湖南省典型城市PM10和PM2.5及其載帶重金屬的污染特征和健康風(fēng)險(xiǎn)研究

謝忱，張文杰，楊文，李偉，王歆華，趙雪艷，白志鵬

1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原　030006

2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京　100012

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湖南省典型城市PM10和PM2.5及其載帶重金屬的污染特征和健康風(fēng)險(xiǎn)研究

謝忱1,2，張文杰2，楊文2，李偉1*，王歆華2，趙雪艷2，白志鵬2

1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原030006

2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

摘要為研究湖南省長(zhǎng)株潭區(qū)域典型城市顆粒物及其載帶重金屬元素的污染特征和健康風(fēng)險(xiǎn)，于2014年8月在長(zhǎng)沙市、湘潭市和區(qū)域背景點(diǎn)衡山采集了PM10和PM2.5樣品。應(yīng)用ICP-MS分析樣品載帶的10種重金屬元素濃度，按Cr(Ⅵ)和總Cr比值為0.13估算Cr(Ⅵ)濃度。應(yīng)用US EPA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)結(jié)合國(guó)內(nèi)人群暴露參數(shù)對(duì)人體通過(guò)呼吸途徑暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：采樣期間，長(zhǎng)沙市PM10和PM2.5的日均濃度分別為42～155和18～119 μgm3，湘潭市為17～127和5～109 μgm3。長(zhǎng)沙市和湘潭市PM10載帶Cr (Ⅵ)濃度分別為0.81和0.65 ngm3，As濃度為9.3和6.3 ngm3，均超過(guò)國(guó)家重金屬年均標(biāo)準(zhǔn)限值。10種重金屬元素對(duì)暴露人群的非致癌風(fēng)險(xiǎn)都小于1，在可接受范圍內(nèi)。Cr(Ⅵ)、As的致癌風(fēng)險(xiǎn)為10-6～10-4，有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)；Cd、Ni和Co的致癌風(fēng)險(xiǎn)小于10-6，在人群可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞顆粒物；重金屬；污染特征；健康風(fēng)險(xiǎn)

Pollution Characteristics and Health Risk Analysis of Heavy Metals in PM10and PM2.5in Typical Cities in Hunan Province

XIE Chen1,2, ZHANG Wenjie2, YANG Wen2, LI Wei1, WANG Xinhua2, ZHAO Xueyan2, BAI Zhipeng2

1.College of Environmental and Resource Sciences, Shanxi University, Taiyuan 030006, China2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

AbstractTo investigate the pollution characteristics and health risks of heavy metals in particulate matter in Changsha, Zhuzhou, Xiangtan (CTZ) area in Hunan Province, PM10and PM2.5filter samples were collected in Changsha, Xiangtan and background site of Hengshan Mountain in August 2014. The concentrations of ten heavy metals were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry. In order to assess the carcinogenic risk of Cr(Ⅵ) on human, Cr(Ⅵ) concentrations were calculated based on the reference ratio of 0.13 for Cr(Ⅵ) to total Cr. The health risk of heavy metals inhaled by respiratory system was assessed by the model recommended by US EPA, coupled by the exposure factors in China. Results showed that the mass concentration of PM10and PM2.5were respectively 42-155 and 18-119 μgm3in Changsha, and were 17-127 and 5-109 μgm3in Xiangtan. The concentration of Cr(Ⅵ) in Changsha and Xiangtan was 0.81 and 0.65 ngm3in PM10samples, while that of As was 9.3 and 6.3 ngm3, much higher than the relevant Chinese air quality standards. The total non-carcinogenic risk of the each heavy metal was less than 1, within the acceptable level. The carcinogenic risks for Cr(Ⅵ) and As were in the range of 10-6-10-4, belonging to the range of potential carcinogenic risks. The carcinogenic risks for Cd, Ni and Co were below 10-6, indicating that the carcinogenic risks of the three metals are acceptable.

Key wordsparticulate matter; heavy metals; pollution characteristics; health risk assessment

雖然GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]給出了Pb、Cd、Hg、As和Cr(Ⅵ) 5種重金屬的標(biāo)準(zhǔn)限值，但國(guó)內(nèi)還未廣泛實(shí)施大氣顆粒物重金屬的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，相關(guān)研究較為分散。鄒天森等[15]研究給出了我國(guó)城市大氣中As、Cd、Cr、Mn、Ni和Pb的濃度分別為(22.7±33.4)、(14.1±83.7)、(60.9±67.1)、(220±190)、(37.5±34.1)和(290±213) ngm3，均超過(guò)GB 3095—2012、歐盟的《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]和世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)的《歐盟空氣質(zhì)量指南》[17]中相應(yīng)重金屬濃度的年均標(biāo)準(zhǔn)限值或參考限值。此外，重金屬多分布在細(xì)顆粒物中，Duan等[18]研究表明，大氣顆粒物中約60%～90%的重金屬富集在PM2.5上。

湖南省是我國(guó)重要的重金屬礦區(qū)之一，鉛鋅礦和銅鋅礦等重金屬礦資源豐富，Cd、Hg、Pb和Cr排放量位居全國(guó)首位[19]，采礦和冶煉造成了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞和污染[20]，如稻米鎘超標(biāo)及土壤重金屬的污染問(wèn)題[21]。目前對(duì)湖南省重金屬污染的研究多集中在作物[22]、土壤[23-24]、道路塵[25]和水體[26]方面，而有關(guān)大氣顆粒物載帶重金屬的研究相對(duì)較少。Zhang等[27]對(duì)長(zhǎng)株潭城市群秋季大氣顆粒物及其載帶重金屬的污染水平進(jìn)行了分析，認(rèn)為Pb、As和Cd是長(zhǎng)株潭城市群的典型重金屬元素，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先控制；其中Cd受人類活動(dòng)影響最強(qiáng)。長(zhǎng)沙市和湘潭市是長(zhǎng)株潭城市群的重要中心城市，筆者通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)，分析了長(zhǎng)沙市和湘潭市典型采樣點(diǎn)8月PM10和PM2.5及其載帶重金屬的污染水平，并采集了區(qū)域背景點(diǎn)衡山的顆粒物樣品，以分析該區(qū)域大氣顆粒物載帶重金屬元素受人為污染的影響；同時(shí)對(duì)PM10和PM2.5載帶的重金屬通過(guò)呼吸途徑引起的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，以期為污染大氣防治和保護(hù)公眾健康提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1試驗(yàn)與方法

1.1樣品采集與分析

1.1.1樣品采集

在長(zhǎng)沙市(雨花區(qū))、湘潭市(岳塘區(qū))和衡山(衡陽(yáng)市)各設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，以衡山為該區(qū)域背景點(diǎn)。采樣時(shí)間為2014年8月1—31日，每天采樣1次，每次采樣時(shí)間為08：30—次日07：30。整個(gè)采樣過(guò)程中，排除特殊天氣、機(jī)器故障和停電等因素的影響后，每個(gè)采樣點(diǎn)采集到PM10和PM2.5有效樣品數(shù)分別為26～30和26～29個(gè)，具體信息如表1所示。

表1　采樣點(diǎn)及樣品數(shù)量統(tǒng)計(jì)

PM10和PM2.5樣品采集使用武漢天虹TH-150F型智能中流量采樣儀，采樣流速均為100 Lmin，采樣濾膜為聚丙烯膜(90 mm)?，F(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)應(yīng)用微電腦中流量校準(zhǔn)器(THM-150型)對(duì)采樣儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保采樣流量穩(wěn)定。

1.1.2樣品分析

顆粒物濾膜樣品采用十萬(wàn)分之一天平稱量，濾膜稱量前需平衡48 h以上。顆粒物濃度根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積計(jì)算得到。

重金屬元素濃度使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，美國(guó)Agilent公司的Agilent 7500a型)，測(cè)定樣品中10種重金屬元素Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Co、V和Pb的濃度。

1.2重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的人體暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[28]及我國(guó)人群暴露參數(shù)，對(duì)PM2.5中10種重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。由于人體吸入是PM2.5的主要暴露途徑，因此本研究只針對(duì)呼吸暴露產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。兒童屬于敏感人群，故研究中單獨(dú)對(duì)其健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此將暴露人群分為兒童、成年男性和成年女性3組。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需要估算污染物的日均暴露劑量(average daily dose)，并根據(jù)重金屬的致癌與非致癌性分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算方法如下[29]：

ADD=C×IR×EF×ED(BW×AT)

(1)

式中：ADD為污染物的日均暴露劑量，mg(kg·d)；C為PM2.5載帶的污染物濃度，mgm3；IR為呼吸速率，m3d；EF為暴露頻率，da；ED為暴露持續(xù)時(shí)間，a；BW為體質(zhì)量，kg；AT為平均暴露時(shí)間，d。估算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　人體呼吸暴露參數(shù)

注：成年男性和成年女性的IR和BW數(shù)據(jù)引自《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》[29]湖南省的數(shù)據(jù)；兒童的IR和BW數(shù)據(jù)參考北京市《場(chǎng)地環(huán)境評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[30]。

1.2.1非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

Mn、Cu、Zn、V和Pb屬于非致癌性重金屬，單一污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)用危險(xiǎn)系數(shù)(HQ)評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下[29,31]：

HQ=ADDRfD

(2)

式中RfD(inhalation reference dose)為污染物在呼吸暴露途徑下的參考劑量，mg(kg·d)。10種典型重金屬元素的暴露參考劑量見(jiàn)表3。

表3　重金屬經(jīng)呼吸途徑進(jìn)入人體的劑量-反應(yīng)參數(shù)[31-34]

注：SF為致癌斜率因子(slope factor)。

多種元素作用于同一個(gè)體的綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)用危險(xiǎn)指數(shù)(HI)評(píng)價(jià)[31]，公式如下：

(3)

當(dāng)HI≤1時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)較小或可以忽略；HI>1時(shí)，存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)[35]。

1.2.2致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co具有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，用ILCR(incremental lifetime cancer risk，終身致癌風(fēng)險(xiǎn)增量)對(duì)其致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[36]，公式如下：

ILCR=ADD×SF

(4)

式中：ILCR表示人群癌癥發(fā)生的概率，通常以單位數(shù)量人口出現(xiàn)癌癥患者的比例表示，若ILCR為10-6～10-4(即每萬(wàn)人～百萬(wàn)人增加1個(gè)癌癥患者)，認(rèn)為該物質(zhì)有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)[31]；SF為致癌斜率因子，〔mg(kg·d)〕-1，表示人體暴露于一定劑量某種污染物下產(chǎn)生致癌效應(yīng)的最大概率。Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co的SF見(jiàn)表3。

1.3不確定性分析

由于環(huán)境因素的變化和人群暴露參數(shù)的差異等不確定因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果具有不確定性[37]。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的不確定性，常用蒙特卡羅模型(Monte Carlo model)進(jìn)行分析。通過(guò)隨機(jī)抽樣對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多次模擬，得到模擬結(jié)果及其頻率分布，根據(jù)置信區(qū)間(5%～95%)的概率分布用以評(píng)價(jià)健康風(fēng)險(xiǎn)中的計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)概率[36]。本文使用水晶球軟件(Crystal Ball，版本號(hào)：11.1.63.0)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)不確定性分析。

2結(jié)果與討論

2.1PM10和PM2.5的濃度分布特征

長(zhǎng)沙市、湘潭市和衡山背景點(diǎn)的PM10和PM2.5夏季濃度如圖1所示。

圖1　夏季大氣PM10和PM2.5及二者比值分布Fig.1　The concentration of PM10 and PM2.5 and the ratios of PM10 and PM2.5 in August

由圖1可知，長(zhǎng)沙市PM10和PM2.5的日均濃度最高，分別為42～155和18～119 μgm3；其次是湘潭市，日均濃度為17～127和5～109 μgm3。根據(jù)“空氣質(zhì)量指數(shù)查詢(AQI)-PM2.5查詢”[38]的數(shù)據(jù)顯示，2014年8月長(zhǎng)沙市PM10和PM2.5的平均日均濃度分別為68和45 μgm3，湘潭市PM10和PM2.5分別為66和44 μgm3，長(zhǎng)沙市PM10和PM2.5的平均日均濃度大于湘潭市，與本研究結(jié)果一致，說(shuō)明本研究手工監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)誤差較小。將本研究結(jié)果與GB 3092—2012中PM10和PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(150和75 μgm3)進(jìn)行對(duì)照發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)沙市和湘潭市PM10的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例分別為96.3%和96.7%，PM2.5的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例分別為92.3%和89.3%。

區(qū)域背景點(diǎn)衡山PM10和PM2.5的平均日均濃度分別為43和33 μgm3，低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的50和35 μgm3。與張霖琳等[39]研究的我國(guó)4個(gè)大氣背景點(diǎn)第二季度(夏季非采暖季)的PM10和PM2.5比較發(fā)現(xiàn)：衡山PM10和PM2.5與湖北省神農(nóng)架處于同一水平，高于廣東省南嶺、山西省龐泉溝和吉林省長(zhǎng)白山地區(qū)，表明顆粒物污染的區(qū)域性較強(qiáng)。分析PM2.5在PM10中所占比例發(fā)現(xiàn)，衡山(區(qū)域背景點(diǎn))該比值大于長(zhǎng)沙市和湘潭市(圖1)，表明衡山細(xì)顆粒物所占比例最大，這也與細(xì)顆粒物在區(qū)域內(nèi)分布相對(duì)均勻，粗顆粒物受局地影響較大有關(guān)。

2.2PM10和PM2.5載帶的重金屬濃度特征

城市采樣點(diǎn)和區(qū)域背景點(diǎn)夏季環(huán)境空氣PM10和PM2.5載帶重金屬的分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，在PM10和PM2.5中，Zn、Pb的濃度最高，其次為Mn和Cu，而Co的濃度最低。燃煤、燃油和金屬冶煉可能是Zn、Pb、Mn、Cu濃度較高的主要原因。PM10中V、Cr、As、Cd和Co的濃度為長(zhǎng)沙市>湘潭市，其余重金屬元素濃度為湘潭市>長(zhǎng)沙市；PM2.5中除Co外，其他重金屬元素濃度均為長(zhǎng)沙市>湘潭市。城市點(diǎn)位和背景點(diǎn)位對(duì)比發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)沙市、湘潭市PM10和PM2.5載帶的重金屬元素濃度基本高于衡山(區(qū)域背景點(diǎn))，主要是受局地污染排放影響較大；衡山PM2.5載帶的Cr、Ni、As與城市污染水平差異相對(duì)較小，表明這幾種重金屬在PM2.5中具有較強(qiáng)的區(qū)域傳輸性。

將本研究與國(guó)內(nèi)其他城市(包括張霖琳等[39]研究的4個(gè)城市大氣背景點(diǎn))的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，衡山PM10載帶的Cr、Ni、Zn、Cd、Co濃度與4個(gè)大氣背景點(diǎn)[37]處于同一水平，而Mn、Cu、Zn、As和V濃度則略高，表明衡山背景點(diǎn)可能在一定程度上受到了采礦冶煉的影響。2011年秋季長(zhǎng)株潭城市群[41]PM10載帶的重金屬濃度高于本文研究結(jié)果，可能是受采樣點(diǎn)、采樣季節(jié)等差異的影響，具體原因需要進(jìn)一步深入分析。?？谑衃48]PM10中重金屬濃度低于長(zhǎng)沙市、湘潭市，其他城市除拉薩市[45]和太原市[49]的部分重金屬濃度低于本研究外，深圳市[42]、杭州市[43]、沈陽(yáng)市[44]、蘭州市[46]、北京市[47]、重慶市[50]和昆明市[51]均高于本研究。

表4　各采樣點(diǎn)PM10和PM2.5中10種重金屬濃度

Table 4　The concentrations of 10 heavy metals in PM10 and PM2.5　 ngm3

表4　各采樣點(diǎn)PM10和PM2.5中10種重金屬濃度

重金屬元素濃度長(zhǎng)沙市PM10PM2.5湘潭市PM10PM2.5衡山(區(qū)域背景點(diǎn))PM10PM2.5總Cr6.2±3.56.0±5.65.0±3.52.6±1.34.3±4.23.5±3.5Cr(Ⅵ)1)0.810.780.650.340.560.46Mn22.8±14.58.0±5.328.7±18.86.6±3.912.3±10.26.3±6.0Ni2.8±1.42.8±3.24.1±4.11.5±1.02.2±1.51.9±1.9Cu15.5±10.58.6±12.122.1±18.08.3±4.617.1±19.07.5±4.8Zn133.2±149.349.3±38.3149.8±207.446.9±70.944.0±27.329.4±17.9As9.3±12.74.5±4.46.3±6.43.5±3.54.4±4.64.0±3.9Cd1.8±2.50.7±1.01.5±1.90.5±0.60.6±0.50.4±0.4Co0.7±0.50.1±0.10.6±0.40.1±0.00.2±0.10.1±0.0V6.9±4.28.0±4.05.1±2.52.3±0.63.0±1.42.7±1.2Pb45.4±46.721.1±20.347.6±54.519.9±22.218.7±12.212.9±10.8

1)以Cr(Ⅵ)和總Cr平均比值(0.13)進(jìn)行估算，引自文獻(xiàn)[40]。

表5　國(guó)內(nèi)部分城市或地區(qū)PM10載帶的10種重金屬的濃度

Table 5　The concentrations of 10 heavy metals in PM10 among some citiesareas in China　ngm3

表5　國(guó)內(nèi)部分城市或地區(qū)PM10載帶的10種重金屬的濃度

城市采樣時(shí)間(年-月)CrCr(Ⅵ)1)MnNiCuZnAsCdCoVPb長(zhǎng)沙市夏季(2014-08)6.20.8122.82.815.5133.29.31.80.76.945.3湘潭市夏季(2014-08)5.00.6528.74.122.1149.86.31.50.65.147.6衡山夏季(2014-08)4.30.5612.32.217.144.04.40.60.13.018.7大氣背景點(diǎn)[39]夏季(2013-06)3.40.449.75.610.30.10.20.40.20.117.2長(zhǎng)沙市[41]秋季(2011-11)24.03.12————21.54.0——134.0株洲市[41]秋季(2011-11)36.64.76————42.817.8——279.0湘潭市[41]秋季(2011-11)27.93.62————49.115.6——228.0深圳市[42]冬季(2005-11)9.61.2535.59.6130.5263.8—0.7—24.746.7杭州市[43]全年(2006)36.04.68108.011.0134.0892.052.0———288.0沈陽(yáng)市[44]全年(2007)76.19.89254.316.3174.9510.3—4.03.1—241.5拉薩市[45]全年(2007-09—2008-08)19.02.4727.07.29.181.01.80.51.84.837.0蘭州市[46]夏季(2010-07)17.72.30—8.064.4449.7—0.7——83.9北京市[47]全年(2011-04—2012-01)33.84.39112.312.7226.8603.337.74.4——208.3?？谑衃48]春季(2011-04)3.10.4028.22.423.0124.6—0.30.52.835.6太原市[49]春季(2012-05)69.18.98139.150.079.1369.13.40.49.6—67.1重慶市[50]全年(2012)17.82.3170.134.019.7405.618.52.31.0—82.0昆明市[51]全年(2013-04—2014-01)20.02.60290.010.080.0380.020.020.0——510.0標(biāo)準(zhǔn)限值GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]—0.025————65——500歐盟《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]———20——65———WHO《歐洲空氣質(zhì)量指南》[17]—0.252)15025——6.62)52)—1000500

1)以Cr(Ⅵ)和總Cr平均比值(0.13)進(jìn)行估算，引自文獻(xiàn)[40]；2)風(fēng)險(xiǎn)水平1∶100 000對(duì)應(yīng)的濃度限值。

我國(guó)、歐盟和WHO重金屬元素環(huán)境濃度的年均參考限值或標(biāo)準(zhǔn)限值如表5所示。長(zhǎng)沙市和湘潭市這2個(gè)城市采樣點(diǎn)PM10載帶的Cr(Ⅵ)平均濃度超標(biāo)，遠(yuǎn)高于GB 3095—2012規(guī)定的0.025 ngm3和WHO規(guī)定的0.25 ngm3；長(zhǎng)沙市和湘潭市的As濃度同樣超標(biāo)，長(zhǎng)沙市為GB 3095—2012限值(6 ngm3)的1.5倍，而湘潭市超標(biāo)0.3 ngm3；Mn未超過(guò)WHO規(guī)定的150 ngm3的標(biāo)準(zhǔn)限值，Ni未超過(guò)歐盟和WHO的標(biāo)準(zhǔn)限值，Cd和Pb未超過(guò)我國(guó)、歐盟和WHO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。所以Cr(Ⅵ)和As的污染不容忽視。

2.3PM10和PM2.5載帶典型重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

應(yīng)用表4數(shù)據(jù)，根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和參數(shù)，蒙特卡洛方法對(duì)長(zhǎng)沙市、湘潭市PM10和PM2.5載帶的10種重金屬元素對(duì)人群的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬，在模擬過(guò)程中進(jìn)行50 000次隨機(jī)抽樣，得到HQi、HI和ILCR模擬結(jié)果。

2.3.1重金屬元素非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

注：柱形圖為均值，豎線為標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖2　長(zhǎng)沙市和湘潭市采樣點(diǎn)中大氣PM10和PM2.5載帶的10種重金屬元素經(jīng)呼吸途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)Fig.2　Non-carcinogenic risk of 10 heavy metals in PM10 and PM2.5 through breathing in Changsha and Xiangtan City

長(zhǎng)沙市和湘潭市采樣點(diǎn)人群HQi和HI的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，PM10和PM2.5載帶重金屬元素對(duì)3種人群的非致癌風(fēng)險(xiǎn)均為兒童>成年男性>成年女性，結(jié)果與于云江等[46]對(duì)蘭州市大氣PM10中重金屬元素對(duì)人群的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。兒童受到的健康風(fēng)險(xiǎn)要高于成人，主要是由于兒童的行為和生理特點(diǎn)，兒童戶外活動(dòng)多，暴露于環(huán)境污染物的機(jī)會(huì)更多，而且兒童的每單位體質(zhì)量比成人有著更高的易感性[37]。由圖2可以看出，2個(gè)城市采樣點(diǎn)PM10和PM2.5載帶Cr的HQi要高于其他重金屬元素，在PM10和PM2.5中分別為(4.36～6.93)×10-2和(2.27～6.67)×10-2，其次是Co，在PM10和PM2.5中分別為(2.61～3.93)×10-2和(4.36～5.62)×10-3，另外7種重金屬元素As、Pb、Mn、Cd、V、Cu、Zn和Ni的HQi比Cr低1～4個(gè)數(shù)量級(jí)，都低于人體可接受的上限值(1)[52]，表明其對(duì)成人和兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受的范圍內(nèi)。PM10和PM2.5載帶的10種重金屬元素的HI未超過(guò)1，即PM10和PM2.5載帶的重金屬元素對(duì)成人和兒童非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于人群可接受水平。雖然本研究結(jié)果中重金屬元素對(duì)人群的非致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受水平，但是由于采樣時(shí)間、地點(diǎn)等差異，導(dǎo)致不同研究者在不同城市的研究結(jié)果不同。Hu等[52]對(duì)南京市TSP和PM2.5載帶的重金屬元素進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，TSP載帶的Mn和PM2.5載帶的Co的HQi大于1，會(huì)對(duì)兒童和成人產(chǎn)生非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)。由于PM2.5可通過(guò)呼吸進(jìn)入人體并對(duì)健康產(chǎn)生有害影響，因此研究PM2.5載帶的重金屬元素健康風(fēng)險(xiǎn)的意義更加突出。

2個(gè)城市采樣點(diǎn)PM10和PM2.5載帶重金屬元素的HI均為長(zhǎng)沙市>湘潭市。PM10載帶的Cr、Co、As、Cd和V的非致癌風(fēng)險(xiǎn)均為長(zhǎng)沙市較高；Pb、Mn、Cu、Zn和Ni的非致癌風(fēng)險(xiǎn)湘潭市較高。PM2.5載帶的10種重金屬元素非致癌風(fēng)險(xiǎn)均為長(zhǎng)沙市較高。

2.3.2重金屬元素致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

注：柱形圖為均值，豎線為標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖3　長(zhǎng)沙市和湘潭市采樣點(diǎn)中大氣PM10和PM2.5載帶的5種重金屬元素經(jīng)過(guò)呼吸途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)Fig.3　Carcinogenic risk of 5 heavy metals in PM10 and PM2.5 through breathing in Changsha and Xiangtan City

國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)已經(jīng)確定Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co對(duì)人類有致癌或潛在致癌作用。由于Cr在氧化物中有Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)2種價(jià)態(tài)，Cr的毒性與其價(jià)態(tài)相關(guān)，Cr(Ⅵ)的毒性是Cr(Ⅲ)的100倍[53-55]，所以致癌風(fēng)險(xiǎn)主要考慮Cr(Ⅵ)的毒性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境空氣中Cr(Ⅵ)的研究較少，狄一安等[56]通過(guò)離子色譜分離、柱后衍生紫外的方法分析了北京市城區(qū)大氣顆粒物中的Cr(Ⅵ)濃度。刀谞等[57]比較了不同國(guó)家和地區(qū)的環(huán)境空氣中Cr(Ⅵ)的濃度水平，總結(jié)了Cr(Ⅵ)的樣品分析方法研究進(jìn)展，認(rèn)為環(huán)境空氣中Cr(Ⅵ)測(cè)定過(guò)程存在樣品有效采集、提取、干擾因素去除、儀器測(cè)試檢出限等多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有環(huán)境空氣Cr(Ⅵ)的監(jiān)測(cè)還未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法。Park等[58]將韓國(guó)首爾大氣顆粒物載帶Cr(Ⅵ)和總Cr的比值約為1∶7進(jìn)行換算，得出Cr(Ⅵ)的濃度，以計(jì)算Cr(Ⅵ)對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)。譚吉華等[40]按Cr(Ⅵ)與總Cr的平均比值(0.13)進(jìn)行估算，得出Cr(Ⅵ)的濃度?？紤]到地域原因，引用譚吉華等[40]的結(jié)果對(duì)Cr(Ⅵ)進(jìn)行估算。長(zhǎng)沙市和湘潭市城市采樣點(diǎn)人群的致癌暴露風(fēng)險(xiǎn)值ILCR的模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，PM10和PM2.5載帶重金屬元素對(duì)3種人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)均為成年男性>成年女性>兒童，成年男性致癌暴露風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到兒童的3.7倍。Chen等[59]評(píng)價(jià)了天津市PM2.5載帶重金屬元素對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)，成年男性罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)大于成年女性，兒童的致癌風(fēng)險(xiǎn)最低；Cr(Ⅵ)、Ni、Cd和As對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)為(7.72～12.6)×10-9，說(shuō)明天津市Cr(Ⅵ)、Ni、Cd和As的致癌風(fēng)險(xiǎn)處于人群可接受的范圍內(nèi)。本研究中，長(zhǎng)沙市、湘潭市城市采樣點(diǎn)PM10和PM2.5中As的致癌風(fēng)險(xiǎn)高于其他重金屬元素，分別為(2.46～13.6)×10-6和(1.36～5.62)×10-6，表明As存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)。其次是Cr(Ⅵ)，在PM10和PM2.5中的致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為(7.02～27.9)×10-7和(3.25～21.7)×10-7；Cr(Ⅵ)對(duì)成年人的致癌風(fēng)險(xiǎn)為10-6～10-4時(shí)，存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，需采取一定的風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)措施，對(duì)兒童的致癌風(fēng)險(xiǎn)小于10-6，對(duì)兒童無(wú)致癌風(fēng)險(xiǎn)。Cd〔在PM10和PM2.5的致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為(2.43～9.37)×10-7和(8.10～36.5)×10-8〕，Co〔在PM10和PM2.5中分別為(1.50～5.69)×10-7和(2.52～8.11)×10-8〕和Ni〔在PM10和PM2.5中分別為(6.07～28.2)×10-8和(3.23～19.4)×10-8〕的致癌風(fēng)險(xiǎn)值低于10-6，即可認(rèn)為PM10和PM2.5載帶的Cd、Co和Ni的致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍內(nèi)。張霖琳等[60]對(duì)APEC會(huì)期北京、天津、石家莊、保定和濟(jì)南等5個(gè)城市PM2.5載帶重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，As對(duì)人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)為10-6～10-4，有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)；Ni致癌風(fēng)險(xiǎn)低于10-7，處于可接受的范圍內(nèi)，與本文對(duì)As和Ni的研究一致，說(shuō)明京津冀和長(zhǎng)株潭地區(qū)受到As的影響嚴(yán)重，應(yīng)予以重視并建議優(yōu)先控制。

3結(jié)論

(1)2014年夏季長(zhǎng)沙市和湘潭市PM10的日均濃度分別為42～155和17～127 μgm3，PM2.5的日均濃度分別為18～119和5～109 μgm3，采樣期間PM10和PM2.5濃度為長(zhǎng)沙市>湘潭市；衡山背景點(diǎn)PM10和PM2.5的日均濃度分別為43和35 μgm3，低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值和城市采樣點(diǎn)。

(2)PM10和PM2.5載帶重金屬元素的濃度分析表明：2個(gè)城市采樣點(diǎn)夏季環(huán)境空氣PM10和PM2.5載帶的重金屬元素Zn的濃度最高(在PM10和PM2.5中分別為133.2～149.8和46.9～49.3 ngm3)，Co的濃度最低(在PM10和PM2.5中分別為0.6～0.7和0.1 ngm3)，長(zhǎng)沙市和湘潭市2個(gè)城市PM10載帶的10種重金屬元素濃度低于國(guó)內(nèi)其他城市。背景點(diǎn)衡山的濃度部分高于國(guó)內(nèi)其他4個(gè)大氣背景點(diǎn)，可能是由于采礦冶煉行為產(chǎn)生的污染通過(guò)區(qū)域傳輸對(duì)衡山產(chǎn)生了影響。

(3)基于重金屬元素非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2個(gè)城市采樣點(diǎn)PM10和PM2.5載帶的重金屬元素通過(guò)呼吸途徑對(duì)人群的HI小于1，說(shuō)明10種重金屬元素的綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi)。

(4)對(duì)Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：PM10和PM2.5載帶的重金屬元素中，Cr(Ⅵ)、As致癌風(fēng)險(xiǎn)為10-6～10-4，表明其具有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，需要引起重視并建議優(yōu)先控制；Cd、Ni和Co的致癌風(fēng)險(xiǎn)小于10-6，致癌風(fēng)險(xiǎn)在人群可接受水平。

志謝：感謝長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的賈勁松等同志協(xié)助完成采樣工作。

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中圖分類號(hào):X513

文章編號(hào):1674-991X(2016)02-0147-10

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介:謝忱(1989—)，女，碩士研究生，主要從事大氣顆粒物重金屬污染特征和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，xielouchen@163.com*責(zé)任作者:李偉(1964—)，男，教授，主要從事環(huán)境化學(xué)和環(huán)境影響戰(zhàn)略評(píng)價(jià)研究，liwei@sxu.edu.cn

基金項(xiàng)目:環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409022)

收稿日期:2015-12-04