与饮用含砷污染地下水相关的非致癌健康风险方面的全球不平等现象

《Journal of Hazardous Materials》：Global inequalities in non-carcinogenic health risks associated with drinking arsenic-contaminated groundwater

　　吴若涵|辛钦川|杨荫|孙颖|周学文|阮永健|肖坤|陈太原|邱建秀中山大学地理与规划学院摘要地下水中的砷污染对全球饮用水安全与公共健康构成普遍但尚未得到充分评估的威胁。本研究将基于机器学习的地下水砷含量预测方法与人类健康风险评估框架相结合，用以评估长期摄入含砷地下水所带来的非致癌风险。通过计算危险商数来衡量非致癌风险，并识别出危险商数大于1的人群。高风险地区包括南亚、东亚和中美洲，其中孟加拉国、巴基斯坦和阿根廷受影响最为严重。约有3.506亿人（95%置信区间：3.471–3.541亿）面临较高的风险，其中81.4%集中在南亚地区。这一健康负担尤其影响到弱势群体——尤其是女性、依赖未经处理地下水的农村居民，以及人类发展指数较低的国家居民。通过SHapley加性解释方法分析，慢性砷暴露被确定为心血管疾病负担的一个潜在环境风险因素。这些研究结果揭示了全球在因饮用含砷地下水而产生的健康风险方面的巨大差异，强调了亟需采取有针对性的风险缓解措施、保障安全供水，并制定注重公平的政策以实现可持续发展。引言地下水砷污染是一种普遍且严重的环境危害，威胁着饮用水安全与公共健康。长期摄入含砷地下水会导致急性毒性反应及多种长期健康问题，引发一系列非致癌性疾病。尽管世界卫生组织规定了饮用水中砷的含量上限为10微克/升，但许多依赖地下水的地区仍持续超过这一标准，使得数亿人处于风险之中。监测不足以及监管能力不均进一步加剧了安全用水方面的差距，阻碍了实现可持续发展目标，尤其是与清洁水与卫生设施、良好健康状况以及减少不平等相关的目标。流行病学研究一直表明，长期接触含砷地下水会带来多种不良健康后果。虽然砷的致癌性已得到充分证实，但越来越多的证据表明它也在非致癌性疾病中起着重要作用。值得注意的是，即便砷浓度低于世界卫生组织及美国环境保护署规定的饮用水标准，仍可能与心血管疾病、糖尿病和肾脏疾病的死亡率上升有关。系统评价和元回归分析表明，现有的10微克/升标准可能不足以全面保护公众健康，因此有人呼吁将标准进一步降低至5微克/升甚至更低。然而，目前大多数相关研究都局限于特定地区且主要针对某些特定疾病，这凸显出迫切需要对饮用含砷地下水所带来的健康风险及暴露情况进行全面全球性评估。由于监测体系不完善且数据存在缺失，全球范围内对地下水砷污染的健康风险评估一直受到限制。至少有70个国家，包括印度、孟加拉国、巴基斯坦、阿根廷、柬埔寨和中国，都面临着地下水砷含量过高的严重风险。然而，现有的监测网络主要集中在已知的污染热点地区，许多潜在的受影响区域，如干旱内陆盆地和大型河流三角洲，仍未得到充分调查。这种空间上的偏差影响了对污染范围的准确判断以及对污染物扩散机制的理解。近年来，机器学习技术和地理空间数据整合技术的进步显著提升了地下水砷分布的测绘精度。早期的研究多采用逻辑回归方法来绘制中国和巴基斯坦印度河流域等地区的地下水砷分布图。而如今，通过采用集成学习方法，尤其是随机森林模型，已经能够实现对全球高砷地下水分布的预测。这一方法上的进步为在全球范围内量化非致癌健康风险提供了重要机遇。近年来，人类健康风险评估框架已被证明是评估地下水污染物所带来健康风险的可靠工具，该框架已被用于砷、重金属及其他无机污染物的风险评估。在地下水砷污染研究领域，这一框架为评估砷暴露所带来的疾病负担提供了重要的实证依据。在受影响最严重的南亚地区，众多研究已应用该框架来量化非致癌风险。在孟加拉国中西部地区，儿童和成人的危险指数分别高达43和15.5，远超美国环境保护署设定的危险指数不超过1的安全标准。在印度的穆扎法尔布尔地区，40%的成人样本和47.5%的儿童样本的危险商数高于1，显示出明显的非致癌风险。在越南湄公河三角洲，男女地下水样本中有28.6%的危险商数高于1，儿童这一比例略高，为31.4%。此外，在土耳其的含水层中也发现了局部砷污染热点，包括西北部的西马夫平原和塔夫沙纳利地区。在土耳其西南部的埃吉尔迪尔湖流域，也有报告指出危险商数高于1，表明存在非致癌风险。舒胡特平原的评估结果进一步证实了该地区地下水砷污染带来的非致癌及致癌风险。尽管这些地区性研究取得了成功，但目前仍缺乏全球范围内的系统性量化分析，现有研究在健康不平等视角以及具体健康后果关联方面也存在明显缺陷。为弥补这一不足，本研究提出了两个假设：其一，不同地区人群因饮用含砷地下水而面临的非致癌风险存在显著差异，弱势群体承受的风险更为严重；其二，这些风险的空间分布与各国的心血管疾病负担呈正相关。为验证这些假设，本研究结合随机森林建模与美国环境保护署的人类健康风险评估框架，量化了全球范围内因饮用含砷地下水而产生的非致癌风险及其在人口中的分布情况。通过利用超过55,000组砷浓度测量数据以及一系列环境预测因子，研究人员生成了全球1公里分辨率的地下水砷含量分布图。这些数据被纳入人类健康风险评估框架，用以计算非致癌风险的危险商数，并估算相应的人口暴露程度。此外，研究还进一步分析了与砷相关的非致癌风险的社会人口学特征及社会经济影响因素，以揭示暴露程度和脆弱性方面的不平等现象。同时，研究还采用了极端梯度提升模型结合SHAP分析方法，探讨了国家层面非致癌风险与心血管疾病负担之间的关联。这项研究为基于科学的地下水管理以及注重公平的公共卫生政策制定了有力的证据支撑。片段内容地下水砷的地理分布为评估饮用含砷地下水所带来的全球健康风险，本研究采用了随机森林建模方法来预测全球地下水砷含量的分布情况。分析过程中使用了Podgorski和Berg整理的公开全球地下水砷数据集，该数据集包含了来自80多项经过同行评审的研究的20多万组实地采样和实验室分析数据。这些数据被空间聚合为1公里的分辨率。与饮用含砷地下水相关的全球非致癌风险反映慢性砷暴露可能带来的非致癌风险的全球分布情况显示出了明显的地理差异（见图1a）。其中，土地面积中危险商数高于1的比例最高的地区包括中亚（24.3%）、南亚（16.4%）、中美洲（15.3%）和东亚（13.4%）（见图S7）。从国家层面来看，孟加拉国的土地面积中危险商数高于1的比例最高，为59.8%，其次是……讨论本研究揭示了不同地区因饮用含砷地下水而面临的健康风险存在显著差异，这反映出一种普遍但尚未得到充分重视的全球性公共卫生威胁。通过将机器学习技术与人类健康风险评估框架相结合，本研究首次实现了高分辨率的全球非致癌砷相关风险地图绘制。这些模型不仅确认了已知的污染热点地区，如印度河流域、恒河-布拉马普特拉河三角洲、湄公河和红河三角洲等。结论本研究对饮用含砷地下水所带来的全球健康风险进行了全面评估。约有3.506亿人（95%置信区间：3.471–3.541亿）面临较高的非致癌风险，其中81.4%的人居住在南亚地区，这凸显出严重的地区间不平等现象。这些与砷相关的健康风险进一步加剧了现有的环境与健康不公平状况，尤其给女性、农村居民以及人类发展指数较低国家的民众带来了更大负担。环境意义本研究表明，作为一种普遍存在的自然危害，地下水中的砷使全球约3.51亿人面临严重的非致癌风险，其中超过80%的人集中在南亚地区。更为重要的是，研究还表明这种环境暴露会导致严重的健康不平等，尤其对女性、农村社区以及人类发展指数较低的国家影响更为严重。通过进一步将砷与心血管疾病负担联系起来，这些研究结果强调了采取针对性措施的紧迫性。作者贡献R.W.和Q.X.负责研究的构思、方法设计及数据分析工作。Q.X.负责整个研究的监督与协调。Y.S.、J.Q.、Y.Y.和Y.R.参与了方法设计的相关工作。X.Z.、K.X.和T.C.协助进行了模型开发与数据分析工作。所有作者都参与了最终稿的撰写、审阅及确认工作。未引用参考文献84CRediT作者贡献说明阮永健：写作——审稿与编辑，方法学。周学文：写作——审稿与编辑，数据整理。孙颖：写作——审稿与编辑，方法学。杨荫：写作——审稿与编辑，方法学。辛钦川：写作——审稿与编辑，验证，监督，方法学，资金获取，研究构思。吴若涵：写作——审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，软件使用，资源获取，方法学，研究调查，正式分析，数据处理。利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。致谢作者衷心感谢匿名审稿人提出的富有洞察力且具有建设性的意见，这些意见有助于提升本稿的质量。本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42371483）的支持。利益冲突声明作者声明不存在任何利益冲突。