南非Lephalale地区水-土壤-蔬菜系统中微量元素的人体健康风险评估

《Toxicology Reports》：Human Health Risk Assessment of Selected Trace Elements in Water–Soil–Vegetables System in Lephalale, Limpopo Province, South Africa

　　

环境中微量元素污染在受密集工业和农业活动影响的地区日益受到关注。这些污染物可通过受污染水灌溉进入农业系统，导致食物链传递并可能对人体健康产生不利影响。本研究从南非Lephalale的Mokolo河系统采集了水、沉积物、土壤和蔬菜样品，并分析了微量元素浓度。样品经制备和消解后，采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）进行定量。为确保分析方法的准确性，分析了标准参考物质（SRMs），包括天然水中微量元素标准参考物质（SRM 1640a）、番茄叶标准参考物质（SRM 1573a）、土壤中微量元素标准参考物质（SRM 2587）及土壤标准参考物质（AMIS 0373），所得回收率均在可接受范围内。微量元素浓度范围为：水中0.00120~13.5 μg/L，沉积物中0.0169~157 μg/g，土壤中0.0890~94.1 μg/g，蔬菜样品中0.00420~54.7 μg/g。其中镍（Ni）、铅（Pb）、铬（Cr）和镉（Cd）浓度升高，频繁超过国际指导限值。人体健康风险评估（HHRA）结果显示，成人和儿童的目标健康商数（THQ）及危险指数（HI）均超过1，提示经膳食暴露可能存在非致癌风险。致癌风险评估显示，增量终生癌症风险（ILCR）值升高，尤其对于Cr和Pb，且儿童的估计风险持续高于成人。这些结果凸显了微量元素在农业系统中积累的风险及其对人体健康的潜在影响。因此，建议开展持续监测并采取适当管理策略，以减轻污染并降低暴露风险。

本研究针对南非Lephalale地区Mokolo河流域因采矿和燃煤活动导致的微量元素污染问题，开展了一项跨水、沉积物、土壤和蔬菜系统的综合调查。研究背景在于，微量元素（如砷As、镉Cd、铬Cr、铜Cu、铅Pb、汞Hg、镍Ni、钒V）不可降解且可在环境中持久存在，经污染水灌溉进入食物链后可能危害人体健康。Lephalale地区拥有Grootegeluk煤矿及Matimba、Medupi燃煤电站，Mokolo河作为当地生活和灌溉水源，极易受到大气沉降、地表径流和工业废水排放的影响。此前虽有零星研究，但尚无对该区域多介质中微量元素分布及健康风险的系统评估。为此，研究人员于低流量（2022年8月）和高流量（2023年5月）两个季节，从Mokolo河、Mokolo大坝及三个邻近农场采集水、沉积物、土壤和蔬菜样品，定量分析了8种微量元素的总浓度，并评估了季节变化及通过蔬菜消费对成人和儿童产生的非致癌与致癌风险。研究得出主要结论：河水中微量元素虽普遍低于饮用水和灌溉水指南值，但沉积物中镉（Cd）持续超标，土壤中Cd在全部样品中均超过加拿大土壤质量指南，蔬菜中钒（V）和铬（Cr）普遍超标，高流量季节特定蔬菜中Ni、Cu和Pb浓度显著升高。健康风险评估显示，所有蔬菜样品的危险指数（HI）均大于1，儿童的风险显著高于成人；增量终生癌症风险（ILCR）评估表明，Cr和Pb是主要的致癌风险贡献者，儿童风险值更高。该研究的重要意义在于首次揭示了仅依据水质达标并不能保证整个农业生态系统的安全，为采矿影响区开展多介质综合监测和食物安全干预提供了科学依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量水和蔬菜样品，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量土壤和沉积物样品；采用标准参考物质（SRM 1640a、SRM 1573a、SRM 2587、AMIS 0373）验证方法准确度，回收率在75~125%范围内。样品来自Mokolo河、Mokolo大坝及三个农场，分别于2022年8月（低流量）和2023年5月（高流量）采集。健康风险评价采用目标健康商数（THQ）、危险指数（HI）和增量终生癌症风险（ILCR）模型，针对成人和儿童分别计算。

研究结果如下：

3.1 分析方法的性能：通过校准曲线和标准参考物质验证，方法线性良好（R2=0.9996~1），回收率在76.4%~115%之间，相对标准偏差（%RSD）为0.0881%~12.5%，检出限（LOD）和定量限（LOQ）满足痕量分析要求，表明ICP-MS和ICP-OES方法准确可靠。

3.2 水中微量元素总浓度：低流量季节水样中微量元素浓度均低于世界卫生组织（WHO）、南非国家标准（SANS）和水事务与林业部（DWAF）的饮用水及灌溉水指南值。高流量季节铅（Pb）浓度在个别点位（如9.952 μg/L）接近指南值10 μg/L，镍（Ni）在点11达13.508 μg/L。统计检验显示，除镉（Cd）等少数元素外，多数元素均值显著低于指南值；季节间Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和V有显著差异，而As和Ni无显著差异。

3.3 沉积物中微量元素总浓度：与加拿大沉积物质量指南（ISQG和PEL）比较，Cd在低流量和高流量季节的均值均显著高于ISQG（0.600 μg/g），且多个点位超过PEL（3.50 μg/g）。高流量季节Pb在点9~12显著富集（139~157 μg/g），超过PEL（91.3 μg/g）。Cr、As、Cu均值大多未超过PEL，但个别点位的Cu超过ISQG。表明沉积物中存在局部的微量元素富集，尤其是Cd和Pb。

3.4 蔬菜中微量元素总浓度：低流量季节，Cr浓度（1.76~5.63 μg/g）多个样品超过最大允许限值（MPL 2.30 μg/g），V普遍超标；部分蔬菜的As、Cd、Hg和Pb也超标。高流量季节，所有7个蔬菜样品的Cr和V均超标，特定样品（Chomolia和Covi）中Ni（最高54.68 μg/g）、Cu（最高26.30 μg/g）和Pb（最高8.75 μg/g）显著升高。统计检验表明，V在两个季节的均值均显著高于MPL，Cr仅在高流量季节显著超标，As在低流量季节显著超标。

3.5 土壤中微量元素总浓度：与加拿大土壤质量指南（SQG）比较，所有低流量（13个）和高流量（7个）土壤样品的Cd浓度均超过指南值（1.4 μg/g），低流量季节均值（5.11 μg/g）显著高于指南值。Cr在高流量季节有6/7样品超过SQG（64 μg/g），Cu和Pb仅在个别点位超标。这表明研究区农业土壤存在广泛的Cd富集，以及高流量季节更普遍的Cr超标。

3.6 健康风险评估：非致癌风险方面，成人和儿童几乎所有蔬菜样品的THQ和HI均大于1，儿童风险显著高于成人。Cr是两季中最主要的贡献者，高流量季节中Ni和Pb在特定蔬菜中贡献突出。致癌风险方面，Cr相关ILCR在两季均较高，儿童最高值可达10⁰量级；Pb在高流量季节的特定样品中ILCR超过1；Cd和As的ILCR相对较低，但儿童值仍高于成人。总体表明，蔬菜消费可能带来潜在健康风险，且儿童更为脆弱。

讨论部分指出，尽管河水中微量元素总体符合指南，但沉积物、土壤和蔬菜中的超标情况表明水质合规并不等同于整个农业生态系统无污染。风险贡献因元素、蔬菜种类、采样点、季节和人群而异，强调了进行多介质综合监测的必要性。研究局限性包括仅采集两个季节、未测定元素形态和生物可利用性、未建立土壤-植物转移关系等。未来应开展多年连续监测、形态分析和转移机制研究，以更准确评估暴露途径和风险。

研究结论可翻译为：本研究对Mokolo河流域水、沉积物、土壤和蔬菜中的微量元素污染进行了综合评估，并揭示了其对食品安全和人体健康的潜在影响。重要的是，研究结果表明，河水符合水质指南并不意味着整个农业生态系统不存在污染；其他环境介质中出现了超标，包括农业土壤中的Cd和Cr以及沉积物和可食蔬菜中的部分微量元素。季节和空间差异明显，表明评估微量元素分布和膳食暴露时需要考虑环境条件变化。研究将环境存在与当地蔬菜饮食暴露联系起来，发现非致癌和致癌风险与蔬菜消费相关，儿童的风险始终高于成人。Cr是两季中致癌风险的主要贡献者，Pb在某些蔬菜和点位贡献突出，尤其在高速水流季节。这些发现表明，潜在健康风险并非均匀分布，而是取决于元素、蔬菜类型、采样点、季节和人群。因此，研究支持在采矿影响和农业活动区域采用超越水质监测的综合监测方法，包括沉积物、农业土壤和可食用作物，以支持循证农业管理、食品安全干预和监管决策。未来研究应调查长期趋势、元素形态和生物可利用性以及土壤到植物的转移机制，以更好地阐明环境暴露途径和相关的人类风险。