### 中文标题 喀麦隆东南部Lom-Midal排水系统沉积物中潜在有害元素的地球化学评估及生态与人体健康风险

《Scientific African》：Geochemical assessment and ecological-human health risk of potentially hazardous elements in sediments from the Lom-Midal drainage system, South Eastern Cameroon

　　

### 摘要专业翻译

Lom-Midal地区位于喀麦隆东南部，具有重要的生态意义，但日益受到来自地壳成因和人为输入的潜在有害元素（PHEs）污染的威胁。本研究利用地理信息系统软件、生态毒理学指数和多变量统计分析，分析了Lom-Midal排水系统沉积物样品中12种PHEs的地理空间分布、生态健康风险及可能来源。研究区域共采集了四十九（49）个沉积物样品，并通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行重复分析。沉积物中PHEs的平均含量按以下顺序排列：La > Sr > Zn > Y > Cu > Ce > As > Ba > Pb > Mo > Cd，其中Cu（32.14 ppm）、As（20.57 ppm）、Y（41.69 ppm）、Mo（1.55 ppm）、La（559.43 ppm）和Cd的含量高于上地壳值。结果显示显著的空间异质性，主要污染热点位于研究区域的西部和南部。污染参数（C_deg：25.22-145.62；mC_deg：2.10-12.14；NIPI：8.48-51.66；EF：0.02-23.60）表明沉积物受到污染、PHEs富集及沉积物质量显著下降。潜在生态风险指数（RI：181.19-1528.69）显示以Cd和As为主导的中度至高度环境危害。毒性风险指数（TRI：1.48-19.57）表明PHEs存在低至中度毒性风险，并反映了相当程度的人为控制。对于所有PHEs，危害指数（HI）、目标危害商（THQ）、致癌风险（CR）和总癌症风险（TCR）的结果表明THI < 1且TCR在可接受范围内（1 × 10^-6至1 × 10^-4）。健康风险评估结果未包含作物摄入、职业暴露、季节性变化或概率不确定性，因此不应被解释为不存在健康风险的证据。综合多变量统计分析阐明了沉积物中PHEs与岩石成因（矿物和岩石风化）及人为来源（采矿、农业和城市径流）的关联。这些发现为制定有针对性的缓解和监管措施提供了必要的基础数据，以促进矿区水生生态系统的可持续管理。研究结果还强调需要加强环境监测、采用综合流域管理方法，并实施适当的修复策略，以减轻非洲这一地区的生态和人体健康风险。

### 论文深度解读

#### 研究背景与科学问题

潜在有害元素（PHEs）是一类在环境中难以降解、具有持久性和生物累积性的无机污染物，对生态系统和人体健康构成严重威胁。沉积物作为水生生态系统的重要组成部分，是河流、湖泊中污染物的主要汇，能够记录区域环境质量的历史演变和当前污染状况。因此，沉积物地球化学评估被广泛用于识别污染来源、评价生态风险和指导环境管理决策。

喀麦隆东南部的Lom-Midal排水系统位于泛非褶皱带阿达马瓦域，是该国最重要且开采强度最大的金矿区之一。区域内的花岗岩类岩石富含稀土元素载体矿物（如独居石、磷灰石），同时，大规模的艺术性和半机械化金矿开采活动、农业活动和城市径流使得该区域面临多重PHEs输入压力。然而，尽管已有研究关注Lom河流域沉积物中的金矿赋存状态和部分PHEs污染，但针对Lom-Midal排水系统的系统性基线地球化学评估尚属空白。现有研究主要集中于河流沉积物的金矿潜力，对该区域PHEs的空间分布、污染水平、生态风险和人体健康风险的全面认识严重不足。这一知识空白制约了该区域环境管理政策的制定和矿区可持续发展的推进。为此，本研究首次开展了覆盖整个Lom-Midal排水系统的高分辨率地球化学调查，旨在：(i) 利用GIS技术确定沉积物中PHEs的浓度和地理空间分布；(ii) 通过多变量统计分析和污染指标探究PHEs的来源和污染水平；(iii) 利用潜在生态风险指数（RI）、毒性风险指数（TRI）和毒性单位（TUs）识别潜在的生态和毒理学风险；(iv) 整合目标危害商（THQ）、危害指数（HI）、致癌风险（CR）和总癌症风险（TCR）评估沉积物中PHEs相关的非致癌和致癌健康风险。

#### 研究内容与结论概述

研究人员在Lom-Midal排水系统沿程采集了49个表层沉积物样品（0-25 cm深度），利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析了12种PHEs（Cu, Zn, As, Sr, Y, Mo, Cd, Ba, La, Ce, Pb, Fe）的浓度。研究发现，沉积物中La、As、Cd、Y、Mo和Cu的平均含量超过上地壳值（UCC），其中La的平均富集程度高达UCC的18-60倍。空间分布图显示，PHEs高浓度区域主要集中在研究区域的西部和南部，与采矿活动、农业活动密集区高度吻合。多种污染评价指数（CF、C_deg、mC_deg、EF、I_geo、NIPI、PLI）一致表明，研究区域沉积物总体处于中度至重度污染水平，其中As、Cd和La是最主要的贡献元素。生态风险评价显示，RI值介于181.19至1928.69之间，以Cd和As为主导贡献者，占总潜在生态风险的87%-98%。TRI和TUs值表明部分采样点存在显著的毒性风险。人体健康风险评价显示，所有PHEs的非致癌危害指数（HI）和总致癌风险（TCR）均在USEPA可接受范围内，但As和Cd的值相对较高，且儿童的风险高于成人，经口摄入是主要暴露途径。多元统计分析（SCC、PCA、HCA）综合揭示了PHEs的来源：大部分元素（Cu, Zn, Sr, Y, Mo, Ce, Fe, La）主要受岩石风化等自然地质源控制，而As、Cd、La则显著受到采矿活动、农业径流和城市排放等人类活动的叠加影响。

#### 主要关键技术方法

本研究采用了多方法集成的技术路线。样品前处理采用四酸（HClO₄, H₂SO₄, HCl, HF）微波消解，元素含量测定通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）完成，所有分析在加拿大安大略省Activation Laboratories Ltd.进行。空间分布表征采用地理信息系统（GIS）点符号图。污染来源解析综合运用了Spearman相关系数（SCC）、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）。风险评估采用了污染因子（CF）、富集因子（EF）、地累积指数（I_geo）、潜在生态风险指数（RI）、毒性风险指数（TRI）及USEPA健康风险模型。样本队列为来自喀麦隆东南部Lom-Midal排水系统的49个表层沉积物样品。

#### 研究结果

**PHEs在 aquatic ecosystem 中作为危险和有毒载体的表现**

研究显示，沉积物中Cu、As、Y、Mo、La和Cd的平均浓度均超过上地壳值（UCC），而Zn、Sr、Ba、Ce和Pb的平均浓度低于地球化学阈值。Li元素（La）的平均含量（559.43 ppm）显著富集，约为UCC值的18倍，归因于含独居石和磷灰石的花岗岩风化以及采矿活动增强的物理化学分散。与沉积物质量指南（SQGs）对比发现，As的平均浓度（20.57 ppm）超过了PEL、TET和TEL阈值，表明对底栖生物存在显著的生态风险。与喀麦隆其他河流及国际河流相比，Lom-Midal沉积物中的As和Cd浓度相对较高，凸显了这两种元素在本区域的特殊污染意义。

**PHEs在Lom-Midal沉积物中的地理空间分布**

GIS点符号图揭示了PHEs的显著空间异质性。As、La、Zn、Mo和Ce的高浓度区域集中分布于研究区西部，受人类活动（高强度农业实践、采矿作业、化肥和杀虫剂使用）影响强烈。Pb、Cu和Sr的中高浓度区域分布不均，而Y的中高浓度区域位于东南部。总体而言，西部和南部是污染热点区域，而低浓度区域多分布于丘陵、河谷和林地。

**沉积物中PHEs的污染水平及其意义**

污染因子（CF）结果表明，La（平均CF=19.32）、As（平均CF=12.48）和Cd（平均CF=12.52）呈现高污染水平（CF ≥ 6），而Fe、Mo和Y呈现中度污染。污染程度指数（C_deg）在所有采样点均超过24，显示非常高的污染水平。修正污染程度指数（mC_deg）表明大部分点位处于中度至高度污染，其中B2和B5点位达到极高水平。Nemerow综合污染指数（NIPI）均高于7，表明沉积物受到重度PHEs污染。地累积指数（I_geo）显示As（均值2.42）和Cd（均值2.43）为中度至强污染，La（均值3.54）为强污染。富集因子（EF）证实As（均值17.51）和Cd（均值16.86）为显著富集，La（均值23.60）为高度富集。这些指标共同表明，As、Cd和La的富集主要受近期人为活动驱动，尤其是艺术性金矿开采。

**沉积物中PHEs的环境与毒理学危害**

潜在生态风险指数（RI）范围为181.19至1928.69，其中59.18%的采样点属于中等生态风险，24.49%属于高风险。修正潜在生态风险指数（MRI）分析表明，Cd（平均MRI=505.91）和As（平均MRI=175.16）是生态风险的主导因素，两者合计贡献了约87%-98%的总风险。毒性风险指数（TRI）范围为1.48至19.57，As和Cd是最主要的毒性贡献者，在部分高值点位（如B2，TRI=19.57）预示着底栖群落结构受损的潜在可能。这些结果表明，沉积物中PHEs对底栖生物构成显著威胁，并可能通过食物链传递。

**沉积物中PHEs相关的人体健康风险**

非致癌健康风险评估显示，所有PHEs的HQ_ingestion和HQ_dermal值均低于1，THI和HI值也低于安全阈值，表明当前暴露情景下非致癌风险可接受。然而，儿童的风险值高于成人，且经口摄入是主要暴露途径，这与儿童的手-口行为和高频环境接触有关。致癌风险评估显示，As、Cd和Pb的CR和TCR值均在USEPA可接受范围（1 × 10^-6至1 × 10^-4）内，但As和Cd的值相对较高，提示长期暴露需引起关注。研究人员特别强调，这些评估未包含作物摄入、职业暴露、季节性波动和概率不确定性，不应被解释为无健康风险的证据。

**沉积物中PHEs的控制因素与来源解析**

Spearman相关分析（SCC）显示Cu-Zn（r=0.66）、Y-Ce（r=0.63）、Mo-Fe（r=0.50）等元素对呈显著正相关，指示同源关系。主成分分析（PCA）提取了三个主成分：PC1（25.0%方差）由Cd、As、Ba、Pb、Ce组成，代表岩石风化和人为活动（采矿、农业）的混合来源；PC2（18.6%方差）由Mo、Zn、Cu、Y组成，主要来自岩石成因的地壳源；PC3（15.2%方差）由La、Sr、Fe组成，与含这些元素的矿物风化有关。层次聚类分析（HCA）将元素分为两个主要簇群，与PCA结果相互印证。综合多变量分析结论表明，除As、Cd和La具有显著的岩石成因和人为输入双重来源外，其余元素主要受自然地质背景控制。

#### 讨论总结与结论翻译

在讨论部分，研究人员指出，沉积物中PHEs的富集对农业、底栖生物、水质量和长期生态系统健康具有多重影响。高PHEs含量可能通过灌溉水进入农田土壤并被作物吸收，进而通过食物链威胁人体健康。As、Cd、Pb和Cu等元素已被证实对底栖无脊椎动物具有直接毒性，可能导致生物多样性下降。在特定pH或氧化还原条件下，沉积物中的PHEs可能被重新释放进入上覆水体，导致水质恶化。研究人员也坦承研究的局限性，包括未评估空气暴露和食物/水摄入途径，缺乏长期监测数据和PHEs形态及生物可利用性数据。基于这些发现，他们建议建立基于社区的生物监测计划，将PHEs控制纳入更广泛的农业和矿区管理及气候适应策略，并投资于经济有效的修复技术（如植物修复）。

**研究结论**：本研究首次对喀麦隆东部地区Lom-Midal排水系统沉积物中的PHEs污染和生态风险进行了综合的多指数评估，共涵盖四十九（49）个沉积物样品。对12种金属的分析揭示了显著的空间变化，最高浓度出现在研究区域的西部和南部。在分析的PHEs中，La表现出与花岗岩风化相关的最高的富集程度，其次是砷和镉，反映了强烈的人为影响（采矿作业以及农业和城市径流）。多种污染指数（CF、C_deg、mC_deg、EF、I_geo、NIPI和PLI）一致表明中度至严重的污染水平。潜在生态风险指数（RI和MRI）确定镉和砷是生态威胁的主要贡献者，而毒性风险指数（TRI和TUs）表明整个研究区域和沉积物中PHEs的总体毒性风险为低至显著水平。人体健康风险评估表明，摄入是主要的暴露途径，Cd和As的累积致癌风险接近USEPA安全阈值，提示当地居民未来面临的长期健康问题。总体上，这些结果为矿区沉积物中PHEs污染提供了关键的基线见解。应促进持续评估和建立有效的管理框架，以应对潜在的PHEs暴露并保障该地区未来的健康。未来的研究应优先考虑详细的来源追踪、土壤、沉积物和植物中PHEs的形态和生物可利用性评估，以及制定更有效的保护政策以维护水生生态系统和人体健康。本研究建议对矿区的水和沉积物样品进行持续监测，以避免未来出现任何PHE污染。