住宅室內PM2.5 重金屬污染特征與健康風險評價

黎志豪 劉建龍 鄒引引 劉麗 梁興露

1 湖南工業大學土木工程學院

2 湖南工業大學城市與環境學院

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到一定程度，會造成慢性中毒。重金屬難以被生物降解，在人體內能和蛋白質及酶等發生強烈的相互作用，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進入住宅室內空氣中，通過呼吸系統影響在室人員的身體健康。由于人們在住宅室內停留時間較長，對住宅室內PM2.5 顆粒物的重金屬元素研究以及其健康風險評價顯得尤為重要，本文選取長沙市典型住宅室內進行PM2.5 檢測，成份分析和重金屬元素的健康風險評價。

1 典型住宅室內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間是在住宅室內度過[1]。居民在住宅中的停留時間主要在臥室和客廳活動。通過對住宅不同功能房間進行PM2.5 的現場檢測，發現住宅中廚房和客廳的PM2.5 濃度相對較高。故客廳PM2.5 濃度對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行PM2.5 檢測與模擬研究。現場檢測發現室內PM2.5 顆粒物中含有大量對人體有害的重金屬元素。美國環境保護局（EPA）在對PM2.5 進行成分分析中發現含有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致人群年均超額危險度較高，存在致癌風險，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上主要分析住宅室內PM2.5 中的As，Cd，Cr 和Ni 等四種元素對人體的致癌風險水平。本實驗采用青島嶗應公司的智能型PM2.5 中流量采樣器，對室內空氣中的PM2.5 細顆粒物進行樣品采集。在進行室內PM2.5 濃度采集時每組實驗均設置平行樣和空白樣進行對照，對所收集的PM2.5 濃度樣品均在24 h 內完成測定，實驗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房間進行稱重。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）檢測數據

2 住宅室內健康風險模擬

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險評價中的不確定性問題[4]。美國國家科學委員會和美國環境保護署極力促使評價人員使用蒙特卡羅模擬方法以及其概率分析工具，作為不確定性風險評價和定量分析的使用工具[5]。蒙特卡羅模擬計算方法[6-7]是使用實驗變量和實驗參數的已知概率分布來進行重復計算得到概率分布的計算結果。Crystall ball 仿真軟件結合Excel 表格來實現，模擬分析結果詳細[8]。蒙特卡羅模擬計算方法迅速成為一種計算暴露和風險概率分布的計算方法[9-10]。

2.2 典型住宅室內風險模型

健康風險評價模型采用的計算公式分別為式（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 為暴露時間，經過調查問卷得到男性停留時間在[1，6]h 范圍內，平均值為3.6 h，標準差為1.6 h。女性停留時間在[1.5，13]h 范圍內，平均值為5.1 h，標準差為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，在模型輸入變量時取值為365 d/a；BW 為體重，kg，通過調查問卷可以得到男性體重范圍為[40，60]kg，平均值為60 kg，標準差為20 kg，女性體重范圍為[35，80]kg，平均值為55 kg，標準差為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的致癌風險率，取70 a 作為一個壽命周期；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)，經過查閱文獻[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 為表示致癌風險水平。

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險水平。采用蒙特卡羅模擬，設定模擬次數為5000 次[13-15]計算其致癌風險。

3 典型住宅室內致癌風險模擬分析

3.1 男性致癌風險分析

圖1、圖2、圖3、圖4 分別是室內客廳環境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四種重金屬元素的致癌風險圖，表2 為四種重金屬元素的致癌風險匯總表。根據美國環境保護署提出的細顆粒物癌癥風險可接受的安全范圍為10-6～10-4，分別對男性Cr、Ni、As、Cd 致癌風險進行分析。

表2 男性室內健康風險模擬結果匯總表

圖1 男性Cr 致癌風險圖

圖2 男性Ni 致癌風險圖

圖3 男性As 致癌風險圖

圖4 男性Cd 致癌風險圖

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

3.2 女性致癌風險分析

圖5、圖6、圖7、圖8 分別是室內客廳環境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四種重金屬的致癌風險圖，表3 為女性室內健康風險模擬結果匯總表。

圖5 女性Cr 致癌風險圖

圖6 女性Ni 致癌風險圖

圖7 女性As 致癌風險圖

圖8 女性Cd 致癌風險圖

表3 女性室內健康風險模擬結果匯總表

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

3.3 健康風險模型參數靈敏度分析

利用蒙特卡羅模擬方法進行健康風險模擬研究時，對模型參數進行靈敏度分析可以明確試驗中的不確定性因素，檢查每種不確定性因素對實驗結果的影響程度大小。

圖9 表示男性Cr、Ni、As、Cd 靈敏度分析計算圖。從圖9 可知，男性健康風險靈敏度分析計算中，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 的貢獻值最大，其次是暴露時間ET，體重BW的貢獻值相對較小。男性Cr 致癌風險中，相關系數CA 為0.71，ET 為0.6，BW 為-0.28。Ni 致癌風險中，相關系數貢獻值CA 為0.77，ET 為0.56，BW 為-0.21。As 致癌風險中，相關系數貢獻值CA 為0.7，ET 為0.63，BW 為-0.23。Cd 致癌風險中，相關系數貢獻值CA 為0.83，ET 為0.42，BW 為-0.3。即四種重金屬元素的致癌風險靈敏度貢獻值大小為CA＞ET＞BW。

圖9 男性致癌風險不確定性因素靈敏度分析

圖10 表示女性Cr、Ni、As、Cd 靈敏度分析計算圖。從圖10 可知，與男性靈敏度風險計算分析相同的是，四種致癌重金屬元素Cr、Ni、As、Cd 中，致癌風險貢獻值均是污染物濃度CA 最大，停留時間ET 次之，體重BW 的貢獻值相對較小。其中，女性Cr 致癌風險中CA 的貢獻值相關系數為0.78，ET 為0.5，BW 為-0.28。Ni 元素致癌風險中，靈敏度分析貢獻值相關系數CA 為0.66，ET 為0.65，BW 為-0.2。As 元素致癌風險中，靈敏度分析相關系數CA 為0.7，ET 為0.61，BW為-0.23。Cd 元素致癌風險中，靈敏度分析貢獻值相關系數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值的大小為CA＞ET＞BW。

圖10 女性致癌風險不確定性因素靈敏度分析

4 結論

通過分析可知四種致癌重金屬元素95%致癌風險中Cr、As、Cd 三種元素均超過了美國環境保護署規定的致癌風險安全范圍，存在較大致癌風險。無論是男性還是女性，95%致癌風險率是致癌風險平均值的2 倍多。研究發現，室內環境中PM2.5 中四種致癌重金屬元素的致癌風險大小排列為Cr＞As＞Cd＞Ni。通過對實驗的主要不確定性因素進行靈敏度分析發現，無論是男性還是女性，四種致癌重金屬元素Cr、Ni、As、Cd的致癌風險貢獻值大小為CA＞ET＞BW，由于住宅內空氣中的致癌風險水平較高，因此有必要降低住宅室內PM2.5 濃度水平。