《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Integrated chemical–biological assessment of potentially toxic elements in urban park soils using
Caenorhabditis elegans: Implications for risk-based environmental management
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潜在有毒元素在巴兰卡利亚市四个公园土壤中的累积及其生态健康风险，通过化学分析（Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn）和蜈蚣变形虫生物测试（生存率下降30%、繁殖率下降40%）结合暴露风险评估，发现重金属超标（Cd 1.95mg/kg，Zn 133.5mg/kg）与生物毒性显著相关，儿童健康风险指数（HI）和毒性响应比（TCR）超过安全阈值，证实需采用化学-生物整合方法进行城市公园土壤污染管理。
安德烈亚·莉莉安娜·莫雷诺-里奥斯（Andrea Liliana Moreno-Ríos）|何塞·奥罗斯科-戈埃纳加（José Orozco-Goenaga）|莉娜·阿亚-奇西卡（Lina Aya-Chisica）|豪尔赫·L·加列戈（Jorge L. Gallego）|奥斯瓦尔多·冈萨雷斯（Osvaldo González）|安德烈亚斯·哈塞（Andreas Hasse）|克劳德特·金德里·拉莫斯（Claudete Gindri Ramos）
哥伦比亚大西洋省巴兰基利亚市（Barranquilla），080002，科斯塔大学（Universidad de la Costa）土木与环境系
摘要
城市公园的土壤可能会积累潜在有毒元素（PTEs），这在人口密集的城市中是一个重要但常被低估的生态和人类健康风险来源。仅基于化学浓度的传统土壤质量评估可能无法捕捉到生物学上的毒性，尤其是在复杂的城市环境中。本研究应用了一个综合的化学-生物学框架，将地球化学污染指数、生物反应和人类健康风险评估联系起来，以改进对城市公园土壤的风险评估。从哥伦比亚巴兰基利亚的四个城市公园收集了表层土壤（0–10厘米），并使用标准化的酸消化法和原子吸收光谱法分析了其中的镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、铅（Pb）、汞（Hg）、镍（Ni）和锌（Zn）含量。计算出的污染和生态风险指数表明，多个公园中的这些元素的浓度超过了国际指导值，表明存在人为污染。通过使用秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）生物测定法评估了生物效应，结果显示马莱孔公园（Malecón）和圣心公园（Sagrado Corazón）的土壤中，这些元素的浓度导致了约30%的生存率下降和约40%的繁殖能力降低。亚致死毒性与镉、锌和铜的高浓度有关，这表明这些元素混合物具有毒性。多变量分析揭示了共存的有毒元素与生物指标之间的相互作用，表明仅靠化学数据无法充分评估生物学上的影响。多个公园的人类健康风险指数超过了可接受阈值（HI > 1；TCR > 1 × 10??），表明儿童这一群体特别容易受到影响。这些结果支持采用综合方法对受污染的城市土壤进行基于风险的管理。
引言
城市绿地如公园在公共卫生和环境福祉方面发挥着重要作用，提供了身体、心理和社会方面的益处，包括减轻压力、促进体育活动、社区互动和生物多样性保护[1]、[2]。然而，它们的多功能性也使得公园土壤成为污染物积累、人类暴露和城市生态系统内生态风险转移的重要界面。因此，这些环境中的土壤质量越来越受到多种污染源的影响，引发了公众健康和生态完整性的担忧。尽管如此，对城市公园土壤的评估仍然主要基于化学筛查方法，很少结合生物反应或基于暴露的证据[3]。
在城市环境中，土壤污染主要与车辆排放、工业活动、城市径流、大气沉降和不当的废物管理有关，而不是直接与农业活动有关[4]、[5]、[6]。在像公共公园这样建筑密集的地区，农业活动通常不存在，其影响主要通过农用化学品的长距离大气传输、历史土地利用遗留问题或周围地区受污染土壤和灰尘的重新分布间接体现[7]、[8]。这些压力因污染物（包括微量元素、杀虫剂、微塑料和颗粒物）的流动性而加剧，这些污染物可以通过空气、水和人类活动传播，最终影响土壤质量、健康和生态系统功能[9]。
在城市土壤污染物中，潜在有毒元素（PTEs）尤其值得关注，因为它们具有毒性、持久性和生物累积潜力[10]。由于长期的人为输入，铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）、锌（Zn）和铜（Cu）等元素在城市土壤中的浓度经常高于自然背景水平[11]、[12]、[13]、[14]。由于这些元素不可降解，它们会在表层土壤中积累，尤其是在受到扩散污染源影响的娱乐区。尽管锌和铜是必需的微量元素，但其高浓度仍可能引发氧化应激、神经行为改变和生殖功能障碍，因此应将其纳入污染和风险评估框架[13]、[15]、[16]。
含有PTEs的受污染城市土壤可能通过摄入、吸入重新悬浮的灰尘和皮肤接触对健康构成风险。长期暴露与神经系统疾病、生殖问题、致癌性和呼吸系统疾病有关[16]、[17]、[18]。儿童由于行为因素、较高的吸收率和关键发育阶段的生理敏感性而特别脆弱[19]。例如，婴儿摄入的铅含量可能达到成人的50%[20]。因此，城市公园是进行综合生态毒理学和人类健康风险评估的重点区域，而不仅仅是依赖化学筛查。
全球范围内已有大量文献记录了城市公园土壤中PTEs的积累情况，其浓度经常超过监管指导值[21]、[22]、[23]。娱乐用地和家庭灰尘也被确认为儿童的重要暴露源[12]、[24]。这一问题在人口密集和工业化程度高的城市（如哥伦比亚的巴兰基利亚）尤为突出，该城市是加勒比海岸的主要工业和港口中心，拥有超过110万居民[25]、[26]。未经处理的废水排放、不当的废物管理和繁忙的车辆交通等环境压力促进了城市土壤中的污染物积累[27]、[28]。尽管国家机构（如IDEAM）已经实施了土壤监测策略，但当前的监管框架主要关注总浓度，可能无法反映污染物的生物可利用性或混合物的毒性[29]、[30]。
为了解决这些局限性，使用模式生物体的综合毒性评估方法变得越来越重要[3]、[31]、[32]。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）因其生命周期短、易于培养且功能类似于高等生物而被广泛使用。该模型可以评估多种生物指标，包括死亡率、生长情况、繁殖能力和行为反应，从而在环境现实的暴露情景下提供污染物效应的机制见解[33]、[34]、[35]。
在巴兰基利亚之前的研究已经使用C. elegans生物测定法证明了城市灰尘提取物和PM2.5颗粒的毒性，突显了城市基质作为暴露源的重要性[25]、[36]。然而，尽管城市公园是高接触环境，但其土壤的生态毒理学特征研究仍然有限，特别是在结合化学污染指数、多指标生物反应和人类健康风险指标方面[21]。
很少有研究同时整合了城市公园土壤中的地球化学指数、亚致死生物反应和人类健康风险评估，尤其是在热带沿海城市。为填补这一空白，本研究使用C. elegans作为生物模型，评估了哥伦比亚巴兰基利亚娱乐公园土壤中的化学污染和毒理学效应。具体目标包括：（i）量化公园土壤中的潜在有毒元素（PTEs）；（ii）使用多个C. elegans指标评估亚致死生物反应；（iii）在现实的娱乐暴露情景下估计生态和人类健康风险。
通过将地球化学污染指数与生物体水平的反应和基于暴露的风险评估联系起来，本研究提供了一个综合框架，用于评估城市土壤质量，并支持城市绿地的环境监测和缓解策略。此外，所提出的方法有助于实现可持续发展目标（SDGs）3、11、12和15，通过推进环境健康保护和可持续城市管理的综合方法。
研究区域
研究区域
巴兰基利亚（北纬10°59′16″，西经74°47′20″）是哥伦比亚的主要城市中心之一，自20世纪初以来经历了快速而持续的城市扩张[25]、[37]、[38]。该市估计有约140万居民，是该国第四大城市，仅次于波哥大（Bogotá）、麦德林（Medellín）和卡利（Cali）。其位于哥伦比亚加勒比地区的战略位置，加上有利的气候条件，促进了工业、商业等的快速发展
结果与讨论
本研究超越了传统的污染评估方法，证明了亚致死生物反应为城市公园土壤中的化学风险指数提供了机制验证。通过结合污染指数、使用C. elegans的多指标生物测定和基于暴露的人类健康风险估计，结果为解释城市娱乐环境中的土壤质量提供了互补的证据。在C. elegans中观察到的反应主要
结论
研究表明，巴兰基利亚的城市公园土壤受到空间上异质但生物学上相关的PTEs污染的影响，这对生态完整性和人类健康都有明显的影响。在评估的地点中，格兰马莱孔德尔里奥公园（Gran Malecón del Río）受到的影响最为严重，表现出最高的镉（Cd）、铬（Cr）和锌（Zn）浓度、最高的生态风险指数（Er和PERI），以及最强的C. elegans不良生物反应
作者的伦理责任
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资金支持
作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他形式的支持。
CRediT作者贡献声明
克劳德特·拉莫斯（Claudete Ramos）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、正式分析。豪尔赫·加列戈（Jorge Gallego）：初稿撰写、可视化、正式分析、数据管理。奥斯瓦尔多·冈萨雷斯（Osvaldo González）：初稿撰写、可视化、方法学。安德烈亚斯·哈塞（Andreas Hasse）：审稿与编辑、可视化、验证。安德烈亚·莫雷诺-里奥斯（Andrea Moreno-Ríos）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法学、调查写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
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利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢FAPESC圣卡塔琳娜州研究与创新支持基金会（FAPESC Santa Catarina State Research and Innovation Support Foundation）和FAPESC公共招标公告第43/2024号——SC人才吸引计划（SC Talent Attraction Program for Companies）提供的财务支持。作者还感谢麦德林大学（University of Medellín）协助确定本研究所需的潜在有毒元素。
利益冲突
作者声明没有可能影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。
