典型石油城市道路積塵重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

阿迪萊·伊斯馬伊力 麥麥提吐爾遜·艾則孜,2# 靳萬(wàn)貴 阿地拉·艾來(lái)提

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆師范大學(xué)新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

道路積塵也稱地表灰塵，是城市環(huán)境顆粒物的一種富集體[1]。道路積塵作為城市交通、工業(yè)、建筑以及大氣沉降等影響下產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)，通常附著或沉積于城市不同的下墊面上，通過呼吸吸入、皮膚接觸、手-口攝入等途徑進(jìn)入人體逐漸積聚，并在降水影響下進(jìn)入城市土壤及水環(huán)境中，威脅城市生態(tài)系統(tǒng)平衡,并危害人體健康[2-3]。

為保護(hù)城市環(huán)境與居民身體健康，相關(guān)學(xué)者對(duì)城市道路積塵重金屬污染及潛在風(fēng)險(xiǎn)開展了大量研究[4]，并取得了豐富的研究成果。白澤琳等[5]分析了蘭州市城關(guān)區(qū)道路積塵中的Cu、Zn、Cd、Cr和Pb等的污染風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論兒童還是成人，手-口攝入是道路積塵主要暴露途徑，Cr和Pb是蘭州市城關(guān)區(qū)道路積塵主要的健康風(fēng)險(xiǎn)因子。常靜等[6]對(duì)上海中心城區(qū)道路積塵中Pb、Cr、Ni、Cu、Zn和Cd 6種重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)6種元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)都在風(fēng)險(xiǎn)閾值內(nèi)，手-口攝入是健康風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑。曹治國(guó)等[7]分析了北京市室內(nèi)外6種重金屬元素粒徑分布規(guī)律和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)不同粒徑的道路積塵中6種重金屬元素的非致癌健康風(fēng)險(xiǎn)均可忽略。王碩等[8]探討了中國(guó)道路積塵中Cr、Cu、Pb、Zn和Cd 5種重金屬元素的空間分布特征及各省份的富集狀況，發(fā)現(xiàn)中國(guó)道路積塵中重金屬元素含量普遍較高，不同區(qū)域道路積塵重金屬含量差異較大。

近年來(lái)，石油開采區(qū)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)倍受關(guān)注[9-12]。油田原油中含有幾十種重金屬元素，其中包括Cd、Cr、Pb和Hg等生物毒性強(qiáng)的重金屬元素。在原油的開采、加工與運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的石油污染物，經(jīng)過各種途徑在生態(tài)系統(tǒng)間循環(huán)，對(duì)周圍的土壤、水體和大氣環(huán)境安全帶來(lái)威脅[13-14]?？死斠烙吞锸切轮袊?guó)成立后開發(fā)建設(shè)的第一個(gè)大油田，原油產(chǎn)量居中國(guó)陸上油田第4位。該地區(qū)石油開采和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的石油污染物已對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了污染[15-16]?；诖?，本研究以克拉瑪依市為研究區(qū)，分析克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg共6種重金屬元素的含量與污染水平，采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，分析重金屬污染的潛在人體健康風(fēng)險(xiǎn)，以此來(lái)探討石油開發(fā)背景下，城市道路積塵重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，為石油城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，是中國(guó)重要的石油石化基地，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)油氣田25座，石油地質(zhì)儲(chǔ)量約18.3億t[17]?？死斠朗兄鞒菂^(qū)總面積53 km2，氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶愿珊禋夂?，多年平均氣溫約8.6 ℃，多年平均降水量約169 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 692 mm，地勢(shì)為西北高、東南低，平均海拔約400 m[18]。該區(qū)域土壤類型主要為棕鈣土、荒漠灰鈣土和灰棕壤。

2 材料與方法

2.1 道路積塵樣品采集與測(cè)定

于2018年9—10月在克拉瑪依市進(jìn)行了道路積塵樣品采樣，共采集了52個(gè)道路積塵樣品，采樣點(diǎn)分布見圖1。在采集樣品過程中，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行了均勻布點(diǎn)，用簸箕、毛刷等非金屬類工具掃取樣品并除掉其中混雜的小石子等雜物，將樣品放入聚乙烯自封袋。所有樣品經(jīng)過自然風(fēng)干，通過100目尼龍篩后委托新疆維吾爾自治區(qū)分析測(cè)試研究院測(cè)定As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg含量。重金屬含量測(cè)定過程中按國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(GSS-12)和重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，各元素回收率均在允許范圍內(nèi)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 The location of study area and sampling points

2.2 污染評(píng)價(jià)方法

采用地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)克拉瑪依市道路積塵重金屬污染水平。地質(zhì)累積指數(shù)計(jì)算見式(1)：

Igeo=log2[Csoil/(1.5B)]

(1)

式中：Igeo為重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)；Csoil為道路積塵中重金屬質(zhì)量濃度，mg/kg；B為重金屬的參考背景值，mg/kg，本研究以新疆土壤背景值[19]為參考背景值；1.5為因巖石差異引起背景值變化的校正系數(shù)。

Igeo污染水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Igeo≤0為無(wú)污染；05為極強(qiáng)污染。

2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.3.1 模型與參數(shù)選擇

采用USEPA人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，分別計(jì)算研究區(qū)道路積塵中6種重金屬對(duì)兒童和成人的手-口攝入途徑日平均暴露量(CDIing，mg/(kg·d))、呼吸吸入途徑日平均暴露量(CDIinh，mg/(kg·d))、皮膚接觸途徑日平均暴露量(CDIder，mg/(kg·d))[20]。CDIing、CDIinh、CDIder計(jì)算分別見式(2)至式(5)。

(2)

(3)

(4)

式中：Ring為手-口攝入頻率，mg/d；CF為轉(zhuǎn)換系數(shù)，kg/mg；EF為暴露頻率，d/a；ED為暴露期，a；BW為人群標(biāo)準(zhǔn)體重，kg；AT為重金屬平均暴露時(shí)間，d；Rinh為呼吸頻率，m3/d；PEF為積塵排放因子，m3/kg；SA為暴露皮膚表面積，cm2；AF為皮膚黏附系數(shù)，mg/(cm2·d)；ABS為皮膚吸收因子。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]、[22]及相關(guān)研究成果[23-24]，確定本研究健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)值。

2.3.2 人體健康風(fēng)險(xiǎn)表征

As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對(duì)人體健康有非致癌風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)各元素的日平均暴露量(CDI，mg/(kg·d))及對(duì)應(yīng)參考劑量(RfD，mg/(kg·d))計(jì)算非致癌風(fēng)險(xiǎn)熵(HQ)及綜合非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(HI)，計(jì)算公式見式(5)、式(6)：

(5)

(6)

式中：HQi為第i種重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)熵。

當(dāng)HI<1時(shí)，表示可以忽略非致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)HI>1時(shí)，表示存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)[25]。

As、Cd、Cr具有一定致癌風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)3種元素的CDI及致癌斜率系數(shù)(SF，(kg·d)/mg)計(jì)算致癌風(fēng)險(xiǎn)熵(CR)及致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(TCR)，計(jì)算公式見式(7)、式(8)：

CR=CDI×SF

(7)

(8)

式中：CRi為第i種重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)熵。

當(dāng)TCR≤10-6時(shí)，認(rèn)為重金屬元素致癌風(fēng)險(xiǎn)可以忽略，TCR=10-4為最大可接受致癌風(fēng)險(xiǎn)水平。各重金屬元素的RfD和SF取值參考文獻(xiàn)[26]、[27]。

3 結(jié)果與分析

3.1 道路積塵中重金屬含量特征

克拉瑪依市道路積塵重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1?？梢钥闯?，道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg質(zhì)量濃度分別為9.03～107.00、0.05～4.10、32.00～94.70、16.90～186.00、12.70～51.30、0～0.160 mg/kg。As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg平均值分別為18.12、0.21、48.81、39.92、23.98、0.050 mg/kg，分別為新疆土壤背景值的1.62、1.75、0.99、1.50、1.24、2.94倍。雖然Cr的平均值低于新疆土壤背景值，但Cr的最大值為新疆土壤背景值的1.92倍。

As、Cd、Cu、Hg的CV分別為0.76、2.74、0.67、0.75，呈現(xiàn)強(qiáng)變異，表明這4種元素可能受局部污染源的影響明顯。Cr、Pb的CV分別為0.20、0.35，呈現(xiàn)中等變異，表明Cr、Pb受外界影響較小。道路積塵中所有重金屬元素的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)總體較高，表明研究區(qū)道路積塵中6種重金屬元素處于較高的積累狀況。

3.2 道路積塵中重金屬污染特征與空間分布格局

克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的Igeo統(tǒng)計(jì)見表2。由表2可見，6種重金屬元素Igeo平均值排序?yàn)镠g>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整體看來(lái)，研究區(qū)道路積塵中Hg為輕度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd無(wú)污染。Cd的Igeo最大值為4.51，達(dá)到強(qiáng)到極強(qiáng)污染水平。As、Cu、Hg的Igeo最大值分別為2.67、2.22、2.60，表現(xiàn)為中到強(qiáng)污染。Cr、Pb的Igeo最大值分別為0.36、0.82，均為輕度污染。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，52個(gè)道路積塵樣品中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg為無(wú)污染(Igeo≤0)的樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的65.38%、88.46%、98.08%、69.23%、80.77%、38.46%，呈現(xiàn)輕度污染(0

利用Arc GIS 10.3軟件繪制克拉瑪依市道路積塵中6種重金屬元素Igeo的空間分布圖(見圖2)。由圖2可見，6種重金屬元素Igeo的空間分布規(guī)律具有一定的差異?？傮w上，As、Cu、Hg的Igeo空間分布規(guī)律比較相似，呈現(xiàn)較明顯的地帶性分布規(guī)律。As、Cu、Hg的Igeo高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)西北部，向東南方向總體呈減小趨勢(shì)。相關(guān)研究表明，城市道路積塵中Hg來(lái)源復(fù)雜，主要受化石燃料燃燒、電子工業(yè)以及生活垃圾的影響[28]。STERNBECK等[29]研究表明，城市道路積塵中Hg主要來(lái)自人為源，與商業(yè)、交通和家庭活動(dòng)有關(guān)。此外，Cu、As與交通排放和日常生活來(lái)源相關(guān)[30-33]。機(jī)動(dòng)車剎車塊及其他零件的磨損、尾氣的排放等交通活動(dòng)是道路積塵Cu、Hg元素來(lái)源之一[34]。通過以上分析，認(rèn)為研究區(qū)道路積塵中As、Cu、Hg的污染分布格局主要受研究區(qū)交通運(yùn)輸、日常生活與商業(yè)活動(dòng)影響。Cd的Igeo空間分布較為離散，出現(xiàn)兩個(gè)同心圓狀分布格局。研究區(qū)道路積塵中Cd的平均值為新疆土壤背景值的1.75倍，污染較明顯，很可能有外來(lái)污染物的影響。蔣炳言等[35]的研究表明，城市道路積塵中Cd來(lái)源極其復(fù)雜，其主要來(lái)源為建筑物涂層脫落和墻面維修、多源大氣排放、電鍍金屬腐蝕以及城市綠地中長(zhǎng)期使用含Cd肥料等?？死斠朗蠧d的Igeo高值區(qū)為主要工業(yè)區(qū)和G30國(guó)道、S201省道交匯處，因此認(rèn)為Cd污染分布格局主要受到研究區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)挠绊?。Pb、Cr的Igeo呈現(xiàn)均勻分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表現(xiàn)為輕度污染，其他區(qū)域表現(xiàn)為無(wú)污染。道路積塵中Cr的Igeo在整個(gè)研究區(qū)表現(xiàn)為無(wú)污染態(tài)勢(shì)。從Pb、Cr的污染水平與污染分布格局可以看出，研究區(qū)道路積塵中這兩種元素污染分布主要受到城市土壤成土母質(zhì)等自然因子的影響。

表1 克拉瑪依市道路積塵中重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)1)

表2 道路積塵中重金屬的Igeo

3.3 道路積塵中重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.3.1 非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

克拉瑪依市道路積塵中重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)熵計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，道路積塵中重金屬對(duì)成人、兒童的HI分別為0.15、0.88，兒童略高于成人；6種重金屬元素的HQ排序?yàn)锳s>Cr>Pb>Cu>Cd>Hg；對(duì)成人來(lái)說，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對(duì)HI的貢獻(xiàn)率分別為63.88%、0.47%、26.73%、1.08%、7.69%和0.20%；對(duì)兒童來(lái)說，道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對(duì)HI的貢獻(xiàn)率分別為66.11%、0.41%、24.35%、1.11%、7.82%、0.20%；手-口攝入是非致癌風(fēng)險(xiǎn)的主要暴露途徑，成人、兒童在手-口攝入途徑下暴露的非致癌風(fēng)險(xiǎn)分別為占HI的88.44%、92.16%。綜上可知，研究區(qū)道路積塵中重金屬對(duì)成人、兒童的非致癌風(fēng)險(xiǎn)在可接受風(fēng)險(xiǎn)水平范圍內(nèi)，As是克拉瑪依市道路積塵中主要的非致癌風(fēng)險(xiǎn)元素。

3.3.2 致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估見表4。由表4可知，道路積塵中As、Cd和Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)锳s>Cr>Cd。成人、兒童的TCR分別為2.75×10-5、4.25×10-5，兒童略高于成人。道路積塵中Cd對(duì)TCR的貢獻(xiàn)率可以忽略不計(jì)，As、Cr對(duì)成人TCR的貢獻(xiàn)率分別為52.60%、47.40%，對(duì)兒童TCR的貢獻(xiàn)率分別為52.85%、47.15%?？梢姡死斠朗械缆贩e塵中As產(chǎn)生的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)最大。與非致癌風(fēng)險(xiǎn)的暴露途徑相同，手-口攝入為重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)主要暴露途徑，呼吸吸入途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn)最小。成人、兒童的TCR均小于10-4，屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，因此可以認(rèn)為克拉瑪依市道路積塵中重金屬對(duì)人群不具有致癌風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 克拉瑪依市道路積塵重金屬Igeo空間分布Fig.2 Spatial distribution of Igeo of heavy metals in road dust in Karamay

表3 道路積塵重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估1)

注：1)HQing、HQinh、HQder分別為手-口攝入途徑、呼吸吸入途徑及皮膚接觸途徑下的非致癌風(fēng)險(xiǎn)熵。

表4 道路積塵重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估1)

注：1)CRing、CRinh、CRder分別為手-口攝入途徑、呼吸吸入途徑及皮膚接觸途徑下的致癌風(fēng)險(xiǎn)熵。

4 結(jié) 論

(1) 克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的平均值分別為新疆土壤背景值的1.62、1.75、1.50、0.99、1.24、2.94倍。6種重金屬元素的Igeo平均值排序?yàn)镠g>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整體看來(lái)，研究區(qū)道路積塵中Hg為輕度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd無(wú)污染。

(2) 總體上，As、Cu、Hg的Igeo從西北向東南呈減小趨勢(shì)；Cd的Igeo空間分布較為離散，出現(xiàn)兩個(gè)同心圓狀分布格局；Pb、Cr的Igeo呈現(xiàn)均勻分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表現(xiàn)為輕度污染，其他區(qū)域表現(xiàn)為無(wú)污染，Cr的Igeo在整個(gè)研究區(qū)表現(xiàn)為無(wú)污染態(tài)勢(shì)。As、Cu、Hg主要受研究區(qū)交通運(yùn)輸、日常生活與商業(yè)活動(dòng)影響，Cd主要受到研究區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)挠绊?，Cr、Pb主要受到城市土壤成土母質(zhì)等自然因子的影響。

(3) 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，克拉瑪依市道路積塵重金屬污染的非致癌風(fēng)險(xiǎn)與致癌風(fēng)險(xiǎn)均屬于安全水平，兒童受到的健康危害大于成人，手-口攝入途徑為道路積塵重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)主要暴露途徑。道路積塵中As含量對(duì)非致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率最大，是克拉瑪依市道路積塵中主要的健康風(fēng)險(xiǎn)元素。