南充交警大氣PM2.5個體暴露水平及健康風(fēng)險評價

郭佳靈，李友平，梁時軍，羅利萍，唐 婭

(1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637009;2.南充市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 南充 637000)

1 前 言

大氣顆粒物是我國當(dāng)前最主要的大氣污染物之一[1]。2010年全球疾病負(fù)擔(dān)評估報告[2]指出，空氣污染對中國境內(nèi)的死亡率和對人體的整體健康負(fù)擔(dān)排名均為第4位，僅次于飲食、高血壓和吸煙。大氣環(huán)境PM2.5濃度增加與人群呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病和免疫功能損傷等密切相關(guān)[3～5]，因而準(zhǔn)確評估PM2.5暴露水平對分析人群健康具有重要作用。大氣PM2.5是城市空氣主要的污染物之一[6]，而交通污染源是城市空氣污染的主要來源[7]。在各種來源的PM2.5中，機(jī)動車產(chǎn)生的PM2.5對人群非意外死亡會較大影響[8]。研究表明[9]，交通干道附近300～500m是最易受到機(jī)動車尾氣PM2.5污染的地方，交警總是在交通繁忙的路口工作。因此，長期暴露在PM2.5高污染環(huán)境中的交警無疑是PM2.5個體暴露的直接危險人群[10]。雖然我國已對PM2.5個體暴露濃度及環(huán)境濃度進(jìn)行對比分析的研究[11-12]，研究是利用大氣環(huán)境監(jiān)測站的數(shù)據(jù)來評價人群大氣污染物暴露情況，但是人群的生活習(xí)慣或個體差異或與監(jiān)測站點的距離等因素均可能使人群實際暴露濃度被高估或者低估[13]。

本研究以南充市區(qū)5個交通干道執(zhí)勤交警為監(jiān)測對象，雙肩包中放置大氣PM2.5個體暴露采樣器的志愿者跟隨執(zhí)勤交警，同時使用監(jiān)測儀和濾膜采集PM2.5樣品，用于分析樣品中的化學(xué)成分，并根據(jù)結(jié)果做健康風(fēng)險評價,探討南充城區(qū)交警PM2.5個體暴露水平以及PM2.5可能會對交警造成的健康損害，為防治PM2.5污染提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 采樣點

南充位于四川盆地東北部，地處嘉陵江中游，介于北緯30°35～31°51，東經(jīng)105°27～106°28之間，南北跨度165 km，東西跨度143 km。截至2015年年底，南充全市機(jī)動車保有量達(dá)748,329輛，因此研究交警PM2.5個體暴露水平以及PM2.5對交警身體健康的影響很有必要。根據(jù)南充市城區(qū)交通分布情況，選擇5個交通干道上執(zhí)勤交警作為監(jiān)測對象。避免掃地、焚燒樹葉等特殊情況的干擾。

2.2 采樣方法

于2013年7月連續(xù)10 d，利用數(shù)字直讀式Microdust pro顆粒物測定儀(Casella)監(jiān)測交警PM2.5個體暴露濃度，高度距離地面1.5m；同時使用個體暴露采樣器(SKC)以及直徑37mm特氟龍濾膜采集PM2.5。采樣時間與交警工作時間一致，為每天上午8∶00～12∶00，下午14∶00～18∶00，共計8 h。記錄溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因素。

2.3 分析方法

2.3.1 成分分析

采樣后將樣品置于干燥器內(nèi)干燥，采樣前后采用百萬分之一的電子天平進(jìn)行稱量，測定濾膜于采樣時間內(nèi)吸附的空氣細(xì)顆粒質(zhì)量，計算大氣PM2.5個體暴露濃度。稱量后將樣品密封保存在-4℃的冰箱中以待實驗分析。將樣品送至中國科學(xué)院氣溶膠化學(xué)與物理重點實驗室，使用能量色散X射線熒光光譜儀(ED-XRF)對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析。本次實驗共分析Fe、Zn、Mn、Pb、Sb、Ni、Cu、Cr、Co和V等10種元素。質(zhì)控(QC)程序參照美國的SRM校準(zhǔn)XRF儀器，質(zhì)保(QA)過程通過在每組分析中至少重復(fù)測定一個樣品,以保證測量準(zhǔn)確度和精確度，具體分析過程詳見參考文獻(xiàn)[14]。

2.3.2 健康風(fēng)險評價模型

本研究主要考慮呼吸途徑，將通過手口攝入以及皮膚接觸產(chǎn)生的健康風(fēng)險忽略，因此本研究計算出來的健康風(fēng)險會比實際值偏小[15]。本研究采用美國環(huán)保局(US EPA)推薦的健康風(fēng)險評價模型，在符合實際的情況下根據(jù)《中國人群暴露參數(shù)手冊》對模型的部分參數(shù)進(jìn)行修正。使用健康風(fēng)險評價模型對交警PM2.5個體暴露樣品中V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sb和Pb等10種元素對交警產(chǎn)生的健康風(fēng)險進(jìn)行評價。

非致癌物質(zhì)通常用日均暴露劑量(average daily dose，ADD)表示，致癌物質(zhì)通常用終生日均暴露劑量(life average daily dose，LADD)表示。

(1)

(2)

式中，ADD為日均暴露劑量(mg/kg·d),LADD為終生日均暴露劑量(mg/kg·d)。其他參數(shù)具體取值見表1。

表1 經(jīng)呼吸途徑進(jìn)入人體的暴露參數(shù)Tab.1 Exposure parameters that enter the human body through respiratory pathwav

注：95% UCL為平均值的95%置信上限。

對于非致癌物質(zhì)，根據(jù)日均暴露劑量(ADD)，以HQ(危險系數(shù))作為健康風(fēng)險評估的衡量指標(biāo)，得到單一污染物非致癌風(fēng)險，計算公式如下:

(3)

式中：RfD為參考劑量，mg/(kg·d)，表示每天每kg人體攝取重金屬元素不會引起人體不良反應(yīng)的污染物最大量；HQ數(shù)值的大小表示風(fēng)險的大小。當(dāng)HQ≤1,風(fēng)險較小或可以忽略；當(dāng)HQ>1時，存在非致癌風(fēng)險。

對于致癌物質(zhì)，根據(jù)終身日均暴露劑量(LADD)，可以得到其致癌風(fēng)險，以ILCR表示，計算公式如下：

ILCR=LADD×SF

(4)

式中：ILCR為終身增量致癌風(fēng)險，表示人群癌癥發(fā)生的概率；若ILCR在10-6～10-4之間，認(rèn)為該物質(zhì)不具備致癌風(fēng)險；SF為經(jīng)呼吸暴露的致癌斜率系數(shù)，單位為[mg/(kg·d)]-1,表示人體暴露于一定劑量的某種污染物下產(chǎn)生致癌效應(yīng)的最大概率。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 大氣PM2.5個體暴露濃度及氣象因素

交警的PM2.5個體、環(huán)境暴露濃度結(jié)果如圖1所示。在監(jiān)測期間，交警PM2.5個體暴露濃度平均為74.4μg/m3，而環(huán)境濃度平均為42.2μg/m3，個體暴露濃度略低于國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中二級標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值75μg/m3，PM2.5個體暴露濃度為個體高于環(huán)境，個體暴露濃度是環(huán)境濃度的1.7倍。其中，個體暴露濃度超過75μg/m3的天數(shù)為4d，超標(biāo)率為40%；個體暴露最低濃度出現(xiàn)在7月17日，為53μg/m3；個體暴露最高濃度出現(xiàn)在7月13日，為94μg/m3，是個體暴露最低濃度的1.8倍，是國家二級標(biāo)準(zhǔn)75μg/m3的1.3倍。采樣期間大氣PM2.5質(zhì)量濃度、溫度、相對濕度以及風(fēng)速變化見圖2。采樣期間南充市溫度變化范圍為26～38℃，平均溫度為32.5℃。相對濕度變化范圍為50%～94%，平均相對濕度為71.6%。風(fēng)速平均為4km/h。在采樣期間，隨著濕度和風(fēng)速的降低，大氣PM2.5的質(zhì)量濃度升高?？梢缘贸觯髿釶M2.5的質(zhì)量濃度與濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

與上海[16]相比較，南充PM2.5個體暴露濃度高于上海夏季PM2.5濃度，而環(huán)境濃度卻低于上海；與成都市[17]相比，南充PM2.5個體暴露以及環(huán)境濃度均低于成都市夏季的PM2.5日均質(zhì)量濃度(113.5μg/m3)。南充市夏季太陽輻射強(qiáng)烈，邊界層較高，加上降雨對污染物有一定的清除作用，從而使得PM2.5濃度處于較低水平，因而環(huán)境濃度較低。南充多年來汽車保有量持續(xù)增加，汽車尾氣也成為大氣污染的主要來源，因此交警PM2.5個體暴露濃度高于環(huán)境濃度。

圖1 PM2.5個體暴露濃度水平與大氣環(huán)境濃度Fig.1 PM2.5 personal exposure concentration level and atmospheric environment concentration

圖2 PM2.5質(zhì)量濃度與氣象因素Fig.2 PM2.5 mass Concentration and meteorological factors

交警PM2.5個體暴露濃度與氣象因素的相關(guān)性分析結(jié)果，如表2所示。溫度與PM2.5個體暴露濃度有一定的正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不明顯[18]。交警PM2.5個體暴露濃度與風(fēng)速、濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明風(fēng)速、濕度有利于PM2.5個體暴露濃度的降低。高風(fēng)速能夠稀釋和沖散空氣中的污染物，能夠起到降低污染物濃度的作用[19]。李友平等[20]研究表明風(fēng)速能使大約20%不同出行方式中個體暴露濃度產(chǎn)生變化，風(fēng)速每升高1 m/s，小巴和公交車這兩種出行方式的PM2.5個體暴露濃度會分別下降22%和24%。謝宏琴[21]等研究發(fā)現(xiàn)PM2.5個體暴露濃度與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)濕度較高，并伴有降雨[22]時，由于吸濕增長的影響，有利于PM2.5的濕沉降，從而降低其質(zhì)量濃度。

表2 交警PM2.5個體暴露濃度與氣象因素的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between exposure concentration of PM2.5 and meteorological factors

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；
*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 交警PM2.5個體暴露中元素質(zhì)量濃度

交警PM2.5個體暴露中元素質(zhì)量濃度(以ρ計)如表3所示。V、Co的質(zhì)量濃度較低，平均值在0.00～32.20ng/m3范圍內(nèi)，ρ(Fe)最高，為60.19～7061.50ng/m3，占元素總質(zhì)量濃度的77%以上。不同元素個體暴露質(zhì)量濃度順序為：ρ(Fe)>ρ(Zn)>ρ(Mn)>ρ(Pb)>ρ(Sb)>ρ(Ni)>ρ(Cu)>ρ(Cr)>ρ(Co)>ρ(V)?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)中Pb的年平均值為500ng/m3,而PM2.5個體暴露樣品中的Pb濃度為91.25ng/m3，小于標(biāo)準(zhǔn)的限值。在采樣期間，本研究中的10種元素濃度均高于張曉茹[23]的研究結(jié)果，F(xiàn)e元素的質(zhì)量濃度是15.6倍。

表3 交警PM2.5個體暴露中元素質(zhì)量濃度Tab.3 Mass concentration of elemental exposure in traffic police PM2.5 (ng/m3)

為進(jìn)一步說明交警PM2.5個體暴露的污染水平，選取4個城市大氣PM2.5中部分元素的含量與本研究的結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表4所示。與廣州相比，南充交警PM2.5個體暴露樣品中元素濃度均比廣州高；與成都市相比，南充的Mn、Ni、Sb濃度值均高于成都，其余均低于成都市；與上海相比，南充的大部分元素濃度值均高于上海；與北京相比，南充的4種元素濃度均高于北京，但Zn和Pb的濃度低于北京。由此可見，南充交警PM2.5個體暴露污染處于較高水平。

表4 交警PM2.5個體暴露與其他城市大氣PM2.5中元素濃度值比較Tab.4 Comparison of elemental concentration of PM2.5 between the traffic police and atmospheric PM2.5 in other cities in some cities in China (ng/m3)

注：表中“—”表示無數(shù)據(jù)。

3.3 重金屬元素健康風(fēng)險評價

由表5中可知，交警PM2.5個體暴露中的Cr、Mn、Fe等10種元素的非致癌日均暴露劑量ADD[9.18×10-6～7.67×10-4mg/(kg·d)]低于致癌日均暴露劑量LADD[2.80×10-5～1.58×10-3mg/(kg·d)]；非致癌日均暴露劑量ADD從大到小為：Fe>Zn>Mn>Pb>Sb>Ni>Cu>Cr>Co>V，與交警PM2.5個體暴露樣品中元素質(zhì)量濃度大小順序一致。從健康風(fēng)險的角度來看，Mn對交警的非致癌健康風(fēng)險為2.48，大于1，說明交警PM2.5個體暴露中Mn對交警存在非致癌健康風(fēng)險。而長期接觸Mn會引起雷士帕金森綜合癥的神經(jīng)癥狀[28]，應(yīng)當(dāng)予以重視，后期應(yīng)加強(qiáng)對其來源的監(jiān)控與治理。而剩下9種元素的非致癌風(fēng)險系數(shù)在2.83×10-4～4.29×10-1之間，明顯小于US EPA規(guī)定限值1，說明這9種元素的非致癌風(fēng)險較低或可以忽略，不會對南充市交警造成健康危害。非致癌風(fēng)險系數(shù)次序：Mn>Co>Cr>Sb>Pb>Fe>Ni>Cu>V>Zn。

對于致癌金屬，3種致癌重金屬風(fēng)險指數(shù)大小次序為Cr>Co>Ni，風(fēng)險指數(shù)在2.80×10-5～1.58×10-3之間，其中Cr的致癌風(fēng)險指數(shù)為1.58×10-3，超過了規(guī)定區(qū)間10-6～10-4，表明交警PM2.5個體暴露中Cr會對交警產(chǎn)生致癌危害。Cr雖然是人體必需的微量元素，但過多的攝入對人體健康不利。剩下的2種致癌重金屬的致癌風(fēng)險指數(shù)較低，處于可以接受風(fēng)險水平內(nèi)，不會對交警的健康產(chǎn)生致癌危害。此外，研究還發(fā)現(xiàn)重金屬健康風(fēng)險指數(shù)的大小與暴露劑量的大小并不一致，楊忠平等[29]研究發(fā)現(xiàn)重金屬健康風(fēng)險指數(shù)受重金屬毒性影響。

表5 交警PM2.5個體暴露的健康風(fēng)險評價結(jié)果Tab.5 Health risk assessment results of traffic police PM2.5 exposure

4 結(jié) 論

4.1 研究發(fā)現(xiàn)，南充交警PM2.5個體暴露濃度水平明顯高于環(huán)境濃度，PM2.5個體暴露濃度平均為74.4μg/m3，而環(huán)境濃度平均為42.2μg/m3。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，溫度與交警PM2.5個體暴露濃度存在一定程度上的正相關(guān)，風(fēng)速、濕度有利于PM2.5個體暴露濃度降低。

4.2 V、Co的個體暴露濃度較低，平均值在0.00～32.20ng/m3范圍內(nèi)，ρ(Fe)最高，為60.19～7061.50ng/m3。南充交警PM2.5個體暴露污染水平處于較高水平。

4.3 應(yīng)用健康風(fēng)險評價模型研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5個體暴露中Mn對交警有非致癌風(fēng)險，其非致癌風(fēng)險指數(shù)為2.48；而其余9種元素的非致癌風(fēng)險指數(shù)較低，對交警的健康影響在安全閾值內(nèi)。Cr對交警存在致癌風(fēng)險，其致癌風(fēng)險指數(shù)為1.58×10-3，應(yīng)當(dāng)予以重視。