鄂爾多斯農(nóng)村地區(qū)固體燃料使用引起的室內(nèi)PM10中重金屬暴露及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高葉玲 褚海艷 劉穎

(鄂爾多斯生態(tài)環(huán)境職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

煤炭和生物質(zhì)燃料的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的空氣污染物[1]。其中，顆粒物表面積大，容易吸附重金屬、有機(jī)污染物等有毒有害物質(zhì)[2]。研究表明，空氣中的重金屬主要富集在顆粒物中，70%—90%的重金屬分布在可吸入顆粒PM10上[3]，負(fù)載重金屬的PM10通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體后，會(huì)引起呼吸道和神經(jīng)系統(tǒng)疾病[4-5]，若長(zhǎng)期暴露于As、Cd、Pb等重金屬環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致臟器損傷，增加罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，我國(guó)在空氣顆粒物污染與人體健康暴露風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)領(lǐng)域已開(kāi)展了大量的研究,北京、太原、黃石等城市都開(kāi)展過(guò)類(lèi)似研究[6-8]，但這些研究多集中在城市大氣污染或工業(yè)生產(chǎn)污染等方面，鮮有關(guān)注農(nóng)村地區(qū)及農(nóng)村室內(nèi)顆粒物重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。世界衛(wèi)生組織的報(bào)告數(shù)據(jù)表明，農(nóng)村人口因使用固體燃料(原煤、秸稈、柴)導(dǎo)致的室內(nèi)空氣顆粒物污染，與農(nóng)村人群較高的呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率有著密切的聯(lián)系[9]。

選取內(nèi)蒙古中西部城市鄂爾多斯市農(nóng)村地區(qū)開(kāi)展空氣污染物PM10中As、Cd和Pb 3種重金屬的暴露與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不僅對(duì)該地農(nóng)村居民室內(nèi)健康暴露風(fēng)險(xiǎn)的研究有重要意義，同時(shí)，也可為鄉(xiāng)村振興政策的精準(zhǔn)落地提供理論支持。

1 采樣點(diǎn)基本情況

在鄂爾多斯市選擇3個(gè)地區(qū)(達(dá)拉特旗敖包梁、烏審旗羊拐灘村、伊金霍洛旗高勒廟村)，進(jìn)行PM10的樣品采集，室內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行。室內(nèi)采樣時(shí)將采樣器放置于爐灶水平距離1.5—2m處，采樣口離地面60cm；室外采樣一般選取院落中央。設(shè)置采樣器流量為60L/min，24h連續(xù)采樣。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

PM10顆粒物采樣器及切割頭(青島聚創(chuàng)JCH-6120)、分析天平(ESJ200-40S)、原子熒光光譜儀(AF-7550)、電熱板、消解罐、恒溫箱、47mm玻璃纖維濾膜、去離子水等。實(shí)驗(yàn)試劑：砷、鉻和鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液；濃鹽酸、濃硝酸、硫脲、抗壞血酸為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用玻璃纖維濾膜(47mm)采集樣品，采樣膜在恒溫箱中平衡24h，放入干燥器中備用。在3個(gè)研究區(qū)域的取暖期(2019年11—12月)、非取暖期(2020年6—7月)分別在廚房、臥室和室外進(jìn)行24h連續(xù)采樣，共采集樣品數(shù)126份。采樣后將采樣膜放入干燥器帶回實(shí)驗(yàn)室后在恒溫箱中平衡24h。

2.2.1 樣品前處理

取已平衡24h采樣膜，用陶瓷剪刀剪取1/4玻璃纖維濾膜，放入消解罐內(nèi)，依次加入濃硝酸、雙氧水、氫氟酸，浸沒(méi)濾膜，加蓋旋緊。設(shè)置消解溫度為200℃，消解15min。消解結(jié)束后，冷卻并加入10mL去離子水，靜置后過(guò)濾，定容，4℃保存、待測(cè)。

2.2.2 工作條件

原子熒光光譜儀測(cè)量參數(shù)：燈電流為 60 mA，負(fù)高壓為 250 V, 原子化溫度為200℃，屏蔽氣流量為 800 mL/min，載氣流量為 300mL/min。

2.2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

室內(nèi)環(huán)境PM10中的As、Cd、Pb 3種重金屬主要通過(guò)呼吸途徑進(jìn)入人體。本研究采用美國(guó)環(huán)保署(USEPA)推薦的人體暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)采暖期和非采暖期，成年男性和女性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)USEPA綜合風(fēng)險(xiǎn)信息庫(kù)和國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)相關(guān)結(jié)論，Pb屬于非致癌重金屬元素，As、Cd屬于致癌重金屬元素。非致癌元素采用平均日劑量(ADD,mg/kg·d)，致癌元素采用終身平均日劑量(LADD,mg/kg·d)，計(jì)算公式如(1)：

(1)

根據(jù)《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》，各參數(shù)代表含義及取值見(jiàn)表1。

采用USEPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型計(jì)算非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型公式如(2)(3)：

HQ=ADD/RfD

(2)

CR=LADD×SF

(3)

式中：HQ是污染物經(jīng)呼吸暴露非致癌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)HQ>1時(shí),存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)HQ≤1時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)較小或可忽略。CR是污染物經(jīng)呼吸暴露致癌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)CR>10-6時(shí)，存在嚴(yán)重潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)CR≤10-6時(shí)，存在風(fēng)險(xiǎn)很小或可忽略該風(fēng)險(xiǎn)。RfD表示參考劑量[mg·(kg·d)-1]，SF為斜率因子[(kg·d)·mg-1]，參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體的元素的反應(yīng)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 不同空間內(nèi)取暖期和非取暖期PM10重金屬平均濃度

表3為鄂爾多斯農(nóng)村地區(qū)采樣期間實(shí)測(cè)不同空間重金屬元素取暖期和非取暖期濃度變化規(guī)律。As、Cd、Pb 3種重金屬元素在不同時(shí)期的不同空間內(nèi)表現(xiàn)出：取暖期平均濃度高于非取暖期；在取暖期，As、Cd、Pb 3種重金屬的平均濃度均高于非取暖期，且在這兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，3種重金屬的平均濃度水平均表現(xiàn)為：廚房>臥室>室外，這是由于取暖期大量燃燒煤、秸稈等固體燃料所引起，同時(shí)廚房因用于炊事烹飪等事務(wù)，較之臥室濃度更高；而室外由于大氣的稀釋作用，濃度下降較快。同時(shí)，在取暖期與非取暖期，廚房?jī)?nèi)監(jiān)測(cè)到的3種重金屬濃度均高于其他空間，這是由于炊事烹飪等事務(wù)一直在進(jìn)行的原因。

表3 不同空間取暖期和非取暖期PM10重金屬平均濃度 單位：μg·m-3

鄂爾多斯市農(nóng)村室內(nèi)As、Cd 2種元素在取暖期臥室、廚房和室外濃度均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中As、Cd的濃度限值(As:0.006μg·m-3、Cd:0.006μg·m-3)；非取暖期，As、Cd 2種元素臥室、廚房也高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中As、Cd的濃度限值，室外濃度較低。重金屬Pb在取暖期和非取暖期的各個(gè)采樣空間內(nèi)的平均濃度均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的參考濃度限值(Pb: 0.5μg·m-3),取暖期廚房?jī)?nèi)Pb濃度最高，是參考標(biāo)準(zhǔn)的28倍。鄂爾多斯市農(nóng)村室內(nèi)污染物質(zhì)濃度的增高，主要原因在于室內(nèi)用煤炭、薪柴等固體燃料進(jìn)行取暖、炊事烹飪等事務(wù)造成，少量室內(nèi)灰塵也是其來(lái)源之一。

3.2 PM10中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)美國(guó)EPA推薦的人體暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，采用公式(1)—(3),查閱《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)(成人卷)》，代入表1、表2各參數(shù)取值，其中重金屬的濃度按表1實(shí)測(cè)濃度取平均值，得出鄂爾多斯農(nóng)村不同時(shí)期(取暖期與非取暖期)、不同空間(臥室、廚房、室外)、不同人群(男、女)的室內(nèi)大氣PM10中3種重金屬經(jīng)呼吸途徑的日均暴露劑量(見(jiàn)表4)及致癌風(fēng)險(xiǎn)(見(jiàn)表5)。

表4 不同時(shí)期鄂爾多斯室內(nèi)PM10中重金屬暴露的平均日劑量 單位：mg/kg·d

表5 不同時(shí)期鄂爾多斯室內(nèi)PM10中重金屬經(jīng)呼吸暴露的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由以上數(shù)據(jù)分析得出：

(1)鄂爾多斯農(nóng)村室內(nèi)成年男性和女性3種重金屬的日均暴露劑量表現(xiàn)為：

①任一空間內(nèi)，取暖期>非取暖期；

②Pb>Cd>As

(2)成年男性和女性經(jīng)呼吸途徑暴露的非致癌重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)順序?yàn)椋?/p>

①取暖期>非取暖期；

②男性>女性；

③廚房>臥室>室外；

HQ均小于1， As、Cd 2種重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)較小，或可忽略，處于人體可接受范圍內(nèi)。

(3)成年男性和女性經(jīng)呼吸途徑暴露的致癌重金屬風(fēng)險(xiǎn)順序?yàn)椋?/p>

①取暖期>非取暖期；

②男性>女性；

③廚房>臥室>室外；

CR均大于10-6，Pb存在嚴(yán)重潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯農(nóng)村室內(nèi)24hPM10中As、Cd、Pb 3種重金屬濃度的測(cè)定，并采用美國(guó)EPA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜合得出以下結(jié)論：

(1) PM10中As、Cd、Pb 3種重金屬的濃度均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)的濃度限值，室外濃度較低。其中，取暖期廚房?jī)?nèi)Pb濃度最高，是參考標(biāo)準(zhǔn)的28倍。鄂爾多斯市農(nóng)村室內(nèi)污染物質(zhì)濃度的增高，主要原因在于室內(nèi)用煤炭、薪柴等固體燃料進(jìn)行取暖、炊事烹飪等事務(wù)造成，少量室內(nèi)灰塵也是其來(lái)源之一。

(2)由美國(guó)EPA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型得出鄂爾多斯農(nóng)村室內(nèi)健康風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為：取暖期>非取暖期；男性>女性；廚房>臥室>室外。 HQ均小于1， 說(shuō)明As、Cd 2種重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)較小，或可忽略，處于人體可接受范圍內(nèi)；CR均大于10-6，Pb存在嚴(yán)重潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

(3)顆粒物中重金屬濃度越高，重金屬的日均暴露劑量越大，其潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)越高。