铁尾矿周边河流沉积物中重金属污染特征、生态风险与健康威胁——以马鞍山市向山地区为例

《Toxics》：Heavy Metals in Iron Tailing Around River Sediments of Xiangshan: Status, Risks, and Human Health Threats Jun Chen, Guangcheng Xiong, Shutong Zhang, Xianghui Lv, Qiang Tang and Qiuhong Zhou

本研究聚焦铁尾矿周边河流沉积物中的重金属污染问题，通过系统评估重金属的分布特征、来源及环境与健康风险，揭示了该区域沉积物中铜、镉污染严重，存在较高生态风险，且儿童面临的致癌风险高于成人。研究结果为尾矿库区河流沉积物的重金属污染治理提供了科学依据。

　　

矿产资源开发是推动社会经济发展的重要引擎，但遗留下的尾矿库如同一枚枚“环境定时炸弹”，对周边环境构成长期威胁。尤其在金属矿区，矿石开采、加工过程中产生的富含重金属的废弃物，在雨水冲刷和地表径流作用下，不断迁移进入邻近的水体和土壤，不仅破坏生态系统健康，更可能通过食物链悄然潜入人体，带来不可预知的健康风险。在长江下游的马鞍山市向山地区，近一个世纪的露天铁矿开采活动，在为“马钢粮仓”带来繁荣的同时，也遗留下了一系列环境问题。那么，这片土地上的河流，其“脉搏”健康状况如何？沉积物中重金属的“潜伏”情况怎样？它们对生态环境和周边居民的健康构成了怎样的威胁？为了回答这些问题，一篇发表在《Toxics》期刊上的研究，为我们揭开了铁尾矿周边河流沉积物中重金属污染的严峻现实。

为了系统评估重金属污染状况，研究团队于2022年6月至7月，在采石河上游7.5公里河段布设了35个采样点，采集表层沉积物样本。关键技术方法包括：通过电感耦合等离子体质谱仪(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)和原子荧光光谱仪(Atomic Fluorescence Spectrometer, AFS)精确测定镉(Cd)、铜(Cu)、锌(Zn)、铬(Cr)、铅(Pb)、镍(Ni)、砷(As)、汞(Hg)等8种典型重金属的浓度。在此基础上，综合运用单因子污染指数(Single-factor Pollution Index, SFPI)、内梅罗综合污染指数(Nemerow Pollution Index, NPI)和地积累指数(Geo-accumulation Index, I_geo)评估污染水平，并采用潜在生态风险指数(Potential Ecological Risk Index, PERI)和基于美国环保署(U.S. Environmental Protection Agency, USEPA)模型的人类健康风险评估模型，定量评估重金属的生态与健康风险。此外，还通过相关性分析、主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)等方法追溯污染来源。

3.1. 重金属浓度分析

通过对采石河沉积物中8种重金属浓度的分析发现，其平均浓度大小依次为：铜(Cu, 384.28 mg/kg) > 锌(Zn, 180.67 mg/kg) > 铬(Cr, 47.19 mg/kg) > 镍(Ni, 42.03 mg/kg) > 铅(Pb, 28.85 mg/kg) > 砷(As, 11.80 mg/kg) > 镉(Cd, 1.07 mg/kg) > 汞(Hg, 0.10 mg/kg)。除铬(Cr)外，其余重金属的平均浓度均超过了安徽省的土壤背景值，其中镉(Cd)和铜(Cu)的平均超标倍数分别高达10倍和14倍。这表明沉积物中重金属存在不同程度的富集，尤其是镉和铜的富集现象显著。

3.2. 重金属来源分析

3.2.1. 重金属相关性分析

相关性分析表明，镉(Cd)与锌(Zn)之间存在显著正相关，暗示它们可能有相似的来源。此外，铜(Cu)与砷(As)、铬(Cr)与镍(Ni)、铅(Pb)与砷(As)之间也存在较弱的正相关性。汞(Hg)则仅与镉和铜呈现弱相关，与其他金属相关性不显著，这可能与其复杂的环境行为有关。

3.2.2. 重金属主成分分析

主成分分析提取了三个主成分，累计贡献率达85%。主成分1中，镉(Cd)和锌(Zn)载荷较高，主要代表农业活动污染（如施用含镉的磷肥和锌肥）。主成分2中，铜(Cu)、砷(As)和铅(Pb)载荷较高，主要代表工业污染源，即上游长期的黄铁矿开采和冶炼活动。主成分3中，铬(Cr)和汞(Hg)载荷较高，可能分别来源于自然过程（如岩石风化）和大气沉降。分析结果表明，研究区域沉积物中的重金属污染主要与农业施肥和采矿冶炼活动有关。

3.3. 重金属生态风险分析

3.3.1. 单因子污染指数评价

评价结果显示，除铬(Cr)外，其他重金属在沉积物中均存在污染风险。其中，铜(Cu)污染最为严重，97%的样品达到重度污染级别，平均P_i值为13.99；镉(Cd)次之，94%的样品为重度污染，平均P_i值为10.27。

3.3.2. 内梅罗污染指数评价

结果显示，在35个沉积物采样点中，有34个点（占97.14%）处于重度污染水平，仅10号采样点为中度污染。其中，29号和24号采样点的污染最为严重。总体来看，采石河西段的污染程度高于东段。

3.3.3. 地积累指数评价

地积累指数显示，不同重金属的污染程度依次为：铜(Cu) > 镉(Cd) > 锌(Zn) > 汞(Hg) > 镍(Ni) > 铅(Pb) > 砷(As) > 铬(Cr)。铜和镉的I_geo值最高，分别达到重度和中度污染水平，表明这两者是该区域的主要污染物。

3.3.4. 潜在生态风险指数评价

潜在生态风险指数评估表明，沉积物中镉(Cd)呈现极高生态风险，铜(Cu)和汞(Hg)呈现中度到很高生态风险，锌、铬、铅、镍、砷则呈低风险。综合潜在生态风险指数显示，85%的采样点达到了高综合潜在生态风险水平，其中镉、铜和汞是主要的生态风险贡献因子。从上游到下游，综合风险指数呈波动趋势。

3.4. 健康风险评估

非致癌风险评估显示，对于成年人，所有重金属的单一危害商(Hazard Index, HI)和总危害商(Total Hazard Index, THI)均低于1，表明不存在显著的非致癌风险。然而，儿童的总危害商(THI)为1.01，表明儿童可能面临多种重金属联合作用的潜在非致癌风险，这主要与儿童的行为特点和生理敏感性有关。致癌风险评估表明，成人和儿童均面临重金属暴露带来的致癌风险，且总风险值均超过了1×10^-4的阈值，儿童面临的致癌风险高于成人。对不同重金属而言，致癌风险顺序为：铬(Cr) > 镍(Ni) > 砷(As) > 镉(Cd) > 铅(Pb)。

4. 结论

该研究系统评估了马鞍山市向山地区铁尾矿周边河流沉积物中重金属的污染状况、来源及风险。主要结论包括：首先，沉积物中铜和镉的污染最为严重，平均浓度远超背景值，且空间分布不均。其次，多种污染评价指数（单因子指数、内梅罗指数、地积累指数）均表明，采石河上游沉积物重金属污染严重，潜在生态风险处于高水平，其中镉、铜和汞是主要的风险贡献者。第三，来源解析指出，重金属污染主要来源于农业施肥和矿山开采冶炼活动。第四，健康风险评估揭示，尽管成年人的非致癌风险较低，但儿童面临着由多种重金属联合作用带来的潜在非致癌风险，且成人和儿童均存在重金属暴露导致的致癌风险，儿童的风险更高。

这项研究的意义在于，它不仅量化了典型铁尾矿库区周边河流沉积物的重金属污染负荷和生态风险，更重要的是，通过精细的健康风险评估模型，明确指出儿童是更易受影响的脆弱群体，这为环境管理和公共卫生决策提供了关键的科学依据。论文最后建议采取“外源截断+内源治理”的综合策略，如上覆土绿化、构建生态沟渠和人工湿地、对高风险区域沉积物进行清淤等，以控制和修复污染。该研究的发现不仅对马鞍山地区的环境治理具有直接指导价值，也为全球范围内受采矿活动影响的类似区域提供了重要的风险评估案例和治理参考。