《Journal of Environmental Chemical Engineering》：From deterministic to probabilistic: A back-calculation framework for health-risk-based heavy metal benchmark values in mining-affected agricultural soils
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摘要矿区受影响的土壤中砷（As）和镉（Cd）污染对人类健康构成重大威胁，因此需要推导基于健康风险的基准值。然而，由于存在多种暴露途径、变化的土壤 - 作物迁移能力以及特定人群的暴露参数，推导稳健的基准值颇具挑战。为应对这些挑战，本研究开发了一个综合框架，将健康风险评估与基准值
摘要
矿区受影响的土壤中砷（As）和镉（Cd）污染对人类健康构成重大威胁，因此需要推导基于健康风险的基准值。然而，由于存在多种暴露途径、变化的土壤 - 作物迁移能力以及特定人群的暴露参数，推导稳健的基准值颇具挑战。为应对这些挑战，本研究开发了一个综合框架，将健康风险评估与基准值的反演计算相结合，纳入了膳食暴露（玉米和蔬菜摄入）和非膳食暴露（土壤摄食、吸入和皮肤接触）途径，并根据特定地区的生物富集系数进行了校准。基于中国云南省东南部农业土壤中 134 对土壤 - 作物样品，我们进行了确定性和概率风险评估，并随后反演计算出基于健康风险的基准值。结果表明，矿区受影响区域土壤和作物中的砷和镉浓度显著高于非矿区。蔬菜摄入贡献了超过 80% 的非致癌风险，且儿童是最敏感的人群。概率评估显示，确定性方法低估了暴露尾部的上 15%–30%。因此，在第 95 百分位人群保护水平下的概率基准值（As: 2.11 mg/kg; Cd: 0.24 mg/kg）比其确定性对应值更为严格。本研究支持矿区受影响区域的精细化风险管理以及对脆弱人群的保护。
引言
金属矿产资源对社会经济发展至关重要；然而，采矿和冶炼活动导致土壤 - 作物系统中的重金属（HM）浓度升高，在全球范围内构成了潜在的人体健康风险 [56], [74]。中国的一项全国调查显示，70 个矿区 1,672 个土壤样品中有 33.4% 超过国家标准，其中有色金属矿点周围的砷和镉污染尤为严重（MEP 和 MLR，2014）。慢性砷暴露与皮肤、膀胱、肾脏和肺癌有关，而镉暴露则与肺癌和肠道免疫功能障碍有关 [64]。因此，对土壤 - 作物系统中重金属的全面人体健康风险评估以及相关土壤重金属基准值的推导，对于公共健康保护和精细化风险管理至关重要。
传统的人体健康风险评估受限于过度简化的暴露途径和对人群特异性变异性考虑不足。大多数研究仅关注非膳食途径（如土壤摄食、吸入和皮肤接触）[27] 或膳食途径（如玉米、大米和蔬菜摄入）[20], [53]，导致整合的多途径风险表征不足。Yang 等人 [73] 揭示，自种大米和蔬菜的摄入占总风险的 86.5%–99.8%，而直接土壤摄食贡献甚微，这表明单途径评估可能会低估实际风险。此外，依赖通用参数以及忽略性别和年龄特定差异会给风险估计带来偏差，损害缓解策略的可靠性。为克服这些局限性，使用蒙特卡洛模拟（MCS）的概率风险评估日益被用于量化参数不确定性并估计超过可接受阈值的概率。
尽管概率风险表征取得了进展，但基于健康风险的土壤基准值推导在方法学上尚未充分发展。表 S1 总结了关键研究，包括其暴露途径、风险评估和反演计算方法以及保护目标。如表 S1 所示，大多数现有研究通常仅使用 MCS 进行风险表征，而反演步骤仍依赖确定性点估计，从而导致推导出的基准值存在偏差 [73]。此外，很少有研究在一个框架内整合所有五个主要暴露途径（土壤摄食、吸入、皮肤接触以及主食谷物和蔬菜的摄入），或在矿区受影响区域考虑特定场地的生物富集系数。为解决这些知识空白，我们开发了一个概率反演计算框架，将 MCS 直接嵌入多途径模型的反演中，得出的基准值为完整的概率分布，可调整至任何所需的保护水平。
因此，本研究旨在：(1) 表征矿区受影响区域和非矿区土壤、玉米和蔬菜中砷和镉的浓度；(2) 评估确定性非致癌健康风险并识别主要暴露途径；(3) 量化概率健康风险及相关不确定性；以及 (4) 使用确定性和概率反演计算模型推导砷和镉的基于健康风险的土壤基准值。研究结果预计将改善重金属风险管理的科学依据，并支持矿区受影响农业区域对脆弱人群的针对性保护。
章节摘要
研究区
选取中国云南省东南部一个典型的矿区受影响农业区作为研究区（图 1）。该地区矿产资源丰富，几十年来经历了广泛的采矿和冶炼活动，导致土壤、蔬菜和水果中的重金属污染升高 [14], [18], [29], [67]。因此，该地区重金属浓度表现出强烈的空间变化，重度污染的矿区与非矿区相邻，
土壤中的重金属
矿区受影响区域和非矿区的土壤、玉米和蔬菜中砷和镉的浓度见表 1。矿区受影响区域的土壤和作物样品中砷和镉的浓度均显著高于非矿区（P < 0.05），表明采矿和冶炼活动显著导致了土壤、玉米和蔬菜中重金属浓度的升高。矿区受影响区域土壤、玉米和蔬菜中砷的平均浓度为
结论
本研究整合了确定性和概率健康风险评估与反演计算，以评估土壤 - 作物系统中的健康风险并推导砷和镉的基于健康风险的基准值。结果表明，矿区受影响区域的土壤和作物存在砷和镉污染。跨作物而言，镉的生物富集系数超过了砷，尤其是在叶菜类蔬菜中。确定性风险评估确定儿童是最脆弱的人群，其 THI 值高出 3.3- 至 3.5 倍
未引用参考文献
[10], [11], [22], [38], [39], [40], [42], [43], [5], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [65]
CRediT 作者贡献声明
Yingying Wang: 软件，方法论，调查。Guanghui Guo: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，经费获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金 [批准号 42477502] 和中国国家重点研发计划 [批准号 2023YFC3207300] 的支持。
Guanghui Guo|Yingying Wang
中国科学院地理科学与资源研究所，北京，100101，中国
