Evaluación de riesgos para la salud ecológica de metales pesados ​​bajo el sistema de rotación trigo-maíz en un área de fondo geológico alto en el este de China

Región de estudio

El área de estudio (1091 km²) se encuentra en Lai’yang (120 ° 31′ – 120 ° 59′E, 36 ° 48′ – 37 ° 09′N) en la región costera oriental de la provincia de Shandong, China. Como zona provincial de desarrollo económico, las industrias de maquinaria, automóviles, química, farmacéutica, electrónica y de tecnología de la información se han desarrollado rápidamente en esta área. Por lo tanto, es probable que el suelo de esta región haya estado expuesto a diversas fuentes de metales pesados, especialmente desechos industriales, emisiones de tráfico y otros factores antropogénicos, lo que genera riesgos ecológicos y para la salud. Los accidentes geográficos en el este de Shandong son principalmente montañosos, con rocas intrusivas mesoproterozoicas, neoproterozoicas y meso-cenozoicas y estratos mesozoicos antiguos ampliamente distribuidos. Dai et al..²⁶ indicó que había un fondo geológico alto de Ni, Cu y Cr causado por la meteorización de arenisca y lutita en el este de Shandong. Los accidentes geográficos en el área de estudio están dominados por colinas con una altitud de 100 a 300 m. Los estratos del Cretácico se distribuyen en las partes central y sur del área de estudio, y los elementos litológicos incluyen principalmente glutenita y esquisto arenoso. Las rocas intrusivas arcaicas y los estratos paleoproterozoicos están bien expuestos en el norte, donde los elementos litológicos incluyen gneis, diorita y mármol. Los sedimentos cuaternarios están ampliamente distribuidos en las partes central y occidental del área de estudio. La meteorización de las rocas forma principalmente rocas ácidas marrones y suelos ácidos de huesos gruesos. El trigo, el maíz, el maní, las manzanas y las peras se cultivan ampliamente en esta área.

Recolección y preparación de muestras

Se recolectaron muestras de granos de trigo y maíz (n = 68 cada una), así como las correspondientes 136 muestras de suelo del área de estudio durante sus períodos de cosecha en 2019 (Fig. 1). Se recolectó una muestra cada 16 km.², y se recolectaron 1500 g de suelo superficial (0–20 cm) para cada sitio de muestreo. Las muestras se guardaron en bolsas de polietileno autosellantes y luego se trasladaron al laboratorio.

Sitios de muestreo para el presente estudio.

Después de eliminar la arena, las raíces y otros residuos, las muestras de suelo se secaron al aire y se pasaron por un tamiz de malla 200 antes del análisis químico y de pH. Los granos se lavaron con agua desionizada para eliminar la suciedad superficial, se calentaron a 105 °C durante 30 min y se secaron hasta peso constante a 70-80 °C. A partir de entonces, los granos secos se pulverizaron con un molinillo de ágata y luego se pasaron por un tamiz de malla 200 antes del análisis químico.

Muestra de análisis químico

Las concentraciones de Cu, Zn, Cr, Ni y Pb en las muestras de suelo se midieron mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF, PANalytical BV, Países Bajos). Para analizar Cd, las muestras fueron digeridas por HNO₃-HClO₄-HF (1:1:2, v/v/v) y se analizó utilizando un espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS, Varian 820, USA). Las muestras de granos de trigo y maíz se digirieron en agua regia (HNO₃:HCl = 3:1). La concentración de Cd, Cu, Zn, Cr, Ni y Pb se determinó mediante ICP-MS (Varian 820, EE. UU.) y el límite de detección del método (MDL) para Cd, Cu, Zn, Cr, Ni y Pb fue de 0,1/g. /g, 1,0 μg/g, 1,0 μg/g, 0,5 μg/g, 0,1 μg/gy 0,1 /g/g, respectivamente. El pH del suelo se midió en una relación suelo: agua de 1: 2,5 utilizando un medidor de pH (PHS-3C, Shanghái, China). Todos los métodos de análisis se realizaron de acuerdo con el Ministerio de Tierras y Recursos de la República Popular China: Especificación de evaluación geoquímica de la calidad de la tierra (DZ/T 0295-2016).

La garantía de calidad/control de calidad (QA/QC) se llevó a cabo utilizando muestras en blanco y réplicas basadas en materiales de referencia estándar (GBW07412, GBW07417), obtenidos del Centro Nacional de Material de Referencia Estándar de China. Los resultados mostraron que la desviación relativa de muestras duplicadas para Cd, Cu, Zn, Cr, Ni y Pb fue 94,8 %, 100 %, 100 %, 100 %, 98,5 % y 100 %, respectivamente. La desviación estándar relativa (RSD) y la desviación logarítmica (ΔlogC) estuvieron dentro del 6%. Los valores de recuperación para Cd, Cu, Zn, Cr, Ni y Pb fueron 92,3–110,2 %, 94,5–98,1 %, 96,0–100,1 %, 98,0–102,8 %, 94,5–102,5 % y 97,0–100,2 %, respectivamente.

Índice de geoacumulación (I_geo)

El I_geo se utilizó para evaluar la contaminación por metales en el suelo utilizando la ecuación. (1):²⁷

dónde C_norte fue la concentración de metal (norte) en la muestra de suelo, y B_norte fue la concentración de fondo geoquímica de metal (norte) adoptado por los valores de fondo del suelo en la provincia de Shandong²⁸. Debido a la variación litológica del suelo, se utilizó un valor de 1,5 como factor de corrección de la matriz de fondo.²⁹. El I_geo compuesto por siete clases³⁰y los estándares evaluados para I_geo con las clases correspondientes se muestran en la Tabla S1.

modelo FMP

PMF es un modelo de análisis útil para la distribución de fuentes³¹. En el estudio actual, se utilizó PMF 5.0 de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) para identificar el perfil de la fuente y la contribución. El principio fundamental de este método es descomponer la matriz original X_yo en matrices gramo_yo y F_jk así como una matriz residual mi_yo, como se muestra en la Ec. (2):

dónde X_yo fue la concentración de metales pesados j en la muestra i, pag fue el número de fuentes, gramo_yo fue la contribución del factor k para muestrear i, F_kj fue la concentración de metales pesados j en fuente ky mi_yo fue la matriz de error residual. El modelo PMF minimizó el valor de la función objetivo. q, como se muestra en la Ec. (3):

dónde tu_yo era la incertidumbre del heavy metal j en la muestra i. Si la concentración de metal pesado fuera superior a su correspondiente límite mínimo de detección (MDL), la incertidumbre se calculó como se muestra en la ecuación. (4). En caso contrario, se calculó mediante la Ec. (5):

Modelo de riesgo ecológico basado en PMF

El índice de riesgo ecológico (Rhode Island) se aplicó para evaluar el grado de riesgo ecológico causado por los metales pesados ​​en el suelo en el área de estudio. El Rhode Island los resultados indican los efectos toxicológicos de los metales pesados ​​y la respuesta ambiental asociada³². basado en PMF Rhode Island El modelo se desarrolló utilizando el modelo de receptor y la evaluación del riesgo ecológico de los metales pesados ​​del suelo. Es un nuevo método integrado utilizado para cuantificar los riesgos ecológicos de los metales pesados ​​del suelo de diferentes fuentes en los patrones de cultivo de trigo y maíz. La contribución de la fuente de metales pesados ​​en cada muestra se estimó utilizando el modelo PMF 5.0 de la siguiente manera:

dónde C^yo_jn fue el aporte de masa (mg · kg⁻¹) de metales pesados norte de la fuente yo en la muestra j; * C^yo_jn fue la contribución calculada de metales pesados ​​(norte) de la fuente yo en la muestra j; y C_j fue la concentración (mg · kg⁻¹) de metales pesados ​​del suelo en la muestra j. La ecuación (6) se utilizó para cuantificar el riesgo ecológico de los metales pesados ​​del suelo de diferentes fuentes en los sistemas de cultivo de rotación trigo-maíz. El riesgo ecológico de los metales pesados ​​desde su origen yo en la muestra j se calculó utilizando la Ec. (7):

dónde (miⁱ_r)^yo_j fue el riesgo ecológico calculado de cada metal pesado desde la fuente yo en la muestra j; B_i fue el valor de fondo; y Tⁱ_r fue el coeficiente de respuesta de toxicidad para un metal pesado dado iy tiene en cuenta los requisitos de toxicidad y sensibilidad (Zn: 1; Cu: 5; Pb: 5; Cr: 2; Cd: 30)³². Los estándares evaluados para el riesgo ecológico y los grados correspondientes para miⁱ_r y Rhode Island se dan en la Tabla S2³⁰.

Modelo de riesgo para la salud basado en PMF

La evaluación de riesgos para la salud y el PMF se combinaron para determinar cuantitativamente la contribución del riesgo para la salud de las fuentes de metales pesados ​​en los sistemas de cultivo de trigo y maíz. Se utilizó el modelo de riesgo para la salud de la USEPA para calcular el riesgo no cancerígeno. Similar al modelo de riesgo ecológico basado en PMF, el modelo de riesgo para la salud basado en PMF tenía dos pasos. Primero, se calculó la contribución de la fuente de metales pesados ​​en cada muestra de suelo utilizando la ecuación. (6). A partir de entonces, los riesgos para la salud que plantean los metales pesados ​​de diferentes fuentes se caracterizaron cuantitativamente para diferentes sistemas de cultivo. Las dosis medias diarias de exposición (AGREGAR^yo_{jn, yo}) para metales pesados ​​de cuatro vías de exposición ia saber, ingestión de suelo, inhalación por la nariz y la boca, contacto dérmico e ingestión de alimentos, desde la fuente yo del metal pesado norte en la muestra j se calculó usando las Ecs. (8-11):

dónde C^yo_jn fue la concentración de la j-th metal en el norte-ésima muestra de la yo-ésima fuente (mg · kg⁻¹ · Día⁻¹); infrarrojos_{En g}IR_ene IR_dieta fueron la tasa de ingestión a través de la ingestión del suelo (mg · día⁻¹), inhalación del suelo (m³· Día⁻¹), e ingesta de alimentos (mg · día⁻¹), respectivamente; SA fue el área de superficie expuesta de la piel (cm²); FA fue el factor de adherencia (kg · cm⁻²· Día⁻¹); abdominales fue el factor de absorción dérmica (sin unidades); FEM fue el factor de emisión (m³· Kg⁻¹); FE fue la frecuencia de exposición (d · y⁻¹); disfunción eréctil fue la duración de la exposición (y); B/N fue el peso corporal del individuo expuesto (kg); y EN fue el tiempo promedio de exposición a suelos contaminados (d), con 10⁻⁶ siendo un factor de conversión de unidades. Los detalles de los parámetros que se aplicaron al modelo de evaluación de la exposición se proporcionan en la Tabla S3.

El peligro no cancerígeno de los metales pesados ​​se puede expresar utilizando el cociente de peligro (HQ), que es el cociente de la ADD de cada metal pesado a la dosis de referencia correspondiente (RfD). La RfD de cada metal pesado se muestra en la Tabla S4. sede^yo_{jn, yo} es el cociente de riesgo a través de la i-ésima vía de exposición desde la fuente yo de metales pesados norte en la muestra j. El índice de peligrosidad (HOLA) se calculó utilizando la Ec. (12):

Análisis de los datos

Los análisis estadísticos descriptivos se realizaron con SPSS 22.0 (IBM, EE. UU.). La figura 1 se generó con ArcGIS 10.2 (Esri, EE. UU., http://resources.arcgis.com/en/help/install-guides/arcgis-server/10.2/). La Figura 3 y la Figura S3 se generaron utilizando GeoIPAS V4.2 (JWSOFT, China, https://www.jinweisoft.com/).

Aprobación ética

La recolección de muestras de suelo y plantas se cumplió con las directrices y leyes institucionales, nacionales e internacionales pertinentes.