高速公路PM2.5中重金屬季節變化特征及健康風險評估

李曉寶，趙紅，曾波，董煥煥，熊雅菁，黃萍

江西省交通科學研究院，江西 南昌 330200

經濟的快速發展與能源的過渡消耗是霧霾等現象頻發的原因之一。PM2.5（空氣動力學直徑≤2.5的顆粒物）是霧霾最重要的組成部分，吸附著大量有害元素，特別是其吸附的有毒重金屬（如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等）具有難降解、易富集，不易去除的特點。美國環境保護局（US EPA，2014）將As、Cd、Cr、Co、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb 和 Se 等有毒重金屬列為有害空氣污染物原始列表中，其可伴隨PM2.5進入人體，長期積累將對人體健康造成潛在危害（Zeng et al.，2016；Zhang et al.，2016）。研究表明，過量吸入 Zn會導致腸胃疾病，長時間暴露較高Pb環境中，會導致神經系統病變，長期接觸Cr會導致氣短、咳嗽、氣喘等疾病（張瑩等，2017；Talbid et al.，2018），我國大氣PM2.5污染約與120萬居民的提前死亡相關（曹軍驥，2014）。因此，開展人體對大氣PM2.5中重金屬的健康風險評估對于風險的把控、制定有效的防治措施尤為重要。

目前，我國對環境空氣PM2.5及其重金屬的研究主要集中在城市地區，相關研究集中在污染特征、季節變化、來源和身體健康影響（陸喜紅等，2016；符小晴等，2018；鄭權等，2018；楊毅紅等，2019）等方面。交通源是大氣污染的主要來源之一，但以交通為單獨源進行大氣重金屬的相關研究甚少。近期張罡等（2017）分析了成雅高速公路大氣PM2.5中重金屬的富集程度，發現高速公路對周邊環境有較大影響；Hou et al.（2018）對高速公路隧道內大氣顆粒物的污染特征進行了研究，認為重金屬增加了大氣顆粒物的持久性；Li et al.（2019）分析了天津市高速公路環境空氣 PM2.5中重金屬的致癌健康風險，發現了汽車尾氣可引起高速公路收費站工作人員DNA的損壞。江西處于我國東南偏中部長江中下游南岸，鄰近6個省份，高速公路具有承東啟西、貫穿南北的作用。至2018年年底，江西省汽車保有量達544.3萬輛，高速公路里程超過6000 km，隨著高速公路客運量和貨運量逐年攀升，高速公路運營對周邊環境污染的影響亦得到關注。目前的研究大多集中在大氣和土壤（張罡等，2017；Guan et al.，2018；Hou et al.，2018；Li et al.，2019），而對高速公路中人群較為集中的收費站、服務區環境空氣PM2.5中重金屬污染特征及人體健康風險評估尚未有相關報道。

本文針對江西省南昌周邊3條典型高速公路為研究對象，分析高速公路中 PM2.5及其重金屬在不同季節的污染特征與健康風險，以期為高速公路大氣重金屬污染提供數據基礎，并為防治措施的實施提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

為評估高速公路人群健康風險，初步選擇意向為人群較集中，建設時期、車流量和地形地勢差異較大，且較具代表性的服務區和收費站。江西省高速集團南昌南管理中心的 G60滬昆高速昌樟段，G6001南昌繞城高速溫厚段，及G6021杭長高速昌銅段的通車時間分別為 2015年、1999年和 2012年，日均車流量分別為15000、4700、12000輛，滿足具有差異和代表性的高速公路，且經南昌南管理中心應允，協助環境大氣采樣工作。3條高速中選擇車流量最大，沿線較富名氣的服務區和收費站，其中昌樟、昌銅和溫厚高速的收費站和服務區分別為胡家坊收費站和樟樹服務區、奉新收費站和奉新服務區、豐厚收費站和南昌南服務區。具體的采樣點如圖1所示。

1.2 采樣方法

采用智能中流量空氣總懸浮微粒采樣器（青島嶗山，TH-150C）采集3條高速公路服務區和收費站環境大氣的 PM2.5樣品，采樣前后將聚丙烯膜放置恒溫恒濕箱中恒重，用精度為0.01 mg的天平稱重。采樣時將已編號、稱重的濾膜放入清潔的采樣器濾膜夾中，以100 L·min-1連續采樣24 h，采樣高度距地面1.5 m。采樣結束后用鑷子取出濾膜，放入濾膜盒中保存。擬采樣期為春、夏、秋、冬4個季節，實際采樣期分為春季（3月24日—4月26日）、夏季（6月26日—8月24日）和秋季（9月17日—10月30日）時間從2018年3—10月，每2個月集中采樣1次，每次采樣連續采集3 d，共收集PM2.5樣品72張。由于2018年冬季持續降水，未能在冬季進行采樣。采樣期間，用自動氣象監測儀（QT1010，美國）測定氣溫、濕度、風向、風速等氣象參數。

圖1 高速公路環境空氣PM2.5采樣點Fig.1 Ambient air PM2.5 sampling sites in highway

1.3 樣品的分析測定

服務區和收費站環境空氣PM2.5質量濃度測定按《環境空氣 PM10和 PM2.5的測定 重量法》（HJ 618—2011）進行，PM2.5中重金屬濃度的樣品處理按照《空氣和廢氣 顆粒物中鉛等金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）》（HJ 657—2013）中的方法，濾膜樣品的前處理采用硝酸-鹽酸體系、微波消解 200 ℃保持 15 min，ICP-MS（NexIon-350x，美國）監測消解液中的6種重金屬元素，即Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的質量濃度，對應重金屬元素檢出限分別為：0.0007、0.003、0.0006、0.00003、0.001、0.0005 μg·m-3。

1.4 地累積指數法、健康風險評價模型

采用地累積指數（Geo-accumulation index，Igeo）對高速公路環境大氣 PM2.5中重金屬的污染狀況進行分析評價（李友平等，2015），計算公式如下：

式中，ci為 PM2.5中重金屬元素i的含量（mg·kg-1），Bi是重金屬元素i的土壤背景值，本研究采用的土壤背景值參照《江西省土壤環境背景值研究》（何紀力等，2006），k為考慮造巖運動可能引起背景值變動而加入的常數，一般取值為1.5。

PM2.5中重金屬元素的Igeo與污染程度的關系分級見表1（李曉寶等，2019）。

表1 地累積指數與污染程度分級Table 1 Contamination degree corresponding to geo-accumulation index

環境空氣PM2.5中重金屬元素對人體產生危害主要通過3個途徑，分別是經口攝食、呼吸系統吸入及皮膚接觸，而呼吸系統吸入是環境空氣對身體影響最為直接的途徑，因此，本研究僅評估呼吸吸入的重金屬健康風險。應用美國環保署（USEPA）健康風險評價模型，對PM2.5中6中重金屬通過呼吸途徑引起的人體健康風險進行初步評價（Tian et al.，2010）。由于長期暴露于高速公路服務區和收費站的人員主要為高速公路工作人員，因此本研究并未考慮兒童呼吸途徑PM2.5中重金屬的健康風險。暴露量的計算公式如下：

式中，ADD為非致癌物質日均暴露劑量（ mg·kg-1·d-1），LADD 為致癌物 日均暴露劑量（mg·kg-1·d-1），c為 PM2.5中重金屬污染物濃度（mg·m-3），IR 為呼吸速率（m3·d-1），EF 為暴露頻率（d·a-1），ED為暴露年限（a），BW為平均體重（kg），AT為平均暴露時間，暴露參數值參考《中國人群暴露參數手冊》（環境保護部，2013），具體參數值見表2。

表2 暴露參數值Table 2 Parameters used in the exposure risk

PM2.5中多種重金屬元素的非致癌總風險（HI）計算公式如下：

式中，HQi為重金屬i元素的非致癌風險，RFi為重金屬i元素的日參考攝入劑量（mg·kg-1·d-1），RF的取值見表2。當HI或HQ≤1時，非致癌風險較低，或可以忽略，HI或HQ＞1時，存在非致癌風險。

致癌元素的終生致癌暴露風險（ILCR）計算公式如下：

SF 為致癌斜率因子（kg·d-1·mg-1），SF 的取值見表3（US EPA，1989），當ILCR低于10-6時，則認為該重金屬元素不具有致癌風險；當ILCR處于10-6—10-4時，則認為該重金屬存在可以接受的，即潛在致癌風險；當ILCR＞10-4時，則認為該重金屬存在較高的致癌風險（陸喜紅等，2016；符小晴等，2018；鄭權等，2018；楊毅紅等，2019）。

表3 重金屬元素暴露參考計量、致癌斜率因子Table 3 Reference dose and carcinogenic slope factor of heavy metals used in this study

2 結果與討論

2.1 高速公路環境大氣PM2.5中重金屬元素質量濃度及季節變化特征

數據分析的結果顯示不同采樣地環境空氣PM2.5及PM2.5中重金屬質量濃度并未顯示出顯著差異。而江西省高速公路環境空氣PM2.5的日均質量濃度季節變化表現為春季＞秋季＞夏季（表4），僅有春季的 PM2.5質量濃度（90.11 μg·m-3）超過國家空氣質量二級標準（24 h質量濃度限制 75 μg·m-3）。相關性分析表明PM2.5質量濃度與氣溫呈極顯著負相關（表5），而與其他氣象因子，如風速、空氣濕度等未發現顯著相關關系，故溫度及溫度引起的相關環境變化（如綠化）是導致 PM2.5質量濃度出現季節變化特征的主要原因（姜磊等，2018）。

高速公路不同季節環境空氣PM2.5中重金屬質量濃 度 均 表 現 為 Zn (3.88 μg·m-3)＞Pb (6.48×10-2μg·m-3)＞Cr (4.07×10-2μg·m-3)＞Cu (2.64×10-2μg·m-3)＞Ni (1.05×10-2μg·m-3)＞Cd (0.13×10-2μg·m-3)（表 4）。諸多南方城市環境空氣PM2.5中重金屬元素在不同季節亦表現為相似趨勢，例如南京市（Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Cd）（陸喜紅等，2016）、廣州市（Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Cd） （符小晴等，2018）、南昌市冬季（Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Cd）（鄭權等，2018）。不難看出，目前高速公路和城市大氣中PM2.5中重金屬含量均以Zn最高，Pb次之，Cu和Cr的排序不一致。自含Pb汽油停用后，Zn成為交通排放的標志物，因為Zn存在于機動車輪胎、汽車零件摩擦和防腐鍍 Zn汽車板中。盡管含Pb汽油停用致使環境大氣中Pb含量降低，但研究表明柴油汽車排放的 PM2.5明顯高于汽油車排放的數值（Cheng et al.，2010），且隨著柴油質量的降低，PM2.5中Pb含量排放因子增加（崔敏，2016），昌樟、溫厚和昌銅高速柴油車的通車比例分別為18%、37%和18%，因此，研究顯示高速公路大氣PM2.5中Pb的含量仍較高。諸多城市環境大氣PM2.5中Cu質量濃度高于Cr，而僅有交通源污染的高速公路PM2.5中Cr含量高于Cu。根據相關文獻整理，城市源大氣PM2.5中Cr的年均質量濃度大部分低于 2.0×10-2μg·m-3（楊毅紅等，2019），普遍低于高速公路水平。諸多研究表明Cu的主要來源是機動車制動塊磨損和機動車尾氣，而 Cr的主要來源是地殼、揚塵源，部分來自機動車尾氣（Wang et al.，2017；董世豪等，2019），因此，定期進行路面清理可能是減少高速公路環境空氣 PM2.5中Cr污染的重要手段之一。

高速公路環境空氣PM2.5中不同重金屬元素質量濃度的季節變化有顯著性差異，其中 Pb的季節變化從高到低依次是春季＞夏季和秋季；Cd和Ni的季節變化從高到低依次是：秋季＞春季和夏季；Zn的季節變化從高到低依次是：夏季＞春季和秋季（表4），高速公路環境空氣中 PM2.5與氣象因子的相關性分析可解釋PM2.5中重金屬的季節變化（表5）。亦有研究表明PM2.5中重金屬質量濃度受道路揚塵（Canepar et al.，2008）、氣象（李會霞等，2016）等因素影響，其中氣溫較高時，輪胎磨損加重，釋放更多的Zn粉進入大氣，致使大氣中PM2.5的Zn元素質量濃度增高（Li et al.，2001）。

表4 高速公路環境空氣PM2.5中重金屬質量濃度的季節變化Table 4 Seasonal change of heavy metal mass concentrations of ambient air PM2.5 near highway μg·m-3

表5 高速公路環境空氣PM2.5中重金屬濃度與氣象因子的相關性Table 5 Correlation between the heavy metal concentrations of ambient air PM2.5 and meteorological parameters

2.2 高速公路環境空氣PM2.5中重金屬污染的季節變化特征

Igeo是判別人為活動對環境影響的重要參數，目前常用于大氣顆粒物中元素的污染特征研究（趙興敏等，2017；Li et al.，2019），江西省高速公路不同季節環境大氣 PM2.5中重金屬元素的Igeo計算結果見圖2。總體來看，不同季節PM2.5中6種重金屬的Igeo值隨季節呈現波動狀態，且Igeo值均大于0，說明6種重金屬元素受到交通源人為活動的污染。其中Zn和Cd的Igeo值處于6.36—10.72之間（＞5），污染程度屬嚴重污染；PM2.5中 Pb的Igeo值處于4.13—4.53之間，污染程度屬重度污染；Cu的Igeo處于 3.20—4.31，僅秋季表現為重度污染，春季和夏季屬偏重污染；Cr在春季表現為中度污染，夏季和秋季表現為偏重污染，Ni的Igeo值處于1.55—3.05之間，污染程度隨季節變化差異較大，總體上呈中度污染。高速公路服務區和收費站環境大氣 PM2.5中的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni均受到不同程度的人為污染，即交通源污染，Cu、Cr和Ni的污染在秋季表現的更為嚴重，而 Zn和 Cd的污染程度最高，研究結果與天津市某高速公路收費站的研究結果較為相似（Li et al.，2019）。

2.3 高速公路環境大氣PM2.5中重金屬健康風險評價

江西省高速公路環境大氣PM2.5中6種重金屬經呼吸途徑的非致癌風險和致癌風險見表6、7。重金屬元素的非致癌風險（HQ）從高到低依次為：Cr＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Ni，不同季節單元素的 HQ 值均小于1，聯合非致癌風險HI值也小于1，處于人體可接受范圍內，說明春季、夏季和秋季高速公路收費站和服務區的 PM2.5中重金屬不存在非致癌風險。另外，不同重金屬對于不同人群的非致癌風險均表現為男性＞女性，諸多研究得出相同的結果（陸喜紅等，2016；符小晴等，2018）。

圖2 不同季節高速公路環境空氣PM2.5中重金屬元素的地累積指數Fig.2 Seasonal change of geo-accumulation index in heavy metal of ambient air PM2.5 near highway

表6 高速公路工作人員非致癌風險Table 6 Non-carcinogenic risk of female worker in highway

表7 高速公路工作人員致癌風險Table 7 Carcinogenic risk of worker in highway

對于致癌重金屬，PM2.5中Cr對成年男性與女性的致癌健康風險均超過閾值10-4，說明高速公路服務區和收費站對男性和女性均存在致癌健康風險，研究結果與南昌市和成都市環境大氣PM2.5中Cr的致癌健康風險評價值極為接近（李友平等，2015；鄭權等，2018），而遠高于廣州（符小晴等，2018）和珠海（楊毅紅等，2019）。Cr中毒一般是指Cr（Ⅵ），而按Cr（Ⅵ）和總Cr比值0.13來估算（陸喜紅等，2016），本研究高速公路環境空氣PM2.5中Cr的致癌風險仍高于閾值，建議采取相應防護措施減少Cr污染。高速公路環境空氣PM2.5中Ni的致癌健康風險處于10-6—10-4之間，說明高速公路PM2.5中Ni對人體健康具有潛在致癌風險，交通源大氣PM2.5中Ni的健康風險高于廣州（符小晴等，2018）、南昌（鄭權等，2018）、成都（李友平等，2015）等城市。高速公路環境空氣PM2.5中Cr和 Ni均存在致癌風險，且男性的致癌風險略高于女性，交通源污染中應重視Cr和Ni的污染。

從季節變化來看，Cr和Ni秋季的致癌風險均高于春季和夏季，Cd元素在春季和夏季致癌風險低于人類可接受風險水平10-6，而秋季Cd的致癌風險高于人類可接受的風險水平。

3 結論

（1）高速公路環境空氣PM2.5和PM2.5中重金屬的質量濃度受氣溫影響表現出明顯的季節變化，不同季節PM2.5中重金屬質量濃度表現為Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Cd，其中Cr的質量濃度遠高于城市；

（2）地累積指數法的分析結果表明環境空氣PM2.5中6種重金屬均受到不同程度的交通源污染，Cu、Cr和Ni的污染在秋季表現更為嚴重，而Zn和Cd的污染程度最高；

（3）健康風險評估表明，高速公路環境空氣PM2.5中重金屬不存在非致癌健康風險，而Cr存在致癌風險，Ni存在潛在致癌健康風險，秋季的致癌風險普遍高于春季和夏季，交通源引起的大氣Cr和Ni污染應受到重視，必要時需采用相關防控措施以降低大氣PM2.5中Cr和Ni的健康風險。