关于生态健康风险不平等的新证据正在重塑河流流域地表水重金属污染控制策略

《Process Safety and Environmental Protection》：New Evidence on Contributions to Ecological-Health Risk Inequality Reshaping Heavy Metal Pollution Control Strategies in Surface Waters of River Basins

生态和健康风险评估；重金属污染；长江流域；源解析；驱动因素

　　

赵继阳|曹成英|陈星|谢发志|张佳梅|陈友

安徽省环境污染控制与资源再利用能源重点实验室，安徽建筑大学，合肥，230601，中国

摘要

大型河流流域地表水中的重金属污染预防和控制对于保障水资源安全和生态平衡至关重要。根据不同排放源对总体风险的贡献程度来优先控制这些污染源，将带来更大的生态和人类健康效益。此外，各种驱动因素（如土地利用类型和地理因素）与相关风险之间的关系仍不明确，这限制了有针对性的污染管理。因此，本研究以长江流域的地表水为研究对象，开发了一个综合框架，系统评估不同来源和驱动因素对重金属带来的生态和人类健康风险的影响。研究结果表明，与雨季相比，干季地表水中重金属对人类健康和生态的风险更为突出，尽管两者都低于相应的可接受阈值和监管标准。干季应成为风险管理的重点时期，其中砷（As）和锌（Zn）分别被确定为对人类健康风险和生态风险的重点控制污染物。自然来源和工业来源是流域地表水中健康风险和生态风险的主要控制来源，它们各自对风险的影响不低于44.51%和32.76%。海拔高度与儿童的非致癌风险呈显著正相关（P < 0.05），而温度和林地与儿童的非致癌风险呈显著负相关（P < 0.05）。分析关键污染源和驱动因素可以带来更高的生态和人类健康效益，有助于实施针对河流流域地表水中重金属风险的有针对性的控制策略。

引言

地表水在全球水循环中起着至关重要的作用，是人类生存和发展的重要水资源（Shi等人，2022年；Yue等人，2017年）。人类活动，如矿产资源开发、工业生产和农业施肥，导致大量化学物质（包括重金属、营养物质和表面活性剂）排放到地表水中，从而破坏了水生生态系统的平衡（Guo等人，2020年；Johnson等人，2020年；Lu等人，2020年）。在这些化学物质中，重金属是一类在地表水中频繁检测到的污染物。重金属污染的特点是毒性、不可见性和不可生物降解性，其带来的环境风险一直是一个关键问题（Dippong等人，2025年）。水体中的重金属可通过皮肤接触和饮用水途径对人类健康构成潜在威胁，诱发肝脏、皮肤和肾脏等多种器官的癌症（Dippong等人，2024年）。此外，水生生物容易受到水体中重金属的影响，因为它们通常通过过滤来获取食物，从而分离水中的物质（Zhang等人，2022年）。对地表水中重金属污染的具体来源进行风险评估并确定优先控制源，有助于制定科学有效的环境管理措施，以保护水生生态系统的环境安全。

评估地表水中重金属的风险并准确划分其来源贡献对于制定污染预防和控制计划具有重要意义。物种敏感性分布（SSD）和人类健康风险评估（HHRA）模型是常用的评估重金属风险的方法（Cao等人，2025年；Dippong和Resz，2025年）。基于固定参数和污染物浓度进行的健康风险评估可能会产生不准确的结果。蒙特卡洛模拟方法通过在暴露参数的先验分布下生成随机数进行迭代计算，提高了风险评估结果的准确性，将其引入健康风险评估可以增强结果的可靠性（Huang等人，2021年）。对于来源分配，受体模型可以有效地量化不同污染源对污染物浓度的贡献，并已广泛应用于土壤（Su等人，2023年）、沉积物（Han等人，2023年）、水体（He等人，2021年）和大气（Zhou等人，2021年）中的污染物追踪。不同的受体模型基于不同的数据原理和假设，因此在来源分配方面的性能存在差异。例如，正矩阵分解（PMF）模型可以弥补缺失数据或低于检测限的数据，而绝对主成分得分-多元线性回归（APCS-MLR）和UNMIX模型采用相对简化的权重减少方法，仅对缺失或异常数据提供点估计（Guan等人，2018年；Salim等人，2019年）。同位素技术为重金属来源分配提供了新的视角（Liao等人，2022年；Salmanzadeh等人，2017年）。然而，环境中大多数重金属的生物地球化学过程会导致同位素分馏（Guinoiseau等人，2018年；Imseng等人，2018年；Zhang等人，2016年），这可能在一定程度上引入来源分配结果的偏差。我们系统地总结并比较了各种方法的优缺点（表S1），以便根据适用性灵活选择来源分配方法。尽管如此，鉴于不同重金属之间的毒性和风险水平存在显著差异，许多研究表明某些重金属来源比其他来源具有更大的风险（Men，2020年；Zhao等人，2024年）。因此，通过结合来源分配和风险评估来量化不同污染源对风险的贡献，并确定优先控制源和关键污染物元素，可以实现更高的健康和生态效益（Yan等人，2022年）。

然而，尽管最近的研究人员在重金属的特定来源风险方面投入了大量努力，但风险与其他因素（如水体的物理化学性质、土地利用类型和地理因素）之间的关系往往被忽视。土地利用可以影响水文条件并改变物质输入，在塑造地表水的生态健康方面起着关键作用（Miao等人，2025年）。越来越多的证据表明，地表水环境因素的变化通常与土地利用变化有关。例如，我们之前的研究表明，土地利用类型显著影响溶解有机物（DOM）的组成和丰度（Chen等人，2025年）。重金属在水生环境中的分配和迁移特性受吸附、络合和沉淀等过程的控制，这些过程与DOM高度相关。此外，地理因素（如海拔高度）也会影响土地利用类型，并进而影响水体的物理化学性质，从而间接改变地表水中重金属的分布特性（Chen等人，2025年）。因此，将这些指标纳入考虑对于建立一个系统全面的地表水生态健康评估系统至关重要，尤其是在城市化不断改变河流系统周围环境因素的背景下。

长江流域是中国最大的河流流域，沿江地区居住着约4亿人（Liu等人，2024年）。此外，长江流域为140多种两栖动物和400多种鱼类提供了栖息地（Li等人，2024年），支持着丰富的生物多样性，并发挥着重要的生态作用。长江流经地质背景丰富且人口密集的地区，导致来自地质和人为来源的重金属广泛污染，这威胁到了长江流域的生物多样性。许多研究（表S2），包括我们团队进行的研究，已经调查了长江流域地表水中重金属的污染状况和来源。然而，对这些风险的季节性变化、优先控制源的识别以及关键驱动因素的分析仍缺乏系统性的研究。人类活动，特别是经济和社会发展，对河流中重金属的浓度造成了显著变化。因此，对长江流域地表水中重金属的优先控制源进行研究对于保护水生生态系统的稳定性和周边人口的健康安全具有重要意义。本研究的目标是：1. 评估地表水中重金属带来的生态和健康风险；2. 定量分配重金属污染的来源并确定其贡献；3. 确定优先控制源和关键污染物元素；4. 确定各种驱动因素与风险之间的关系。

章节摘录

样品采集与分析

有关研究区域的背景信息见文本S1。综合考虑长江流域的水文和地理特征，在2022年雨季（7月）和2023年干季（3月）从71个采样点收集了地表水样本（表S3）（图1）。根据地理位置，采样点分为上游的36个和下游中游及下游的35个。

重金属的特性和污染状况

分析了长江流域地表水中七种重金属的统计参数，包括最大值、最小值、平均值和标准差（表S5）。使用独立样本t检验来评估干季和雨季之间重金属浓度的差异。结果表明，干季砷（As）、锌（Zn）、铜（Cu）和铬（Cr）的浓度显著高于雨季（P < 0.05），而镍（Ni）的浓度

结论

本研究聚焦于长江流域的地表水，通过分配特定来源引起的生态和健康风险来确定优先控制源。此外，它量化了多个指标与风险之间的关系，从而确定了关键的风险驱动因素。重金属污染表现出显著的季节性变化，干季的生态和健康风险超过了雨季，使得干季成为

未引用参考文献

(Li等人，2024年；Li等人，2024年；Liu等人，2024年)

CRediT作者贡献声明

赵继阳：撰写——初稿。曹成英：监督、软件支持。陈友：撰写——审阅与编辑。张佳梅：正式分析、数据管理。陈星：正式分析、数据管理。谢发志：监督、软件支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2021YFC3201005）、安徽省生态环境科学技术项目（2024hb011、2023hb0013）和安徽省教育委员会自然科学研究项目（2024AH040046）的支持。我们感谢马天奇、张志涵、傅新艺和董翔在样本分析和数据处理方面的辛勤工作。