太原市中學(xué)PM2.5元素組成與健康風(fēng)險評估

白旭,張澤斐,張一菲,趙卓慧,Norb?ck Dan,張昕*

(1.山西大學(xué) 環(huán)境科學(xué)研究所,山西 太原 030006;2.復(fù)旦大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院,上海 200032;3.烏普薩拉大學(xué) 醫(yī)學(xué)院,瑞典 烏普薩拉SE-751)

0 引言

越來越多的流行病學(xué)研究表明,PM2.5暴露會增加人體罹患心血管疾病[1]、中風(fēng)[2]、非惡性呼吸系統(tǒng)疾病[3]和肺癌[4]的風(fēng)險,而PM2.5的組分是影響其健康效應(yīng)的關(guān)鍵因素[5-6]。

近年來,我國城市化和工業(yè)化迅速發(fā)展,但是煤炭燃燒仍是工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)電和采暖的主要能源。作為PM2.5最大的人為來源,煤炭燃燒會產(chǎn)生硫(S)、鉻(Cr)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)和鎘(Cd)等許多潛在的有害元素[7]。此外,從車輛尾氣中排放或懸浮在道路揚塵中的PM2.5也是顆粒物的主要來源。這些顆粒物中可能包括硅(Si)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鋇(Ba)、Cr和鋅(Zn)等元素[8]。采礦和工業(yè)生產(chǎn)則是PM2.5的第三個主要來源,特別是在冶金工業(yè),顆粒物中含有較多的Cd、銅(Cu)、Cr、鉛(Pb)、鎳(Ni)和Zn元素[6,9]。

關(guān)于PM2.5中特定成分與人體健康之間相關(guān)性的研究較少,但顆粒物中的S、Ni、Cr、As和Cd已被確認(rèn)為癌癥的危險因素[4,10]。Cr(Ⅵ)化合物,As、Ni化合物,Cd和Cd化合物已被國際癌癥研究中心(IARC)歸為 Ⅰ 級致癌物,而鈷(Co)被定義為Ⅱ級致癌物。作為全國重要的產(chǎn)煤和燃煤大省的省會城市,太原市近年來的空氣質(zhì)量有所改善,但仍是我國空氣質(zhì)量較差的10所城市之一[6,11]。因此,開展太原市PM2.5的組成成分的研究,具有重要的現(xiàn)實意義。

校園環(huán)境是青少年成長的主要環(huán)境之一,對青少年的健康尤為重要。目前關(guān)于校園環(huán)境中顆粒物及其元素組成對青少年健康影響的研究尚不多見[12]。因此,本研究主要通過分析太原市中學(xué)校校園內(nèi)大氣PM2.5的濃度及其元素組成,對As、Cd、Cr、Co和Ni等致癌重金屬元素展開健康風(fēng)險評估,以期全面了解學(xué)校PM2.5的暴露情況及致癌風(fēng)險,改善青少年在校學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與地點

采樣時間為2012年3月7日-30日。在山西省太原市市區(qū)采取整群抽樣的方法,隨機選取了10所初中學(xué)校,每所學(xué)校隨機選取34個班級進行PM2.5的監(jiān)測與樣本的收集,采樣位點如圖1所示。其中,尖草坪區(qū)(1所),杏花嶺區(qū)(1所),萬柏林區(qū)(2所),迎澤區(qū)(2所)和小店區(qū)(4所)。

1.2 采樣方法

使用無噪音便攜式SKC空氣分級采樣器對PM2.5進行采樣,每個樣品采集72 h,同時用TSI儀器記錄PM2.5濃度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。為避免長時間采樣導(dǎo)致采樣膜飽和,采樣流量設(shè)為2 L/min。共采集10所學(xué)校,34個PM2.5樣品。采樣濾膜為37 mm Teflon濾膜(孔徑0.8 μm),將收集到的PM2.5樣本放置在恒溫恒濕的環(huán)境中。采樣期間,同時記錄氣象條件,包括溫度、壓力、風(fēng)速等。

1.3 分析方法

1.3.1 樣本分析

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)對PM2.5元素組成進行分析。所有樣本均在瑞典ALS Scandinavia實驗室(認(rèn)證編號:2030 A003219004)進行處理分析。每個樣本濃度和元素組成的分析均采用標(biāo)準(zhǔn)方法(SS-EN ISO 17294/EPA Method 200.8/SS 028150)來進行質(zhì)量控制和保證。

圖1 采樣位點Fig.1 Sampling sites

1.3.2 健康風(fēng)險評估

人體與PM2.5接觸的主要途徑包括:攝取(進食與飲水)、吸入和皮膚接觸[13]。根據(jù)美國環(huán)保署發(fā)布的健康風(fēng)險評估模型來評價吸入暴露對不同人群(成人、男生和女生)的致癌風(fēng)險情況(表1)[14]，本研究選取的初中學(xué)校學(xué)生年齡范圍為12-14歲,具體計算方法如下[6]:

表1 經(jīng)呼吸途徑吸入的元素的參考劑量RfDinh(mg·kg-1·d-1)及癌癥風(fēng)險斜率因子SFI(mg·kg-1·d-1)-1 [6]

1. 計算經(jīng)呼吸途徑吸入的日均暴露劑量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)和終身日均暴露劑量(LADDinh, mg·kg-1·d-1):

(1)

其中:C是PM2.5中元素的濃度,(mg/m3)；IR是通過呼吸吸入空氣的速率,(m3/d)；EF是暴露頻率(d/a);ED是暴露持續(xù)時間(a);BW是體重,kg;AT是非致癌物質(zhì)的平均暴露時間(d)。

(2)

其中,AT為致癌物的平均暴露時間(d)。IR,EF,ED,BW和AT的值見表2。

2. 定量計算各元素的非癌癥風(fēng)險(hazard quotient,HQ)和癌癥風(fēng)險(cancer risk,Ri)

(3)

其中,HQ為經(jīng)呼吸途徑暴露的元素的非癌癥風(fēng)險,當(dāng)HQ<1時,表明沒有顯著的非癌癥風(fēng)險;當(dāng)HQ>1時,可能會發(fā)生非癌癥風(fēng)險,且HQ的值越大,風(fēng)險越高。

RfDinh(mg·kg-1·d-1)是參考劑量。

Ri=LADDinh×SFI,

(4)

其中,Ri是經(jīng)呼吸途徑暴露的元素的癌癥風(fēng)險,無量綱;當(dāng)Ri>10-6時,我們認(rèn)為有患癌癥的風(fēng)險,應(yīng)引起注意。

SFI((mg·kg-1·d-1)-1)是通過呼吸吸入的元素的癌癥風(fēng)險斜率因子,即通過吸入致癌元素造成致癌風(fēng)險的系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣期間PM2.5濃度變化

采樣期間太原市10所中學(xué)校園PM2.5的濃度及氣象條件如表3所示，10所學(xué)校PM2.5的濃度均值為162.99 μg/m3(范圍45.32～411.30 μg/m3),其中,8號校園附近PM2.5的濃度最高,為411.30 μg/m3,約為采樣期PM2.5平均濃度的2.5倍。這可能是由于該校附近有較多的鐵路干線和重型工業(yè)制造廠,交通污染源和工業(yè)污染源較多,且采樣期間無持續(xù)風(fēng)向,污染物不利于擴散,因此PM2.5的濃度較高。而3號和10號學(xué)校在采樣期的濃度分別為45.32 μg/m3和59.56 μg/m3,約為采樣期平均濃度的1/3,這可能與采樣期間的天氣狀況有關(guān),刮風(fēng)有利于污染物的擴散,從而使PM2.5的濃度降低。除3號與10號學(xué)校外,采樣期間其余學(xué)校PM2.5的24 h平均濃度均高于我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)所規(guī)定的日均濃度限值75 μg/m3。

表2 不同人群的暴露參數(shù)

表3 采樣期間太原市10所學(xué)校PM2.5濃度及氣象條件

2.2 采樣期間PM2.5中元素組成及變化

PM2.5樣本中共檢測到66種元素,表4列出了采樣期間所有可以檢測到的元素質(zhì)量濃度。其中,元素S的濃度最高,達(dá)到16 259 ng/m3,占顆粒物總質(zhì)量的4.54%,這可能與太原市的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)。采樣期間正值冬季采暖期,煤炭的大量燃燒使得空氣中SO2濃度增加,再加上太原市西、北、東三面環(huán)山的特殊地形,非常不利于SO2等污染物的擴散。SO2經(jīng)過一系列的復(fù)雜的反應(yīng),生成了硫酸鹽等二次顆粒物,進而影響空氣質(zhì)量。Si、鉀(K)、鈣(Ca)、Fe、Al、鎂(Mg)和鈉(Na)等地殼元素的濃度僅次于S元素,約占顆粒物總質(zhì)量的10.38%。這些元素主要來源于道路和風(fēng)沙揚塵,這與山西特殊的地理環(huán)境有關(guān)。山西省位于黃土高原,植被覆蓋率較低,空氣干燥,風(fēng)沙作用明顯。Ca元素還可能來自瀝青、混凝土或富Ca的土壤;Si和Fe可能來自發(fā)電廠或金屬工業(yè)。被IARC歸為致癌物的Cr、Ni、 As、Cd和Co的平均濃度分別為84.19、25.12、38.80、9.25和2.87 ng/m3。

2.3 健康風(fēng)險評估

2.3.1 不同人群的非癌癥風(fēng)險評估

太原市初中學(xué)校中不同人群經(jīng)呼吸暴露于PM2.5中重金屬元素的日均暴露劑量(ADDinh)如表5所示。男生各元素的ADDinh略微大于成人和女生,并以Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg的順序遞減。

由圖2可以看出,太原市中學(xué)校園內(nèi)不同人群暴露于PM2.5中各重金屬元素的非致癌風(fēng)險以Mn>Cr>Co>Pb>As>Hg>Cd> Ni的順序遞減。不同重金屬元素對經(jīng)呼吸途徑暴露于不同人群的非致癌風(fēng)險為HQ(男生)>HQ(成人),HQ(男生)>HQ(女生),且各人群暴露于元素Mn的非致癌風(fēng)險值為6.37～7.81(HQ>1),說明Mn元素對中學(xué)校園內(nèi)不同人群的健康影響較大。不同人群暴露于Cr、Co、Pb、As、Hg、Cd和Ni的HQ值在3.51×10-4～8.47×10-1之間(HQ<1),說明這幾種元素的非癌癥致癌風(fēng)險較低,可忽略。

2.3.2 不同人群的癌癥風(fēng)險評估

太原市中學(xué)不同人群的終身日均吸入暴露劑量(LADDinh)的高低順序為Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg(表5)。由圖3可以看出,不同人群暴露于PM2.5中各重金屬元素的癌癥風(fēng)險值以Cr>As>Cd>Co>Ni的順序遞減且Ri(男生)>Ri(成人),Ri(男生)>Ri(女生)。PM2.5中經(jīng)呼吸途徑暴露于元素Cr的致癌風(fēng)險值較高(Ri>10-4)。

經(jīng)呼吸途徑暴露于各元素的HQ和Ri均為男生>成人。兒童中男生的風(fēng)險值大于成人的原因可能是與成年人相比,兒童的呼吸道較窄,呼吸頻率較高、單位體重呼吸的空氣量較大,顆粒物沉積率較高,更易受空氣污染的影響;此外,兒童的身體與器官正處于快速發(fā)育階段，比較脆弱,對環(huán)境變化的感知要比成人敏感得多[6,18-19]。因此,兒童中男生的HQ值和Ri均高于成人。

男生經(jīng)呼吸途徑暴露于各種重金屬元素的HQ值和Ri值均大于女生,這一結(jié)果與張恒等研究結(jié)果相同[20]。張恒等分析了南京市不同人群經(jīng)呼吸途徑暴露于各種重金屬元素的健康風(fēng)險,發(fā)現(xiàn)HQ值介于5.25×10-3～1.05,Ri值介于8.91×10-7～2.53×10-4,且無論非致癌風(fēng)險值還是癌癥風(fēng)險值,男性均大于女性。這可能是因為與女性相比,男性室外活動的時間較長。因此,男生的非癌癥風(fēng)險和癌癥風(fēng)險的值均大于女生。成人與女生的HQ和Ri值的關(guān)系還需要進一步地研究和探索。

表4 采樣期PM2.5元素平均濃度(ng/m3)

表5 太原市經(jīng)呼吸暴露于PM2.5中元素的日均暴露劑量和終身日均暴露劑量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)

圖2 經(jīng)呼吸途徑暴露于PM2.5中潛在致癌元素的非癌癥風(fēng)險Fig.2 Non-cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

圖3 經(jīng)呼吸途徑暴露于PM2.5中潛在致癌元素的癌癥風(fēng)險Fig.3 Cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

關(guān)于不同性別兒童經(jīng)呼吸途徑暴露于PM2.5中重金屬元素的健康風(fēng)險研究較少,Kong等[16]通過對我國山東東營建筑物周圍懸浮的不同粒徑顆粒物中10種重金屬元素的健康風(fēng)險進行研究,結(jié)果顯示,無論是兒童還是成人,As元素的非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險值均超過閾值。Wan等[21]分析了北京市區(qū)落塵中12種潛在有害元素的健康效應(yīng),發(fā)現(xiàn)兒童的HQ值高于成人。Chen等[22]通過分析經(jīng)呼吸途徑暴露于西安市幼兒園和小學(xué)灰塵樣本中重金屬元素的致癌風(fēng)險,發(fā)現(xiàn)Pb,Cr和As的非致癌風(fēng)險較高,而元素Cr、As、Co和Ni的癌癥風(fēng)險值均大于閾值。Lin等[23]對蘇州市道路揚塵中重金屬元素的健康風(fēng)險進行評估,發(fā)現(xiàn)元素Cr的非癌癥風(fēng)險較高。Peng等[24]對湖州市顆粒物中重金屬元素的健康風(fēng)險進行評估,發(fā)現(xiàn)Cr的致癌風(fēng)險最大,說明Cr可能是大氣顆粒物中的主要污染物。以上研究與本研究的結(jié)果基本一致。綜上所述,通過呼吸暴露于PM2.5中的Cr和As元素對中學(xué)生有致癌風(fēng)險,應(yīng)引起重視。

3 討論

我國針對PM2.5的大規(guī)模研究開始于2013年,本研究則開始于2012年,這對PM2.5的早期研究和以后的跟蹤調(diào)查有重要意義。PM2.5中的重金屬元素具有不可降解性、生物毒性和生物累積性,通過呼吸、食物攝取和皮膚接觸等暴露途徑進入人體后會損傷人體器官,甚至引發(fā)各種疾病[25]。本研究不僅具體測定了各種金屬元素的風(fēng)險值,而且將中學(xué)生的健康風(fēng)險評價與學(xué)?，F(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)相聯(lián)系,在減少控制排放源對人體的危害的同時也真實地反映了學(xué)生的暴露-效應(yīng)的關(guān)聯(lián)。

本研究也存在一些局限性:首先,顆粒物進入人體的方式主要有三種:呼吸、食物攝取和皮膚接觸。本研究只選取了通過呼吸途徑進入人體的方式,但PM2.5中的有毒物質(zhì)也可能通過其他途徑進入人體,可能使評估結(jié)果比實際值偏低;其次,本研究只選取了5種IARC認(rèn)定的致癌元素進行健康風(fēng)險評估,可能會忽略其他有潛在致癌風(fēng)險元素的影響。此外,本研究的健康風(fēng)險評估模型中涉及的暴露參數(shù)選用美國環(huán)保署發(fā)布的《暴露參數(shù)手冊》,就體重而言,可能會造成5%～20%的偏倚,使不確定性增大[13]。因此,學(xué)校大氣PM2.5中其他元素成分與癌癥風(fēng)險的相關(guān)性有待下一步的深入研究。

4 結(jié)論

(1)太原市中學(xué)校內(nèi)PM2.5的濃度較高。ICP-MS檢測到的66種元素中,S元素含量最高,地殼元素(Si、K、Ca、Fe和Al)次之。元素As、Cd和Cr的平均濃度均高于我國現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)。

(2)健康風(fēng)險評價的結(jié)果顯示,太原市初中學(xué)校中男生經(jīng)呼吸途徑暴露于各元素的非致癌風(fēng)險和癌癥風(fēng)險較高。元素Mn的非致癌風(fēng)險較大(HQ>1),暴露于元素Cr的致癌風(fēng)險最高(Ri>10-4)。