李麗娟,溫彥平,彭 林,白慧玲,劉 珊,劉 欣

(1.太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院,太原 030024;2.太原市環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024;3.華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院,北京 102206)

太原市春季PM2.5和PM10中As及重金屬污染特征研究

李麗娟1,溫彥平2,彭 林3,白慧玲1,劉 珊1,劉 欣1

(1.太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院,太原 030024;2.太原市環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024;3.華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院,北京 102206)

為了解太原市PM10和PM2.5中重金屬污染狀況,采集了太原市春季環(huán)境空氣中可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)樣品,利用等離子體發(fā)射光譜儀對樣品中As和8種重金屬(Mn,Cu,Zn,Pb,Cr,Ni,Co,Cd)的含量進行測定,并對As和重金屬健康風險進行評價。結(jié)果顯示:太原市PM10和PM2.5中均以Zn的質(zhì)量濃度最大,分別為369.08 ng/m3和271.74 ng/m3;As的質(zhì)量濃度相對較小,分別為3.41 ng/m3和2.33 ng/m3;各點位As、Cu、Zn、Pb、Cr和Cd元素主要顯含在PM2.5中。PM10和PM2.5通過呼吸吸入途徑產(chǎn)生的成人非致癌風險和致癌風險為兒童的3.98～4.00倍;非致癌風險總和(Hi)低于人體可接受的水平,不具有非致癌風險;PM2.5和PM10的致癌風險介于人體可接受范圍,不具有致癌風險。各點位As和重金屬在PM2.5和PM10中的非致癌風險比值PHi小于1;1號、3號點位致癌風險比值QR大于1,且對人體健康危害最嚴重的為可吸入顆粒物PM10,需引起高度重視。

PM2.5和PM10;砷;重金屬;健康風險評價

大氣污染已成為影響人類健康的主要危害因素之一。流行病學研究表明,可吸入顆粒物PM10和細顆粒物PM2.5對人體健康能產(chǎn)生直接負面的影響[1-2]。PM10和PM2.5與急慢性支氣管炎、肺炎、哮喘、肺功能降低,甚至肺癌等呼吸道疾病的發(fā)病率以及居民死亡率的增加有關(guān)[3-5]。大氣氣溶膠中潛在的有毒金屬濃度遠高于天然本底水平。重金屬對人體健康有巨大的危害。健康風險評價是將環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來,從危害鑒別、反應評估、暴露評估以及風險表征4個方面評價,進而定量描述環(huán)境污染對人體健康產(chǎn)生的風險,是一種表征環(huán)境污染物對人體健康危害程度或致死作用的風險評價方法[6]。來自潛在城市土壤及街道灰塵中有毒金屬的健康風險是在可以接受的水平之內(nèi)[7],但Diaz通過健康風險評估研究表明,墨西哥城大都市區(qū)通過呼吸進入人體的PM2.5的毒性超過了人體可接受的水平[8]。我國大陸健康風險評價起步較晚,國內(nèi)部分健康風險評價指標參照USEPA數(shù)據(jù)庫的參數(shù)。由于中國人與美國人的生活習性和生理特征不同,可能或?qū)е略u價結(jié)果較實際偏低或者偏高[9]。大氣污染物通過食物攝入、呼吸吸入以及皮膚接觸這3種途徑，對人體產(chǎn)生慢性和急性不良影響,而環(huán)境空氣中PM10和PM2.5進入人體的途徑主要是呼吸吸入[10]。本研究中考慮的環(huán)境空氣重金屬主要暴露途徑為呼吸吸入途徑。

太原市是典型的煤炭重工業(yè)城市,顆粒物污染較重;且地處山西中部,地形以山地、丘陵為主,三面環(huán)山,向南開口,北高南低逐漸傾斜。春季溫差較大,干旱多風沙,沙塵天氣主要出現(xiàn)在3月—5月。由于特殊的地理環(huán)境，以及工業(yè)結(jié)構(gòu)、燃料結(jié)構(gòu)等多種因素制約[11-12]，因此,有必要針對太原市開展PM10和PM2.5重金屬健康風險評價,為改善環(huán)境空氣質(zhì)量,保護公眾健康提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

為反映太原市春季大氣環(huán)境顆粒物PM10和PM2.5中重金屬整體含量水平,2012年5月,在太原市區(qū)布設了3個采樣點,連續(xù)采樣7天,每天采樣20 h,采樣點距地面10～18 m,周圍無明顯污染源。1號點位于中心城區(qū),人口密集、交通流量大,代表居民交通混合區(qū);2號點位于中心城區(qū)以北,以工業(yè)生產(chǎn)為主,代表工業(yè)區(qū);3號點距離中心城區(qū)較遠,人口較少,交通流量小,受工業(yè)生產(chǎn)活動影響很小,作為相對清潔區(qū)。每個采樣點分別布設4臺TH-150C型中流量(100 L/min)環(huán)境空氣采樣器,其中切割粒徑為10 μm和2.5 μm的均為2臺,進行平行采樣；采樣濾膜為直徑90 mm的聚丙烯膜濾膜,共獲得有效樣品84個。

采樣后,將濾膜剪碎置于聚四氟乙烯杯中,經(jīng)15 mL分析純的HNO3(1.42 g/mL)以及5 mL的HClO4(質(zhì)量分數(shù)72%)消解,過濾殘渣后定容至15 mL。定容后的樣品使用等離子體發(fā)射光譜儀測定As和Mn、Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Co、Cd等8種重金屬。為保證整個實驗準確性,每批實驗均同步進行空白膜實驗。結(jié)果表明,空白膜中被檢測元素的含量低于檢出限,對實驗結(jié)果無影響。

1.2 富集因子分析方法

富集因子法(enrichment factor,Ef)主要用于研究環(huán)境空氣中元素的富集程度,從而判斷和評價元素的來源(自然來源和人為來源)的方法[13]。其計算公式如下:

(1)

式中:Efi為富集因子;ci，cr為分別為環(huán)境樣品中元素i和參比元素的含量;c’i,c’r分別為背景元素i和參比元素r的背景值。若Efi<1,認為元素相對于地殼未富集,主要來源為自然源,由土壤巖石風化造成;若Efi在顯著大于1范圍,認為元素被富集,主要來源為人為源。

1.3 健康風險評價

1.3.1 暴露量的計算

研究采用美國環(huán)保總署推薦的健康風險評價模型，經(jīng)呼吸吸入方式產(chǎn)生的日平均暴露劑量公式如下:

(2)

式中:Dinh為呼吸吸入暴露量,mg/(kg·d);模型中基礎參數(shù)取值見表1[14-16].

表1 模型基礎參數(shù)取值

1.3.2 風險評價

健康風險評價包含非致癌風險和致癌風險評估。非致癌風險是通過暴露風險值Hq進行評估。

(3)

(4)

(5)

式中:RfD為暴露途徑的參考劑量,mg/(kg·d);Hi為重金屬的非致癌風險總和。當Hi>1時,存在非致癌風險;Hi<1時,不存在非致癌風險; P為PM2.5和PM10的非致癌風險比值。

致癌風險通過人體暴露于致癌物質(zhì)所造成的終身致癌風險T-R進行評估。評估計算公式如下:

(6)

(7)

(8)

式中:Sf為人體暴露于一定劑量某種污染物所產(chǎn)生致癌效應的最大概率,mg/(kg·d);R為重金屬致癌風險總和,R的可接受范圍為10-6～10-4[15];Q為PM2.5和PM10的致癌風險比值。模型參數(shù)取值見表2。

表2 模型參數(shù)取值

2 結(jié)果與討論

2.1 PM10和PM2.5中重金屬的含量特征

太原市春季環(huán)境空氣PM10和PM2.5中As和重金屬的濃度水平見表3。表中數(shù)據(jù)顯示,PM2.5中As和重金屬質(zhì)量濃度依次為:Zn>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>As>Co>Cd;PM10中As和重金屬質(zhì)量濃度依次為:Zn>Mn>Cu>Cr>Pb>Co>Ni>As>Cd;PM10和PM2.5中Zn、Mn、Cu、Pb的含量較高,其它元素含量相對較低。相對較大的車流量是Zn、Cu產(chǎn)生的主要來源[18-19],環(huán)境空氣中的Mn、Pb主要來自金屬冶煉和燃煤[20],這與太原市地處內(nèi)陸,較多的煤炭重化工企業(yè)分布,機動車保有量持續(xù)增加,加之特殊的地形和氣候條件使得大氣污染物不易擴散有關(guān)。各點位As、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的PM2.5和PM10值均顯著大于50%,表明這6種痕量元素主要顯含在PM2.5中。

PM2.5中,Zn、Cr和Ni在1號點位污染最重,Ni和Cr的主要來源為石油和煤燃燒,特別是冶煉鋼鐵時[20];Mn、Cu、As和Cd均呈現(xiàn)2號點位污染最嚴重,As的主要來源為有色金屬冶煉廠[21],冶煉行業(yè)的工業(yè)廢氣是造成大氣Cd污染的主要來源。2號點位城市上風向存在大型鋼鐵工業(yè),1號點位位于其下風向,鋼鐵廠區(qū)大量的用于材料輸送的重型卡車也可能是Zn、Cu污染較重的原因之一。故1、2號點位呈現(xiàn)鋼鐵工業(yè)污染特征。PM10中,Mn、Ni、Cr在1號點位污染最重，Zn、As在2號點位污染最重,其他元素差異不大。

表3 太原市各采樣點環(huán)境空氣PM10和PM2.5中重金屬質(zhì)量濃度

2.2 重金屬富集因子分析

以地球化學性質(zhì)穩(wěn)定的Al和太原市土壤分別作為參比元素和背景值,對太原市春季PM2.5中9種元素進行分析。依據(jù)公式(1)計算得出的富集因子見圖1。研究顯示,太原市土壤中Al的土壤背景值為6 830[13]。由圖1可知,太原市春季PM10和PM2.5中元素Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的Ef值均顯著大于1,表明這些元素的富集受土壤揚塵的影響較小,主要來源為人為源,是典型的大氣污染元素。其他元素的富集因子均小于1,表明Mn、As、Ni、Co相對于地殼未富集,其主要來源為自然源。

2.3 PM10和PM2.5中重金屬健康風險評價

采用美國環(huán)保局(USEPA)推薦的重金屬健康風險評價,考慮中國人體實際情況,參照國內(nèi)場地評價指南，對模型中部分參數(shù)的取值進行修訂。各模型參數(shù)取值見表1和表2所示。

2.3.1 非致癌風險評價

根據(jù)公式(2)—式(4),計算得到太原市成人和兒童經(jīng)呼吸吸入途徑的非致癌暴露風險值Hq、Hi,結(jié)果見表4所示。表中數(shù)據(jù)顯示,PM10和PM2.5非致癌風險強度順序均表現(xiàn)為:Mn>Co>Cr>Pb>Zn>Cu>As>Ni>Cd,其中Mn的非致癌風險值較其他重金屬的高2～6個數(shù)量級?；卩嵆獾热说闹鱗21],本研究的9種痕量元素中,Mn是中國煤中有毒痕量元素含量最高的重金屬。PM10和PM2.5中成人非致癌暴露風險值Hq為兒童的3.98～4.00倍，成人的非致癌風險明顯高于兒童,這與成人的暴露年限較長有關(guān),且顆粒物在體內(nèi)易富集。太原市春季PM10和PM2.5中As和Mn、Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Co、Cd等9種元素通過呼吸吸入途徑產(chǎn)生的非致癌風險Hi值在9.79×10-3～7.66×10-2之間,低于人體可接受的上限(1.0),故不具有非致癌風險。

圖1 太原市PM2.5/PM10中As和重金屬的富集因子

PM2.5中,無論是兒童還是成人,1號點位的Hi最大,其次是2號點位,3號點位的最小,說明1號點位PM2.5中富集較多的痕量元素。各點位PM2.5中，Zn、Co、Ni的非致癌風險在1號點位最大；Mn、As、Cd的非致癌風險在2號點位最大；Cu、Pb、Cr的非致癌風險在3號點位最大；不同元素在各點位的非致癌風險呈現(xiàn)不同的特征。在PM10中,無論是兒童還是成人,2號點位的Hi最大,其次是1號點位,說明2號點位PM10中富集較多的痕量元素。由表中數(shù)據(jù)可知,PM10中Mn、Cd、Ni的非致癌風險1號點位最大;Zn、As、Co的非致癌風險在2號點位最大;Cu、Pb、Cr的非致癌風險在3號點位最大。PM10和PM2.5中Pb、Cr的非致癌風險指數(shù)在3號點位均大于1號點位,與3號點位周邊環(huán)境有關(guān)。該點位周邊城中村多使用未安裝除塵設備的家用小煤爐,Pb和Cr主要來自煤燃燒,煤煙污染嚴重。

根據(jù)公式(4)計算得,PM2.5和PM10非致癌風險比值見圖2所示。由圖可知,As和重金屬的PHi值小于1,表明PM10中As和重金屬的非致癌風險總和較PM2.5大。Mn、Ni在各點位的PHq值均小于1,Cu、As、Pb、Cr、Cd 的PHq值均大于1；Cu、As、Pb、Cr、Cd顯含在PM2.5中,表明PM2.5中這5種元素對人體的非致癌風險更大。Zn的PHq值在2號點位小于1,在1號點位和3號點位大于1,表明2號點位PM10中Ni元素對人體的非致癌風險較PM2.5強,1號點位和3號點位PM10中Ni元素對人體的非致癌風險較PM2.5弱,具體原因還需進一步的研究。

表4 重金屬非致癌暴露風險值(Hq)

圖2 PM2.5與PM10非致癌風險比值(P)

2.3.2 致癌風險評價

根據(jù)式(6)-式(7),計算得到太原市成人和兒童經(jīng)呼吸吸入途徑的致癌暴露風險值T、R,結(jié)果見表5所示。數(shù)據(jù)顯示,PM2.5中各重金屬致癌風險強度順序均表現(xiàn)為:Cr>Co>As>Ni>Cd；PM10中各重金屬致癌風險強度順序均表現(xiàn)為:Cr>Co>Ni>As>Cd。成人重金屬致癌暴露風險值T、R為兒童的4.00倍。太原市PM2.5中As和重金屬通過呼吸吸入途徑產(chǎn)生的致癌風險在4.50×10-7～3.05×10-6之間,低于1×10-4,故不具有致癌風險;PM10中As和重金屬的致癌風險在4.80×10-7～2.37×10-6之間,成人的致癌風險大于1×10-6,但低于人體可接受范圍的上限(1×10-4),處于可接受范圍之內(nèi),不具有致癌風險,但需引起足夠的重視。

空間上,3號點位PM2.5致癌暴露風險總和最高,其次是1號點位。PM2.5中Cr、Co的T值在3號點位最大,As的T值在2號點位最大,Ni的T值在3號點位最大。PM10中3號點位致癌暴露風險總和最高,其次是1號點位;PM10中Ni對人體的致癌風險在1號點位最強,Co、As的致癌風險在2號點位最大,Cr的致癌風險在3號點位最大。

根據(jù)公式8計算得PM2.5和PM10致癌風險比值見圖3所示。由圖3可知,1、3號點位As和重金屬的QR值大于1,表明PM2.5中As和重金屬的致癌風險總和大于PM10；2號點位As和重金屬的QR值小于1,表明PM2.5中As和重金屬的致癌風險總和小于PM10。Cr、Cd在各點位的QT值均大于1,Ni在各點位的QT值均小于1,表明PM2.5中Cr、Cd元素對人體的致癌風險大于PM10,PM2.5中Ni對人體的致癌風險小于PM10。As的QT值在3號點位小于1,在1、2號點位大于1,表明3號點位PM10中As元素對人體的致癌風險較PM2.5強,1、2號點位PM10中As元素對人體的致癌風險較PM2.5弱,具體原因還需進一步的研究。

表5 重金屬呼吸吸入途徑致癌風險值(T)

圖3 PM2.5與PM10致癌風險比值(Q)

3 結(jié)論

1)太原市春季環(huán)境空氣PM2.5中As和重金屬質(zhì)量濃度依次為：Zn>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>As> Co>Cd;PM10中As和重金屬質(zhì)量濃度依次為:Zn>Mn>Cu>Cr>Pb>Co>Ni>As>Cd。各點位As、Cu、Zn、Pb、Cr和Cd這6種元素主要顯含在PM2.5中。

2)PM10和PM2.5中,成人非致癌暴露風險值HQ為兒童的3.98～4.00倍;PM10和PM2.5中As和Mn、Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Co、Cd等9種元素通過呼吸吸入途徑產(chǎn)生的非致癌風險在9.79×10-3～7.66×10-2之間,低于人體可接受的水平,不具有非致癌風險；PM10中As和重金屬的非致癌風險總和較PM2.5大。

3)太原市環(huán)境空氣PM2.5和PM10中As和各重金屬經(jīng)呼吸吸入途徑的致癌風險總和在4.50×10-7～3.05×10-6之間,小于1×10-4,處于人體可接受的范圍內(nèi),不具有致癌風險；PM2.5中As和重金屬的致癌風險總和較PM10大,且不同元素在不同點位引起的風險強度不同。

4)無論是非致癌風險還是致癌風險,對人體健康危害最嚴重的為可吸入顆粒物PM10,PM10和PM2.5中能產(chǎn)生非致癌風險主要的污染物為Mn、Co;能產(chǎn)生致癌風險主要的污染物為Cr、Co;這3種元素的主要來源均為煤的燃燒,因此需要引起高度重視。

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(編輯：龐富祥)

Pollution Characteristics of Arsenic and Heavy Metals in PM2.5and PM10of Taiyuan in Spring Season

LI Lijuan1,WEN Yanping2,PENG Lin3,BAI Huiling1,LIU Shan1,LIU Xin1

(1.CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanEnvironmentalMonitoringCenter，Taiyuan030024,China;3.CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

The PM10and PM2.5were sampled during May 2012 in Taiyuan city.The concentration of As and other 8 heavy metals Mn,Cu,Zn,Pb,Cr,Ni,Co,Cd in PM10and PM2.5was analyzed.The result indicates that the concentration of As and heavy metals was Zn(271.74 ng/m3)>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>As(2.33ng/m3)>Co>Cd in PM2.5, and Zn(369.08ng/m3)>Mn>Cu>Pb>Cr> Co>Ni>As(3.41 ng/m3)>Cd in PM10.As,Cu,Zn,Pb,Cr and Cd were the main elements contained in PM2.5.These elements have greater risk for the health of adult,followed by children.The hazard index values suggest no potential non-carcinogenic risk and carcinogenic risk in PM2.5and PM10.As and heavy metals in PM10are more harmful to human body than in PM2.5.

PM2.5and PM10;As;heavy metals;health risk assessment

2014-08-10

國家自然科學基金資助項目:環(huán)境空氣中正構(gòu)烷烴單體的碳氫同位素組成研究(41173002);環(huán)境空氣中異構(gòu)烷烴類物質(zhì)的碳同位素組成研究(41373008)

李麗娟(1988-),女,山西孝義人，在讀碩士,主要從事大氣環(huán)境污染研究,(E-mail)568454414@qq.com， (Tel)13754890094

彭林,女,教授,博導,主要研究方向為空氣污染化學,(E-mail)penglin6611@163.com

1007-9432(2015)01-0104-06

X513

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.021