Pollution Characteristics and Health Risks of Heavy Metals in Groundwater of a Chemical Industrial Park

Technische Zusammenfassung: Schadstoffcharakteristika und Gesundheitsrisiken von Schwermetallen im Grundwasser eines chemischen Industrieparks

Problemstellung
Chemische Industrieparks bergen aufgrund des potenziellen Austritts von Schwermetallen während der Produktions- und Lagerungsprozesse erhebliche Risiken für die Grundwasserressourcen und die menschliche Gesundheit. Während frühere Studien verschiedene statistische Methoden zur Analyse von Schadstoffcharakteristika und -quellen eingesetzt haben, verlassen sich traditionelle Gesundheitsrisikobewertungen oft auf feste Expositionsparameter und berücksichtigen dabei weder die kombinierten toxischen Wirkungen von Schwermetallen noch die mit Expositionsszenarien verbundene Unsicherheit. Darüber hinaus mangelt es an lokalen Daten bezüglich der dynamischen Entwicklung von Schadstoffen und der Anpassungsfähigkeit von Expositionsparametern an spezifische regionale Kontexte. Diese Studie adressiert diese Lücken durch die Untersuchung eines chemischen Industrieparks in Südchina, um die Schwermetallbelastung systematisch zu charakterisieren, Quellen zu identifizieren und eine robuste Gesundheitsrisikobewertung durchzuführen, die Unsicherheiten berücksichtigt.

Methodik
Die Forschung wurde in einem chemischen Industriepark in Südchina durchgeführt, der durch Schichten der Oberkreide und des Quartärs mit einer Grundwasserströmung von West nach Ost gekennzeichnet ist.

• Probenahme und Analyse: Insgesamt wurden 127 Grundwasserproben gesammelt und auf 11 Schwermetalle (Fe, Mn, Al, Zn, Co, Ni, Pb, Cu, Cd, As und Tl) analysiert.
• Schadstoffbewertung: Die Studie verwendete den Einzelfaktor-Schadstoffindex und den Nemerow-Gesamtschadstoffindex, um das Verschmutzungsniveau gegenüber den Klasse-III-Standards von GB/T 14848-2024 zu bewerten. Die räumliche Verteilung wurde mittels der IDW-Interpolation (Inverse Distance Weighting) in ArcGIS 10.8 kartiert.
• Identifizierung der Quellen: Die Pearson-Korrelationsanalyse wurde eingesetzt, um die internen Korrelationen zwischen den Schwermetallen zu quantifizieren, was die Identifizierung gemeinsamer Quellen oder geochemischer Affinitäten erleichtert.
• Gesundheitsrisikobewertung: Die Studie koppelte das Modell der US-Umweltschutzbehörde (USEPA) mit einer Monte-Carlo-Simulation, um nicht-karzinogene und karzinogene Risiken über die orale Aufnahme zu bewerten. Dieser Ansatz konstruierte Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Expositionsparameter (z. B. Wasseraufnahme, Körpergewicht, Expositionsdauer), um Unsicherheiten zu berücksichtigen, wobei spezifisch die Risiken für sowohl Erwachsene als auch Minderjährige evaluiert wurden.

Wesentliche Ergebnisse

• Schadstoffcharakteristika: Eisen (Fe) wies die höchste mittlere Konzentration auf (12,16 mg/L), gefolgt von Mangan (Mn) und Aluminium (Al). Mit Ausnahme von Kupfer (Cu) lagen die mittleren Konzentrationen aller analysierten Schwermetalle über den Trinkwassernormen der Klasse III. Der Nemerow-Gesamtschadstoffindex für das Gebiet betrug 42,78, was auf eine schwere Gesamtbelastung hindeutet. Fe, Al, Tl, Pb und Ni wurden als stark belastet eingestuft, während Cd und Co eine leichte Belastung zeigten.
• Räumliche Verteilung: Fe, Mn, Al und Tl waren über das gesamte Untersuchungsgebiet mit hohen Konzentrationen verteilt. Im Gegensatz dazu zeigten Cd, Co, Ni und Pb lokalisierte Hotspots in der nordzentralen Region, während die südlichen und östlichen Teile geringere Konzentrationen aufwiesen. Die ostzentrale Region erlebte die schwerste Verschmutzung aufgrund der Superposition mehrerer Schadstoffe.
• Quellenkorrelationen: Die Pearson-Korrelationsanalyse ergab eine stark positive Korrelationsgruppe bestehend aus Zn, Al, Cd, Ni und Co (Korrelationskoeffizienten im Allgemeinen > 0,8), was auf einen gemeinsamen Ursprung oder eine ähnliche geochemische Affinität hindeutet. Mn zeigte signifikante positive Korrelationen mit den meisten Elementen und fungierte als „Bindeglied“ bei Migration und Anreicherung. Blei (Pb) wies schwache Korrelationen mit anderen Metallen auf, was auf eine unterschiedliche Quelle oder einen differenzierten Anreicherungsmechanismus hindeutet.
• Gesundheitsrisikobewertung:
  • Nicht-karzinogenes Risiko: Der mittlere Hazard Index (HI) lag für Erwachsene bei 5,39 und für Minderjährige bei 2,25, womit beide den Sicherheitsgrenzwert von 1 überschritten. Erwachsene standen vor einem höheren Risiko als Minderjährige. Mangan (Mn) und Kobalt (Co) wurden als primäre Treiber des nicht-karzinogenen Risikos identifiziert.
  • Karzinogenes Risiko: Das mittlere totale karzinogene Risiko (TCR) betrug 0,501 für Erwachsene und 0,210 für Minderjährige. Während die Mittelwerte im Bereich „beobachtungswürdig“ (1×10⁻⁶ bis 1×10⁻⁴) lagen, erreichte das maximale TCR für Erwachsene 1,33 und überschritt damit den Sicherheitsgrenzwert. Aluminium (Al) wurde als zentraler Treiberfaktor für das karzinogene Risiko identifiziert.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren geben an, dass diese Studie eine wissenschaftliche Grundlage für die gezielte Prävention, das Management und die Sanierung der regionalen Grundwasserverschmutzung durch Schwermetalle bietet. Durch die Integration von Monte-Carlo-Simulationen mit dem USEPA-Modell adressiert die Forschung Defizite traditioneller Bewertungen hinsichtlich der dynamischen Schadstoffüberwachung und der Kalibrierung lokalisierter Expositionsparameter. Die Identifizierung spezifischer Treiberfaktoren (Mn und Co für nicht-karzinogene Risiken; Al für karzinogene Risiken) und die Abgrenzung räumlicher Hotspots bieten präzise Zielvorgaben für die zukünftige Steuerung. Darüber hinaus klärt die Korrelationsanalyse die Quellencharakteristika der Schwermetalle im Untersuchungsgebiet, was effektivere Strategien zur Rückverfolgung von Quellen und zur Schadstoffkontrolle innerhalb chemischer Industrieparks unterstützt.