文献阅读 | 中国典型有色金属冶炼区地下水镉与附近居民尿镉水平的关系
题目
Relationship between groundwater cadmium and vicinity resident urine cadmium levels in the non-ferrous metal smelting area, China
作者
Yujie Pan, Yalan Li, Hongxia Peng, Yiping Yang, Min Zeng, Yang Xie, Yao Lu, Hong Yuan
期刊
Frontiers of Environmental Science & Engineering
时间
2022年11月
一作
单位
College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100091, China
链接
https://doi.org/10.1007/s11783-023-1656-6
摘要
镉(Cd)因其持久的毒性和不可降解性而受到广泛关注。人体中的镉主要是从外暴露环境中吸收，通常用尿镉来评估。湖南省是中国典型的有色金属冶炼区，历史上已发生几起严重的镉污染事件，如居民尿镉含量过高。然而，影响附近居民尿镉水平(UCL)的环境因素仍不清楚。因此，研究利用统计分析模型对该地区9个地下水样本附近的211个居民尿镉水平及其社会学特征进行了分析。地下水Cd浓度范围为0.02~1.15 μg/L，符合国家三级标准，附近居民超标范围为0.37~36.6 μg/L，超过国家规定的0~2.5μg/L，地下水Cd水平与尿Cd浓度呈正相关(P<0.01，相关系数95% CI=9.68，R2=0.06)。此外，吸烟状况和教育程度等社会学特征也会影响尿镉水平。同时，地方政府应加强对地下水Cd污染的防治。本研究利用内外暴露数据，系统评价了有色金属冶炼区的地下水Cd与尿镉之间的关系，以期为相关部门在有色金属冶炼地区减少镉暴露提供科学依据。
引言
镉(Cd)已被世界卫生组织(WHO)确定为四种主要公共卫生关注的重金属污染物之一，它具有持久性毒性，不能生物降解。人体内的镉主要通过接触、饮用或吸入从外部环境吸收进入体内进行富集并缓慢代谢。镉进入人体后，会被肝脏或肾脏吸收，对肾脏功能造成损害，对人类健康构成严重威胁。人类镉水平的评估主要使用尿镉，因为尿液更容易获得，可用于监测极低浓度化学品，并更好地测量人体内痕量镉的暴露水平。据调查，居住在矿区附近的人的尿镉水平(UCL)高于生活在其他地区人。因此，有必要探讨导致矿区UCL偏高的环境因素。
以前的研究指出，普通人群接触Cd的两个主要来源是食物和烟草。但这些研究没有整合UCL与环境介质中Cd浓度暴露之间的关系。张等表示湖北省某四线城市环境空气吸入途径已成为儿童接触尿镉的主要途径。金等指出尿镉和重金属水平的差异可能是由于区域环境中PM2.5浓度的不同。但影响居民尿镉水平(UCL)的地下水因素仍不清楚。流行病学研究表明，几种人类疾病的发病率与接触有毒金属密切相关，如水中的镉。地下水镉可通过皮肤接触或口服进入人体，导致人体镉水平升高。然而，学界仍然缺乏对有色金属冶炼场地附近地下水对UCL的影响的系统评估。
湖南省是中国有色金属之乡，其主导产业是有色金属冶炼、采矿和机械制造。同时，它也是著名的鱼米之乡，水稻种植面积超过4,000公顷，是中国最重要的水稻产区之一。人类活动，包括有色金属冶炼和不同行业的废气、废水和污泥的无控制排放，已被证明是该地区镉排放的主要来源。这些活动加剧了地表植被的减少，从而加速了地表水的入渗，增加了地下水的镉污染。湖南省已经发生了几起镉污染事件，如镉大米事件，沿江居民的UCL相对较高等。以前的研究记录了湖南的采矿和金属加工活动对水稻农业生态系统的严重影响。然而，他们没有分析该地区影响居民尿镉水平的环境因素。
因此，研究系统地探讨了湖南省有色金属冶炼区附近地下水与尿镉之间的关系。本研究的主要目的是：1)了解地下水和尿液中Cd的特征和现状；2)评价有色金属冶炼区地下水Cd与尿镉的关系；3)根据影响尿镉的可能因素，提出治理措施。这项研究将有助于澄清环境因素导致尿镉浓度增加的原因，以期为政策制定者在有色金属冶炼区减少镉暴露提供见解。
结果与讨论
（1）地下水镉浓度
地下水Cd浓度变化范围为0.026~1.159 μg/L(中位数=0.094 μg/L；平均值=0.123μg/L；SD=0.179 μg/L)。所有样品的Cd浓度均不超过5 μg/L，远低于中国(GB/T 14828-2017年)三类标准和世界卫生组织标准。这要归功于湘江流域重金属污染防治规划的加快实施，研究区污染源企业的整治，水质的明显改善，重金属污染的有效防治。
在本研究中，除S1外，所有地下水样品中Cd的浓度均低于1μg/L。这表明，邻近S1的有色金属冶炼、采矿和造纸行业排放的废水和废气中Cd含量超标。此外，城市发展产生的生活污水和垃圾对水环境造成了严重污染。这一结论与前人的研究结果一致，表明S1中的重金属污染主要受工业排放的影响。例如，Yang等报道该地区工业区废水和废气严重超标，造成该地区水域严重污染。此外，Chen等报道这一地区的镉污染比湖南其他地区更严重。
其他矿区地下水重金属污染的结论是一致的，采矿活动导致Cd浓度较高。Wang等建议，河水是大宝山矿区地下水Cd污染的重要来源。Cidu等认为在意大利撒丁岛西南部，与矿井相互作用的地下水质量下降，因为那里溶解的镉含量很高。Singh等认为印度果阿矿区地下水的镉浓度超过了印度标准局建议的饮用水适当限值，这主要是由于各矿山和相关行业以及附近油井的浓度过高。
Table 1 Sampling point and Cd concentration of groundwater and urine
（2）尿镉水平
观察到的UCL范围为0.372~36.603 μg/L(中位数=6.3 μg/L；平均值=8.164 μg/L；SD=6.576 μg/L)。男性的平均UCL高于女性。地下水采样点的尿镉浓度顺序为：S1>S2>S4>S5>S7>S3>S6>S9>S8，其平均浓度分别为18.169、14.087、13.454、11.520、9.044、7.692、4.912、4.108、2.189μg/L。中国地区人体尿镉正常参考值范围为0~0.2 5μg/L，但仅有14.2 2%的受试者尿镉浓度在正常参考值范围内，多数被调查人群尿镉浓度高于正常范围。研究区域的尿镉浓度略高于此前报道的污染场地。例如，江西省贵溪市矿区和冶炼区的尿镉浓度分别为5.7±3.1和5.5±3.5 μg/L。东北地区中国矿区铸造工人和炼钢工人的UCL值分别为1.41 μg/L和0.93 μg/L。这可能与有色金属冶炼地区的成年人有较高的镉暴露和身体负担有关。在S1采样点附近采集的人类尿镉平均含量远高于其他地区，这支持了地下水Cd浓度会影响UCL的观点。
我们根据问卷的统计数据汇编了表2中的社会人口学特征。调查发现，83.81%的受访者睡眠质量一般或较差。约62.68%的受访者在过去的六个月里进行了锻炼。约65.87%的受访者不饮酒。在受访者中，63.46%的人报告吸烟。大多数受访者的家庭年收入在1万元到10万元之间。在受访者中，56.40%的人受过高中教育。患者平均年龄46.61岁。
Table 2 Descriptive statistical analysis table (statistics of groundwater concentration, urine concentration, and sociological characteristics of 211 participants)
（3）地下水镉与尿镉的相关性研究
图1给出的线性回归结果表明，地下水与尿镉之间存在极显著的统计学差异(P<0.001，相关系数95% CI=9.68，R2=0.06)，表明地下水与尿镉呈显著正相关。随着研究区地下水中Cd浓度的增加，附近人体中的UCL也逐渐丰富和增加。这种观察与采样点附近地下水的长期使用、接触甚至直接饮用是分不开的。这一结论与前人的研究结果一致，表明UCL与环境Cd污染密切相关。崔等报告称环境镉污染增加了儿童体内镉的积累，呈正相关。Du等分析尿镉生物标志物表明采矿和冶炼地区的儿童和成年人有较高的镉暴露和身体负担。池田等报道称，在一般环境中水中镉的含量显著影响日本居民的身体镉负担。此外，Panhwar 等报道，水、镉、香烟和接触物体的血液样本中的有毒元素浓度之间存在正相关。地下水Cd浓度与UCL相关，是导致UCL升高的一个不可忽视的因素，对人类健康构成了特定的威胁。因此，有必要对研究区地下水样品进行健康风险水平调查。
Fig. 1 Relationship between total Cd of groundwater samples and UCL of urine samples of residents.
为了进一步调查研究区域内每个地下水样本的健康风险，应用人体健康风险模型评估了成年女性和男性通过直接摄入和皮肤吸收两种方式接触地下水中重金属Cd的非致癌和致癌健康风险(表2和图2)。无论是非致癌的还是致癌的，男性的风险都小于女性，直接摄入的风险低于皮肤吸收的风险。女性的HI值为0.372~36.603，平均为0.549；男性的HI值为0.062~2.764，平均为0.752。除S1外，研究区其他采样点的HI均小于1，非致癌风险可忽略不计。在致癌风险方面，所有采样点的TCR均高于10-6，即表明所有采样点都有潜在的致癌风险。在采样点中，S1与镉相关健康影响的风险更大，女性TCR为0.21×10-3，男性为0.18×10-3，两者均高于10-4，这对人类健康构成高风险，因为S1是重工业基地，有更多污染行业，如化工冶炼。
Fig. 2 Carcinogenic and non-carcinogenic health risks of heavy metals in groundwater.
（4）人体尿镉的综合影响因素
尿镉水平的增加也可能与调查区域内人们的人口特征、个人习惯和生活条件有关。为了进一步验证地下水Cd和社会学特征变量对UCL的联合影响，采用多元回归模型考察了各种因素对UCL的联合影响。回归分析结果表明，地下水Cd和社会学特征对UCL的影响是不一致的，地下水Cd对UCL的影响远大于社会学特征对UCL的影响(图3)。所有模型均表明地下水Cd与UCL呈显著正相关。以地下水Cd为基础建立的递阶生物平衡模型的截距为11.01 μg/L UCL，(P<0.001，β=11.01，相关系数95% CI=5.93~16.09)。
但在社会学特征中，只有当前吸烟状况和大学及以上学历有统计学意义(P<0.05)。现在吸烟的P值为0.004，β为3.36，说明吸烟者的镉水平高于非吸烟者和既往吸烟者。这可能与烟草中含有许多有害物质有关，如重金属，会增加体内镉的浓度。大学本科及以上学历与大学英语学习成绩呈负相关，P值为0.029，β为-6.16。说明文化程度越高，尿镉含量越低。从调查中可以推断，具有大学及以上学历的参与者更了解当地主导产业发展对环境污染的危害，更大程度了解当地重金属污染现状，可能会避免直接饮用地下水，这可以降低镉暴露的风险。
Fig. 3 The comprehensive effects of groundwater Cd and sociodemographic factors on UCL.
（5）意见措施
结果表明，地下水中Cd的浓度与尿中Cd的含量之间存在显著的相关性，这对人类健康构成了严重的威胁。要求以有色金属冶炼、化学工业、重工业为主的重金属污染区有关部门，不仅要从源头上控制重金属镉的排放，还要运用相关的生物和化学修复方法，加快重金属镉污染的修复。加强地下水镉污染源头治理，鼓励企业进行产业升级改造，要求工厂废水、废气、废渣达标排放。此外，应选择S1地区作为地下水环境管理的示范区，建立标准化的水质监测网络，投资和控制点源和面源(Liu等人，2021年)。同时，征收排污税，激励企业减少排放和污染。为了进行有效的污染修复，必须改变金属离子的当前形态和价态，以减少它们在环境中的迁移和毒性。此外，应在不卫生的垃圾填埋场顶部铺设土工膜和粘土防水层，以控制垃圾渗滤液的渗漏和污染地下水。同时，也要改变研究区浅层地下水靠手压井分散开采的现状，寻找符合饮用水水质标准的地下水源，实现以村为单位的集中供水。
吸烟与尿镉水平呈正相关。具有大学或以上学历的人的UCL较低。因此，建议吸烟者减少吸烟频率，鼓励人们戒烟。此外，应加强镉污染防治知识的传播，引导健康的行为习惯。同时，饮食中的钙和蛋白质可以增加，口服含氮三乙酸甘油三酯也可以促进镉的排泄，从而减少其在体内的积累。
结论
这项研究表明地下水与附近重金属行业居民的尿镉呈显著的正相关。随着地下水总Cd浓度的增加，尿镉浓度将增加11.01μg/L，吸烟状况、文化程度等社会因素也会对尿镉浓度产生影响。有关部门要加强对地下水Cd的治理和修复，引导人群预防Cd污染。值得注意的是，我们的研究没有考虑其他潜在的镉暴露环境来源。我们的研究将有助于澄清导致UCL上升的环境因素，也可以为政策制定者减少中国和世界有色金属冶炼地区的Cd暴露提供信息。
作者简介：
谢杨
北京航空航天大学经济管理学院副教授，硕士生导师。北京大学医学博士、东京工业大学管理科学与工程专业博士，日本国立环境研究所环境经济研究室博士后。研究方向为碳减排协同效益分析、气候变化应对和空气污染健康影响以及社会可持续发展。主持国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金重点项目子课题，北航“青年拔尖人才支持计划项目”，北航“卓越百人计划”，作为科研骨干参与科技部重点研发项目“应对全球变化的可持续性转型模式研究”。在环境健康领域Environmental Science & Technology、Environment International, Environmental Research Letters、Lancet、 Lancet Public Health、Environmental Health Perspectives等环境健康领域顶级期刊发表40余篇，ESI前1%高被引论文累计4篇。《柳叶刀健康与气候变化倒计时2020：中国报告》执笔，《全球疾病负担》作者。
陆瑶
中南大学湘雅三医院特聘研究员，硕士研究生导师，药物临床评价技术国家地方工程实验室副主任，兼任Frontiers in Pharmacology 客座主编、Current Gene Therapy客座主编、中国临床药理学与治疗学青年编委、多本SCI杂志审稿人、国际高血压联盟会员、欧洲血管联盟会员、中国高血压联盟青年理事、中国预防医学会健康测量与评价委员会委员等，湖南省“湖湘青年英才”，“湖南省杰出青年基金”及湘雅三医院首批“四青人才”获得者，国家自然科学基金面上项目。
袁洪
袁洪，男，中南大学湘雅三医院临床药理中心教授，中共党员，内科学、药理学教授，内科主任医师，中南大学湘雅名医，国务院政府特殊津贴专家，国家新药创制重大专项、973课题首席专家。湖南省高血压研究中心主任、湖南省亚健康诊断与干预工程技术研究中心主任、药物临床评价技术湖南省工程实验室主任。社会主要兼职：国际高血压学会(ISH)会员、美国心脏病学院资深会员（FACC）员、中华医学会临床药学专业委员会常委国家新药评审、GCP机构评审专家、中华医学会心血管病专业委员会委员、中国高血压联盟常务理事、中国药理学会药物基因组学专业委员会常委、中国老年学学会心脑血管病专业委员会常务理事、中国医师协会心血管病专科医师分会委员、湖南省医学会及医师协会常务理事、湖南省心血管病学会、临床药理学专业委员会副主任委员、湖南省高血压研究中心主任、湖南省药物安全评价协会理事长、湖南省医疗器械行业协会副会长、湖南省个体化药物治疗咨询指导中心常务副主任、湖南省社区卫生专家咨询组副组长，同时在《中华高血压杂志》等多种杂志担任编委。
编辑：潘羽杰
排版：潘羽杰
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