘭建設和環境保護部推薦的可忽略風險水平1×10-8a-1[10]。

表4 2007年洞庭湖水系重金屬健康風險評價結果a-1

2.2 重金屬健康風險的空間分布

從表4可以看出,洞庭湖水系重金屬總健康風險按從大到小排序表現為：湘江、資水、沅江、洞庭湖、澧水。湘江和資水的重金屬總健康風險均高于洞庭湖水系的平均值,其中湘江重金屬總健康風險為1.004×10-4a-1,達到了美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1×10-4a-1,對此,應予以高度重視并切實加強湘江和資水流域的重金屬污染治理。

洞庭湖水系各河湖重金屬健康風險差異較大,其中湘江的R總值分別是澧水和洞庭湖水系平均值的4.42和2.06倍。

2.3 重金屬健康風險的時間分布

采用同樣方法計算洞庭湖水系2007年不同水期重金屬健康風險,結果見表5。

表5 2007年不同水期重金屬總健康風險R總10-5a-1

從表5可以看出,2007年豐水期洞庭湖水系各河湖的R總值均大于枯水期;枯水期未出現重金屬健康風險超標現象,豐水期湘江R總值達1.11×10-4a-1,超過了美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1×10-4a-1。可見,洞庭湖水系重金屬健康風險表現為豐水期大于枯水期。

澧水、洞庭湖和資水的重金屬總健康風險的水期差異相對較大,其中澧水豐水期的R總值是枯水期的3.23倍,湘江和沅江的重金屬總健康風險的水期差異相對較小。

1988年,曾北危等[13]系統地研究了洞庭湖水系水環境中重金屬元素的含量,利用其研究數據計算洞庭湖水系重金屬健康風險并與表4進行比較,結果見圖1。

圖1 洞庭湖水系重金屬健康風險的年代對比

從圖1可以看出,1988年以來,洞庭湖水系“四水”的重金屬總健康風險均呈增加趨勢,其中以湘江增加最為明顯,湘江、資水、沅江和澧水的重金屬總健康風險分別增加了13.34、5.07、5.04和0.88倍。

2.4 對水環境管理的啟示

上述研究結果表明,造成洞庭湖水系重金屬健康風險的主要污染物為As,然而洞庭湖水系各河湖中As的質量濃度不大于16.37 μg/L,小于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的玉類標準值0.05 mg/L,不到玉類標準值的1/3,依據《地表水環境質量評價辦法(試行)》對洞庭湖水系水質進行評價,As并非主要污染物。盡管兩種評價體系在方法上存在一定的差異,其結果不可以直接比較,但兩種評價結果的差異仍可以說明：僅僅根據水質監測參數對水質進行分級評價不足以真正揭示水體中各污染物對人體健康的潛在危害,因而采取何種方法評價水環境質量并直接反映水體污染對人類健康的潛在危害,值得進一步研究。

3 結 論

a.洞庭湖水系重金屬總健康風險在2.27×10-5～1.004×10-4a-1之間,平均為4.87×10-5a-1,未超過美國環境保護署推薦的最大可接受風險水平1× 10-4a-1;洞庭湖水系重金屬健康風險按從大到小排序,各河湖均表現為As、Cd、Pb、Cu、Zn,其中As健康風險占總健康風險的比例在97.05%～98.92%之間,平均為97.95%,是洞庭湖水系各河湖重金屬健康風險的主要污染物。

b.洞庭湖水系重金屬健康風險按從大到小排序,呈現湘江、資水、沅江、洞庭湖、澧水的空間分布特征,和呈現豐水期大于枯水期的水期變化特征。

c.1988年以來,洞庭湖水系“四水”重金屬健康風險均呈增加趨勢,其中湘江和資水分別增加了13.34和5.07倍,因此,加強洞庭湖流域特別是湘江和資水的重金屬污染治理,是降低洞庭湖水系重金屬健康風險的有效途徑。

d.在重金屬健康風險評價過程中,未考慮除飲用水途徑以外的其他暴露途徑,如直接接觸、攝入水體中的食物等,因此,本研究所得的風險值應小于實際存在的風險值。

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Health risk assessment of heavy metals in Dongting Lake water system in Hunan Province,China

ZHANG Guanggui1,HUANG Bo2
(1.Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province,Yueyang 414000,China; 2.Yueyang Environmental Monitoring Center,Yueyang 414000,China)

In order to investigate the health risk of heavy metals in the Dongting Lake water system,we used the water environmental health risk assessment model recommended by the United States Environmental Protection Agency(USEPA)to assess the health risk of heavy metals that pass through drinking water supply routes in the Dongting Lake water system.The results show that the total health risk value of the heavy metals ranged from 2.27 ×10-5per year to 1.004×10-4per year,with an average value of 4.87×10-5per year,not exceeding the maximum acceptable risk level 1×10-4per year recommended by the USEPA.The heavy metals,rivers,and seasons can be ranked by risk in descending order,as follows：As,Cd,Pb,Cu,and Zn;the Xiangjiang River,the Zishui River, the Yuanjiang River,Dongting Lake,and the Lishui River;and the wet season,and the dry season.The main risk pollutant was As.The four-water health risk values of heavy metals in the Dongting Lake water system have increased since 1988,and the values of the Xiangjiang River and the Zishui River increased by 13.34 and 5.07 times,respectively.Therefore,strengthening the control of heavy metal pollution in the Dongting Lake Basin, especially in the Xiangjiang River and the Zishui River,is an effective way to reduce the health risk associated with heavy metals in the Dongting Lake water system.

heavy metal pollution;health risk assessment;Dongting Lake water system

X503.1

A

1004-6933(2014)01-0014-04

201303-21 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.003

張光貴(1964—),男,高級工程師,主要從事洞庭湖生態環境監測與科研工作。E-mail：zhangguanggui64@163.com