环境中的砷——风险和管理对策

红粉佳人

在印度次大陆，成千上万的人受砷中毒的影响，数百万人面临着潜在的风险，砷中毒引起了世界各地对这一问题的关注。因此，许多资助机构对当地和国际研究小组提供了重大支持，以对这一问题进行研究，并制定出尽量减少人员中毒的战略。有些文献全面概述了土壤和水环境中砷的变化。当土壤和水中有砷存在时，对于人类健康具有一定的风险，因此，研究人员一直在重点研究与地下水中砷相关的暴露途径。然而，关于土壤和水环境中砷水平以及暴露途径的文献，几乎均采用数量有限的土壤、农作物和地下水样品，样品数量往往不超过20件。尽管如此，一些著名的期刊连续发表论文，这样根据有限的样品可以概括出与砷相联系的风险。为此，本文主要总结样本数量大于100的研究结果。

本文根据最近关于土壤和地下水系统中砷的环境行为方面研究文献，包括3篇综述性文章（东南亚的砷污染程度、人类砷暴露和风险评价、饮用水慢性砷暴露及其对人体健康的不利影响）及17篇关于砷的原创研究论文来分析砷问题，作者还从新的视角指出了砷在孟加拉国土壤环境中的归宿和动态，包括人类砷暴露。

本文旨在展示一个多学科覆盖并与环境中砷污染问题相关的主题。这些主题包括：（1）东南亚地区的砷污染概述；（2）地下水中砷的水文地球化学约束，以孟加拉国的监测结果作为实例；（3）土壤中无机砷的化学性质和生物利用度；（4）从土壤和植物中提取砷；（5）砷吸收机理以及植物和微生物中的砷毒性；（6）慢性砷暴露评价和相关的人类健康风险。

一、东南亚地区的砷污染概述

世界各国，特别是在亚洲国家有许多就地下水中砷污染对人体健康不利影响的报道。自从1984年在印度西孟加拉邦发现由砷诱发的慢性皮肤疾病（Saha，1984；GuhaMazumder等，1988；Das等，1996；Bhattacharya等，1997），其邻国孟加拉国加强了对砷的关注（Dhar等，1997；Mukherjee和Bhattacharya，2001；Bhattacharya 等2002，2006；Naidu等，2006）。在过去的20年，在东南亚其他几个国家观测到了自然界中的砷，在最近一些年，东南亚的砷污染比较普遍。Rahman（2008）发表的第一篇论文，对东南亚地区的砷危机进行了回顾，在这一地区，地下水被自然界中的砷污染，约有1亿人处于风险之中，其中70万人已经确定受与砷相关疾病的影响。尽管已经投资了几百万美元进行研究，但是对评价流行病学影响、砷的浓度随着时间变化、确定受影响病人及其治疗方面等仍研究不足。许多不同国家的研究人员一直在东南亚地区进行研究，但往往普遍缺少协调，往往导致重复工作，缺乏对这些独立工作进行适当的后续工作。因此，迫切需要对这些不同的工作进行协调，以提高研究工作效率。需要作进一步研究，以改进野外测试、监测饮用水水源，开发新的处理砷毒性方法并寻求新的安全饮用水源（Jakariya等，2007；van Geen等，2005；von Brömssen等，2007）。

二、地下水中砷的水文地球化学约束：孟加拉国监测实例

砷的天然循环是由天然水与沉积物、土壤和基岩相互作用造成的，通常是受大气沉降的影响。在几个地区，地质组成和采矿废物的风化和淋滤造成天然水中含高浓度砷。因为地表水一般处于好氧状态，因此砷的迁移受一定限制。然而，含水层中的还原条件会造成砷的迁移，从而增加地下水污染风险。世界各地广泛报道地下水中存在天然砷，浓度水平有很大差异，取决于地下水的氧化还原条件和含水层的岩性特征（Bhattacharya，2002，2006；Bhattacharya和Welch，2000；Naidu等，2006；Nriagu等，2007；Hasan等，2007，2008）。因此，采用可靠的野外测试工具确定污染水源的砷水平非常重要，这样可以确保作为饮用水源的地下水水质安全（Jakariya等，2007）。

本节中的第一篇文章中主要是关于地下水化学成分，及其对砷迁移的作用，以孟加拉国中南部全新世冲积平原为例（Bhattacharya等，2008）。对孟加拉国中南部Narayanganj Comilla和Munshiganj区的Sonargaon、Chandina和Sirajdikhan冲积含水层中的砷富集情况进行比较，发现氧化还原条件和水文地球化学特征具有很大差异。研究表明，虽然氧化还原作用受生物地球化学作用的驱动，但地下水中溶解的砷、铁和锰与DOC、NH4+和HCO3-浓度具有直接的相关关系（Bhattacharya等，2008）。研究表明，溶解的砷可以从溶解的锰中解析出来，但是会重新吸附到固相的Mn（IV），当Fe（II）矿物沉淀下来，控制铁的水相浓度时，砷也会解析出来。此外，其他一些氧化还原作用可能会限制含水层中砷的迁移。

一旦在地下水中检测到砷，就必须定期对其进行监测。近年来为了分析地下水水质，野外测试工具在孟加拉国、印度西孟加拉邦和许多国家都得到了广泛应用。大部分野外测试工具是基于砷气体与一些化学剂反应形成有色的复合物，将复合物的颜色与标准颜色代码图进行比较，或者是通过电子仪器测量来确定水样中的砷浓度。Arora等（2008）的论文指出了今后的研究方向，即提高通过野外测试工具获取测试结果的准确性和可靠性。

三、土壤中无机砷的化学性质和生物利用度

土壤环境的生物利用度主要受砷与土壤和沉积物的吸附-解吸作用控制。本节分析了3篇论文的研究结果，这3篇论文主要是根据实验结果，来分析离子强度、阳离子和阴离子竞争等对土壤中As（V）吸附-解析动力学的影响（Smith和Naidu，2008）。对孟加拉国4种土壤类型中的砷吸附-解析特征进行了研究，包括受砷污染地下水灌溉的土壤（Naidu等，2008）、孟加拉国东南三角洲平原铁和砷富集的Chandina冲积层（Zahid等，2008）。

As（V）的吸附动力学实验结果表明，在所有处理样品中，As（V）的吸附速度很快，在前15分钟，有58～91%的As（V）被吸附。当有磷酸盐存在时，As（V）的解析量增加了17%，但溶液中离子强度或阳离子对As（V）的解吸影响不大（Smith和Naidu，2008）。尽管取自孟加拉国Laksham区土壤样品中砷总含量较低，但由砷污染地下水灌溉的土壤孔隙水中砷的浓度范围为0.01~0.1mg/L（Naidu等，2008）。然而，将这些土壤样品风干后，孔隙水中砷浓度降低到检出限以下。对孟加拉国土壤与取自澳大利亚昆士兰州强风化的被砷长期污染的土壤进行比较，结果表明，由于澳大利亚土壤中的砷浓度较高，用水提取后，释放出的砷浓度要高一些（Smith等，1999，2002）。多批实验结果表明，比较As（V）和As（III）的容量，As（V）比As（III） 保持的浓度更高。在孟加拉国东南Chandina冲积层进行的研究（Zahid等，2008）结果表明，铁、锰和砷富集在地表2.5m以下，出现了一条明显的橙褐色水平线，约有1m厚范围，上部接触空气，颜色呈黄棕色，下部接触饱水沉积物，呈灰色。铁的动力学通过氢氧化铁的形成反应出来，在上部的包气带接触空气，因此在孔隙水中还原性的铁被氧化。具有高比表面积的铁氧化物具有很高的吸附能力，从还原性的孔隙水中吸附了大量的砷（高达280 mg/kg）。饱和与不饱和沉积物过渡区的氧化还原梯度也说明，锰氧化物在氧化性的沉积物中积累。本节的最后一篇文章（Smith等，2008）涉及了由于接触历史遗留下来污染场地的土壤，对人体的潜在危害。研究结果表明，随着土壤颗粒大小减小，砷的生物利用度增加，因此如果摄入小颗粒物质，特别是家庭尘埃，应该对摄入量重新考虑。

四、从土壤和植物中提取砷

由于不同的土壤类型提取效率差别极大，因此在确定土壤中的砷形态时，提取过程非常重要（Garcia-Manyes等，2002），取决于砷与不同土壤和矿物质的结合特征。由于砷的生物利用度和形态是评价人类健康风险的关键因素，因此有必要开发一种可靠的标准提取方法，提取用作人类食物的种植物组织中的砷形态。本节包括两篇文章：（1）一种新型的微波辅助提取法来提取土壤中的砷形态，以磷酸盐溶液的提取为基础，包括正磷酸、磷酸二氢铵和磷酸氢铵（Rahman等，2008）；（2）研究采用磷酸二氢铵和蛋白质溶液对提取两种不同菠菜中砷的效果（Rahman F等，2008）。根据砷的提取结果（Rahman等，2008），砷形态的提取取决于土壤成分，砷形态的吸附和稳定性高度依赖于土壤中的铁、铝和锰浓度。Rahman F等（2008）的其他研究结果表明，利用微波辅助技术与蛋白质提取溶液，成功地分离了菠菜中的所有砷形态，提取率为76～114%。

五、砷吸收机理以及植物和微生物中的砷毒性

本节包括3篇论文：（1）As（V）和As（III）浓度和形态对蔬菜（菾菜和苋属植物）中砷吸收和迁移的影响（Rahman和Naidu，2008）；（2）根据用砷污染水灌溉的澳洲花园水培蔬菜中砷形态来确定蔬菜组织中砷的吸收和形态，因为不同的砷形态的毒性不同，因此这是一个重要的考虑因素（Smith，2008）；（3）单独或组合研究As（V）和As（III）对隆线蚤的毒性，以及微生物转化对天然水中砷的影响（He等，2008）。

研究蔬菜（苋菜和甜菜）吸收的砷，受砷形态（As（V）和As（III））的影响，以及营养液中砷的浓度，结果表明As（V）和As（III）对这些作物均有害，后者的毒性是前者的5倍（Rahman和Naidu，2008）。营养液中As（V）的浓度很高，超过了世界卫生组织推荐的食品上限。用0.5mg/LNaFe（III）EDTA铁溶液进行处理，菾菜中吸收的砷减少了45%，这是因为通过这一处理，砷与根部和根围与土壤更具吸引力，限制砷向根部迁移。Smith等（2008）的研究是关于利用含砷水灌溉澳洲花园水培蔬菜，结果表明，所有蔬菜根部的总砷浓度较高。植物生于地面之上或产于水面之上的部分砷浓度相对较低，而根部砷浓度较高，说明可能由于植物螯合肽形成了砷的络合物。He等（2008）进行的不同研究结果表明，As（V）和As（III）也会相互作用，与单一砷形态相比，砷混合物的毒性更大。天然水中的土著微生物也可以对砷的转化发挥重要作用，从而影响水域中砷的毒性。因此，这项研究表明，为了制定水质准则，需要考虑砷形态的影响。

六、慢性砷暴露评价和相关的人类健康风险

评价受污染土地和水环境的砷生物利用度是评价暴露风险的关键（Naidu等，2006；Correll等，2006）。本节包括7篇文章，主题涉及广泛：（1）对区域范围内人类砷暴露和相关的风险评价进行了总结（Khan等，2008）；（2）对孟加拉国人类暴露于砷污染地下水的不利健康影响的最新研究进行总结（Rahman等，2008）；（3）设计有效的评价工具，调查饮食结构，分析砷的总膳食摄入，并展示这一工具在孟加拉国的应用（Khan等，2008）；（4）在孟加拉国进行了膳食问卷调查，得到了总膳食砷摄入初步结果；（5）估计孟加拉采用地下水进行农业灌溉受砷影响村庄每日通过水稻摄取的砷（Rahman等，2008）（6）以评价猪的砷生物利用度为模型，对人类健康风险进行评价（Rees等，2008），（7）根据毒素和病原体与脂质颗粒的螯合作用，评价砷与含铁脂类颗粒之间的相互作用（Rahman，Mahbub等，2008）。

最近的研究重点是对区域范围的风险进行评价，包括采用生物标志物来确定和量化健康风险，对人类的膳食结构进行大量调查，采用分析方法量化不同污染物基质中的砷水平，进而对风险进行量化。当前世界上普遍采用的环境风险评价工作正在从定性方法向定量方法转变，从而使研究人员确定了将来的研究方向，即创建一个将地理信息系统、统计学、化学、人类健康和其他动态模型相结合的平台，评价区域范围内的人类健康风险。准确评价区域范围内膳食摄入对于确定孟加拉国的总膳食砷暴露极为重要，而且这一方法也在全世界广泛应用。根据食物频率问卷法（FFQ）（Khan等，2008），可以对食物来源、频率和每日暴露人口的食物消费量进行定量。Khan等（2008）的文章给出了FFQ调查的初步结果，证明这一方法可以作为评价农村地区砷暴露及相关人类健康的工具，也可以扩展到孟加拉国其他一些受污染地区和其他一些受影响地区。Rahman等（2008）研究表明，每天由大米和饮用水摄入的砷分别为888.4µg和706.4µg，使人群处于慢性砷暴露风险。采用猪进行砷的生物体内评价，是一种适当的人类健康风险评价模型，因为猪与人类具有相似的生理学及代谢作用（Rees等，2008），采用这一研究可以用来估价人类健康风险。Rahman, Mahbub M等（2008）得出了砷与无脊椎动物和脊椎动物脂质颗粒的相互作用结果。Bencko等（2008）评价了由于火力发电厂烧煤造成环境污染造成的生态和人类健康风险，废气中排放的砷浓度高达900～1,500克/吨）。在斯洛伐克中部普列维扎区进行的当地人口砷暴露评价结果表明，人群累积砷暴露与非黑色素细胞癌（NMSC）的发病率具有正相关关系。另外，火力发电厂废气对环境的生态影响，也通过该地区蜜蜂种群的大规模灭绝表现出来。因此，在全面评价环境中的砷污染时，生物监测是非常重要和必要的。

饮用水中的砷污染是一个全球性的问题。过去的人类活动造成大量的砷进入环境中，造成地下水源污染，通常污染范围相对较小。在世界上的许多地区，生物地球化学作用导致自然界的砷释放到地下水中，在某些情况下，受影响的范围较大。关于砷对人体健康的不利影响已有许多纪录，目前最新的研究表明，砷对农业生产系统也会造成负面影响。因此，砷污染水的修复至关重要。植物修复是潜在的、有成本效益的，是将砷从水中去除的有效手段。天然地质材料也被证明可以有效地去除水中的砷。解决砷污染问题需要采用不同的研究领域的不同方法。燃烧含砷高的煤炭，对于居住在这些设施附近的人群具有危害，因此，必须采用综合的多学科方法，对这些地区的环境风险进行评价。

                                            译自《Environ Geochem Health》（2009）

pingz1357

学习了啊，呵呵