住宅室內(nèi)PM2.5 重金屬污染特征與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

黎志豪 劉建龍 鄒引引 劉麗 梁興露

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院

重金屬是指比重大于5 g/cm3的金屬，包括金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，重金屬在人體中累積達(dá)到一定程度，會(huì)造成慢性中毒。重金屬難以被生物降解，在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中累積，造成慢性中毒。重金屬主要附著在PM2.5 顆粒物上以氣溶膠的形態(tài)進(jìn)入住宅室內(nèi)空氣中，通過呼吸系統(tǒng)影響在室人員的身體健康。由于人們在住宅室內(nèi)停留時(shí)間較長，對(duì)住宅室內(nèi)PM2.5 顆粒物的重金屬元素研究以及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯得尤為重要，本文選取長沙市典型住宅室內(nèi)進(jìn)行PM2.5 檢測，成份分析和重金屬元素的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 典型住宅室內(nèi)PM2.5 濃度檢測與成份的分析

長沙市居民一天中有一半以上的時(shí)間是在住宅室內(nèi)度過[1]。居民在住宅中的停留時(shí)間主要在臥室和客廳活動(dòng)。通過對(duì)住宅不同功能房間進(jìn)行PM2.5 的現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)住宅中廚房和客廳的PM2.5 濃度相對(duì)較高。故客廳PM2.5 濃度對(duì)人體的健康影響值得深入研究，本文選取住宅典型功能房間客廳進(jìn)行PM2.5 檢測與模擬研究?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)室內(nèi)PM2.5 顆粒物中含有大量對(duì)人體有害的重金屬元素。美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）在對(duì)PM2.5 進(jìn)行成分分析中發(fā)現(xiàn)含有As（砷）、Cd（鎘）、Cr（鉻）、Co（鈷）、Hg（汞）、Mn（錳）、Ni（鎳）、Pb（鉛）、Sb（銻）和Se（硒）等10 余種有毒重金屬，分為致癌金屬元素和非致癌金屬元素[2]。其中As，Cd，Cr 和Ni四種重金屬元素通過呼吸途徑暴露導(dǎo)致人群年均超額危險(xiǎn)度較高，存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，屬致癌金屬元素[3]。因此本文在充分考慮不確定性因素的基礎(chǔ)上主要分析住宅室內(nèi)PM2.5 中的As，Cd，Cr 和Ni 等四種元素對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)水平。本實(shí)驗(yàn)采用青島嶗應(yīng)公司的智能型PM2.5 中流量采樣器，對(duì)室內(nèi)空氣中的PM2.5 細(xì)顆粒物進(jìn)行樣品采集。在進(jìn)行室內(nèi)PM2.5 濃度采集時(shí)每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)置平行樣和空白樣進(jìn)行對(duì)照，對(duì)所收集的PM2.5 濃度樣品均在24 h 內(nèi)完成測定，實(shí)驗(yàn)所用的稱重儀器為精度為十萬分之一的精密天平，濾膜均在恒溫恒濕的空調(diào)房間進(jìn)行稱重。通過檢測與成份分析可知Cr、Ni、As、Cd 等四種重金屬元素的有效濃度值如表1 所示。

表1 客廳空氣中PM2.5 中四種致癌重金屬元素濃度（μg/m3）檢測數(shù)據(jù)

2 住宅室內(nèi)健康風(fēng)險(xiǎn)模擬

2.1 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅模擬方法能較好地處理健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不確定性問題[4]。美國國家科學(xué)委員會(huì)和美國環(huán)境保護(hù)署極力促使評(píng)價(jià)人員使用蒙特卡羅模擬方法以及其概率分析工具，作為不確定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和定量分析的使用工具[5]。蒙特卡羅模擬計(jì)算方法[6-7]是使用實(shí)驗(yàn)變量和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的已知概率分布來進(jìn)行重復(fù)計(jì)算得到概率分布的計(jì)算結(jié)果。Crystall ball 仿真軟件結(jié)合Excel 表格來實(shí)現(xiàn)，模擬分析結(jié)果詳細(xì)[8]。蒙特卡羅模擬計(jì)算方法迅速成為一種計(jì)算暴露和風(fēng)險(xiǎn)概率分布的計(jì)算方法[9-10]。

2.2 典型住宅室內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)模型

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型采用的計(jì)算公式分別為式（1）和式（2）所示：

式中：LADD 為表示客廳中污染物質(zhì)的平均日吸入量，mg/(kg·d)；IR 為表示呼吸速率，m3/d，男性呼吸速率為15.6 m3/d，女性呼吸速率為10.8 m3/d；ET 為暴露時(shí)間，經(jīng)過調(diào)查問卷得到男性停留時(shí)間在[1，6]h 范圍內(nèi)，平均值為3.6 h，標(biāo)準(zhǔn)差為1.6 h。女性停留時(shí)間在[1.5，13]h 范圍內(nèi)，平均值為5.1 h，標(biāo)準(zhǔn)差為3.3 h；CA為PM2.5 中致癌金屬元素As、Cd、Cr 和Ni 的濃度水平，mg/m3；EF 為暴露頻率，d/a，在模型輸入變量時(shí)取值為365 d/a；BW 為體重，kg，通過調(diào)查問卷可以得到男性體重范圍為[40，60]kg，平均值為60 kg，標(biāo)準(zhǔn)差為20 kg，女性體重范圍為[35，80]kg，平均值為55 kg，標(biāo)準(zhǔn)差為20 kg；LT 為平均暴露的壽命周期，a，本文主要探討壽命周期內(nèi)的致癌風(fēng)險(xiǎn)率，取70 a 作為一個(gè)壽命周期；PF 為PM2.5 中致癌金屬元素As、Cd、Cr 和Ni的潛在致癌因子，mg/(kg·d)，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)[11-12]可知：Cr 取42 mg/(kg·d)，Ni 取0.84 mg/(kg·d)，As 取20.7 mg/(kg·d)，Cd 取6.3 mg/(kg·d)；LCP 為表示致癌風(fēng)險(xiǎn)水平。

主要探討男性和女性分別在PM2.5 中As、Cd、Cr和Ni 等四種致癌重金屬元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)水平。采用蒙特卡羅模擬，設(shè)定模擬次數(shù)為5000 次[13-15]計(jì)算其致癌風(fēng)險(xiǎn)。

3 典型住宅室內(nèi)致癌風(fēng)險(xiǎn)模擬分析

3.1 男性致癌風(fēng)險(xiǎn)分析

圖1、圖2、圖3、圖4 分別是室內(nèi)客廳環(huán)境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四種重金屬元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)圖，表2 為四種重金屬元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)匯總表。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署提出的細(xì)顆粒物癌癥風(fēng)險(xiǎn)可接受的安全范圍為10-6～10-4，分別對(duì)男性Cr、Ni、As、Cd 致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

表2 男性室內(nèi)健康風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果匯總表

圖1 男性Cr 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖2 男性Ni 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖3 男性As 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖4 男性Cd 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

從圖1 可知，重金屬Cr 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率為4.32×10-4，是平均致癌風(fēng)險(xiǎn)率的2 倍，明顯超出元素致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍，存在較大的致癌風(fēng)險(xiǎn)性。從圖2可知，重金屬Ni 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率為4.9×10-6，是平均致癌風(fēng)險(xiǎn)的2.26 倍，但沒有超過重金屬Ni 致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍。從圖3 可知，重金屬As 的95%發(fā)生的致癌風(fēng)險(xiǎn)率為1.87×10-4，超過了重金屬As 的致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍，存在較大致癌風(fēng)險(xiǎn)。男性重金屬As 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率為平均致癌風(fēng)險(xiǎn)的2.13 倍。從圖4 可知，重金屬Cd 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率約等于1×10-4，是致癌平均值的1.99 倍，存在一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)性。

3.2 女性致癌風(fēng)險(xiǎn)分析

圖5、圖6、圖7、圖8 分別是室內(nèi)客廳環(huán)境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四種重金屬的致癌風(fēng)險(xiǎn)圖，表3 為女性室內(nèi)健康風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果匯總表。

圖5 女性Cr 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖6 女性Ni 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖7 女性As 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

圖8 女性Cd 致癌風(fēng)險(xiǎn)圖

表3 女性室內(nèi)健康風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果匯總表

從圖5 可知，重金屬Cr 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)為2.85×10-4，是平均值的2.23 倍，致癌風(fēng)險(xiǎn)率超過了Cr 的致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍，存在較大的致癌風(fēng)險(xiǎn)。從圖6 可知，重金屬Ni 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)為6.32×10-6，是致癌風(fēng)險(xiǎn)平均值的2.47 倍，致癌風(fēng)險(xiǎn)率在致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍之內(nèi)。從圖7 可知，重金屬As 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)為2.38×10-4，是平均值風(fēng)險(xiǎn)率的2.33 倍，超過了As 的致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍，存在較大的致癌風(fēng)險(xiǎn)。從圖8 可知，重金屬Cd 的95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率為1.25×10-4，是致癌平均值的2.12 倍，超過了Cd 的致癌風(fēng)險(xiǎn)的安全范圍，存在較大的致癌風(fēng)險(xiǎn)性。

3.3 健康風(fēng)險(xiǎn)模型參數(shù)靈敏度分析

利用蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)模擬研究時(shí)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析可以明確試驗(yàn)中的不確定性因素，檢查每種不確定性因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度大小。

圖9 表示男性Cr、Ni、As、Cd 靈敏度分析計(jì)算圖。從圖9 可知，男性健康風(fēng)險(xiǎn)靈敏度分析計(jì)算中，重金屬元素Cr、Ni、As、Cd 四種致癌元素中，不確定性因素濃度CA 的貢獻(xiàn)值最大，其次是暴露時(shí)間ET，體重BW的貢獻(xiàn)值相對(duì)較小。男性Cr 致癌風(fēng)險(xiǎn)中，相關(guān)系數(shù)CA 為0.71，ET 為0.6，BW 為-0.28。Ni 致癌風(fēng)險(xiǎn)中，相關(guān)系數(shù)貢獻(xiàn)值CA 為0.77，ET 為0.56，BW 為-0.21。As 致癌風(fēng)險(xiǎn)中，相關(guān)系數(shù)貢獻(xiàn)值CA 為0.7，ET 為0.63，BW 為-0.23。Cd 致癌風(fēng)險(xiǎn)中，相關(guān)系數(shù)貢獻(xiàn)值CA 為0.83，ET 為0.42，BW 為-0.3。即四種重金屬元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)靈敏度貢獻(xiàn)值大小為CA＞ET＞BW。

圖9 男性致癌風(fēng)險(xiǎn)不確定性因素靈敏度分析

圖10 表示女性Cr、Ni、As、Cd 靈敏度分析計(jì)算圖。從圖10 可知，與男性靈敏度風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析相同的是，四種致癌重金屬元素Cr、Ni、As、Cd 中，致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值均是污染物濃度CA 最大，停留時(shí)間ET 次之，體重BW 的貢獻(xiàn)值相對(duì)較小。其中，女性Cr 致癌風(fēng)險(xiǎn)中CA 的貢獻(xiàn)值相關(guān)系數(shù)為0.78，ET 為0.5，BW 為-0.28。Ni 元素致癌風(fēng)險(xiǎn)中，靈敏度分析貢獻(xiàn)值相關(guān)系數(shù)CA 為0.66，ET 為0.65，BW 為-0.2。As 元素致癌風(fēng)險(xiǎn)中，靈敏度分析相關(guān)系數(shù)CA 為0.7，ET 為0.61，BW為-0.23。Cd 元素致癌風(fēng)險(xiǎn)中，靈敏度分析貢獻(xiàn)值相關(guān)系數(shù)CA 為0.87，ET 為0.35，BW 為-0.3。因此四種致癌重金屬元素中靈敏度分析貢獻(xiàn)值的大小為CA＞ET＞BW。

圖10 女性致癌風(fēng)險(xiǎn)不確定性因素靈敏度分析

4 結(jié)論

通過分析可知四種致癌重金屬元素95%致癌風(fēng)險(xiǎn)中Cr、As、Cd 三種元素均超過了美國環(huán)境保護(hù)署規(guī)定的致癌風(fēng)險(xiǎn)安全范圍，存在較大致癌風(fēng)險(xiǎn)。無論是男性還是女性，95%致癌風(fēng)險(xiǎn)率是致癌風(fēng)險(xiǎn)平均值的2 倍多。研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)環(huán)境中PM2.5 中四種致癌重金屬元素的致癌風(fēng)險(xiǎn)大小排列為Cr＞As＞Cd＞Ni。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的主要不確定性因素進(jìn)行靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，無論是男性還是女性，四種致癌重金屬元素Cr、Ni、As、Cd的致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值大小為CA＞ET＞BW，由于住宅內(nèi)空氣中的致癌風(fēng)險(xiǎn)水平較高，因此有必要降低住宅室內(nèi)PM2.5 濃度水平。