《Methods and Protocols》：Environmental Exposure to Trace Metals and Fluoride in Drinking Water and Soil: A Study Protocol Evaluating Multi-Index Dental Pathologies in Mining-Affected Towns of Mpumalanga, South Africa
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南非姆普马兰加省的密集采矿活动可能导致饮用水和表层土壤受到有毒痕量金属污染。尽管全身毒理学影响已有充分记录，但这种多基质环境暴露与局部牙体硬组织病变之间的具体关系仍未得到充分研究。本研究方案概述了一种标准化的多学科方法，用以评估这些口腔健康影响。现场采样和临床
南非姆普马兰加省的密集采矿活动可能导致饮用水和表层土壤受到有毒痕量金属污染。尽管全身毒理学影响已有充分记录，但这种多基质环境暴露与局部牙体硬组织病变之间的具体关系仍未得到充分研究。本研究方案概述了一种标准化的多学科方法，用以评估这些口腔健康影响。现场采样和临床筛查计划于11个月执行期内（2027年1月至2027年11月）完成。该横断面研究方案包含三个整合阶段：（1）环境地球化学分析：对来自水源、市政管网和入户水龙头的饮用水样品（n = 120）以及同期采集的住宅区表层土壤样品（n = 60），采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）/电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析痕量金属和类金属（Pb、Cd、Cr、Mn、As、Fe、Cu和Zn），并使用离子选择电极（ISE）测定氟化物（F?）浓度。（2）临床评估：注册牙科专业人员将采用迪恩指数（Dean's Index）评估氟斑牙、龋失补指数（DMFT）评估龋病以及釉质发育缺陷指数（DDE）对居民队列（N = 388）进行筛查。（3）健康风险评估：通过慢性每日摄入量（CDI）、目标危害商数（THQ）和累积危害指数（HI）模型量化人体健康风险。该方案将利用反距离加权插值法（IDW）生成高分辨率空间污染分布图，并建立预测性多元回归模型，以关联环境金属负荷与临床口腔病理学表现。最终，将为矿区受影响社区的省级水质政策调整和针对性公共卫生干预措施提供具备法律依据的科学基线。
研究背景、现存问题与研究意义
南非姆普马兰加省作为煤炭开采和发电的核心区域，其密集的工业活动向周边环境释放了大量重金属和类金属物质。酸性矿山排水（AMD）和工业径流加剧了铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、锰（Mn）等有毒元素从地质层向地下水体和表层土壤的迁移。尽管这些污染物对肾脏、神经系统等器官的系统毒性已有广泛研究，但其通过饮用水和土壤等多介质途径暴露后，对牙齿硬组织（如牙釉质）产生的局部特异性损害——包括氟斑牙、釉质发育缺陷（DDE）和龋病——却缺乏系统的流行病学证据。现有研究往往割裂了环境地球化学监测与临床口腔流行病学调查，未能将空间暴露动态与结构性牙齿病理变化有效关联。因此，该研究旨在建立一个标准化的多学科框架，通过整合环境采样、临床检查和健康风险评估，填补这一关键空白，为矿区社区的口腔健康干预和水质政策调整提供科学依据。
主要关键技术方法
研究人员设计了一项横断面流行病学研究，在南非姆普马兰加省的eMalahleni、Barberton和Middelburg三个矿业城镇，以及对照镇Mbombela开展。研究分为三个阶段：首先，采集饮用水样品（n=120）和住宅区表层土壤样品（n=60），采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）/电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定Pb、Cd、Cr、Mn、As、Fe、Cu和Zn等元素，并使用离子选择电极（ISE）测定氟化物（F?）。其次，由校准后的牙科医师对居民队列（N=388，含6-12岁儿童组和≥18岁成人组各194人）进行临床检查，分别采用迪恩指数（Dean's Index）评估氟斑牙、龋失补指数（DMFT）评估龋病负担、釉质发育缺陷指数（DDE）评估釉质缺损。最后，基于美国环保署（US EPA）的健康风险评估（HRA）模型，计算慢性每日摄入量（CDI）、危害商数（HQ）和累积危害指数（HI），并结合反距离加权插值法（IDW）绘制空间污染分布图，运用泊松回归、有序逻辑回归等统计模型分析环境暴露与临床结局的关联，同时控制年龄、性别、社会经济地位（SES）、口腔卫生习惯和营养因素等混杂变量。
研究结果
环境暴露途径与源变异性
研究发现，矿区环境中重金属和卤素的暴露受自然地球化学条件和人为采矿活动的共同驱动。酸性矿山排水（AMD）产生的高硫酸盐、低pH值废水显著增强了Pb、Cd、Cr、Mn、Fe等元素的溶解性和迁移性。即使在经过处理的市政供水中，老化的输水管网也可能因内部腐蚀导致金属离子在入户水龙头处二次浸出。在农村和城郊地区，浅层地下水井极易受到AMD渗入和地质成因污染的影响。此外，住宅区表层土壤作为工业排放和尾矿颗粒的长效汇，在干旱季节可通过风蚀和人车扰动重新悬浮，形成吸入和经口摄入的多途径暴露。
生物机制：混合效应干扰成釉过程
研究人员提出，氟化物与重金属的联合暴露可能产生协同毒性作用，干扰成釉细胞功能。过量氟化物会阻碍釉原蛋白的降解，导致釉质下矿化不足和孔隙增加，表现为典型的氟斑牙。重金属离子（如Pb2?、Cd2?）则因其离子半径和电荷与钙离子（Ca2?）相似，可替代钙进入羟基磷灰石晶格，破坏晶体生长和釉柱结构，降低釉质抗酸脱矿能力。同时，重金属引发的氧化应激和内质网应激也会损害成釉细胞的分泌和成熟功能，从而加剧釉质发育缺陷（DDE）和龋病风险。
国际比较与政策整合
通过与土耳其东南部地方性氟中毒区等国际案例的比较，该研究确认了将US EPA健康风险评估（HRA）指标（如HQ）与临床氟斑牙患病率相结合的方法学先例。在南非监管背景下，研究结果可用于指导符合南非国家标准（SANS 241）的水质合规策略，推动基础设施升级和针对性口腔健康监测。然而，横断面设计限制了因果推断能力，因为成釉过程主要发生在儿童早期，而当前的测量数据可能无法完全反映历史暴露水平。为此，研究人员采用了多元回归建模和反距离加权插值法（IDW）改善暴露估计，并通过问卷收集居住史和饮食习惯等混杂信息。
结论翻译
本研究方案建立了一个全面的多基质框架，旨在弥合矿区环境影响与临床口腔流行病学之间的历史鸿沟。通过运行源-途径-受体-影响（SPRI）模型，该方法超越了单一变量监测，同时评估了饮用水网络和陆地表层土壤汇中的暴露动态。这一整合结构使研究人员能够模拟重金属混合物和卤素对人类成釉过程施加的累积非致癌健康危害及系统性“混合效应”。在南非姆普马兰加省煤矿和金矿区的系统部署，将生成高分辨率的地球化学空间污染图和稳健的、控制混杂因素的多元回归模型，从而分离出局部氟斑牙、釉质发育缺陷（DDE）和龋病经历的真实环境决定因素。最终，该研究提供了一个可扩展的、具有法律依据的科学基线，能够指导地方水务部门、环境卫生从业者和市政规划者，支持针对性的公共卫生干预，并证明保护重工业运营周边脆弱社区的必要水质政策调整的合理性。
