潮州市道路粉塵中重金屬污染特征和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

馬潔瓊 藍(lán)小龍 林文杰

(韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 潮州 521041)

道路粉塵是一種復(fù)雜的環(huán)境介質(zhì),其中包含風(fēng)化的路邊土壤、老化路面上的破碎物、有機(jī)物、汽車尾氣排放物、輪胎磨損老化后的物質(zhì)、工業(yè)廢氣的沉降累積等[1]?，F(xiàn)如今,城市粉塵污染越來越嚴(yán)重,己成為城市固體污染化學(xué)定時(shí)炸彈的一種類型[2],這種污染是長(zhǎng)期的、潛在的,并能與其它污染類型相互轉(zhuǎn)化。由于道路粉塵的粒徑較小,在外界動(dòng)態(tài)條件下很容易再次揚(yáng)起,懸浮在大氣中,并被人體通過呼吸道、消化道和皮膚吸收,危害人體健康。漂浮在大氣中的粉塵隨風(fēng)飄動(dòng),繼續(xù)擴(kuò)散到遠(yuǎn)方,最后沉積在土壤表面或進(jìn)入水環(huán)境。這種轉(zhuǎn)化會(huì)危害人體健康和動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育,并破壞土壤中微生物平衡[3]。由于道路粉塵具有普遍存在性,會(huì)危害環(huán)境和人體健康。

近幾年,關(guān)于道路粉塵重金屬污染的研究主要集中在污染特征、來源分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面。王君櫹等[4]對(duì)南京市不同用地類型的道路粉塵中重金屬含量、空間分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:重金屬含量在商業(yè)區(qū)最高,在綠地區(qū)最低。梁青芳等[5]采用污染負(fù)荷指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和GIS空間分析研究寶雞市各個(gè)功能區(qū)灰塵重金屬的污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明,寶雞市交通區(qū)和工業(yè)區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到很強(qiáng)級(jí)別;工業(yè)區(qū)和交通區(qū)處于中度污染水平,其余為輕度污染水平。Hernandez等[6]以墨西哥蒙特雷市為例,研究該市道路粉塵重金屬的來源、污染水平和人類健康風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明:Zn、Fe來源于汽車磨損,Ba、Cu、Fe、Pb、Zn來源于輪胎磨損,Mo、Ni、Pb、Ti來源于工業(yè)源,As來源于自然源;兒童受到鉛污染危害的風(fēng)險(xiǎn)較高。Hou等[7]通過收集已發(fā)表的文獻(xiàn)中我國(guó)3877個(gè)地區(qū)街道揚(yáng)塵中銅、鋅、鎘、鉛的濃度數(shù)據(jù),對(duì)重金屬的來源以及健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)交通排放和工業(yè)活動(dòng)為道路粉塵重金屬污染的兩個(gè)主要來源;攝食是兒童和成人接觸道路粉塵金屬最主要的途徑,其次是皮膚接觸和呼吸吸入;兒童比成年人更容易受到街道揚(yáng)塵重金屬污染,因此,在重金屬污染的環(huán)境中,兒童應(yīng)優(yōu)先得到保護(hù)。

近年來,由于潮州市著力打造旅游城市,其城市建設(shè)加快,游客數(shù)量增多。由汽車交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)等人類活動(dòng)帶來的重金屬污染,隨著潮州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展勢(shì)必逐漸加劇,將威脅到潮州市市民以及來潮游客的身體健康,甚至破壞潮州市的生態(tài)環(huán)境。然而針對(duì)潮州市道路粉塵的研究還比較匱乏。近年來,研究發(fā)現(xiàn)Cr、Cu、Pb、Zn和Ni是道路粉塵中常見的污染元素[8]。為此,研究潮州市道路粉塵重金屬污染顯得尤為重要。本文系統(tǒng)研究了潮州市城市道路粉塵重金屬的污染特征并開展了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為潮州市城市環(huán)境的污染防治提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

潮州市地處韓江中下游,是廣東省東部沿海的港口城市,陸地面積為3679平方公里。下轄湘橋區(qū)、潮安區(qū)、楓溪區(qū)、饒平縣。屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,氣候溫暖宜人,全年日照和雨量均充足。截止至2018年底,全市常住人口265.66萬(wàn)人,其中城鎮(zhèn)常住人口173.48萬(wàn)人。

1.2 樣品采集和制備

本研究選擇潮州市中心湘橋區(qū)為采樣區(qū)域,在潮州大道兩側(cè)區(qū)域均勻布置采樣點(diǎn),共設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)如圖1和表1所示。

圖1 研究區(qū)和采樣地圖

表1 潮州市道路粉塵采樣點(diǎn)

選擇3天以上天氣晴朗的干燥無(wú)風(fēng)天進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣,避免降水影響粉塵成分。使用自封袋和塑料毛刷在每個(gè)采樣點(diǎn)100 m范圍內(nèi)采集4個(gè)粉塵樣品,以四分法混合后裝入自封袋密封保存,質(zhì)量約為200～300 g。采樣結(jié)束后,將所有樣品均勻鋪開于牛皮紙上,自然風(fēng)干。風(fēng)干后先過20目篩去除雜質(zhì),后用研缽研碎,過200目篩,取篩下物作為試驗(yàn)樣品。

1.3 樣品處理與測(cè)定

道路粉塵重金屬的測(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤和沉積物12種金屬元素的測(cè)定 王水提取—電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 HJ 803-2016》[9]進(jìn)行。具體操作步驟為:準(zhǔn)確稱取0.500 g樣品于消解管中,加入10 mL王水,在管口處放上玻璃漏斗,置于石墨消解爐上消解4h后,靜置冷卻至室溫,用慢速定量濾紙過濾,收集濾液于50 mL容量瓶中。過濾結(jié)束后,用蒸餾水清洗玻璃漏斗、錐形瓶和濾渣3次,洗液過濾收集于50 mL容量瓶中,最后用蒸餾水定容至刻度。采用Ionization Couple Plasma-Atomic Emission Spectrometry(ICP-AES,島津-9820,日本)測(cè)定Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2013詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)了潮州市道路粉塵中重金屬Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的含量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等;運(yùn)用SPSS 22.0對(duì)從測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析以及主成分分析;采用污染負(fù)荷指數(shù)法(PLI)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法評(píng)估道路粉塵重金屬污染;運(yùn)用Origin9.0進(jìn)行圖表的繪制,Word 2013和Photoshop CS6 13.0 對(duì)采樣地圖進(jìn)行繪制。

1.5 質(zhì)量保證

本實(shí)驗(yàn)所使用的各種試劑均為優(yōu)級(jí)純,實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水;使用前,所有玻璃儀器均預(yù)先使用5%硝酸進(jìn)行浸泡,后用自來水沖洗,最后用蒸餾水沖洗?？瞻讓?shí)驗(yàn)低于檢測(cè)限;質(zhì)量控制樣品相對(duì)誤差小于9%,相對(duì)偏差小于10%。

2 結(jié)果與討論

2.1 潮州市道路粉塵中重金屬空間分布特征

潮州市道路粉塵重金屬的含量分布展示在表2中。由表2可得,研究的5種重金屬平均含量大小順序?yàn)?Cr>Zn>Pb>Cu>Ni。五種重金屬(Cr、Cu、Pb、Zn、Ni)的平均含量均超過廣東省土壤背景值,分別是背景值的11.98、4.31、3.35、7.59、2.87倍。其中,污染最嚴(yán)重的是Cr,是背景值的11.98倍。

表2 潮州市道路粉塵重金屬含量

變異系數(shù)可以反映潮州市道路粉塵中重金屬含量的空間差異程度,按照變異系數(shù)大小分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10](小變異:0%～15%;中等變異:16%～34%;強(qiáng)變異:≥35%),5種重金屬均為強(qiáng)變異程度。其中,變異程度最大的是Cr,變異系數(shù)高達(dá)115%,反映出道路粉塵中Cr含量空間分布極不均勻,局部污染嚴(yán)重。由表2數(shù)據(jù)可知,S6(客運(yùn)中心)Cr污染最嚴(yán)重。

潮州市與國(guó)內(nèi)其他城市道路粉塵中重金屬平均含量展示在表3中。對(duì)比可知,本研究道路粉塵中Cr的含量明顯高于國(guó)內(nèi)其他城市的含量,表明本研究區(qū)Cr污染嚴(yán)重;Cu、Pb、Zn、Ni的含量均低于污染嚴(yán)重的上海等地;Ni的含量略高于北京;Pb的含量明顯高于南京;Zn的含量明顯高于北京;Cu的含量低于其他城市。綜上所述,同國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相比,潮州市道路粉塵重金屬Cu、Pb、Zn、Ni的含量處于中等濃度水平,而Cr的含量處于較高濃度水平。

表3 不同城市道路粉塵中重金屬含量

潮州市道路粉塵空間分布不均勻,局部污染嚴(yán)重(圖2)。其中,Cr的局部污染最嚴(yán)重。有研究結(jié)果顯示,Cr元素主要來源于機(jī)動(dòng)車制動(dòng)器磨損、金屬材料磨損等[11-14]。Cr污染嚴(yán)重的采樣點(diǎn)有鳳凰塔、綠榕大廈、高級(jí)中學(xué)、仙田中學(xué)、意溪上津小學(xué)。其中,由于鳳凰塔處于交通要道;綠榕大廈位于商業(yè)區(qū);高級(jí)中學(xué)附近有加油站;仙田中學(xué)附近有建筑施工,門口大型車輛較多,所以車流量大是導(dǎo)致潮州市道路粉塵Cr污染嚴(yán)重的原因。除了Cr,其余四種元素的空間分布情況大致相同。

圖2 潮州市道路粉塵重金屬含量分布圖

2.2 潮州市道路粉塵重金屬來源分析

判斷城市道路粉塵重金屬的來源,有利于從源頭控制道路粉塵重金屬污染。本文運(yùn)用相關(guān)性分析法及主成分分析法分析潮州市道路粉塵重金屬污染的來源。潮州市道路粉塵中重金屬之間的相關(guān)性分析結(jié)果列舉在表4中。由表中數(shù)據(jù)可知,潮州市道路粉塵中重金屬Pb、Zn,Cu、Zn,Cu、Ni之間呈顯著性相關(guān)(P<0.01);重金屬Zn與Ni之間存在較好的相關(guān)性(P<0.05);重金屬Cr僅與Ni存在相關(guān)性,而與其他三種重金屬均無(wú)顯著性相關(guān)。由以上相關(guān)性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),潮州市道路粉塵中Pb和Zn之間、Cr和Ni之間以及Cu、Zn、Ni之間具有相同的物源。

表4 潮州市道路粉塵重金屬之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

此外,本文進(jìn)一步對(duì)潮州市道路粉塵重金屬含量進(jìn)行了主成分分析(PCA)(表5)。表中共提取2個(gè)主成分因子,可解釋總變量的88.7%。結(jié)果顯示:第一主成分(PC1)中,Pb、Zn、Cu、Ni均具有很高的正載荷,共解釋了全部變量的61.7%。從前文的分析結(jié)果可知,Pb-Zn、Cu-Zn-Ni這兩組元素組內(nèi)元素兩兩之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明這幾種元素的來源具有較大的相似性。有研究結(jié)果表明,Pb主要來源于汽車尾氣排放,Zn主要來源于汽車輪胎的老化磨損,Cu、Zn來源于汽油、車體的磨損,Ni來源于車體表面的金屬電鍍層中[20-23]。而研究區(qū)域位于潮州大道附近,此外,部分采樣點(diǎn)為旅游景點(diǎn)以及學(xué)校,車流量較大。綜上所述,說明第一主成分主要代表交通運(yùn)輸活動(dòng)的影響。第二主成分(PC2)中,僅有重金屬Cr和Ni具有較高的正載荷,解釋全部變量的27.0%,且Cr僅與Ni之間存在較高的相關(guān)性,由此可知,Cr的來源和Ni的來源具有較大的相似性。其中,Cr在第二主成分中的載荷高達(dá)0.804,由此看出,PC2主要受到Cr的影響。研究表明,Cr可能主要來源于工業(yè)污染源[23-24],五金材料的磨損會(huì)產(chǎn)生Cr和Ni,電子、冶金工業(yè)以及工業(yè)廢料是重金屬Ni、Cr的重要來源之一[13-14]。而采樣區(qū)域附近有大小不等的印刷廠、塑膠廠、陶瓷廠等工業(yè),Cr和Ni主要來源于顏料、發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損等。因此,可以認(rèn)為第二主成分主要代表工業(yè)活動(dòng)的影響。

表5 重金屬在前兩個(gè)主成分上的因子載荷

據(jù)以上分析結(jié)果可得,交通活動(dòng)和工業(yè)活動(dòng)的來源占88.7%,是潮州市道路粉塵的主要來源,此外,還存在著一些未知的污染源對(duì)道路粉塵中重金屬污染有特殊貢獻(xiàn),占總量的11.3%。

2.3 潮州市道路粉塵重金屬污染評(píng)價(jià)

本文選用了污染負(fù)荷指數(shù)法對(duì)潮州市道路粉塵重金屬污染的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。污染負(fù)荷指數(shù)PLI的計(jì)算公式如下:

(1)

表6 污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)分級(jí)列表[25]

根據(jù)公式(1)計(jì)算的潮州市道路粉塵重金屬的污染負(fù)荷指數(shù)并進(jìn)行分級(jí),結(jié)果如圖3所示。由圖可知,采樣點(diǎn)中40%處于重度污染,13.3%處于中度污染,26.7%處于輕度污染,20%無(wú)污染。處于重度污染的采樣點(diǎn),如市政府、卜蜂蓮花、楓春水果市場(chǎng)、客運(yùn)中心、鳳凰塔、西湖,由于是旅游景點(diǎn)或生活?yuàn)蕵穮^(qū),人流量較多,相對(duì)的車流量也較大,所以污染較嚴(yán)重。此外,依據(jù)各采樣點(diǎn)的PLI值可計(jì)算得潮州市道路粉塵PLIzone為2.05,為中度污染水平。

圖3 潮州市道路粉塵重金屬污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)

2.4 潮州市道路粉塵重金屬污染健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019)[26]附錄C計(jì)算致癌風(fēng)險(xiǎn)和危害商的推薦模型,以此來評(píng)估潮州市居民暴露在道路粉塵重金屬污染中的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。該模型的計(jì)算公式如下式2-9,式中參數(shù)取值見表7-8。

表7 計(jì)算公式中各參數(shù)的含義

表8 計(jì)算公式中各參數(shù)的取值

CRois=OISERca×Csur×SFO

(2)

CRdcs=DCSERca×Csur×SFd

(3)

CRpis=PISERca×Csur×SFi

(4)

CRn=CRois+CRdcs+CRpis

(5)

(6)

(7)

(8)

HIn=HQois+HQdcs+HQpis

(9)

潮州市道路粉塵重金屬對(duì)暴露人群產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)如表9所示。由表9數(shù)據(jù)可得,除了Cr的HIn>1,其余元素均表現(xiàn)為HIn<1,表明Cr對(duì)暴露人群存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。其中,Cr的非致癌性表現(xiàn)在:若人體攝入過量Cr,會(huì)損害皮膚,消化系統(tǒng),呼吸系統(tǒng),引發(fā)各種炎癥。

表9 潮州市道路粉塵中重金屬非致癌風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)國(guó)際癌癥研究中心對(duì)重金屬致癌危險(xiǎn)性的分類,確定本研究的5種金屬中Cr和Ni具有致癌風(fēng)險(xiǎn)。若人體攝入過量的Cr和Ni,會(huì)誘發(fā)肺癌、鼻咽癌等其他癌癥。由表10數(shù)據(jù)可知,2種重金屬元素對(duì)研究區(qū)域暴露人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為Cr>Ni,表明潮州市道路粉塵中Cr對(duì)暴露人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)更大。此外,元素Cr的總致癌風(fēng)險(xiǎn)水平大于1×10-6,處于不可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。由以上分析結(jié)果表明,道路粉塵中Cr的污染對(duì)暴露人群有一定的影響。

表10 潮州市道路粉塵中重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié)論

本文對(duì)潮州市道路粉塵重金屬含量水平、空間分布、來源解析、污染水平和健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,取得了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)道路粉塵中重金屬Cu、Pb、Zn、Ni的污染處于中等濃度水平,而Cr的污染處于較高濃度水平。由于部分地區(qū)車流量大造成道路粉塵空間分布不均勻。

(2)道路粉塵重金屬主要來源于交通污染,其次是工業(yè)污染。

(3)道路粉塵中重金屬Cr對(duì)暴露人群存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)域道路粉塵重金屬中Cr的總致癌風(fēng)險(xiǎn)水平大于1×10-6,處于不可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。

本文對(duì)潮州市城區(qū)開展重金屬污染的防治工作、合理規(guī)劃重金屬污染企業(yè)布局,對(duì)涉重金屬企業(yè)進(jìn)行集中管理、以及開展涉重金屬企業(yè)的調(diào)查工作具有一定的指導(dǎo)意義[27]。