燃煤电厂附近地下水中铀、钍以及潜在有毒元素所带来的放射毒性和化学毒性概率风险

《Chemosphere》：Radiotoxic and chemotoxic probabilistic risks from uranium, thorium, and potentially toxic elements in groundwater near coal-fired power plants

地下水污染对健康风险的评估及影响因素研究。研究分析了塞尔维亚三大燃煤电厂周边地下水铀、钍及14种有害元素浓度，发现砷、铅、铁、锰超标显著，尤其在灰渣池和废料存储区。通过确定性及二维蒙特卡洛模拟评估化学和放射性健康风险，显示儿童非致癌风险最高（HI 1.26-1.70），成人致癌风险达1.59×10-4-2.08×10-4。多元线性回归确定暴露频率、摄入量、体重及砷、铬浓度是关键风险参数。

　　地下水污染问题在燃煤发电厂（CFPPs）周围尤为突出，这不仅影响了生态环境，还对人类健康构成了潜在威胁。本研究聚焦于塞尔维亚三个主要燃煤发电厂区域，分析了地下水中的铀、钍以及多种潜在有毒元素（PTEs）的含量，并评估了这些污染物对居民健康的风险。研究结果表明，尽管大多数元素的浓度符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准，但在某些区域，如灰渣池和废弃物储存区，砷（As）、铅（Pb）、铁（Fe）和锰（Mn）等元素的浓度明显超标，显示出显著的人为污染影响。

地下水是全球最重要的饮用水来源之一，占所有液态淡水资源的约99%。它不仅满足了全球一半的居民用水需求，还为灌溉提供了约四分之一的水资源。然而，随着人类活动的增加，地下水质量正逐渐恶化，威胁着清洁水源的安全供应。据联合国数据显示，到2022年，约有22亿人无法获得安全饮用水，预计到2030年，这一数字仍将达到约20亿，影响“清洁水和卫生”这一可持续发展目标的实现。其中，地下水受到潜在有毒元素和放射性核素的污染是一个关键问题，这些污染物可能来源于自然过程，如富含这些元素的岩石和矿物的风化作用。然而，近年来，人为来源已逐渐超过自然来源，成为主要的污染源。特别是燃煤发电厂的运营，其产生的煤灰富含多种潜在有毒元素和放射性核素，成为水体污染的重要来源之一。

潜在有毒元素和放射性核素的污染不仅影响地下水质量，还对人类健康造成严重影响。这些污染物具有高毒性、易生物累积以及在环境中长期存在的特性，一旦进入人体，可能导致严重的健康后果。例如，长期接触受污染的地下水可能引发多种疾病，包括皮肤癌、呼吸系统疾病、骨质疏松、心脏病、肾功能损害、生殖障碍和某些癌症。铀由于其放射性，可能导致贫血和肾功能衰竭，而关于钍的研究数据较少，但已有迹象表明可能对肝脏产生影响。因此，地下水中的这些污染物可能构成重大健康风险，有必要对污染源进行深入研究，以便采取有效的管理措施，降低健康风险。

目前，健康风险评估通常采用确定性方法，这种方法依赖于固定输入参数，可能导致健康风险的高估或低估。例如，美国环境保护署（USEPA）提出的确定性方法被广泛应用于地下水污染研究。然而，这种方法在处理参数的不确定性方面存在局限性。为了解决这一问题，研究者提出了概率性风险评估方法，如蒙特卡洛模拟（MCS）。与确定性模型不同，概率性模型采用概率分布，使得风险输出也表现为一个分布，从而能够更准确地估计超过可接受风险阈值的概率。在现有的文献中，对于环境中的潜在有毒元素，主要采用的是单维蒙特卡洛模拟（1D MCS），这种方法能够处理输入参数的变异性，但无法全面反映不确定性。因此，为了进一步提高健康风险评估的准确性，研究者提出了二维蒙特卡洛模拟（2D MCS），这种方法能够同时考虑变异性与不确定性，从而提供更精确、更现实的风险评估结果。

在当前的文献中，二维蒙特卡洛模拟的应用仍然较为有限，尤其是在地下水和放射性风险的研究领域。大多数研究仅关注于土壤或尘埃中潜在有毒元素的健康风险，例如，有研究在上海市的城区公园土壤中使用二维蒙特卡洛模拟评估了七种潜在有毒元素（Zn、Pb、Cu、Hg、Cr、Cd和As）对居民健康的影响。另一项研究在浙江省的土壤中采用二维蒙特卡洛模拟分析了八种潜在有毒元素（Cr、Pb、Zn、Cu、As、Cd、Hg和Ni）对人群的潜在健康风险。然而，对于地下水中的污染情况，仅有一些研究涉及二维蒙特卡洛模拟的应用，如在阿塞拜疆的研究中，分析了砷对地下水的非致癌健康风险，而在江西省的地下水研究中，评估了硝酸盐、氟化物、锰和硒的非致癌健康风险。总体来看，二维蒙特卡洛模拟在地下水研究中的应用仍然较少，特别是在涉及放射性风险的研究中。

在塞尔维亚，电力供应主要依赖于燃煤发电厂，这些发电厂占全国总电力生产的超过三分之二。由于使用的煤炭为低质量的褐煤，因此燃煤发电厂周围地区的地下水污染问题尤为严重。目前，尚未有系统性的研究分析燃煤发电厂运营对地下水质量的具体影响，包括化学和放射性风险的综合评估。因此，本研究的目标是填补这一研究空白，通过综合分析方法，评估地下水中的潜在有毒元素和放射性核素对居民健康的影响。

本研究围绕塞尔维亚三个主要燃煤发电厂区域，即Nikola Tesla A、Nikola Tesla B和Kolubara，进行了地下水污染分析。研究结果表明，这些发电厂周围地下水中的某些元素，如砷、锑、钼、铁、锰和铅，其浓度超过了饮用水标准，尤其是在灰渣池和废弃物储存区附近，显示出人为污染的显著影响。通过自组织映射（SOM）和皮尔逊相关矩阵的结合分析，研究发现地下水中的金属含量可以归因于燃煤发电厂的运营，同时也能反映其他环境因素的影响。这些结果为制定更有效的地下水保护政策提供了基础，有助于识别主要污染物和影响健康风险的关键因素，从而推动更精准的监管、针对性的监测以及实际可行的污染控制策略。

本研究还采用了确定性和概率性两种方法进行健康风险评估。在确定性方法中，研究者计算了不同污染物对健康的影响指数，而在概率性方法中，研究者则利用二维蒙特卡洛模拟，结合多种输入参数的概率分布，对健康风险进行了更全面的分析。研究结果表明，Kolubara燃煤发电厂附近的儿童面临最高的非致癌健康风险，其危害指数（HI）值在1.26至1.70之间。相比之下，同一区域的成年人则面临最高的致癌健康风险，其化学增量终身癌症风险（CLCR）在1.59×10??至2.08×10??之间，而放射性增量终身癌症风险（RLCR）在5.51×10??至8.07×10??之间。这些数据表明，不同污染物对不同人群的健康影响存在显著差异，尤其是在儿童和成年人之间。

为了进一步优化健康风险评估，研究者还采用了多元线性回归模型，分析了影响健康风险的多个因素，包括暴露频率、摄入率和体重等人口因素，以及砷和铬等环境因素的浓度。这些模型的结果表明，某些因素在维持健康风险在可接受范围内方面具有重要作用。例如，较高的暴露频率和较低的摄入率可能增加健康风险，而较高的体重则可能降低风险。因此，通过识别这些关键因素及其阈值，研究者能够提出更有效的污染控制措施，从而降低潜在有毒元素和放射性核素对地下水的污染影响。

本研究的发现对于改善燃煤发电厂周边地区的地下水保护政策具有重要意义。通过识别主要污染物和影响健康风险的关键因素，研究者能够为政策制定者提供科学依据，帮助他们制定更精准的监管措施、实施更有效的监测计划，并推动更实际的污染控制策略。此外，本研究还强调了综合评估方法的重要性，即结合化学和放射性风险评估，以及使用先进的二维蒙特卡洛模拟，以提供更全面、更精确的风险评估结果。这种综合方法不仅有助于更好地理解地下水污染的复杂性，还能够为未来的环境保护研究提供新的思路和方向。

总之，地下水污染问题在燃煤发电厂周围尤为突出，这不仅影响了生态环境，还对人类健康构成了潜在威胁。本研究通过综合分析方法，评估了地下水中的潜在有毒元素和放射性核素对居民健康的影响，并提出了有效的污染控制策略。研究结果表明，不同污染物对不同人群的健康影响存在显著差异，尤其是在儿童和成年人之间。此外，二维蒙特卡洛模拟的应用能够提供更精确、更现实的风险评估结果，有助于识别影响健康风险的关键因素及其阈值。这些发现不仅为改善地下水保护政策提供了基础，还为未来的环境保护研究提供了新的思路和方向。通过这些研究，我们能够更好地理解地下水污染的复杂性，并采取更有效的措施，保护人类健康和生态环境。