廣州市學齡兒童在校期間PM2.5暴露水平評價

柯釗躍,王 佳,鄭君瑜,賴森潮,張穎儀 (華南理工大學環(huán)境科學與工程學院,廣東 廣州 510006)

廣州市學齡兒童在校期間PM2.5暴露水平評價

柯釗躍,王 佳,鄭君瑜*,賴森潮,張穎儀 (華南理工大學環(huán)境科學與工程學院,廣東 廣州 510006)

采用便攜式大氣顆粒物采樣器(MiniVol)和便攜式顆粒物檢測儀(pDR-1500)在2010年3月底至4月初對廣州市某小學的室內外細顆粒物(PM2.5)濃度進行了監(jiān)測,并對學齡兒童在校期間活動模式進行了跟蹤調查,評價了學齡兒童在校期間PM2.5暴露水平.結果顯示該小學室內外日均PM2.5濃度范圍為25.1～145.9μg/m3,室內PM2.5濃度略低于室外,兩者呈明顯的正相關關系(R2=0.65);室內實時PM2.5濃度結果表明非假期與假期存在差異.使用離子色譜分析了 PM2.5的陰離子成分,其中 NO3-和 SO42-占陰離子成分總量的 73%～95%.研究顯示道路交通源是采樣地點

近年來,珠江三角洲地區(qū)的細顆粒物(PM2.5)污染較為嚴重[1-3].長期暴露于細顆粒物中會嚴重影響人體健康,造成體內DNA、細胞、組織、器官等的損傷,并與各種心肺疾病發(fā)病率上升以及死亡率上升等密切相關[4-6].因此,開展不同地區(qū)PM2.5的污染特征以及不同人群暴露水平的評價研究具有重要意義.學齡兒童免疫力低,顆粒物污染對其造成的危害也更為嚴重[7-8].國外學者暴露研究開展較多,重點放在了城市尺度顆粒物濃度監(jiān)測、學齡兒童和不同職業(yè)類型工人的暴露評價[9-12],而目前國內對學齡兒童的細顆粒物暴露水平的研究仍較少,已有研究尚未采用體重、年齡和吸入速率等數據全面分析學齡兒童PM2.5的暴露水平[9-10].因而,目前亟需盡快開展相關研究工作以了解細顆粒物污染對人體健康的影響.

本研究通過實地監(jiān)測小學室內外PM2.5濃度水平及其陰離子成分,初步探明細顆粒物的主要來源,同時結合行為活動模式調查和呼吸生理數據,開展了學齡兒童在校期間 PM2.5的暴露水平評價.

1 研究方法

1.1 樣品采集

選擇廣州市天河區(qū)某小學為研究地點,該小學臨近3條交通干道,周邊無其他工業(yè)污染源.

同時進行室內外 PM2.5采樣.室外采樣點設置在校園操場,采樣時間為2010年3月25日至2010年4月1日,24h連續(xù)采集,采樣儀器為兩臺帶 PM2.5切割頭的便攜式大氣顆粒物采樣器(MiniVol, AirMetrics, US),采樣濾膜為Teflon濾膜(φ47mm,Whatman,UK)和石英濾膜(φ47mm, Whatman,UK).室內采樣點選擇在該校 1樓某教室內,除與室外同步采樣外,室內繼續(xù)采樣至4月5日.樣品 24h連續(xù)采集,室內采樣器為一臺帶PM2.5切割頭的便攜式顆粒物檢測儀(pDR-1500, Thermo,US),采樣濾膜為石英濾膜(φ37mm, Whatman, UK),該儀器可實時記錄PM2.5濃度數據,數據記錄間隔為20s,并且獲得濾膜樣品.共采集36個有效樣品(室內外同步樣品24個、現場/實驗室空白 12個).采樣同時使用空氣質量監(jiān)測儀(ETL2000,Thermo,US)測量室外NOx實時濃度變化(2010年3月25日至2010年4月1日);使用小型無線氣象站(Vantage Pro2 Plus, Davis Instuments,US),實時記錄溫度、濕度、風速、風向、大氣壓、降雨量等各種氣象數據.

室內采樣的班級共有50名學齡兒童,教室面積為 56m2,高度 3.15m,教室共有兩扇門,四套窗戶.門開面積約為 3.8m2,學生在校期間開啟,窗戶開啟面積為6.4m2,全天開啟.

1.2 濃度與成分分析

1.2.1 濃度分析 采用稱重法[11]計算室內外PM2.5濃度.采樣前后采用百萬分之一天平 MX5 (Mettler-Toledo,CH)對濾膜進行稱量.稱量后將濾膜放入Petri Slide密封保存在4℃冰箱待采樣或分析.

1.2.2 離子色譜分析 所采集樣品使用高純去離子水進行超聲波輔助萃取.萃取液用ICS-1000離子色譜儀(Dionex,US)進行陰離子分析.分析使用陰離子分析柱(AS14,Dionex,US)和抑制器(ASRS-II, Dionex,US),以Na2CO3/NaHCO3混合液為淋洗液,濃度為Na2CO33.5mmol/L/NaHCO31.0mmol/L,流速1.2mL/min.

1.2.3 質量保證與質量控制 室內采樣器pDR-1500實時讀數的原理是光散射,受濕度影響較大,機器讀數會偏高,因此參考濾膜采樣-稱重法需進行濃度校正[12].將MiniVol與pDR-1500置于室內同一測點,同一高度進行平行采樣 7d.采樣結果顯示兩者 PM2.5濃度顯著相關,獲得校正公式如下:

CMiniVol=CpDR-1500×0.601+9.120(R2=0.985) (1)式中:CMiniVol為 PM2.5日均值;CpDR-1500為實時PM2.5濃度的日統(tǒng)計均值.

采樣前,石英濾膜在馬弗爐中 700℃高溫灼燒3～4h以避免有機雜質的影響.

樣品分析過程中,分析空白濾膜和現場空白,獲得濾膜背景值.

1.3 問卷調查與暴露水平分析方法

該小學學齡兒童人數共有1101人,年齡從6周歲到 12周歲.從六個年級的各個班級中隨機選取529名學生進行健康調查.再于被調查學生中隨機選取220名進行連續(xù)一周校內活動的跟蹤調查.

健康調查表主要記錄學齡兒童的身高、體重、年齡等數據.校內活動記錄表記錄監(jiān)測期間連續(xù)一周被調查學生的校內活動情況,包括上課及各課間時間學齡兒童室內外的活動情況.

結合學齡兒童主要活動場所教室、操場PM2.5的監(jiān)測結果、校內時間-活動模式和兒童平均吸入速率,對單位體重的兒童校內 PM2.5暴露水平進行計算:

式中:Exp-W為兒童單位體重校內PM2.5的日均潛在暴露水平,μg/(kg?d); CIndoor, COutdoor分別為教室和操場的PM2.5濃度, μg/m3; TIndoorSleep, TIndoorSit, TIndoorWalk, TIndoorSport分別為平均每天兒童在教室休息、坐、行走、運動的時間, TOutdoorSit, TOutdoorWalk, TOutdoorSport分別為平均每天兒童在操場坐、行走、運動的時間,min;IRSleep,IRSedentary,IRLight,IRModerate, IRHigh分別為兒童在休息、坐、輕微、中度、重體力活動狀態(tài)下單位體重的平均吸入速率, m3/(min?kg).另外,兒童室內外運動的強度是有差異的,參考美國環(huán)境保護局《暴露參數手冊》[13]和《兒童暴露參數手冊》[14]中針對學齡兒童平均吸入速率值的分級說明(如小孩的玩耍為中度體力活動, 快跑等為重體力活動),并結合本研究實際行為模式問卷調查和對兒童在校行為及運動強度的觀察,假設兒童在教室內的運動均屬于中度體力活動;在操場的運動有 80%的時間屬于中度體力活動,20%的時間屬于重體力活動.

進一步結合被調查兒童的體重數據,可計算兒童個體校內日均PM2.5的潛在暴露水平:

Exp-I= Exp-W×BW (3)

式中:Exp-I為兒童個體校內的 PM2.5日均潛在暴露水平, μg/d; Exp-W為兒童單位體重校內的PM2.5日均潛在暴露水平, μg/(kg?d); BW為學齡兒童個體體重, kg.

2 結果與討論

2.1 室內外細顆粒物濃度水平討論

2.1.1 采樣期間室內外 PM2.5濃度水平 同步采樣期間(3月25日至4月1日),室外PM2.5質量濃度在 25.1～145.9μg/m3之間,平均值為76.7μg/m3;室內 PM2.5的質量濃度在 42.2～108.3μg/m3之間,平均值為 63.2μg/m3.室內外PM2.5的日平均濃度值如圖1所示.

與Guo等(2010)[15]、Fromme等(2008)[16]和Crist等(2008)[17]的研究結果對比見表 1.由表 1可見,本研究的室內 PM2.5濃度為其他研究結果的 1.7～9.4倍,室外 PM2.5濃度為其他研究的4.5～6.6倍,對比結果表明其他城市校園室內外PM2.5監(jiān)測濃度遠小于本研究,廣州學齡兒童在校期間暴露于較高濃度的PM2.5中.

圖1 采樣期間室內外細顆粒物濃度日均值Fig.1 Daily average of indoor and outdoor PM2.5 concentration

表1 不同城市小學室內外PM2.5濃度的比較Table 1 Comparison of indoor/outdoor PM2.5 concentrations at primary schools in different cities

2.1.2 室內PM2.5實時濃度變化 3月31日～4月5日的室內實時PM2.5數據如圖2所示.采樣期間,3月31日～4月2日為正常上課時間;4月3～5日為清明節(jié)假期,無學生活動.

數據顯示非假期與假期PM2.5濃度變化存在明顯差異,這被認為與假期和非假期人們出行時段的不同和清明假期祭拜活動有關,因而推測研究地點PM2.5濃度變化主要受到交通污染源、祭拜香火和當時氣象因素有關.數據顯示,非假日期間(3月31～4月2日)PM2.5日變化趨勢呈現雙峰分布現象,PM2.5每日濃度值高峰分別出現在08:00～09:00、17:00～21:00兩個交通繁忙時段.假日期間的4月3～4日,PM2.5濃度均呈現單峰分布,每日濃度值高峰從14:00出現至17:00～20:00期間達到當日最高值.峰值出現時間段與假期交通擁堵時段相對應.而4月5日,PM2.5濃度變化趨勢則完全不同于之前兩天,PM2.5峰值在凌晨出現,之后濃度急劇下降.凌晨時分出現的峰值可能與該段時間大氣垂直擴散能力的減弱有關,導致空氣中顆粒物逐漸積累.而4月5日凌晨的降雨則與之后 PM2.5濃度的下降關系密切.這表明濕沉降對PM2.5的去除作用明顯.降水對PM2.5濃度影響也表現在4月2日的觀測中.4月2日全天PM2.5濃度僅在 40.0μg/m3上下.氣象數據統(tǒng)計顯示在凌晨出現多次短時強降雨,降雨速率為98.4～274.2mm/h,之后全天降雨速率維持在1.2～7.8mm/h.

圖2 采樣期間室內細顆粒物濃度實時變化Fig.2 Time series of indoor concentration during the sampling period

2.2 室內外PM2.5濃度相關性分析

圖3 室內外PM2.5濃度相關性分析Fig.3 Correlation between indoor and outdoor PM2.5

采樣期間,PM2.5濃度 I/O比值從 0.66～2.22,室內PM2.5濃度8d中有6d小于室外濃度,這與室內無污染來源和通風條件良好有關.圖2顯示假期室內濃度相對非假期較高.

根據最小二乘法擬合回歸分析,采樣期間室內外 PM2.5呈現顯著相關(圖 3,R2=0.65,P＜0.01).這表明室內PM2.5來源于室外滲透,室內外PM2.5具有同源性.

2.3 學齡兒童PM2.5的暴露水平評價

2.3.1 評價參數 本研究主要通過考察非假期(3月25～4月1日)PM2.5濃度水平、學齡兒童的體重、吸入速率和在?；顒幽Ｊ降葦祿?進行學齡兒童在校期間 PM2.5暴露水平的評價(方法見1.3節(jié)).表 2列出了本次調查不同年齡兒童的體重數據.數值與國內大規(guī)模調查結果接近[18],略低于美國環(huán)境保護局(U.S.EPA)《暴露參數手冊》

[13]中的數據.

目前,我國還沒有暴露參數方面的相關標準或手冊,因而本研究采用 U.S.EPA《兒童暴露參數手冊》[14]重點推薦的、加入體重校正后的單位體重平均吸入速率數據(表3).

通過對 220名學齡兒童連續(xù)一周的校內時間-活動模式追蹤,得到216份有效《學生校內活動記錄表》(7d)數據.本研究中被調查學生平均在校時間為(467.5±66.7)min.男女學生在校期間日室內外各活動所用平均時間接近,性別差異小,這與該校作息時間模式有關,也反映了該年齡段男女活動情況差異小.圖4所示為該校學生在?；顒幽Ｊ綍r間比例.其中室內坐的時間最長,其次為室內午休時間;再者為室外運動.

2.3.2 學齡兒童校內 PM2.5潛在暴露水平 根據式(1)和式(2),計算每位兒童單位體重的校內PM2.5日均潛在暴露水平和個體校內 PM2.5日均潛在暴露水平.結果顯示平均單位體重校內日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),平均個體校內日均潛在暴露水平為246.8μg/d(表4).圖5顯示低年級學生單位體重的校內PM2.5日均潛在暴露水平高于高年級學生;這是與低年級兒童單位體重的平均吸入速率高于高年級兒童有關,且本調查中低年級學生平均校內停留時間多于高年級學生.而在加入兒童個體體重因子后,兩者的校內 PM2.5日均潛在暴露水平接近.

表2 不同年齡兒童的體重Table 2 Body weight of children at different ages

表3 學齡兒童單位體重的平均吸入速率[m3/(min?kg)]Table 3 Average inhalation rates for school children per unit of body weight [m3/(min?kg)]

圖4 學生在校期間不同活動模式下的時間比例Fig.4 Percentage of daily-averaged time spent under different activity patterns by pupils during school time

表4 學齡兒童校內PM2.5的日均潛在暴露水平Table 4 Daily average potential exposure levels of PM2.5 for school children

2.4 PM2.5陰離子成分與來源討論

本研究顯示 PM2.5的主要陰離子成分是SO42-、NO3-和Cl-,其中SO42-所占百分比最多,其次為NO3-,再次為Cl-,該3種離子成分質量濃度占所有陰離子總和的 93%～98%,其他離子成分(F-、Br-、NO2-)含量較少(圖6),這與Lai等(2007)[19]研究結果一致.陰離子濃度占 PM2.5質量濃度的11.1%～22.3%.

圖5 各年級學生校內PM2.5的日均潛在暴露水平Fig.5 Daily average PM2.5 potential exposure level for school children in every Grade

圖6 室內外陰離子成分百分比Fig.6 Percentage of indoor and outdoor PM2.5 anionic component

圖7 室外NOx濃度與室內外細顆粒物濃度比較Fig.7 Temporal variations of outdoor NOX , indoor and outdoor PM2.5

NOx主要由交通污染源排放產生的,尤其是公共汽車和重型卡車[20].監(jiān)測結果表明NOx日均值與PM2.5日均值變化趨勢相似(圖7),此外NOx也與NO3-日均值變化趨勢一致.非假期的NOx濃度高峰值出現在早晨和傍晚兩個交通高峰時期,與PM2.5實時監(jiān)測數據一致,這表明該小學PM2.5的濃度變化受到交通污染的影響.

3 結論

3.1 監(jiān)測期間室外 PM2.5質量濃度平均值為76.7μg/m3,室內 PM2.5質量濃度平均值為63.2μg/m3,室內外濃度具有良好的相關性.

3.2 室內 PM2.5實時監(jiān)測數據顯示,交通高峰時段存在濃度高峰;PM2.5中陰離子主要成分為SO42-、NO3-和 Cl-,SO42-占 45%～64%,NO3-占28%～31%;PM2.5質量濃度、樣品中 NO3-濃度與NOx監(jiān)測數據變化趨勢一致,表明交通污染源是該小學室內外PM2.5的來源之一.

3.3 學齡兒童在校期間平均單位體重的日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),平均個體校內日均潛在暴露水平為246.8μg/d.

[1] 牛彧文,何凌燕,胡 敏,等.深圳冬、夏季大氣細粒子及其二次組分的污染特征 [J]. 中國科學B輯(化學), 2006,36(2):173-180.

[2] Lai S C, Zou S C, Cao J J, et al. 2007. Characterizing ionic species in PM2.5 and PM10 in four Pearl River Delta cities, South China [J]. Journal of Environmental Sciences, 19(8):939-947.

[3] 吳 兌,鄧雪嬌,畢雪巖,等.細粒子污染形成灰霾天氣導致廣州地區(qū)能見度下降 [J]. 熱帶氣象學報, 2007,23(1):1-6.

[4] Neas L M. Fine particulate matter and cardiovascular disease [J]. Fuel Processing Technology, 2000,(65/66):55-67.

[5] 張文麗,徐東群,崔九思.大氣細顆粒物污染監(jiān)測及其遺傳毒性研究 [J]. 環(huán)境與健康雜志, 2003,20(1):3-5.

[6] Pope III C A, Dockery D W. Health effects of fine particulate air pollution: lines that connect [J]. Journal of the Air and Waste Management Association, 2006,56(6):709–742.

[7] Schwartz J, Neas L M. Fine particles are more strongly associated than coarse particles with acute repiratory health effects in schoolchildren [J]. Epidemiology, 2000,11(1): 6-10.

[8] 王 欣,鄧芙蓉,吳少偉,等.北京市某區(qū)大氣可吸入顆粒物和細顆粒物對兒童肺功能的短期影響 [J]. 北京大學學報, 2010, 42(30):340-344.

[9] 鄧芙蓉,王 欣,蘇會娟,等.北京市某城區(qū)兒童大氣PM2.5個體暴露水平及影響因素研究 [J]. 環(huán)境與健康雜志, 2009,26(9):762-765.

[10] Du X, Kong Q, Ge W H, et al. Characterization of personal exposure concentration of fine particles for adults and children exposed to high ambient concentrations in Beijing, China [J]. Journal of Environmental Sciences, 2010,22(11):1757–1764.

[11] GB6921-86 大氣飄塵濃度測定方法 [S].

[12] WS/T206-2001 公共場所空氣中可吸入顆粒物(PM10)測定方法 光散射法 [S].

[13] U. S. EPA. Exposure factors handbook. National Center for Environmental Assessment, Office of Research and Development, Washington, D C. EPA/600/P-95/002Fa,b,c, (1997-08)[2011-01-20][EB/OL].http://cfpub.epa.gov/ncea/cfm/recordisplay.cfm? deid= 20563.

[14] U. S. EPA. Child-specific exposure factors handbook. National Center for Environmental Assessment, Office of Research and Development, Washington, D C. EPA/600/R-06/096F. (2008-09) [2011-01-20][EB/OL]. http://cfpub.epa.gov/ncea/cfm/recordisplay. cfm?deid=20563.

[15] Guo H, Lidia M, He C, et al. Characterization of particle number concentrations and PM2.5in a school: influence of outdoor air pollution on indoor air [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2010,17:1268–1278.

[16] Fromme H, Diemer J, Dietrich S, et al. Chemical and morphological properties of particulate matter (PM10, PM2.5) in school classrooms and outdoor air [J]. Atmospheric Environment, 2008,42:6597–6605.

[17] Crist K C, Liu B, Kim M, et al. Characterization of fine particulate matter in Ohio: Indoor, outdoor, and personal exposures [J]. Environmental Research, 2008,106:62–71.

[18] 王宗爽,段小麗,劉 平,等.環(huán)境健康風險評價中我國居民暴露參數探討 [J]. 環(huán)境科學研究, 2009,22(10):1164-1170.

[19] Lai S C, Zou S C, Cao J J, et al. Characterizing ionic species in PM2.5and PM10in four Pearl River Delta cities, South China [J]. Journal of Environmental Sciences, 2007,19:939–947.

[20] Tarja Y T, P?ivi A, Liisa P, et al. Emissions of fine particles, NOX, and CO from on-road vehicles in Finland [J]. Atmospheric Environment, 2005,39:6696–6706.

PM2.5exposure assessment of school children at a primary school in Guangzhou, China.

KE Zhao-yue, WANG Jia, ZHENG Jun-yu*, LAI Sen-chao, ZHANG Ying-yi (College of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1618～1624

To assess PM2.5exposure level of school children during school time, we collected indoor and outdoor PM2.5samples at a primary school in Guangzhou City from 2010-03-25 to 2010-04-05 by atmospheric particle sampler (MiniVol) and portable particle detector (pDR-1500), and investigated the activity patterns of pupils during the sampling period. The indoor and outdoor daily averages of PM2.5ranged from 25.1 to 145.9μg/m3. Indoor and outdoor PM2.5was well correlated (R2=0.65). Real-time measurement of indoor PM2.5was monitored and different diurnal variations were observed between weekdays and holidays. Anionic species were analyzed by ion chromatography. It was found that NO3-and SO42-accounted for the major part of anionic species (73%～95%). The results showed that vehicle source was one of the major sources of PM2.5at the sampling site. The exposure of pupils to PM2.5during school time was estimated using the indoor/outdoor PM2.5, the activity pattern and the inhalation rates of pupils. The results showed that the daily potential exposure level of PM2.5was 246.8μg/d and the daily potential exposure level of PM2.5per unit of body weight was 7.6μg/(kg?d) for school children.

school children；fine particulate matter；activity pattern；exposure assessment

PM2.5主要來源之一.學齡兒童在校期間單位體重PM2.5日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),個體日均潛在暴露水平為246.8μg/d.關鍵詞：學齡兒童；細顆粒物；活動模式；暴露評價

X503.1

A

1000-6923(2011)10-1618-07

2011-01-21

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-08-0208),粵港聯合科技創(chuàng)新平臺(2009B050900005)

* 責任作者, 教授, zheng.junyu@gmail.com

致謝：本研究現場采樣與調查得到該小學師生及工作人員的支持與幫助,現場采樣和實驗室分析工作得到華南理工大學環(huán)境科學與工程學院LARES課題組等成員的協助,在此一并表示感謝.

柯釗躍(1985-),男,廣東南澳人,華南理工大學環(huán)境科學與工程學院碩士研究生,主要從事大氣細顆粒物組分特征和暴露評價研究.