Source Apportionment and Toxicological Risk of Potentially Toxic Elements in River Osun Ecosystem Within Ilesha Gold Belt

技术摘要：伊莱沙金矿带内奥孙河生态系统中潜在有毒元素的来源归属与毒理学风险研究

问题陈述
本研究旨在解决奥孙河（River Osun）生态系统中，特别是尼日利亚奥孙州伊莱沙（Ilesha）金矿带内，潜在有毒元素（PTEs）所带来的环境与公共健康风险。研究指出，金矿开采活动（尤其是手工采矿作业）是重金属污染的重要来源，这些污染物通过工业过程、冶炼及不当废物处置进入水体和沉积物中。本研究重点在于表征水体和沉积物中的理化参数及金属浓度，以评估长期暴露（特别是经口摄入）所导致的生态风险和潜在的人类健康危害。

研究方法
本研究采用了结合野外采样、实验室分析和统计建模的多维度方法：

• 采样： 于2024年9月在金矿带内的四个不同地点采集了水样和沉积物样本：两个位于奥拉（Ora）附近的站点（ORS1和ORS2），一个位于奥克-伊博德（Oke-Ibode）（OKS），以及一个位于奥索格博（Osogbo）（OSS）。沉积物使用Ekman抓斗器采集自0–25 cm深度。
• 理化分析： 使用多参数探头对pH、溶解氧、总溶解固体、电导率和总硬度进行了原位测量。
• 样品制备与消解： 水样使用浓硝酸（HNO₃）和盐酸（HCl）在90°C下进行消解。沉积物样本经空气干燥、过筛（2mm），并使用盐酸（HCl）、硝酸（HNO₃）和磷酸（H₃PO₄）的混合溶液进行提取。
• 仪器分析： 使用配备Agilent 720-ES系统的电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对重金属浓度进行定量分析。
• 统计与风险评估：
  • 来源归属： 利用带有方差最大化旋转的主成分分析（PCA）来识别模式、将具有相似地球化学趋势的元素进行分组，并区分自然地质过程与人为输入。
  • 生态风险： 根据污染因子和毒性响应因子（Hakanson, 1980），计算了潜在生态风险指数（ERI）。
  • 人类健康风险： 采用美国国家环境保护局（USEPA, 2011）模型进行非致癌风险评估。这包括计算成年人通过摄入暴露的慢性每日摄入量（CDI）和危害商数（HQ）。

主要结果

• 金属浓度：
  • 水体： 不同站点间表现出显著差异。ORW1显示的钾（2.59 mg/L）、钙（3.59 mg/L）、钡（4.59 mg/L）和钒（5.59 mg/L）浓度明显高于其他站点。铁（Fe）和锰（Mn）水平也存在差异，其中ORW1的铁浓度最高（1.30 mg/L）。
  • 沉积物： ORS1站点显示出多种元素的高平均浓度，包括钠（4.92 mg/kg）、镁（7.48 mg/kg）和铝（1077.82 mg/kg）。ORS2则显示出较高的银（8.88 mg/kg）和镉（0.38 mg/kg）水平。
• 来源归属 (PCA)： 识别出三个主成分。
  • 第一主成分解释了大部分方差，将Na、Mg、K、Ba、V、Fe、Ni、Cu、Al、Se、Th和U等元素归为一类，表明其具有共同的地球化学或矿物学起源。
  • 第二主成分突出了过渡金属和富钙化合物（Ca、Mn、Fe、Co、Pb、Cd）的变化。
  • 第三主成分以Cr、Ag、Cd和Th为特征，表明了可能与工业或环境因素相关的特定微量元素分布。银（Ag）被识别为一个异常值，其行为与其他聚集元素不同。
• 生态风险： 生态风险指数（ERI）表明，镉（Cd）和铅（Pb）在沉积物样本中构成了显著的生态风险。
• 人类健康风险：
  • 危害商数（HQ）分析显示，通过长期摄入，镉（Cd）、铅（Pb）和镍（Ni）构成了显著风险。
  • 沉积物摄入的特定HQ值对于多种元素均超过了1，包括钴（Co: 1.789）、镍（Ni: 1.897）、铜（Cu: 1.765）、锌（Zn: 1.876）和铀（U: 1.548），表明暴露于这些沉积物的成年人存在潜在的非致癌健康风险。

意义与主张
本研究证实，伊莱沙金矿带内水体和沉积物中的重金属浓度呈现出不同程度的污染，特别是某些特定站点（如ORS1和ORS2）显示出显著至极高的污染迹象。作者得出结论，观察到的元素变化是由采矿作业和自然地质过程共同驱动的。

该工作的核心意义在于识别了特定的毒理学风险。研究结果表明，在发生采矿活动的地区需要采取监管措施以保护公众健康。论文明确呼吁对重金属浓度进行持续监测，以减轻环境危害并维护水质。此外，研究倡导采用可持续的采矿方法和适当的废物管理策略，以减少与该地区金矿开采相关的污染水平。本研究并未提出新的实验方案或超出上述监管与管理建议之外的未来应用。