一种基于土壤重金属形态对人体健康风险的评估方法

技术领域

本发明涉及环境污染评价技术领域，具体涉及一种基于土壤重金属形态 对人体健康风险的评估方法。

背景技术

工业生产排放、污水灌溉、大气沉降等重金属污染源，使得土壤中的重金 属含量远远超出安全值，给人类的身体健康造成了严重的威胁。由于重金属具 有不易降解、易富集等特征，土壤重金属污染带来的问题越来越受到人们的重 视；土壤中的重金属元素不仅对环境存在危害，对人体健康也造成了严重的危 害，因此，对土壤重金属元素进行人体健康风险评价具有十分重要的现实意 义。传统上进行土壤重金属风险评价时通常采用总量，这在多数情况下将可能 导致对人体健康风险的过高估计。

重金属的生物有效性(Bioaccessibility)是指重金属能被生物吸收或对生 物产生毒性的性状，是衡量重金属元素健康影响和生态影响的关键指标。对环 境中，重金属进行风险评估是进行其风险管理的前提。近年来，众多学者对土 壤中重金属进行了健康风险评估，但是模型在应用时，主要集中在对重金属总 含量的评估，缺乏对重金属生物有效性的考虑，从而导致健康风险评估中对重 金属暴露剂量估算的误差，这也造成健康风险评估模型不确定性的一个重要来 源。

综上所述，现有技术中，存在着对于土壤中重金属对人体的健康风险评估 中存在的取样不标准，提取重金属生物有效性的步骤太简单，评价风险采用重 金属元素总量，使得重金属对人体的健康风险评估偏离现实情况，导致评估模 型具有很多不确定性，评估误差较大。

发明内容

为此，本发明提供一种基于土壤重金属形态对人体健康风险的评估方 法，以解决现有技术中重金属对人体的风险评估不准确，误差大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于土壤重金属形态对人体健康风险的评估方法，所述评估方法包括 以下步骤：

样品采集处理，确定所分析的重金属元素；

提取重金属赋存形态，确定重金属生物可利用态含量；

根据所述重金属生物可利用态含量，确定重金属暴露浓度；

根据所述重金属的暴露浓度，进行健康风险评价分析；

其中，所述重金属赋存形态包括以下四种形态：

F1酸可提取形态为可交换态和碳酸盐结合态，可在水环境条件变化时向 水体迁移并能直接被生物利用；

F2可还原态为铁锰氧化物结合态，当土壤中氧化还原电位降低时，该形 态重金属会释放到水体造成污染；

F3可氧化态为有机物和硫化物结合态，在氧化条件下向水体释放；

F4残渣态存在于原生矿和次生矿的矿物晶格中，性质稳定，只有通过化 学反应先转化为可溶态才能对生物产生影响；F1、F2和F3称为生物可利用 态；

所述重金属生物可利用态含量＝(F1+F2+F3)/(F1+F2+F3+F4)×100％。

本发明的一个实施例中，所述方法还包括：建立健康风险评价分析模型 CDI：

经口摄入途径健康风险评价模型CDI

所述经口摄入途径健康风险评价模型CDI

所述皮肤接触途径健康风险评价模型CDI

所述呼吸吸入途径健康风险评价模型CDI

式中：CDI

本发明的一个实施例中，对所述健康风险评价分析模型CDI进行健康风 险评价计算方法为：

CR＝CDI×SF

TCR＝∑CR

HI＝∑HQ

其中，CR表示致癌风险；TCR表示总致癌风险；SF表示斜率因子，(kg· d)/mg；HQ表示风险度，即非致癌风险；HI表示风险指数，即总非致癌风险； RfD表示参考剂量，mg/(kg·d)。

本发明的一个实施例中，所述样品的采集处理过程中，重金属的测定方法 为：

称取0.05g土壤样品，依次加入3ml硝酸，3ml氢氟酸，1ml高氯酸， 置于聚四氟乙烯坩埚中，放在电热板上于180°消解，直至烧杯内剩余液体体 积小于0.5ml，液体呈透明或者浅黄绿透明色，同时烧杯底部无任何残余样品 时，样品消解完成；并测定分析铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷8种重金属 元素。

本发明的一个实施例中，所述确定重金属生物可利用态含量，采用重金属 连续提取分析法测定。

本发明的一个实施例中，所述重金属连续提取分析法采用20个样品。

本发明的一个实施例中，所述重金属暴露浓度的计算过程为：

根据重金属形态分布，求得各点位重金属生物可利用态含量占比；

以20个样品重金属生物可利用态含量占比的平均值作为重金属生物可利 用态系数，所述系数乘以各点位重金属含量浓度值，得各点位重金属暴露浓度。

本发明的一个实施例中，所述重金属元素为As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、 Zn、Hg。

本发明具有如下优点：

本发明提供的一种基于土壤重金属形态对人体健康风险的评估方法，其将 重金属的生物有效性与重金属的健康风险评估模型相结合，可从重金属暴露剂 量合理估算的角度降低健康风险模型的不确定性，也为环境中重金属污染相关 的标准和法规的指定提供了科学依据。本发明的风险评估方法的操作方便、评 估更科学、评估误差更小，方便人们对土壤中重金属对人体健康风险进行评估 预防。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将 对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附 图。

图1为本发明实施例提供的土壤中砷BCR形态分布图；

图2为本发明实施例提供的土壤中镉BCR形态分布图；

图3为本发明实施例提供的土壤中铬BCR形态分布图；

图4为本发明实施例提供的土壤中铜BCR形态分布；

图5为本发明实施例提供的土壤中镍BCR形态分布；

图6为本发明实施例提供的土壤中铅BCR形态分布；

图7为本发明实施例提供的土壤中锌BCR形态分布；

图8为本发明实施例提供的土壤中汞BCR形态分布；

图9为本发明实施例提供的重金属元素Cr总致癌风险对比图；

图10为本发明实施例提供的重金属元素总非致癌风险对比图；

图11为本发明实施例提供的各元素总致癌风险平均值对比图；

图12为本发明实施例提供的各元素总非致癌风险平均值对比图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可 由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描 述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、样品采集及金属赋存形态的提取

本实施例研究区位于广西壮族自治区贺州某矿区，总面积8.7918km

具体步骤如下：称取0.05g土壤样品，依次加入3ml硝酸，3ml氢氟酸， 1ml高氯酸，置于聚四氟乙烯坩埚中，放在电热板上于180°消解，直至烧杯 内剩余液体体积小于0.5ml，液体呈透明或者浅黄绿透明色，同时烧杯底部无 任何残余样品时，样品消解完成，主要测试铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷 等8种重金属元素。为测试重金属元素残渣态及生物可利用态含量，在矿区内 采集20个样品，进行重金属连续提取分析，测试重金属赋存形态。

土壤样品放置实验室无尘通风环境下自然风干，将样品放置于有机玻璃板 上，用有机玻璃棒压碎土样，除去土壤中混杂的砖瓦石块、根茎植物、石灰结 核等，并采用四分法取出适量样品(10g)过10目(孔径2mm)筛。将过10 目筛的土壤样品用玛瑙研钵充分研磨并过200目筛，装入聚乙烯自封袋中密封 保存。

通过重金属连续提取法提取，将重金属赋存形态分为4个形态：F1酸可 提取态、F2可还原态、F3可氧化态和F4残渣态。F1态主要为可交换态和碳 酸盐结合态，可在水环境条件变化(如pH下降)时向水体迁移并能直接被生 物利用，危害较大；F2态主要为铁锰氧化物结合态，当土壤中氧化还原电位 降低时，该形态重金属会释放到水体造成污染；F3态主要为有机物和硫化物 结合态，相对稳定，在较强的氧化条件下向水体释放；F4态主要存在于原生 矿和次生矿的矿物晶格中，性质较稳定，几乎不能被生物所利用，只有通过化 学反应先转化为可溶态才能对生物产生影响。根据形态特征，将前3态(F1、 F2和F3)称为生物可利用态。

通过对20个样品进行连续提取分析，矿区8种土壤重金属BCR四种形态 分布见图1-图8。

根据重金属形态分布，求得各点位重金属生物可利用态含量占比；以20 个样品含量占比平均值作为矿区重金属生物可利用态系数，As、Cd、Cr、Cu、 Ni、Pb、Zn、Hg 8种重金属元素生物可利用态系数分别为0.0045、0.0481、 0.2229、0.0861、0.1148、0.1598、0.1127、0.3307；各元素该系数乘以各点位 重金属含量浓度值(以最大值为准)，得出各点位健康风险评价暴露浓度，As、 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg 8种重金属元素暴露浓度最大值分别为47.657 mg/kg、8.392mg/kg、72.685mg/kg、456.081mg/kg、28.290mg/kg、1972.905 mg/kg、681.018mg/kg、1.883mg/kg。

实施例2、基于土壤重金属形态对人体健康风险的评估

本实施例采用EPA推荐的“四步法”评估重金属污染物对人体健康产生 的风险。暴露途径选取经口摄入、皮肤接触、呼吸吸入三种暴露途径。不同类 型污染物通过土壤-人体后所引起的健康风险模型健康风险评价包括致癌物所 引致健康危害的模型和非致癌物质所致健康危害的风险模型。在实验室实验的 基础上，得到重金属的浓度指标，利用重金属生物有效态占比，得出重金属元 素的可利用态含量，并应用健康风险评价模型CDI，进行定量评价。

各暴露途径CDI计算模型如下：

(1)因直接经口摄入土壤而摄入的污染物量CD

(2)因皮肤接触土壤而摄入的污染物量CDId(mg/kg*d)按下式计算：

(3)因呼吸吸入土壤而摄入的污染物量CDI

式中：CD

结合USEPA(2008)标准及调查问卷统计结果以及《建设用地土壤污染 风险评估技术导则》(HJ25.3-2019)中的相关参数推荐值，本次评估暴露参数 见表1所示，土壤健康风险评价参数值。

表1

健康风险评价中，计算方式如下所示：

CR＝CDI×SF

TCR＝∑CR

HI＝∑dQ

式中：CR表示致癌风险；TCR表示总致癌风险；SF表示斜率因子， (kg·d)/mg，如表2所示，致癌类各重金属的斜率因子(SF)；HQ表示风险度 (非致癌风险)；HI表示风险指数(总非致癌风险)；RfD表示参考剂量， mg/(kg·d)，如表3所示，非致癌类各重金属的参考剂量(RfD)。

表2

表3

考虑一定经济、社会、自然、技术等多方面因素后，以1×10

本实施例以各元素生物可利用态含量作为各点暴露浓度，代入健康风险评 价模型中，求得各暴露途径下的风险值；各暴露途径风险值求和即为总的风险 值。各暴露途径健康风险评价结果见表4-表6。表4为经口摄入途径健康风险 评价结果，表5为皮肤接触途径健康风险评价结果，表6为呼吸吸入途径健康 风险评价结果。

表4

由表4可知，经口摄入途径下，致癌风险均可接受；成人非致癌风险可接 受，儿童Pb、As最大值不可接受，其余可接受。

表5

由表5可知，皮肤接触途径下，成人及儿童致癌风险最大值不可接受，其 余可接受；成人非致癌风险可接受，儿童Pb、Cr、Cd最大值不可接受，其余 可接受。

表6

由表6可知，呼吸吸入途径下，致癌风险及非致癌风险均可接受。各元素 的总致癌风险及总非致癌风险结果如表7所示，矿区重金属元素总健康风险评 价结果。

表7

由表7分析可知，致癌风险，对于成人：As的致癌风险范围为： 4.13E-08～6.47E-05，Cr的致癌风险范围为：1.39E-06～3.99E-04，Ni的致癌风 险范围为：1.53E-12～8.22E-10，Cd的致癌风险范围为：9.53E-14～9.14E-10； 只有Cr元素最大值超出可接受范围，其他元素均处在可接受范围，说明部分 Cr元素会对成人造成潜在的致癌风险，其他元素安全。对于儿童：As的致癌 风险范围为：5.77E-08～9.03E-05，Cr的致癌风险范围为：1.53E-06～4.38E-04， Ni的致癌风险范围为：5.83E-13～3.14E-10，Cd的致癌风险范围为： 3.64E-14～3.49E-10；Cr元素的致癌风险平均值超出了可接受范围，其他元素 均处在可接受范围，说明大部分Cr元素会对儿童造成潜在的致癌风险，其他 元素安全。元素Cr成人及儿童总致癌风险对比见图9。

非致癌风险，对于成人：非致癌风险范围分别为：Cu(1.62E-05～2.48E-02)， Pb(9.13E-04～1.22E+00)，Zn(1.30E-05～1.05E-02)，Ni(4.48E-05～2.41E-02)，Cd(2.30E-05～2.21E-01)，Cr(2.22E-03～6.38E-01)，As(2.21E-04～3.45E-01),Hg (1.09E-04～6.52E-02)；除Pb外，其他7种土壤重金属的最大非致癌风险范围 均小于1，处在可接受范围内，不会对成人人体造成潜在的非致癌危害；Pb 元素的平均非致癌风险小于1，最大非致癌风险大于1，说明部分Pb元素会对 成人造成潜在的非致癌风险。对于儿童，非致癌风险范围分别为：Cu (1.13E-04～1.73E-01)，Pb(6.37E-03～8.54E+00)，Zn(7.93E-05～6.45E-02)，Ni(2.49E-04～1.34E-01)，Cd(1.26E-04～1.21E+00)，Cr(1.22E-02～3.55E+00)， As(1.54E-03～2.41E+00)，Hg(6.22E-04～3.71E-01)；Cu、Zn、Ni、Hg的最 大非致癌风险范围均小于1，处在可接受范围内，不会对儿童人体造成潜在的 非致癌危害；Pb、Cd、Cr、As的平均非致癌风险均小于1，最大非致癌风险 大于1，说明部分Pb、Cd、Cr、As元素会对儿童造成潜在的非致癌风险。各 元素成人及儿童总非致癌风险对比见图10。

对于各元素风险平均值：致癌风险：成人：Cr>As>Ni>Cd，儿童： Cr>As>Ni>Cd，各元素总致癌风险平均值对比见图11；非致癌风险：成人： Cr>As>Pb>Hg>Ni>Cd>Cu>Zn，儿童：Cr>As>Pb>Hg>Ni>Cu>Cd>Zn，各元素 总非致癌风险平均值对比见图12。

本发明实施例以矿区表层土壤BCR连续提取分析结果发现，8种重金属 元素主要以残渣态为主，具有较低的生物迁移性和可利用性。重金属元素Cr 对成人及儿童分元素只对儿童存在一定的潜在非致癌危害，对成人不造成非致 癌危害。本实施例的评估方法对于高残渣态地区，在进行健康风险评价时以生 物可利用态含量作为暴露浓度更为合理。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是 显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均 属于本发明要求保护的范围。