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

技術要約：化学工業団地における地下水の重金属による汚染特性と健康リスク

問題提起
化学工業団地は、生産および貯蔵プロセスにおける重金属の漏出の可能性により、地下水資源および人類の健康に対して重大なリスクをもたらす。先行研究では、汚染特性や発生源を分析するために様々な統計的手法が用いられてきたが、従来の健康リスク評価は固定された曝露パラメータに依存することが多く、重金属の複合的な毒性効果や、曝露シナリオに内在する不確実性を考慮できていない。さらに、汚染物質の動的な進化や、特定の地域的文脈への曝露パラメータの適応性に関する局所的なデータも不足している。本研究は、中国南部の化学工業団地を調査することでこれらの欠落を補い、重金属汚染を体系的に特徴付け、発生源を特定し、不確実性を考慮した堅牢な健康リスク評価を行うものである。

研究手法
研究は、白亜紀後期および第四紀の地層からなり、地下水が西から東へ流れる中国南部の化学工業団地において実施された。

• サンプリングおよび分析： 計127検体の地下水を採取し、11種類の重金属（Fe, Mn, Al, Zn, Co, Ni, Pb, Cu, Cd, As, Tl）について分析を行った。
• 汚染評価： 単一因子汚染指数およびネメロフ（Nemerow）総合汚染指数を用い、GB/T 14848-2024のクラスIII基準に対する汚染レベルを評価した。空間分布は、ArcGIS 10.8を用いた逆距離加重法（IDW）補間を用いてマッピングした。
• 発生源の特定： ピアソンの相関分析を用いて重金属間の内部相関を定量化し、共通の発生源または地球化学的親和性の特定に役立てた。
• 健康リスク評価： 米国環境保護庁（USEPA）のモデルとモンテカルロ・シミュレーションを組み合わせ、経口摂取による非発がん性および発がん性リスクを評価した。この手法では、不確実性を考慮するため、曝露パラメータ（例：水分摂取量、体重、曝露期間）の確率分布を構築し、特に成人および小児の両方に対するリスクを評価した。

主な結果

• 汚染特性： 鉄（Fe）が最も高い平均濃度（12.16 mg/L）を示し、次いでマンガン（Mn）およびアルミニウム（Al）であった。銅（Cu）を除き、分析されたすべての重金属の平均濃度がクラスIIIの飲料水基準を超えていた。当該地域のネメロフ総合汚染指数は42.78であり、全体として深刻な汚染を示している。Fe、Al、Tl、Pb、およびNiは深刻な汚染に分類され、CdおよびCoは軽微な汚染を示した。
• 空間分布： Fe、Mn、Al、およびTlは研究領域全体に高濃度で分布していた。対照的に、Cd、Co、Ni、およびPbは北中部に局所的なホットスポットを示し、南部および東部は低濃度であった。東中部地域は、複数の汚染物質の重畳により、最も深刻な汚染が発生していた。
• 発生源の相関： ピアソンの相関分析により、Zn、Al、Cd、Ni、およびCoからなる強い正の相関グループ（相関係数は概ね0.8超）が明らかになり、共通の起源または類似の地球化学的親和性が示唆された。Mnはほとんどの元素と有意な正の相関を示し、移動および濃縮における「連結」因子として機能していた。鉛（Pb）は他の金属との相関が弱く、異なる発生源または濃縮メカニズムを示した。
• 健康リスク評価：
  • 非発がん性リスク： 平均ハザード指数（HI）は成人で5.39、小児で2.25であり、ともに安全閾値である1を超えていた。成人は小児よりも高いリスクに直面していた。マンガン（Mn）およびコバルト（Co）が非発がん性リスクの主要な要因として特定された。
  • 発がん性リスク： 平均総発がんリスク（TCR）は成人で0.501、小児で0.210であった。平均値は「注意が必要な範囲」（1×10⁻⁶から1×10⁻⁴）内に収まっているものの、成人の最大TCRは1.33に達し、安全閾値を超えていた。アルミニウム（Al）が発がん性リスクの核心的な駆動因子として特定された。

意義および主張
著者らは、本研究が重金属による地域的な地下水汚染の標的を絞った予防、管理、および修復のための科学的根拠を提供すると述べている。モンテカルロ・シミュレーションをUSEPAモデルと統合することにより、本研究は動的な汚染モニタリングおよび局所的な曝露パラメータの較正に関する従来の評価の欠陥に対処している。特定の駆動因子（非発がん性リスクにはMnおよびCo、発がん性リスクにはAl）の特定および空間的なホットスポットの境界決定は、将来の統治のための精密なターゲットを提供する。さらに、相関分析は当該地域の重金属の発生源特性を明確にし、化学工業団地内におけるより効果的な発生源追跡および汚染制御戦略を支援するものである。