在南非约翰内斯堡的布莱斯博克斯普鲁伊特湿地（Blesbokspruit Wetland）附近的金矿和铀矿周围，存在具有潜在毒性和放射性的元素，这些元素会对人类健康构成严重威胁

《Environmental Research》：Potentially toxic and radiogenic elements associated serious health risks to human around a Gold and Uranium mines, Blesbokspruit Wetland, Johannesburg, South Africa

重金属污染与铀辐射暴露对南非Blesbokspruit矿区水质及健康风险研究，采用蒙特卡洛模拟和概率风险评估方法，分析34份水样中砷、镉等重金属及大肠杆菌的致病性，揭示AMD过程导致62%站点严重污染，铀辐射致癌风险达385例/70年，儿童非致癌风险更高，提出综合管理策略。

　　

Rakesh Roshan Gantayat | Vetrimurugan Elumalai | Peiyue Li | Nommiselo A. Yaphi

水资源科学与技术研究中心（RC-WST），祖鲁兰德大学，Kwa-Dlangezwa - 3886，南非

摘要

在全球采矿区污染水平不断上升的背景下，本研究对Blesbokspruit采矿区的金属、病原微生物和放射性铀进行了概率性和全面性的风险评估，共分析了34个地表水和地下水样本。结果表明，62%的采样点中重金属（如砷和镉）的污染程度极高。酸性矿井排水（AMD）控制机制以及硫化物氧化过程显著促进了金属向周围水体的释放。大肠杆菌的致病潜力预计会导致80%的成人感染，儿童感染率为57.7%，并且每百万人中有90%的概率出现长期残疾或死亡。溶解态铀的辐射暴露预计将在10年内导致55例与癌症相关的死亡病例；在70年的长期暴露情况下，这一数字可能上升至385例。研究中发现，砷、钴、镉和镍等金属在水中的存在具有极高的致癌风险，在100%的模拟情况下，这些金属可能引发癌症相关疾病。由于儿童饮水量较低，尤其是砷和镉的摄入量较少，他们面临更高的非致癌风险。本研究提供了量化地表水和地下水资源影响及健康风险预测的多方面视角。这些发现将有助于利益相关者和政策制定者更有效地管理采矿区的水资源，同时优先考虑人类健康和周边环境的安全标准。

引言

全球采矿活动产生的工业废水占各地区废水总量的50%以上，这对水资源安全构成了严重威胁（联合国环境规划署，2024年；Badeenezhad等人，2023年；Jamshidi等人，2021年）。采矿环境中，水不断与暴露的岩层相互作用，由于各种有毒元素的释放，导致剧烈的地球化学变化（Luo等人，2022年；Shan-Meng等人，2008年）。在这种情况下，采矿及其相关的酸性矿井排水（AMD）有可能将高浓度的重金属引入周围的水体系统，并可能重新进入地表水系统（例如Wei等人，2022年；Tum等人，2022年）。与其他水体相比，通过AMD造成的淡水污染更为隐蔽，因为其影响持续时间更长且具有滞后效应（Luo等人，2022年；Pan等人，2021年；Wang等人，2019年）。此外，废弃的富含硫的金属矿场可能会产生大量排水、岩石废弃物和尾矿，其中经常发生风化、溶解和氧化等复杂过程，为有毒金属和硫酸盐的渗出创造了理想条件（Kefeni等人，2017年）。随着时间的推移，AMD的迁移会导致水资源恶化，增加生物累积和对人类及其他生物的生态毒性风险（Nath等人，2018年；Zhu等人，2020年）。

在这种日益严重的情况下，需要特别关注金属的暴露问题，因为它们与水结合时可能带来更大的风险（Engwa等人，2019年）。已知这些金属会导致多种神经系统疾病和癌症，在极端暴露情况下甚至会导致死亡。例如，科学界已经证实砷与心血管疾病和癌症有关，而铅的极端暴露则与发育迟缓和认知障碍有关（国际癌症研究机构，2012年；Mishra等人，2018年）。另一方面，铀（U）主要来源于地质过程，其在水中的存在形式主要是氧化态，如U(IV)和U(VI)，其中U(VI)在水中的溶解度最高（Balaram等人，2022年）。金属从矿物表面的脱附和溶解主要将离子态铀释放到水中（Mehra & Kaur，2020年）。根据Panghal等人（2017年）的研究，85%的铀通过饮水被人体摄入，15%通过食物摄入，因此饮水或饮食途径成为主要威胁，因为铀具有化学和放射性危害，可能导致肾脏损伤、肺癌、肾功能障碍、胃癌、白血病和尿路癌（Garima等人，2024年；Duggal等人，2021年；Prat等人，2009年；Auvinen等人，2005年；ATSDR，1999年）。此外，铀会释放α粒子，其放射性衰变产物如氡主要来源于^238U。直接摄入高浓度的含铀α粒子可能使人体内部受到辐射（Garima等人，2024年；Srivastava等人，2020年；NRC，2011年）。

在世界许多地区，也观察到了类似的微生物污染问题，尤其是大肠杆菌（WHO，2022年；Amatobi等人，2022年）。长期在采矿区的过度开发会改变水文路径，促进微生物污染物的长期传输和持久存在（Mao等人，2024年；Inyang等人，2010年）。这些活动通过地表径流、废物堆场的渗漏以及管理不善的居民区对地表水造成严重影响（de Quadros等人，2016年）。这种影响会随着时间的推移加剧，表现为粪便污染，带来包括胃肠道感染和水源性疾病在内的重大公共卫生风险（Opisa等人，2012年；Ali等人，2025年；Bisimwa等人，2022年）。这些变化通常伴随着水物理化学性质的变化，以及由于土壤层退化导致更多地质或人为营养物质的暴露（Schmid等人，2020年；Shi等人，2017年；de Quadros等人，2016年）。多项研究表明，煤炭或煤炭开采会导致水与煤炭/岩石的相互作用，使基于煤炭的有机物溶解并进入地下水，从而为微生物群落提供生长条件（Ben Maamar等人，2015年；Gründger等人，2015年；Jiang等人，2023年）。另一方面，铁和硫的循环也会影响或受到微生物群落的影响，因为它们会释放到水体中（Chung等人，2019年；Chen等人，2018年；Baker等人，2003年）。这些条件长期存在会导致采矿区周围水体中大肠杆菌等病原微生物的过度生长，限制了地表水和地下水的利用。因此，有必要对人口密集的采矿区周围的微生物进行风险评估。

确定性定量风险评估模型，如定量微生物风险评估（QMRA）、放射性（放射学）风险评估和健康风险评估（HRA），几十年来一直是环境影响评估研究的基石。通过结合蒙特卡洛模拟（MCS）等强大技术，可以在金属相关健康风险评估中更准确地确定风险参数，明确识别不确定性和变异性（Thompson等人，1992年；Clavijo等人，2026年）。这种方法比传统的点估计更能够准确预测风险或疾病的可能性，因为传统的点估计容易因水中风险参数的地球化学变异性而低估或高估。另一方面，已经通过确定性定量微生物风险评估（QMRA）对铀等元素的放射性癌症暴露进行了大量研究（Garima等人，2024年），但MCS的整合程度有限，相关案例研究较少（Abuzerr等人，2022年；Isinkaye等人，2023年；Isinkaye等人，2025年）。在概率风险探索的不同环境领域中，模拟参数的设计可能仍是一个主要瓶颈。先前的多项研究通过敏感性和不确定性分析一致证明了该方法的稳健性，使用了Oracle? Crystal Ball等软件（例如Nemati等人，2025年；Askari等人，2024年；Jaishi等人，2025年；@XLRisk（Gantayat等人，2025a；Gantayat等人，2025b；Akinpelu等人，2025年）。MCS的多功能性及其评估概率分布、模拟、敏感性和不确定性分析的能力使其能够跨学科应用，从而准确预测风险及其主要驱动因素（Clavijo等人，2026年；B?a?kiewicz等人，2022年）。

南非以其丰富的矿产资源而闻名于世，尤其是黄金、煤炭和铀，这些资源几十年来一直支撑着该国的经济。自从在威特沃特斯兰德盆地发现黄金和铀以来，该国的采矿区一直是许多研究人员关注的焦点，涉及AMD影响、矿渣尾矿以及周围水系统中的污染物毒性等方面的多项研究（例如Koloti等人，2024年；Heisi等人，2023年；Makanda等人，2023年；Lourenco等人，2021年；Lourenco等人，2019年）。然而，在风险评估框架中仍存在关键差距，尤其是在充分评估污染物严重性和改进先进协议方面，尽管已经识别出高浓度的金属释放、广泛的微生物生长和铀尾矿问题。此外，尽管该地区已有超过100年的采矿历史，但铀的放射性暴露从未得到评估。为解决这些差距并更新有毒污染物的基础风险概况，本研究对金属、微生物病原体和铀的暴露进行了全面的风险评估。本研究旨在：1）通过HRA（健康风险评估）和QMRA（定量微生物风险评估）框架计算地下水中金属和微生物的年龄依赖性风险暴露；2）确定放射性毒性特征并预测其通过直接摄入的传播范围；3）使用蒙特卡洛模拟计算所考虑的风险评估模型中的死亡率和发病率概率情景。

研究区域

本研究在位于南非约翰内斯堡东南部Sedibeng区市的Blesbokspruit湿地进行。作为Vaal河的重要支流，Blesbokspruit对豪登省的人口来说是一个重要的饮用水来源，具有重要的水文和生态作用。该湿地系统贯穿Springs、Nigel和Heidelberg等关键城市中心，最终汇入Vaal河。

样品收集与分析

为了评估Blesbokspruit河及其相关湿地系统的采矿活动和酸性矿井排水（AMD）的影响，2023年8月的干旱冬季期间共收集了34个水样，包括9个地表水样和25个地下水样。其中18个样本地点来自Daggafontein采矿区以及Grootvlei和Marievale采矿区附近区域（图1a），以便对采矿相关影响进行重点评估。

金属和微生物浓度的概述及安全标准

表1列出了所研究金属（银、铝、砷、钡、铋、镉、钴、铬、铜、铁、镓、铟、锂、锰、钼、镍、铅、硅、锶、铊、铀、钒和锌）和微生物参数（大肠杆菌和大肠杆菌）的描述性统计信息，以及世界卫生组织（WHO，2011年）提供的参考值。大多数参数，包括高毒性参数如砷、铅、钴、镉和铀，以及微生物参数如大肠杆菌和大肠杆菌，在100%的采样点超过了参考值限制。

结论

本研究分析了Blesbokspruit湿地和采矿区地表水和地下水中的各种痕量和重金属及微生物浓度。对所有污染物（包括放射性参数如铀）进行了全面和概率性的风险评估。研究结果表明，这些水体完全不适合人类使用，并对多个方面构成危险威胁。这些金属主要来源于采矿相关活动，尤其是基于AMD的过程。

作者贡献声明

Peiyue Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、调查、数据分析、概念构建。Nommiselo A Yaphi：撰写 – 初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计。Vetrimurugan Elumalai：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、资源管理、项目协调、资金获取、数据分析、数据整理、概念构建。Rakesh Roshan Gantayat：

未引用的参考文献

Amatobi和Agunwamba，2022年；ATSDR，1992年；Baker和Banfield，2003年；Baum，1993年；B?a?kiewicz和Konefa?，2022年；City Population，2011年；Clavijo，2026年；Connor和Miletto，2022年；Corkhill和Vaughan，2009年；Eckerman等人，1999年；EPA，2024年；F?rstner和Wittmann，1976年；John等人，2024年；Kirk Nordstrom，1982年；Koen等人，2007年；Lourenco，2019年；Lourenco和Curtis，2021年；Luo等人，2020年；National Research Council，2011年；Pandey，2025年；Perkins和Foster，2004年；Roychoudhury和Starke，2006年；South

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

支持本研究的数据将在作者收到合理请求时提供。

致谢：

祖鲁兰德大学的作者感谢南非国家研究基金会（UNIQUE GRANT NO: 151823）对南非研究主席计划（SARChI）的资助。作者还感谢UNIZULU和管理层为“水资源危机项目”以及2022/23至2026/27年的“可持续能源、水和农业”Sibusiso Bengu发展计划提供的研究资助，这些资助有助于项目的成功实施。