桂西北礦區(qū)道路灰塵重金屬污染及健康風險評價

韋妮玉　張新英　林善春　陳　平

(1.廣西師范學院地理科學與規(guī)劃學院，南寧　530001；2.廣西師范學院環(huán)境與生命科學學院，南寧　530001)

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桂西北礦區(qū)道路灰塵重金屬污染及健康風險評價

韋妮玉1張新英2林善春1陳平1

(1.廣西師范學院地理科學與規(guī)劃學院，南寧530001；2.廣西師范學院環(huán)境與生命科學學院，南寧530001)

以桂西北典型礦區(qū)周邊村屯為研究區(qū)域，采集道路灰塵樣品28個，測定重金屬Cd、As、Pb、Cu、Zn含量，并應(yīng)用美國環(huán)保署(U.S.EPA)人體暴露風險評價方法，評價人群在吸入、攝食及皮膚接觸3種途徑下攝入灰塵的健康風險。結(jié)果表明，研究區(qū)道路灰塵中5種重金屬均超出廣西土壤環(huán)境背景值，其中Cd平均值超出背景值的950倍，其次As、Zn、Pb、Cu分別為347、91、52、25倍。道路灰塵的重金屬非致癌總風險，兒童為247.58，成人為34.36，遠遠超出安全閾值1.0。As的致癌風險為9.29×10-6，存在致癌風險。不同途徑重金屬慢性每日平均暴露量排序為：手-口攝入途徑>皮膚接觸途徑>呼吸攝入途徑。

桂西北礦區(qū)；道路灰塵；重金屬；健康風險評價

道路灰塵包含了大量路邊風化的表層土壤、工業(yè)廢氣積聚沉降的物質(zhì)、汽車尾氣排放物等，是一種復雜的環(huán)境介質(zhì)[1]。Wei和Yang綜述我國城市街道灰塵中Cu、Pb、Zn和Cd的平均含量為149.62、238.66、655.94和2.03mg/kg，均高于在土壤中的背景值[2]。秦松對蘭州市的研究發(fā)現(xiàn)，西固城區(qū)街灰塵中Cu、Zn、Pb和Cd的均值分別為75.7、350、111和2.87mg/kg；依次是城郊對照點街道灰塵中相應(yīng)重金屬的2.99、3.38、3.70和1.74倍；主成分分析表明工業(yè)活動和交通運輸是灰塵中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd等元素的主要來源[3]。我國桂西北礦區(qū)是具有上千年歷史的典型礦區(qū)，占全國金屬礦山的20%。近幾十年來，礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來了嚴重的環(huán)境問題。礦區(qū)地表灰塵中重金屬的含量水平、累積狀況以及存在的風險更值得關(guān)注。

灰塵顆粒物經(jīng)再懸浮可進入大氣，其中的重金屬污染物可通過呼吸吸入、經(jīng)口攝入和皮膚接觸等途徑進入人體[4]。道路灰塵在人體中的長期累積可能會對人體造成慢性傷害[5]。道路灰塵的健康風險評價希望通過評價污染物對人體健康造成危害的可能性和大小來指導污染防治決策。本文以美國環(huán)保署(U.S.EPA)提出的土壤重金屬健康風險評價方法(U.S.EPA，2001)作為基本框架，探討桂西北典型礦區(qū)居民暴露在道路灰塵環(huán)境中的潛在健康風險。

1　材料和方法

1.1樣品采集與分析

2016年3月，保持晴朗無風的天氣下，在南丹縣大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)的各個自然村屯采集道路灰塵2～3個(圖1)。每個樣點在5～7m2范圍內(nèi)，利用毛刷和塑料鏟采集，5個點位的灰塵充分混合為一個樣品，共采集樣品28份。稱取過100目篩的樣品0.5g于聚四氟乙烯杯中，采用HNO3-HF-HClO4加熱消解。重金屬Cd采用火焰原子吸收法，As、Pb、Cu、Zn利用等離子發(fā)射光譜法測定。所有樣品均做相應(yīng)的試劑空白和平行樣，并以標準物質(zhì)(GBW07444)進行質(zhì)量控制。

圖1　采樣點信息圖

1.2環(huán)境暴露模型與參數(shù)選取

本研究以U.S.EPA提出的土壤健康風險模型為參考，對桂西北礦區(qū)居民暴露在道路灰塵的風險評價。由中國環(huán)境科學研究院完成的我國第一本暴露參數(shù)手冊，列出了風險評價參數(shù)的推薦值，即最能代表我國人群總體暴露特征的數(shù)值，故本研究的暴露參數(shù)主要參考我國人群暴露參數(shù)手冊[6]和美國環(huán)境保護署所提出的土壤健康評價標準[7，8]，參數(shù)及其含義見表1。本研究的5種重金屬對人體都具有慢性的非致癌風險，同時Cd、As具有致癌風險。對于非致癌性效應(yīng)，ADDing、ADDinh、ADDdemal分別為手-口攝入、呼吸吸入和皮膚接觸途徑的灰塵顆粒日平均暴露量，計算式為：

(1)

(2)

(3)

對于致癌性效應(yīng)，由于U.S.EPA只給出呼吸途徑暴露量參考值，本研究就將呼吸途徑Cd和As致癌風險進行評估。LADDinh表示致癌重金屬呼吸途徑的終身日平均暴露量，按式(4)計算[9]。

(4)表1　地表灰塵重金屬日平均暴露量計算參數(shù)含義及其取值

注：95%UCL為平均值的95%置信上限。

1.3健康風險評價

非致癌風險通常用危害商來度量，重金屬的致癌風險用風險度(Risk)度量。具體表達如式(5)～(8)所示：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，HQ為非致癌風險商，表示污染物在某一途徑的非致癌風險；ADD為污染物在此途徑下的非致癌風險量；RfD為該途徑的參考劑量，表示在單位時間、單位體重下攝取的污染物最大量不會引起人體的不良反應(yīng)；HI為污染物在多種暴露途徑下總的非致癌風險，當HQ或HI<1時，風險較小或可以忽略，HQ或HI>1時認為存在非致癌風險；斜率系數(shù)(SF)表示人體暴露于一定劑量的污染物下產(chǎn)生致癌效應(yīng)的最大概率；Risk為致癌風險，表征癌癥發(fā)生的概率，若Risk在10-6～10-4之間(即每1萬人到100萬人增加1個癌癥患者)，認為該物質(zhì)不具備致癌風險。Cd、As、Pb、Cu、Zn的參考劑量RfD及Cd、As的致癌率因子SF，見表2[10]。

表2　地表灰塵重金屬不同暴露途徑RfD和SF

2　結(jié)果與分析

2.1礦區(qū)道路灰塵重金屬含量特征

本研究分析灰塵中5種金屬元素，包括Cd、As、Pb、Cu 、Zn，平均值分別為：58.67、3912.08、981.40、521.36、4252.10 mg/kg。與Wei和Yang等其他研究相比，礦區(qū)道路灰塵的重金屬含量遠遠高于城市街道灰塵中的重金屬含量。

采用SPSS19.0對灰塵樣品重金屬含量進行統(tǒng)計分析(見表3)?；覊m中5種重金屬平均含量均超出廣西土壤元素背景值，Cd的平均值超出倍數(shù)最高，為950倍，其次As為347倍，Zn、Pb、Cu分別為91、52、25倍，表明該研究區(qū)灰塵的重金屬污染已相當嚴重，特別Cd元素和As元素的環(huán)境污染效應(yīng)，應(yīng)該引起重視。

表3　礦區(qū)道路灰塵重金屬含量特征

注：廣西土壤背景值引自李良忠等[11，12]。

2.2重金屬元素含量相關(guān)性

采用SPSS19.0對灰塵樣品不同重金屬含量之間的相關(guān)性分析(見表4)，結(jié)果表明Cd～Pb、Cd～Zn、Cd～As、Pb～Zn、Cu～Zn、As～Zn有很高的相關(guān)性，說明它們之間的同源性很高。王濟等研究表明[13]，多種重金屬元素會伴生于母巖中，重金屬污染元素砷和鉛、鋅顯著相關(guān)，是因為砷礦石多伴生于鋅、鉛等的硫化礦物中。例如：沈陽冶煉廠是一個包括銅、鉛、鋅、制酸等綜合性有色金屬工廠，但是每年隨礦石中帶進大量的砷，造成該市砷污染。本研究的5種重金屬元素呈很高的相關(guān)性，說明道路灰塵的污染源可能來自礦區(qū)廢氣、飄塵等。

表4　道路灰塵中各重金屬的相關(guān)矩陣

注：*顯著性相關(guān)(樣本數(shù)n=28，顯著性水平P<0.05)；**極顯著性相關(guān)(樣本數(shù)n=28，顯著性水平P<0.01)。

2.3礦區(qū)道路灰塵暴露劑量

根據(jù)暴露模型可計算出重金屬在不同暴露途徑下的暴露量(見表5)，結(jié)果所示，各種重金屬非致癌風險暴露劑量排序為As>Zn>Cu>Pb>Cd，與灰塵中重金屬總量的排序一致；3種暴露劑量中手-口攝入途徑占據(jù)主導地位，帶來的健康風險最高；兒童在呼吸途徑的暴露量略低于成人外，其他兩種途徑的暴露量高于成人，而且同一暴露途徑下兒童的暴露量均高于成人。根據(jù)公式(4)計算，發(fā)現(xiàn)，致癌重金屬呼吸途徑的終身日平均暴露量As略高于Cd，但致癌風險暴露劑量都很低。

表5　道路灰塵重金屬不同途徑暴露劑量

2.4道路灰塵暴露的健康風險

根據(jù)公式(5)～(8)計算出重金屬元素在不同暴露途徑非致癌健康風險值(見表6)，結(jié)果表明，手-口直接攝入途徑的非致癌風險最高，其次為皮膚接觸途徑，而且手-口攝入風險遠高于后兩者。對于兒童群體，非致癌總風險高于成人，非致癌風險危害商值高達247.58，僅由手-口直接接觸攝入的非致癌風險危害商值就已達246.10，貢獻率為99.4 %，暴露風險最大的是As；元素As、Cu、Pb在同一暴露途徑下的非致癌風險危害商值(HQ)均大于安全閾值1.0。成人的非致癌總風險達危害商值為34.36，僅由手-口直接接觸攝入的非致癌總風險就達33.24，As的暴露風險最大。所有重金屬各途徑的疊加風險(HI)遠遠超過了安全閾值1.0，表明研究區(qū)域的灰塵已對群眾的身體健康構(gòu)成危害，特別是As、Cd和Pb元素帶來的健康風險，尤其對兒童的身體健康風險很大，應(yīng)引起高度重視。

表6　不同暴露途徑的非致癌健康風險

重金屬As、Cd在呼吸吸入途徑下對人體的危害程度(見表7)，As元素的致癌風險為9.29×10-6，100萬人約增加9個癌癥患者，存在致癌風險。Cd的致癌風險值低于致癌風險的量級水平，可認為不具備致癌風險。

表7　呼吸途徑致癌風險暴露風險值

3　結(jié)　論

(1)道路灰塵中重金屬元素含量排序為As>Zn>Cu>Pb>Cd，5種重金屬元素的平均值均超出廣西土壤環(huán)境背景值，其中 Cd超出950倍，其次As為347倍，Zn、Pb、Cu分別為91、52、25倍，表明該研究區(qū)灰塵的重金屬污染已相當嚴重，其主要污染因子是Cd和As。

(2)道路灰塵的重金屬非致癌總風險，兒童危害商值為247.58，成人為34.36，遠遠超出安全閾值1.0，僅由手-口直接接觸攝入的非致癌總風險兒童為246.10，成人為33.24。表明研究區(qū)域的灰塵對群眾的身體健康有很高的非致癌風險，特別對兒童的身體健康可能造成危害，手-口攝入途徑帶來的健康風險最高，所以要注意經(jīng)常洗手、洗臉，制止兒童允吸手指。

(3)As的致癌風險為9.29×10-6，癌癥發(fā)生的概率Risk在10-6～10-4之間，存在一定的致癌風險；Cd的致癌風險分別為4.96×10-8，低于癌癥風險閾值范圍，表明灰塵中Cd尚不致對人體造成致癌危害。元素As是礦區(qū)具有最高潛在健康風險的元素。

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Health Risk Assessment of Heavy Metals of Street Dust from Northwest Guangxi Mining Area

WEI Ni-yu1ZHANG Xin-ying2LIN Shan-chun1CHEN Ping1

(1.Guangxi Teachers Education University，a. Geography and Planning institute；b. institute of environmental and life sciences，Nanning 530001)

This study focused on the characterization and the health risk assessment of heavy metals in the dust of Northwest Guangxi Mining Area. Totally 28 dust samples were collected from the road surfaces. Concentrations of Cd、As、Pb、Cu、and Zn were measured to investigate their distribution and evaluate their risk to human health. The US EPA Health Risk Assessment Model was employed to evaluate the potential health risk of those heavy metals in the street dust. The results showed that concentrations of Cd、As、Pb、Cu、and Zn higher than soil background values，Cd was 950 times，As、Zn、Pb and Cu were347、91、52 and25 times. The total non-carcinogenic hazard index of the five metals for children was 247.58，adults was 34.36，both exceeded the safety threshold value(1.0)，the cancer risk of As was 9.29×10-6，higher than the average risk thresholds of the heavy metals. The way of chronic daily average exposure was ingestion>dermal>inhalation taken.

Northwest Guangxi；Mining Area；street dusts；heavy metals；Health risk assessment

韋妮玉，碩士研究生，研究方向為資源與環(huán)境評價

張新英，教授，博士，研究方向為資源與環(huán)境評價

X21

A

1673-288X(2016)05-0167-04

項目資金：國家自然科學基金項目(41461095)；廣西科技開發(fā)項目(2014DD29046)；廣西自然科學基金項目(2011GXNSFA018094)

引用文獻格式：韋妮玉等.桂西北礦區(qū)道路灰塵重金屬污染及健康風險評價[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(5)：167-169.