住宅室內(nèi)外環(huán)境中重金屬元素健康風(fēng)險評價

張博欣 李燦 陳泉 馬千里

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

PM2.5 即細(xì)顆粒物：空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm 的顆粒物[1]。PM2.5比表面積大，易攜帶有害物質(zhì)，尤其是重金屬元素成分對人體有十分大的危害，其中，As、Cd、Cr 被國際癌癥研究機構(gòu)列為1類致癌物[2]。其危害和健康風(fēng)險已受到高度重視。

目前研究室外PM2.5中重金屬的健康風(fēng)險較多，而對室內(nèi)PM2.5重金屬污染引起的健康風(fēng)險研究較少。王芳等[3]對南京市市區(qū)某大學(xué)校園宿舍和學(xué)生辦公室的室內(nèi)PM2.5及其重金屬進(jìn)行人體健康風(fēng)險評價，研究表明：重金屬元素致癌和非致癌風(fēng)險在室內(nèi)均表現(xiàn)為正常。楊毅紅等[4]利用美國EPA 健康風(fēng)險評價模型對珠海市郊區(qū)大氣PM2.5的健康風(fēng)險進(jìn)行評價，結(jié)果表明：非致癌風(fēng)險主要元素表現(xiàn)為Mn 元素，致癌風(fēng)險則主要表現(xiàn)為Cr，Pb 和Co 元素。目前，國內(nèi)外關(guān)于重金屬元素的健康評價方面的研究較多是基于參數(shù)引用美國EPA 健康風(fēng)險手冊數(shù)據(jù)，很少基于本地化暴露參數(shù)研究，較少關(guān)注住宅室內(nèi)外環(huán)境共同作用影響的綜合健康風(fēng)險。

本文選定株洲市為研究對象，株洲市是一個以有色金屬冶煉、運輸設(shè)備制造、化工原料加工等重工業(yè)為主[5]的典型工業(yè)城市，工業(yè)排放出來的Cu、Pb、Zn、Cd、As 等重金屬元素，對株洲當(dāng)?shù)氐拇髿庠斐闪藝?yán)重污染。同時，在城市人口密度不斷變化的情況下，由交通所產(chǎn)生的Mn、Cr、Sn 等金屬元素對大氣環(huán)境所造成的的污染也十分嚴(yán)重，本次研究在市區(qū)分區(qū)域選取4 戶住宅為采樣點，在室內(nèi)外開展一年的PM2.5采樣檢測，對住宅室內(nèi)外PM2.5的污染組分及其來源進(jìn)行綜合分析研究。開展典型工業(yè)城市住宅室內(nèi)外PM2.5對人體暴露于顆粒物的健康風(fēng)險評估研究，掌握當(dāng)?shù)厥覂?nèi)外環(huán)境細(xì)顆粒物中重金屬元素污染情況，將為政府部門規(guī)劃決策治理大氣污染問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對采取措施最大限度的降低室內(nèi)外顆粒物中所攜帶金屬元素危害人民健康有積極意義。

1 采樣方法及元素分析方法

1.1 樣本采集

本文在株洲市區(qū)選取了4 戶住宅為采樣點進(jìn)行檢測，各個住宅采樣點的具體情況如表1 所示。

表1 采樣點特征

采樣時間為2018 年3 月至2019 年2 月，本文中用到的儀器設(shè)備：2030D 型智能小流量（TSP/PM10/PM2.5）采樣儀器，采樣流量為16.67 L/min，低噪聲適宜室內(nèi)采樣。

1.2 元素分析

收取采樣后，對PM2.5金屬元素組分進(jìn)行分析，參照國標(biāo)HJ657-2013 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(zhì)譜法中的相關(guān)規(guī)定對濾膜進(jìn)行消解處理，得到無機元素污染特征見表2。

表2 室內(nèi)外PM2.5 中重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果（ng/m3）

對比表2 室內(nèi)外各元素的平均總質(zhì)量濃度可知：株洲市室外大氣PM2.5檢測微量元素的主要致癌重金屬元素為Cu、Mn、Cr、Ni 和As。室內(nèi)主要致癌重金屬元素為Cu、Mn、Cr、Ni 和As。總體來說，室內(nèi)環(huán)境PM2.5中所分析的微量金屬元素平均總質(zhì)量高于室外。

變異系數(shù)的大小反應(yīng)金屬元素受環(huán)境影響程度。室外Cr 和室內(nèi)Mn、Ni 元素含量變異系數(shù)均大于0.9。室內(nèi)外Cu、Cd、Co 變異系數(shù)大于1，屬于強變異。表明以上元素受人類活動環(huán)境影響的程度較大。

2 健康風(fēng)險評價方法

2.1 US EPA 健康風(fēng)險評價模型

利用US EPA 健康風(fēng)險評價模型評價PM2.5中重金屬對人體造成的健康風(fēng)險[6]。對PM2.5中的Mn、Cr、Co、Ni 重金屬進(jìn)行非致癌健康風(fēng)險分析，Co、Ni、Cr 和As 進(jìn)行致癌風(fēng)險評估。首先計算各金屬元素針對暴露人群成年男性和成年女性的非致癌物ADD（日均暴露量）及致癌物L(fēng)ADD（終身日均暴露量），mg/(kg·d)。計算公式：

式中：C、IR、EF、ED、BW、AT 分別表示室內(nèi)實測元素濃度、呼吸速率、暴露頻率、暴露年齡、體質(zhì)量及平均暴露時間。

非致癌和致癌風(fēng)險作用的量化評價指標(biāo)分別為危險指數(shù)（HI）和終生致癌風(fēng)險（ILCR）。

式中：HQ 為風(fēng)險商數(shù)；RfD 為最大暴露參考劑量，mg/(kg·d)；HI 為多種元素的綜合非致癌風(fēng)險；SF 為致癌因子，[mg/(kg·d)]-1。各元素呼吸暴露參考劑量及斜率因子見表3。

表3 重金屬元素呼吸暴露參考劑量

2.2 參數(shù)不確定性的蒙特卡洛模擬

蒙特卡羅模型是一種用于評價數(shù)據(jù)不確定性的統(tǒng)計實驗方法。通過隨機抽樣得到了仿真結(jié)果及其頻率分布，根據(jù)置信區(qū)間（5%～95%）的概率分布，應(yīng)用于健康風(fēng)險評估，確定不確定風(fēng)險概率[8]。由于健康風(fēng)險評價輸入?yún)?shù)具有隨機性，均存在一定的變化范圍，因此，有必要對參數(shù)的數(shù)據(jù)分布類型定義，利用Excel加載專業(yè)水晶球插件（Crystal Ball，版本號：11.1.63.0）對以上建立PM2.5中重金屬健康風(fēng)險評價模型進(jìn)行模擬計算，得到HI 和ILCR 數(shù)據(jù)概率分布及不確定度。

3 健康風(fēng)險評價結(jié)果

3.1 暴露濃度分布的確定

利用實測的金屬元素濃度水平在Crystal Ball 中分布擬合數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢驗，大多數(shù)金屬元素的濃度符合對數(shù)正態(tài)分布。表4 列出了住宅室內(nèi)/外PM2.5樣品中金屬元素的統(tǒng)計分布值，用于蒙特卡洛模擬中輸入?yún)?shù)的定義分布假設(shè)。

表4 金屬元素的暴露濃度統(tǒng)計分布（單位：ng/m3）

3.2 暴露參數(shù)的確定

對實測本地化數(shù)據(jù)的各種暴露參數(shù)定義（呼吸速率、體重）分布類型。考慮到體重和運動狀態(tài)都對呼吸速率的影響，對株洲市成年人（21～61 歲）的體重抽樣統(tǒng)計分析，得到男性平均體重65.5 kg，女性56 kg。具體信息見表5。

表5 株洲市居民體重信息

圖1 活動模式及活動時間

分析成年人的時間-活動模式統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖1，得到：每日居民住宅室外活動時間2.7 h。總計室內(nèi)暴露時間為21.3 h，占到一天總時間的88%，成年人每日睡眠占8.4 h，輕度活動13.3 h，中度活動1.8 h 以及重度活動0.5 h。

根據(jù)以上實測體重、活動強度數(shù)據(jù)，參考美國EPA 健康風(fēng)險手冊人群呼吸速率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到成年人每日呼吸速率，匯總見表6 所示。

表6 成年人的呼吸速率計算表

3.3 基于本地化參數(shù)實測的健康風(fēng)險分析

基于引用的呼吸途徑的人體暴露參數(shù)見表7[9-10]。本地化調(diào)整的參數(shù)主要有呼吸速率、體重，暴露時間總計室內(nèi)21.3 h、室外2.7 h，默認(rèn)居室和其他室內(nèi)環(huán)境暴露濃度相同。人均壽命參考中國男人、女人分別為69.4、73.3 歲。

表7 引用通過呼吸途徑進(jìn)入人體的暴露參數(shù)取值

利用美國EPA 推薦健康風(fēng)險評價模型計算株洲市大氣PM2.5中重金屬元素非致癌和致癌風(fēng)險值，結(jié)果圖2。

圖2 分人群類型來看，Mn 元素的非致癌風(fēng)險系數(shù)對所有人群均遠(yuǎn)大于1，說明株洲市住宅室內(nèi)PM2.5中Mn 對人體有非致癌風(fēng)險。且HQ 在兒童中危險系數(shù)為3.15，說明Mn 對兒童具有嚴(yán)重的非致癌風(fēng)險。室內(nèi)外各重金屬按非致癌風(fēng)險水平大小排序為：Mn＞Cr＞Co＞Ni。除Mn 元素的HQ 外，同時注意兒童Cr 風(fēng)險（HQ＞1）。

見表8 可知，Cr、As、Ni、Co 及Cd 的致癌風(fēng)險值超過1.0×10-6，說明對人群健康的致癌風(fēng)險不容忽略。按大到小排列依次為Cr、As、Co、Cd、Ni。其中，Cr 和As 的ILCR 值無論成年人和兒童的數(shù)量級均達(dá)到10-4，表明Cr 和As 具有較高致癌風(fēng)險。Co、Cd 的ILCR值較接近，均處于10-6～10-4內(nèi)，因此，Co、Cd 也存在一定致癌風(fēng)險。

圖2 株洲市住宅室內(nèi)外大氣PM2.5中重金屬非致癌和致癌風(fēng)險值

表8 株洲市住宅室內(nèi)外大氣PM2.5 中重金屬非致癌風(fēng)險值和致癌風(fēng)險值

計算各重金屬元素室內(nèi)/外風(fēng)險的HQ 和ILCR值比值。該元素比值越大，則健康風(fēng)險室內(nèi)貢獻(xiàn)越大。非致癌風(fēng)險降序排列為Co，Mn，Ni，Cr。致癌風(fēng)險為：Co，As，Ni，Cd，Cr。相比以上綜合室內(nèi)外暴露環(huán)境所得的健康風(fēng)險大小次序，很明顯不同，說明株洲市大氣PM2.5中各重金屬室內(nèi)外非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險有所差異。由此可知，Co 元素的非致癌風(fēng)險和致癌風(fēng)險均表現(xiàn)為室內(nèi)貢獻(xiàn)最大，而Cr 則室外貢獻(xiàn)相對更明顯。通過對表中7 中元素的I/Q 值求取平均數(shù)可知，平均室內(nèi)暴露風(fēng)險是室外暴露風(fēng)險的8.1 倍，表明人體的健康風(fēng)險主要源于室內(nèi)空氣暴露，主要與人體在室內(nèi)的暴露時間有關(guān)。

4 結(jié)論

本文利用美國EPA 健康風(fēng)險評價模型對株洲市住宅室內(nèi)外不同場景條件下PM2.5中的重金屬的非致癌和致癌健康風(fēng)險進(jìn)行綜合評估，對體重，呼吸速率及暴露濃度定義分布運用蒙特卡洛模擬研究。發(fā)現(xiàn)：

1）Cr、As、Ni、Co 和Cd 元素存在致癌風(fēng)險，其中Cr 為最高。Mn 元素對人體存在非致癌風(fēng)險。長期接觸Mn 可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起震顫麻痹綜合征癥。故株洲市住宅環(huán)境中應(yīng)對這6 種元素引起重視。

2）健康風(fēng)險主要源自室內(nèi)空氣暴露，不同元素有區(qū)別：Co 元素的非致癌和致癌風(fēng)險表現(xiàn)為室內(nèi)貢獻(xiàn)最大，而Cr 則表現(xiàn)為室外貢獻(xiàn)最大。

3）株洲冶煉廠的主要產(chǎn)品Cu、Zn 并未表現(xiàn)出顯著的非致癌或致癌風(fēng)險，即本地工業(yè)生產(chǎn)未對居民產(chǎn)生格外顯著的健康風(fēng)險，而Mn、Cr 等這些交通活動貢獻(xiàn)的污染元素健康風(fēng)險顯著，更值的重視。