砷（As）是一种广泛分布于环境中的非金属元素, 存在无机态和有机态两种形式.一般来说, 无机态As的毒性大于有机态, 三价As的毒性大于六价As.长期的As污染暴露对人体健康构成严重威胁, 可造成皮肤癌、肺癌、肝癌或膀胱癌等多种器官功能性损伤, 严重者甚至引起死亡[1].人类主要是通过食物和饮水两种途径暴露于环境中的As.世界卫生组织（WHO）、国际癌症研究中心（IARC）和我国生态环境部先后将As和无机As类化合物列入一级致癌物清单和有毒有害水污染物名录（第1批）[2].我国最新修订的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）对生活饮用水中As浓度的限值设定为不高于10 μg·L-1.
饮用水As污染严重威胁水质安全一直受到广泛关注.Frost等[3]统计美国环保署（US EPA）数据库中有关As中毒的数据发现11个州33个县的饮用水中As的平均浓度超过其标准（10 μg·L-1）.2000年, WHO发布报告指出, 孟加拉国约有4 000万人饮用水As超标, 约200万人表现出As中毒症状, 近30万人可能因此患癌症而死亡[4].目前, 我国也是饮用水As污染严重的发展中国家之一.北京通州调查发现, 12.88%的农村饮用水样品中As浓度超标[5]；内蒙古托克托县某饮水型地方性As中毒村采集的76份水样全部超标, ρ（无机As）为56.40 ~ 231.15 μg·L-1, 平均值为129.92 μg·L-1 [6].另一方面, 新疆的调查其农村饮用水中As超标率只有2.23%, 但在丰水期和枯水期有所差异[7]；张秋秋等[8]在我国重点城市集中供水中As浓度均未超标, 但其检出率为47.8%.总体上来说, 针对我国饮用水中As污染状况已展开了一定的研究, 但大多是针对个别或少数几个地区设置采样点进行的, 监测或检测到的As污染情况亦主要是与标准限值进行比较.目前, 对全国饮用水中As的大尺度研究较少, 整体上我国饮用水中As的污染分布特征及风险状况仍然不清楚.
本研究借助文献计量学手段, 系统分析了近22年我国饮用水As浓度水平及区域分布特征, 并以表征疾病负担的伤残调整寿命年（disability adjusted life years, DALYs）作为评价终点, 对饮用水As污染造成的健康风险进行评估, 以期为我国饮用水中As污染的防控政策制定提供参考, 对防范水源性As造成人体健康危害有重要意义.
1 材料与方法
1.1 文献检索与筛选
对公开发表的有关我国饮用水中As浓度文献进行系统检索.时间范围限定在2000年1月1日至2022年12月1日.中文数据库（CNKI和万方）检索关键词为“砷”或“重金属”, 主题词为“饮用水”.英文文献数据库（Web of Science和Pubmed）检索术语：WOS：（TS =（arsenic（As））OR TS =（drinking water）OR TS =（heavy metal））AND（TS =（water quality detection）OR TS =（health risk assessment））AND（TS =（China））.为确保研究准确, 文献筛选标准为：①有明确As的检测方法, 且符合国家标准；②有明确的采样点、样本大小；③报告了As的浓度.依据上述原则, 在数据库中检索到相关文献2 923篇, 删除重复记录1 702篇和不符合要求记录1 170篇, 最终纳入51篇.
1.2 数据提取与统计处理
从筛选后的文献中进行关键数据提取：采样时间、采样地点、样本量、检测方法、检出限以及浓度数据.通过使用软件Excel 2019和SPSS 26进行数据统计处理.其中, 文献中若采样时间未明确标明的, 以发表时间代替；每篇文献报告的均值和标准差若标明可直接从文献中读取, 不能读取的则根据样本量、中位数、最小值和最大值等统计值间接计算.然后根据样本量、均值和标准差对整体浓度用分布函数进行拟合, 得到拟合参数和均值[9].
1.3 健康风险评价
1.3.1 暴露评估
本研究将饮用水中As暴露主要考虑饮水摄入和淋浴、洗漱等皮肤接触两种途径.其中, 经饮水摄入量计算公式为[10]：
(1)
式中, CDIoral为经口摄入日均暴露量[mg·（kg·d）-1]；ρ（As）为饮用水中As的浓度（mg·L-1）；IR为摄入率（L·d-1）；EF为饮水年暴露天数（d·a-1）；ED为暴露持续年数（a）；BW为体重（kg）；AT为平均终身暴露时间（d）.
经皮肤接触途径暴露量计算公式为[11]：
(2)
式中, CDIdermal为皮肤接触日均暴露量[mg·（kg·d）-1]；SA为皮肤接触面积（cm2）；PC为化学物质的皮肤渗透常数（cm·h-1）；ET为日暴露时间（淋浴、洗漱等）（h·d-1）；EF为年暴露天数（淋浴、洗漱等）（d·a-1）；CF为转换系数（10-3）.
总暴露量：
(3)
式中, CDItotal为每日总暴露量[mg·（kg·d）-1].
1.3.2 剂量-效应关系模型
本研究采用US EPA建立As的暴露浓度与皮肤癌患病率效应关系模型[11], 采用Chen等[12]和加拿大研究委员会（NRC）[13]提出的饮用水As与内脏癌（肺癌、肝癌和膀胱癌）剂量-效应关系.
(4)
式中, P（d, t）为皮肤癌患者比例（%）；t为年龄（岁）；d为暴露量[μg·（kg·d）-1]；H为Herveside函数, 当t
(5)
式中, H（c, t）为内脏癌的发病率；c为暴露浓度（μg·L-1）；其他变量和参数的含义同上.
皮肤癌的患病率转化为发病率公式[8]：
(6)
式中, h为年龄段（x, x+t）皮肤癌的发病率, P为年龄段（x, x+t）的患病率.
1.3.3 风险大小
本研究采用人均承受的疾病负担大小来表征风险大小.疾病负担（以DALYs为单位进行测量）既考虑了患病导致死亡的健康损失（years of life lost, YLLs）, 还考虑了疾病治愈后遗症残疾和治疗时间损失造成的健康损失（years lived with disability, YLDs）[14].计算公式如下：
(7)
(8)
(9)
式中, DB为疾病负担（DALYs·a-1）；YLLS为早死所导致的健康损失（DALYs·a-1）；YLDS为残疾所致的健康损失（DALYs·a-1）；x为年龄段（按5 a间隔分为19个年龄组, 即0 ~ 1岁、1 ~ 5岁、5 ~ 10岁、10 ~ 15岁, …, 80 ~ 85岁, 85岁以上）；y为疾病的不同阶段；n为人口数；S为存活率；LEx为标准预期寿命；tD为死亡时间；DW为失效权重；L为持续时间；Pseq为后遗症患者比例；tC为治疗时间.
1.4 相关参数的确定
1.4.1 暴露量参数
本研究中各年龄段人体皮肤接触面积（SA）和体重（BW）值取自《中国人群暴露参数手册》[15].皮肤渗透常数（PC）为0.001 8 cm·h-1 [16], 日暴露时间（ET）为0.633 3 h·d-1, 年暴露天数（EF）为365 d·a-1 [17].男性和女性的暴露持续年数（ED）分别为74 a和78 a, 平均终身暴露时间（AT）分别为74 a × 365 d和78 a × 365 d[18].
1.4.2 疾病负担相关参数
各省年龄段人口数（n）和标准预期寿命（LEx）均基于《中国统计年鉴（2020）》[18]；参考Zhang等[19]的研究方法, 皮肤癌、肺癌、肝癌和膀胱癌的死亡时间（tD）中位数分别取值为2.193、0.83、0.700和1.003 a, 其治疗时间（tC）中位数分别为5.00、6.00、5.00和4.00 a.参考张秋秋等[8]的研究方法, 确定失效权重（DW）、后遗症患者比例（Pseq）, 以及肺癌与膀胱癌的生存率（Sx）.皮肤癌Sx为0.900, 肝癌Sx为0.005[20].
2 结果与讨论
2.1 饮用水中As浓度及分布特征
中国大陆31个省（市区）饮用水中ρ（As）范围在0.10 ~ 20.79 μg·L-1（表 1）, 对浓度数据进行拟合分布最佳为对数正态分布, 其均值（标准差）和中位数分别为（2.88 ± 0.33）μg·L-1和1.06 μg·L-1, 均低于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）限值（10 μg·L-1）.从地理分布来看, 饮用水As浓度在北方要高于南方（图 1）.其中, 居全国前3位的为山西省、内蒙古和宁夏, 其饮用水ρ（As）分别为（20.79 ± 1.12）、（8.85 ± 0.05）和（8.19 ± 2.06）μg·L-1；福建和安徽的饮用水ρ（As）最低, 为0.12 μg·L-1和0.10 μg·L-1.对同一地区城市和农村水As数据经皮尔森卡方（Pearson's chi-squared）分析发现饮用水ρ（As）呈现农村地区高于城市（χ2 = 61.94, P<0.01）, 原因可能与农村地区地理位置偏远, 较多使用地下水（井水）作为饮用水源有关[21, 22].山西大同一项研究发现其盆地周围山地岩石中富含As[23], 约为地壳As丰度值的7倍[24], 经地下水和沉积物的长期相互作用下, 逐渐从沉积物中释放导致地下水As浓度很高.此外, 工业化快速发展也可造成当地饮用水As污染.如宁夏自治区的一项监测发现, 饮用水As超标现象与当地存在大型工业园区, 同时拥有较多数量的煤炭、钢铁和电镀等企业有关[25].
表 1
(Table 1)
表 1 我国各地区饮用水中As浓度水平
Table 1 Concentration of arsenic in drinking water in different regions of China
区域
省份
样本量
平均值/μg·L-1
浓度分布拟合1）
文献
华北
北京
436
0.53
Log-Norm (-0.778, 0.535)
[26 ~ 28]
天津
856
2.32
Pareto (0.581, 1.342)
[29, 30]
河北
246
6.71
Gamma (2.725, 2.462)
[31 ~ 33]
山西
278
20.79
Norm (20.786, 1.115)
[34]
东北
内蒙古
26459
8.85
Log-Norm (2.07, 0.47)
[22]
辽宁
232
1.06
Norm (1.055, 0.493)
[35, 36]
吉林
506
5.90
Norm (5.60, 0.24)
[37]
黑龙江
85
5.00
—
[38]
华东
上海
189
0.91
Norm (0.91, 0.05)
[39]
江苏
574
0.93
Gamma (2.74, 0.34)
[40 ~ 45]
浙江
120
2.00
Uniform (0, 4.00)
[46]
安徽
451
0.10
—
[47, 48]
福建
176
0.12
—
[49]
江西
6
0.99
Norm (0.993, 0.013)
[50]
山东
1374
0.31
Beta (0.262, 0.577)
[51 ~ 53]
中南
河南
24
0.85
—
[54, 55]
湖北
293
3.50
—
[56]
湖南
184
4.82
Log-Logistic (4.82, N/A)
[57]
广东
14
1.54
—
[58, 59]
广西
21
1.06
—
[60]
海南
5
0.30
—
[61]
西南
重庆
98
0.30
Norm (0.30, 0.02)
[62]
四川
120
0.50
—
[63]
贵州
38
0.44
Log-Norm (-0.70, 0.57)
[64]
西藏
60
1.24
Log-Norm (0.184, 0.124)
[65]
云南
9535
5.45
—
[66]
西北
陕西
8736
0.73
Beta (3.84, 1.44)
[67 ~ 70]
甘肃
60
1.34
Gamma (41.950, 0.032)
[71]
青海
17
0.32
—
[72]
宁夏
112
8.19
Log-Norm (1.92, 0.60)
[73]
新疆
7874
2.06
Log-Norm (0.645, 0.398)
[7, 74]
1）Norm（μ, σ）表示正态分布；Log-Logistic（μ, σ）表示对数逻辑分布, μ为均值, σ为标准差；Log-Norm（x, y）表示对数正态分布, x为期望均值, y为对数标准差；Beta（α, β）表示贝塔分布；Gamma（α, β）表示伽马分布, α为形状参数, β为尺度参数；Pareto（α, x-minimum）表示帕累托分布, x-minimum为比例参数；Uniform（min, max）为均匀分布, min为最小值, max为最大值；N/A表示相应分布的相应参数不存在；“—”表示数据不充分, 不能进行拟合分布
表 1 我国各地区饮用水中As浓度水平
Table 1 Concentration of arsenic in drinking water in different regions of China
图 1
Fig. 1
基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS（2020）4630号的标准地图制作, 香港、澳门和中国台湾地区的As浓度数据暂缺
图 1 我国饮用水As浓度地理分布
Fig. 1 Geographical distribution of arsenic concentration in drinking water in China
2.2 饮用水As的健康风险
2.2.1 总体及区域性健康风险
我国由于饮用水中As暴露导致的健康风险为1.63（95%CI：1.06 ~ 2.20）×10-6 DALYs·（人·a）-1, 略高于WHO推荐的水中有害物质健康风险阈值[1.0 × 10-6 DALYs·（人·a）-1], 但存在明显的地区差异性, 表现为北方地区高于南方, 特别是山西、内蒙古和宁夏为WHO推荐阈值的5 ~ 16倍（图 2）；六大地理区域风险大小排序为：华北 > 东北 > 中南 > 西北 > 西南 > 华东（表 2）.考虑到各区域人口数量不同, 水As导致的总疾病负担大小排序为：华北 > 中南 > 东北 > 华东 > 西南 > 西北；华北地区尤为突出（占全国45.2%）, 其区域性内各省市疾病损失排序为：山西省（581.80 DALYs·a-1） > 河北省（404.29 DALYs·a-1） > 天津市（24.97 DALYs·a-1） > 北京市（9.85 DALYs·a-1）.分析原因可能有两个方面：一是当地重工业和能源（煤炭、重金属）开采行业发达, 易造成高As水环境, 群众长期暴露导致的健康问题（致病和致癌）[73]；另一方面, 不同省份的经济发展和城市化覆盖率存在差异性, 部分农村地区仍存在饮用未经处理的地下水（井水）的情况[75].山西山阴县和大同市的饮水型As中毒区在2006 ~ 2008年的水质合格率状况仅为62.73%, 其中分散式供水的合格率仅为57.65%, 而集中式供水稍高, 达到了80.00%[23, 76].随着国家农村安全饮用水工程的实施, 在华北地区的饮水As的健康风险近5年呈现逐年降低趋势, 如太原市2019年一项调查结果表明其农村生活饮用水中ρ（As）均低于1 μg·L-1 [77], 但保障农村地区的水质安全仍是长期和艰巨的工作.
图 2
Fig. 2
图 2 我国不同地区饮用水As健康风险与暴露人口数量
Fig. 2 Health risk of arsenic in drinking water and exposed population in different areas in China
表 2
(Table 2)
表 2 我国六大地理区域饮用水As健康风险及导致的疾病负担
Table 2 Health risk and disease burden of arsenic in drinking water in six geographical areas of China
区域
健康风险×10-6/DALYs·(人·a)-1
总疾病负担/DALYs·a-1
均值
95%CI
均值
95%CI
华北
7.03
1.25 ~ 10.04
1 020.91
181.61 ~ 1 458.66
东北
2.27
1.02 ~ 4.70
278.12
125.02 ~ 576.05
华东
0.41
0.26 ~ 0.63
173.53
110.10 ~ 266.79
中南
1.23
0.64 ~ 1.73
505.54
262.26 ~ 708.93
西南
0.77
0.29 ~ 1.84
158.51
59.49 ~ 377.47
西北
1.15
0.89 ~ 2.37
120.22
92.96 ~ 247.55
表 2 我国六大地理区域饮用水As健康风险及导致的疾病负担
Table 2 Health risk and disease burden of arsenic in drinking water in six geographical areas of China
2.2.2 不同健康问题的风险
饮水中As暴露所致皮肤癌、肺癌、肝癌和膀胱癌的个体终生发病概率分别为1.15（95%CI：0.44 ~ 1.86）×10-5、1.44（95%CI：0.48 ~ 2.40）×10-6、1.45（95%CI：0.54 ~ 2.36）×10-8和1.92（95%CI：1.00 ~ 2.83）×10-9.从全人群来看, 饮水As暴露导致的癌症患者数量以皮肤癌为主（88.8%）, 肺癌次之（11.1%）, 肝癌和膀胱癌仅为0.1%.使用伤残损失寿命年（DALYs）统一度量后, 饮水As引起皮肤癌、肺癌、肝癌和膀胱癌导致的总疾病负担分别为2 905.25、1 513.96、26.04和0.55 DALYs·a-1.其中, 肺癌的疾病负担贡献率显著增加到34.1%, 与发病贡献率的比值为3.07（34.1%/11.1%）；相较于皮肤癌的比值（0.74）, 可以看出单例肺癌导致的健康损失比皮肤癌更加严重.整体上, 皮肤癌和肺癌是饮用水As暴露产生健康损害的主要途径, 需要重点关注（图 3）.
图 3
Fig. 3
图 3 饮水As导致不同癌症的发病率和疾病负担分布情况
Fig. 3 Distribution of incidence (inner ring) and disease burden (outer ring) of cancers attributable to arsenic in drinking water by cancer
2.2.3 不同年龄阶段的健康风险
对不同年龄阶段的人群, 饮用水As的暴露导致的健康损害有所不同（图 4）.中老年人群（> 45岁）承受了78.0%疾病损失；尤其需要关注60岁以上老年人群问题, 因为该群体疾病损失占比（40.3%）与其在人口结构中占比（18.7%）的比值高达2.15, 说明个体健康损失风险特别高.这可能与饮用水As暴露的长期性和随着年龄增长身体免疫力下降有关[78].与土壤重金属健康风险在年龄越小风险越高不同[79], 本研究发现饮用水中As造成的疾病损害在低龄组反而很小, 类似于Zhang等[70]对西安市区域饮用水As的研究结果, 原因可能与As致癌需要较长的暴露时间（> 20 a）有关.
图 4
Fig. 4
图 4 不同年龄阶段下饮水As暴露人群和不同癌症疾病负担比重
Fig. 4 Proportion of the population and the disease burden attributable to arsenic in drinking water by age and by cancer
3 结论
（1）我国饮用水As浓度平均水平低于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）限值, 但受水文地理状况、经济水平和工业污染等因素制约, 呈现出地理区域性差异.山西、内蒙古和宁夏这3个省份的饮用水ρ（As）最高, 分别为（20.79 ± 1.12）、（8.85 ± 0.05）和（8.19 ± 2.06）μg·L-1.饮用水ρ（As）呈现农村地区高于城市的分布特征（χ2 = 61.94, P<0.01）.
（2）我国饮用水As导致的整体健康风险为1.63（95%CI：1.06 ~ 2.20）×10-6 DALYs·（人·a）-1, 略高于WHO《饮用水水质准则》中规定的风险参考水平, 但部分省份如山西、内蒙古和宁夏风险值为参考水平的5 ~ 16倍, 值得特别关注.
（3）饮用水As暴露导致的皮肤癌和肺癌是其产生疾病负担的主要途径（99.4%）；45岁以上中老年人群承受了大部分（87.1%）的健康损害, 60岁以上老年人群个体健康损失风险更高, 是风险防控中需要特别关注的对象.