我國中西部典型城市PM2.5中痕量金屬的時(shí)空分布特征和健康影響

邢瓊予,戴啟立,畢曉輝,吳建會(huì),張?jiān)７?田瑛澤,馮銀廠

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我國中西部典型城市PM2.5中痕量金屬的時(shí)空分布特征和健康影響

邢瓊予,戴啟立,畢曉輝*,吳建會(huì),張?jiān)７?田瑛澤,馮銀廠

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

為研究我國中西部地區(qū)大氣細(xì)顆粒物中的痕量金屬區(qū)域分布、季節(jié)分布特征以及健康風(fēng)險(xiǎn),在西安、烏魯木齊、洛陽以及蘭州四城市布點(diǎn)采樣,利用ICP-AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀)測定了PM2.5中9種痕量金屬(V、Cr、Cd、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Pb)的質(zhì)量分?jǐn)?shù).結(jié)果表明:在痕量金屬的時(shí)空分布特征方面,各城市主導(dǎo)痕量金屬存在差異, 西安、烏魯木齊、洛陽以及蘭州的主導(dǎo)痕量金屬為Mn、Zn、Pb、Pb,除了主導(dǎo)痕量金屬,對于單個(gè)金屬,其空間分布及季節(jié)分布都存在差異;利用分歧系數(shù)法分析了城市間顆粒物中痕量金屬的組成,洛陽與其他城市顆粒物中痕量金屬的CD值在0.4左右,表明洛陽與各城市顆粒物中痕量金屬的組成有很大差異, 而西安與烏魯木齊、蘭州兩個(gè)城市的CD值幾乎都小于0.2,則他們組成相似;健康風(fēng)險(xiǎn)評結(jié)果顯示,顆粒物PM2.5中的痕量金屬Cr對成年人有著顯著的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn),而且Cd、As對4個(gè)城市居民的致癌風(fēng)險(xiǎn)是顯著的,Ni對其致癌風(fēng)險(xiǎn)不顯著.長期處于該研究環(huán)境,對人體健康存在一定健康威脅. 此外痕量金屬對人體的健康風(fēng)險(xiǎn)也具有季節(jié)性,所有痕量金屬ILCR值都高于10-6,尤其是As、Cd、Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)超過了安全水平(10-4),尤其是Cr和As春冬季的致癌風(fēng)險(xiǎn)最高.

PM2.5；痕量金屬；時(shí)空分布特征；健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

大氣顆粒物是影響我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物[1].高濃度的大氣顆粒物不僅對環(huán)境空氣質(zhì)量、能見度、氣候等產(chǎn)生影響,對人群健康也產(chǎn)生一定危害[2-5].顆粒物對人群的健康風(fēng)險(xiǎn)受濃度、粒徑、載帶的化學(xué)組分種類、含量以及暴露時(shí)間、接觸方式等的影響.近年來,中國大氣PM2.5濃度水平仍然遠(yuǎn)超WHO健康標(biāo)準(zhǔn)限值,2013年全國僅有4.1%的城市達(dá)到國家年均PM2.5標(biāo)準(zhǔn)限值[6].綠色和平發(fā)布2017年中國365個(gè)城市PM2.5濃度排名,全國365個(gè)城市中有256個(gè)城市的PM2.5年均濃度超出國家二級標(biāo)準(zhǔn),占總數(shù)的70.1%.

痕量金屬是PM2.5的重要成分,如Pb、Mn、Ni、Cr、Cd、As及Hg等,具有病理學(xué)以及毒性,能夠引起呼吸系統(tǒng)疾病[7].這些痕量金屬通過呼吸等方式被攝入人體內(nèi),會(huì)引起炎癥,心肺疾病或DNA損傷等嚴(yán)重危害[8].研究表明,砷(As)會(huì)引起心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的嚴(yán)重紊亂[9];鎘(Cd)中毒會(huì)引起肺癌、肝腎病變、骨骼軟化以及皮膚病變[1,10];作為燃油燃燒排放痕量指標(biāo)的鎳(Ni)和釩(V)也與人類心血管和呼吸系統(tǒng)疾病呈正相關(guān)[11-13];鎳的過多攝入會(huì)引起呼吸道疾病[1,14];過量攝入鉛(Pb)會(huì)損害神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)、骨骼發(fā)育以及酶循環(huán)[1,15];錳(Mn)會(huì)損壞人的神經(jīng)和腎臟等等,因此對環(huán)境空氣中痕量金屬的研究仍十分必要.大量文獻(xiàn)報(bào)道了顆粒物中痕量金屬的污染特征及人體健康風(fēng)險(xiǎn)等方面的研究[16-18].在Duan等[19]對中國4個(gè)城市大氣中痕量金屬濃度的研究報(bào)告中,指出As、Ni、Cr和Cd的平均濃度分別為51.0、29.0、110.9和19.7ng/m3,遠(yuǎn)高于(GB3095-2012)和世界衛(wèi)生組織(WHO)的現(xiàn)行國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS),然而當(dāng)前對中西部城市大氣顆粒物中痕量金屬的污染特征研究比較少.

相比較于我國東部及沿海城市,中西部城市經(jīng)濟(jì)相對落后,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度不同,高污染高能耗的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在多數(shù)中西部城市占主導(dǎo)地位,中西部的很多城市顆粒物濃度超國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值,重污染狀況不容樂觀.如西安市[20]2014年以PM2.5為首要污染物的污染天氣占污染天數(shù)的59.7%,PM2.5的年均濃度為76μg/m3,超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)1.2倍;同年洛陽[21]市區(qū)PM2.5年均濃度為二級標(biāo)準(zhǔn)限值2.14倍;蘭州[22]和烏魯木齊市[23]區(qū)2013年P(guān)M2.5年濃度分別為67μg/m3和87μg/m3.此外中西部地區(qū)生活著全國55%的人口,大氣污染對人體健康影響的相關(guān)研究相對較少,因此在中西部城市開展環(huán)境空氣中痕量金屬污染特征與健康影響的研究顯得十分必要.

為揭示大氣細(xì)顆粒物中痕量金屬的區(qū)域分布及季節(jié)分布特征,利用EPA健康風(fēng)險(xiǎn)模型評價(jià)環(huán)境空氣中痕量金屬對我國中西部4個(gè)典型城市不同季節(jié)不同人群(成年人和兒童)健康的影響,通過布點(diǎn)采樣與化學(xué)分析,梳理分析了WHO和我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)關(guān)注的主要痕量金屬的含量水平與污染特征,評估了其潛在健康風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布特征,相關(guān)結(jié)果可為提高對環(huán)境空氣中痕量金屬污染特征和健康影響的科學(xué)認(rèn)識提供參考,并為痕量金屬污染防治對策的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

本研究選擇了洛陽、烏魯木齊、蘭州以及西安4個(gè)中西部城市為研究對象, 將大氣環(huán)境受體中粒徑￡2.5mm的顆粒物采集到濾膜上.各城市采樣點(diǎn)及采樣時(shí)間見表2.

所有點(diǎn)位每天同步22h連續(xù)采樣.將采集到的濾膜放于恒溫恒濕環(huán)境下平衡48h,使用百萬分之一天平對其稱量后至于冰箱中冷藏,以備用于后續(xù)分析.

表1 各城市采樣點(diǎn)及采樣時(shí)間

1.2 痕量金屬元素分析以及質(zhì)量控制

利用ICP-AES (電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法)測定顆粒物樣品中9種痕量金屬元素(V、Cr、Cd、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Pb)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[8,24-25].洛陽、烏魯木齊、蘭州以及西安分別利用的是聚丙烯、聚丙烯、Teflon、聚四氟乙烯濾膜采集的樣品進(jìn)行元素分析.將西安和洛陽市采來的膜剪碎分別用10mL的HNO3-HCl(1:3)混合物在密閉容器中在(140±5)℃消解4h,然后將浸出溶液轉(zhuǎn)移到容量瓶中并用純凈水稀釋至50mL用于測定.而Si是通過X射線熒光與基本參數(shù)(FP)量化方法相結(jié)合來確定的.將蘭州和烏魯木齊市采集的膜剪碎的濾膜分別放入錐形瓶中,經(jīng)離子水潤濕后加入分析純的15mL HNO3和5mL HClO4,在電爐上加熱,控制在100℃以下約1h后再提高溫度,當(dāng)酸剩余約3mL時(shí),將錐形瓶取下,冷卻后,加入少許去離子水,過濾殘?jiān)?定容15ml試管待測;另一份用鎳或鐵坩堝,在電爐上用KOH熔融,并定容100mL容量瓶,測Si含量.將標(biāo)液依次導(dǎo)入發(fā)射光譜儀進(jìn)行測量,以濃度為橫坐標(biāo),元素響應(yīng)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸,建立校準(zhǔn)曲線,而樣本定量后上機(jī)進(jìn)行測定.

抽取5%~10%樣品進(jìn)行平行樣測定;各元素測定值的相對誤差(RE)<5%,各元素測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,=12)<5%,滿足分析方法要求.樣品測定時(shí),每測定10個(gè)樣品,進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)和空白測定,所有檢測結(jié)果均滿足質(zhì)控要求.加標(biāo)量一般控制在待測元素的0.5~2倍,保證加標(biāo)后的樣品測定值不超過工作曲線濃度范圍測定上限的90%.加標(biāo)回收率一般控制在85%~115%之間.

1.3 分析方法

1.3.1 分歧系數(shù) 分歧系數(shù)(CD)是通過對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理用來比較研究對象之間相似程度的數(shù)學(xué)方法[26-27],最早應(yīng)用于生物學(xué)研究,近年來被廣泛應(yīng)用于大氣顆粒物組分/源成分譜之間相似程度的對比[28-31].通過計(jì)算不同季節(jié)城市間顆粒物中痕量金屬的組分的CD值來對各城市顆粒物中痕量金屬組成的相似性進(jìn)行評估.

式中:分別表示兩采樣點(diǎn)位;表示采樣點(diǎn)的顆粒物樣品中痕量金屬的濃度,;表示參與計(jì)算的痕量金屬組分?jǐn)?shù)目.

若和兩點(diǎn)位顆粒物樣品的痕量金屬組成非常相似,則CD趨于0;若兩點(diǎn)位顆粒物痕量金屬組成相差極大,則CD趨于1.目前國內(nèi)外研究中還未有明確劃分成分譜之間相似等級的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本研究參考針對土壤風(fēng)沙塵源成分譜相似性的研究[32]結(jié)論,可認(rèn)為CD處于0~0.2之間的兩個(gè)成分譜組成相似,處于0.2~0.5之間的兩個(gè)成分譜組成可能相似,處于0.5~1之間的兩個(gè)成分譜組成不相似.

1.3.2 痕量金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 根據(jù)美國環(huán)保署(USEPA)綜合風(fēng)險(xiǎn)信息數(shù)據(jù)庫(IRIS)和國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)的相關(guān)研究成果,將痕量金屬健康風(fēng)險(xiǎn)分為致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)[33].為了評估通過呼吸途徑進(jìn)入人體(成人和兒童)的健康風(fēng)險(xiǎn),利用USEPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對該研究中4個(gè)城市環(huán)境空氣PM2.5載帶的As、Cd、Cr、Ni、V、Cu、Pb、Zn、Mn等9種痕量金屬進(jìn)行計(jì)算,量化了PM2.5中痕量金屬的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn).致癌風(fēng)險(xiǎn)通過As、Cd、Cr、Ni以及V計(jì)算得來,而非致癌風(fēng)險(xiǎn)通過評估Cu、Pb、Zn和Mn的風(fēng)險(xiǎn)商值來估計(jì).

暴露量計(jì)算公式[34]如下:

ADD(LADD)=(C′IR′EF′ED)/(BW′AT) (2)

式中:ADD為非致癌痕量金屬的日均暴露劑量,mg/ kg×d; LADD表示致癌痕量金屬的終生日均暴露劑量,mg/kg×d;C為顆粒物中痕量金屬濃度, mg/m3; IR為呼吸頻率,m3/d; EF為暴露頻率,取值為350d/a; ED為暴露年限,a;BW為平均體重,kg;AT為平均暴露時(shí)間,d.各參數(shù)取值見表2:

表2 痕量金屬日平均暴露量計(jì)算參數(shù)含義及取值

非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)以風(fēng)險(xiǎn)商值(q)衡量,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)定義為某元素日均攝入劑量(ADD)與日參考攝入劑量(RfD)的比值.危險(xiǎn)指數(shù)(HI)是計(jì)算的危險(xiǎn)商值(q)的總和[38],也是用來評估痕量金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn).q<0,表明該痕量金屬不存在非致癌風(fēng)險(xiǎn), 0.1￡q￡1(且HI￡1)的值表示該痕量金屬存在潛在非致癌風(fēng)險(xiǎn),而q>1(且HI>1)的值表明痕量金屬存在非致癌風(fēng)險(xiǎn).公式如下:

表2 痕量金屬經(jīng)呼吸途徑進(jìn)入人體的劑量一反應(yīng)參數(shù)

Table 2 RfD and CSF values of trace metals used in this study

此外為了評估致癌風(fēng)險(xiǎn),將痕量金屬的LADD乘以癌癥斜率因子[39](CSF);(kg·d/mg)以獲得終身增量致癌風(fēng)險(xiǎn)(ILCR),公式如下:

對于致癌風(fēng)險(xiǎn),ILCR可接受的水平是10-4~10-6,當(dāng)ILCR<10-6時(shí)[40],該痕量金屬不存在致癌風(fēng)險(xiǎn),如果10-6￡ILCR￡10-4則存在致癌風(fēng)險(xiǎn),若ILCR>10-4那么該痕量金屬一定存在致癌風(fēng)險(xiǎn).

2 結(jié)果與討論

2.1 痕量金屬元素的時(shí)空分布特征

在觀測期間,西安、烏魯木齊、洛陽和蘭州4個(gè)城市PM2.5總體濃度均值為(107.54±70.52),(157.55±135.0),(129.32±85.15),(112.88±59.115μg/m3). 是我國PM2.5國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限值(35μg/m3)的3倍以上.與國內(nèi)其他城市相比,遠(yuǎn)高于上海[42]和廣州[43],均低于成都[44],除了烏魯木齊,略低于北京[45]. 除此之外,就PM2.5中痕量金屬的濃度均值相比,本研究的4個(gè)城市都尤其高,綜上與國內(nèi)具有代表性城市相比較,本研究中的這4個(gè)城市大氣細(xì)顆粒物污染較為嚴(yán)重,而且 PM2.5中痕量重金屬元素也處于較高水平.

圖1 4個(gè)城市四季痕量金屬濃度

由4個(gè)城市的痕量金屬元素(As、Cd、Cr、Ni、V、Cu、Pb、Zn、Mn)的年均濃度來看,西安市的各痕量金屬平均濃度大小為Mn>Zn>As>V>Ni>Cu> Cr>Pb>Cd,可見Mn(主導(dǎo)痕量金屬)高達(dá)0.68μg/m3, Han[46]的研究中Mn濃度高達(dá)0.69μg/m3,結(jié)果基本一致;烏魯木齊市的平均濃度呈Zn>Ni>As>Mn> Cu>Cd>Cr, Zn為主導(dǎo)痕量金屬濃度為0.67μg/m3,Ni污染程度也較高,可能由于烏魯木齊是我國主要的Ni產(chǎn)地[47],與相關(guān)研究中對烏魯木齊市金屬的分析結(jié)果相似[48];洛陽市全年平均濃度Pb>Ni>Zn>Cd> Mn>As>Cu>Cr>V,Pb濃度最高,為0.42μg/m3;蘭州市平均濃度Pb>Cd>Zn>Ni>Mn>V>Cr>Cu>As,主導(dǎo)痕量金屬元素為Pb,這與有關(guān)研究結(jié)果相符[49],而Lin等[50]的研究結(jié)果痕量金屬中Zn濃度最高,其次為Pb.綜上分析可以得出,痕量金屬在空間分布上存在差異.還可發(fā)現(xiàn)痕量金屬Zn、Ni以及Mn在每個(gè)城市的含量都較高,尤其是Zn,其在西安、烏魯木齊、洛陽、蘭州的年均濃度依次為0.47,0.67,0.42,0.46μg/ m3.而Cu和V的含量都較低(洛陽市最低).此外各痕量金屬在各城市含量也存在著較大差異,如西安市與其他城市相比,As、Cd、V以及Mn年均濃度最高,而Zn和Pb濃度分別在烏魯木齊和蘭州最高.總之,從全年濃度平均值來看,各城市濃度最高的痕量金屬元素存在差異,單個(gè)痕量金屬元素的空間分布也存在著差異.

圖1是9種痕量金屬元素(As、Cd 、Cr、Ni、V、Cu、Pb、Zn、Mn)春夏秋冬四季的平均濃度情況.由以上的全年平均濃度分析可知西安、烏魯木齊、洛陽以及蘭州的主導(dǎo)痕量金屬依次為Mn、Zn、Pb、Pb.而西安市的主導(dǎo)痕量金屬M(fèi)n在春夏秋冬4個(gè)季節(jié)的平均濃度呈現(xiàn)春季(0.97μg/m3)>夏季(0.67μg/m3)>冬季(0.57μg/m3)>秋季(0.52μg/m3).其次烏魯木齊市主導(dǎo)痕量金屬Zn濃度秋季(1.78μg/ m3)>春季(0.53μg/m3)>夏季(0.47μg/m3)>冬季(0.35μg/m3),可以看出冬季濃度特別低.洛陽市的主導(dǎo)痕量金屬Pb的四季平均濃度高低依次為秋季(0.55μg/m3)>春季(0.49μg/m3)>夏季(0.36μg/m3)>冬季(0.30μg/m3),四季差異很小.蘭州市主導(dǎo)痕量金屬也是Pb,其平均濃度春季(0.76μg/m3)>秋季(0.54μg/m3)>冬季(0.52μg/m3)>夏季(0.48μg/m3),四季差異也不是很大.綜上可以得出,每個(gè)城市的主導(dǎo)痕量金屬在不同季節(jié)存在著一定差異尤其在烏魯木齊市差異最大.

同時(shí)由圖還可得出每種痕量金屬在各城市的不同季節(jié)也有較大的差異性.整體看,痕量金屬在蘭州市4個(gè)季節(jié)都有明顯的差異,而在烏魯木齊市以及西安市各季節(jié)差異并不是很大.如Cd在洛陽市的四季差異不大,在蘭州市明顯呈現(xiàn)秋季>春季>冬季>夏季,而對于烏魯木齊市的春季,Cr明顯較低;對于Zn,烏魯木齊市的秋季濃度特別高,而蘭州市和洛陽市春季偏高;Mn的平均濃度在西安市的春夏冬秋季遞減.

2.2 城市間顆粒物中痕量金屬的組成

由表3可知,研究期間春季的結(jié)果可以看出,西安與烏魯木齊的CD值比較低(小于0.2),可認(rèn)為兩座城市之間顆粒物中的痕量金屬組成相似,其余的CD值也都在0.4以下,那么其組成可能相似.在夏季,西安與洛陽、烏魯木齊與洛陽、洛陽與蘭州的CD值均處于0.2~0.5之間,其余的低于0.2;秋季的CD值都高于0.2,特別是西安與洛陽、烏魯木齊與洛陽、洛陽與蘭州的CD值均高于0.4;冬季烏魯木齊與蘭州的CD值為0.0895(低于0.1),可認(rèn)為它們之間冬季大氣顆粒物中的痕量金屬組成極可能相似,烏魯木齊與洛陽、洛陽與蘭州CD值卻比較高.

表3 城市之間各季節(jié)的分歧系數(shù)

注:X、W、L1、L2分別代表西安、烏魯木齊、洛陽、蘭州.加粗的值為>0.3.

通過以上各城市間的比較發(fā)現(xiàn),洛陽(L1)與其他城市顆粒物中的痕量金屬的組成都有較大區(qū)別,而西安與烏魯木齊、蘭州則有較大的相似性.

2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

圖2與圖3代表4城市樣品中部分痕量金屬(As、Cd、Cr、Ni、V、Cu、Pb、Zn、Mn)對成人以及兒童的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn).

從非致癌風(fēng)險(xiǎn)方面分析,由圖中可以得出9種痕量金屬的q在成人中呈現(xiàn)出Cr>As>Cd>Pb> V>Mn>Cu>Ni>Zn的規(guī)律,在兒童中呈現(xiàn)出Cr>Pb> As>Cd>Mn>Cu>V>Ni>Zn(除了烏魯木齊市和西安市中As>Cd).通過對比兒童和成人的q值,非致癌痕量金屬(Zn,、Cu、Pb,、Mn)體現(xiàn)在兒童的q值都明顯高于成人,致癌痕量金屬(Ni, Cr、Cd、V和 As)則相反,體現(xiàn)在成人的q值明顯高于兒童.除Cr外,每種痕量金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)都低于安全水平(q=1),Cr有著最高的q值,其成年人q分別為1.35、1.10、1.28、1.19,兒童的為0.785、0.642、0.744、0.696,說明Cr在成人中體現(xiàn)著顯著的非致癌風(fēng)險(xiǎn);不論是成人還是兒童,Zn的q值均最小.對于成年人,痕量金屬的q總值高于安全水平(HI=1),表明這9種痕量金屬對成人具有累積的非致癌作用.

圖2 4個(gè)城市成人的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

圖3 4個(gè)城市兒童的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

在致癌風(fēng)險(xiǎn)方面,ILCR值可以評價(jià)致癌痕量金屬(As、Cd、Cr以及Ni)的致癌作用[36].該4個(gè)城市的致癌痕量金屬的ILCR值在成年和兒童均為Cr>As>Cd>Ni.除了金屬Ni, As、Cd、Cr的ILCR值不管是成人還是兒童都高于10-4(可承受風(fēng)險(xiǎn)值).而Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)最大,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可承受風(fēng)險(xiǎn)水平,而且成年人的ILCR值均高于兒童;而Ni的ILCR值處于10-6~10-4之間.金屬Cr在蘭州、洛陽、烏魯木齊以及西安這4個(gè)城市的成人ILCR值分別為1.58×10-3,1.29×10-3,1.50×10-3,1.40×10-3,兒童的致癌風(fēng)險(xiǎn)ILCR值為9.24×10-4,7.55×10-4,8.75×10-4,8.19× 10-4.若ILCR值￡10-6意味著沒有致癌作用,而ILCR值在10-6~10-4之間時(shí)表明來自某種金屬的致癌作用可以接受,存在著潛在的致癌作用,如果超過可承受風(fēng)險(xiǎn)值(10-4)表明該痕量金屬存在明顯致癌作用[40].結(jié)果表明,金屬As、Cd、Cr的成年人與兒童ILCR值均高于10-4,說明As、Cd、Cr對4個(gè)城市居民具有致癌風(fēng)險(xiǎn),而Ni致癌風(fēng)險(xiǎn)不顯著.最后由所有致癌痕量金屬ILCR得到的總值高于10-4,說明長期暴露于此環(huán)境,通過呼吸途徑對人體的健康存在一定危害,可能會(huì)產(chǎn)生致癌威脅.

在對合肥市地表灰塵重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)的研究[51]中,由呼吸途徑測得的非致癌風(fēng)險(xiǎn),最高的是Cr但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全值,而兒童的總風(fēng)險(xiǎn)值為1.26,該結(jié)果與本研究結(jié)果相近.成都市有關(guān)研究結(jié)果中[21]Mn的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于1,其余均小于1,但HI值為2.7~6.59之間,長期條件下非致癌風(fēng)險(xiǎn)明顯;而致癌金屬As和Cr對成年人的致癌風(fēng)險(xiǎn)均大于10-4.廣州市[52]對大氣重金屬健康評價(jià)中,致癌風(fēng)險(xiǎn)由高到低依次為 As>Cr>Cd>Ni,As和Cr都高于10-6,分別是7.06× 10-6,3.46×10-6.此外在北京市、新鄉(xiāng)市[53]以及南京市[21]的相關(guān)研究中也揭示了Cr與As的致癌作用.但以上城市的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果均低于本研究,通過對比各城市,說明本研究中的4個(gè)中西部典型城市大氣重金屬污染嚴(yán)重的同時(shí)對城市居民的健康也造成一定影響,尤其是金屬Cr的影響較為顯著.

在季節(jié)分布上,Cr的非致癌風(fēng)險(xiǎn)在各城市各季節(jié)均最高.西安市Cr的兒童q值在春夏秋冬分別是0.77、0.60、0.72、0.70,春季>秋季>冬季>夏季,而成年人的四季值均高于1;烏魯木齊市Cr的q冬季>春季>秋季>夏季,尤其是對成年人在春冬季高于1,具有潛在的非致癌風(fēng)險(xiǎn).洛陽市Cr的q值呈現(xiàn)秋季>春季>冬季>夏季,而且成人q值除了夏季,其余均高于1.蘭州市Cr的q值冬季>春季>夏季>秋季,而且對于成年人春冬季的q值也都高于1,說明該城市的Cr在春冬季存在著潛在非致癌風(fēng)險(xiǎn);As的風(fēng)險(xiǎn)商值在西安、洛陽的四季以及烏魯木齊的春冬兩季均高于0.1.

致癌水平的季節(jié)分布上,所有痕量金屬的ILCR值都高于10-6,尤其是As、Cd、Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)超過了安全水平(10-4),說明4個(gè)城市每個(gè)季節(jié)都存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)(不論成人還是兒童).痕量金屬Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)值在4個(gè)城市的春季和冬季較高;而As除了烏魯木齊,四季的ILCR值差異不大;痕量金屬Cd的致癌風(fēng)險(xiǎn)在各城市以及四季的差異較顯著;Ni的致癌風(fēng)險(xiǎn)值最低而且四季差異并不明顯.

3 結(jié)論

3.1 從痕量金屬的時(shí)空分布特征來看,各城市主導(dǎo)痕量金屬存在差異, 西安為Mn、烏魯木齊為Zn、洛陽和蘭州為Pb.除了主導(dǎo)痕量金屬,單個(gè)痕量金屬的空間分布存在差異;從四季分布方面分析,主導(dǎo)痕量金屬在不同季節(jié)也有差異,尤其是在烏魯木齊市差異最大;此外單個(gè)痕量金屬在各城市的不同季節(jié)也具有的差異性,蘭州市的金屬四季差異最顯著.

3.2 從城市間顆粒物中痕量金屬的組成分析結(jié)果來看,洛陽與其他城市顆粒物中痕量金屬的CD值在0.4左右,洛陽與各城市顆粒物中痕量金屬的組成有很大差異, 而西安與烏魯木齊、蘭州兩個(gè)城市的CD值幾乎都小于0.2,則組成相似.

3.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果表明,Cr在蘭州、洛陽、烏魯木齊以及西安的成人q值分別為1.35、1.10、1.28、1.19,兒童的為0.785、0.642、0.744、0.696,而其余痕量金屬q值均小于0.1,非致癌風(fēng)險(xiǎn)普遍較低,但q總值高于1,表明這9種痕量金屬對成人具有累積的非致癌作用;在致癌風(fēng)險(xiǎn)方面,致癌痕量金屬的ILCR值除了Ni,ILCR 值均大于10-4,且成人和兒童表現(xiàn)為Cr>As>Cd>Ni,且成人高于兒童,其中Cr最高,在這4個(gè)城市的成人ILCR值分別為1.58× 10-3,1.29×10-3,1.50×10-3,1.40×10-3,兒童為9.24×10-4, 7.55×10-4,8.75×10-4,8.19×10-4.健康風(fēng)險(xiǎn)的季節(jié)性分析結(jié)果表明,各城市Cr非致癌風(fēng)險(xiǎn)在各季節(jié)均最高;致癌痕量金屬的ILCR值都高于10-6對各城市各季節(jié)均存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn),其中冬春季As和Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)較高.

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Temporal-spatial variation and health effects of trace metals in PM2.5in four central-western cities of China.

XING Qiong-yu, DAI Qi-li, BI Xiao-hui*, WU Jian-hui, ZHANG Yu-fen, TIAN Ying-ze, FENG Yin-chang

(Nankai University, College of Environmental Science and Engineering, State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Pollution Prevention and Control, Tianjin 300350, China)., 2019,39(2)：574~582

To investigate the regional distribution, seasonal variation and health effects of trace metals in atmospheric fine particles, PM2.5samples were collected from four central-western cities in China (Xi'an, Urumqi, Luoyang and Lanzhou). The concentrations of nine trace metals (V, Cr, Cd, Mn, Ni, Cu, Zn, As and Pb) in PM2.5was measured by ICP-AES (inductively coupled plasma atomic emission spectrometry). The predominant trace metals during sampling campaigns were Mn, Zn, Pb, and Pb in Xi'an, Urumqi, Luoyang, and Lanzhou, respectively. The spatial-temporal variations of these predominant trace metals were varied with cities. In addition, the other trace metals presented different spatial distributions and seasonal variation patterns. The spatial difference of the particulate trace metals was further explored by using the coefficient of divergence analysis. The composition of trace metals in Luoyang and various urban particles was very different. Because the CD value of trace metals in Luoyang and other urban particles was about 0.4.But the CD values of Xi'an and Urumqi and Lanzhou were almost less than 0.2. The composition was similar. Health risk assessment showed that Cr had both significant carcinogenic and non-carcinogenic risk effects to adults. The carcinogenic risks of Cd and As to residents of the four cities were more significant than other metals, while Ni had no obvious effects. There was a certain threat to human health in the research environment for a long-term. Moreover,the health risks of trace metals to the public showed seasonal variation patterns. The ILCR values of all trace metals were higher than 10-6, As, Cd and Cr had a cancer risk that exceeded the safety level (10-4), with the highest cancer risks of Cr and As occurred in the spring and winter. The results highlighted that there is a certain threat to the residents in the case of subjecting to a long-term exposure.

PM2.5；trace metals；temporal and spatial distribution variation；health risk assessment

X513

A

1000-6923(2019)02-0574-09

邢瓊予(1993-),女,河南鄭州人,南開大學(xué)碩士研究生,主要研究方向大氣顆粒物源解析技術(shù).發(fā)表論文1篇.

2018-07-05

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)

* 責(zé)任作者, 副教授, bixh@nankai.edu.cn