重慶市渝中區城區監測點大氣PM2.5中金屬和類金屬元素污染特征分析及健康風險評估*

曾曉龍,沈卓之,曾云夏△,鄧 雪,劉 淼,薛 豐,胡雪郢,周 杰

(1.重慶市渝中區疾病預防控制中心檢驗科,重慶 400010;2.重慶市疾病預防控制中心科技信息科,重慶 400042)

隨著城市化進程的不斷推進,全國各地相繼出現以PM2.5為首要污染物的空氣污染問題。金屬及類金屬元素作為PM2.5的主要組成部分,可通過呼吸作用進入人體,對健康產生毒性、致癌性及生物蓄積性損傷[1-3],其健康危害大小與金屬成分和濃度有關[4]。近年來,北京、西安、濟南、沈陽等城市相繼開展了空氣PM2.5中金屬及類金屬元素污染特征分析及健康風險評價[5-15],而重慶作為西部唯一直轄市,相關報道較少。重慶中心城區地處槽谷地帶,平均風速小,相對濕度較高,地理氣象條件不利于大氣污染物的擴散[16],其中,渝中區地處長江、嘉陵江交匯處,全區陸地面積20.08平方公里,常住人口58.8萬人,其空氣質量一直受到廣泛關注。本研究通過分析重慶市渝中區2021年大氣PM2.5和其中12種金屬及類金屬元素污染特征和程度,開展人群健康風險評估,為進一步探討地區大氣PM2.5污染防治和人群空氣污染健康防護提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采樣點位于重慶市渝中區馬家堡小學教學樓樓頂,監測高度15 m,周邊為居民區、學校、商場、寫字樓,避開污染源。于2021年1-12月,每月10-16日采樣,連續采集7 d,采樣時間為每天10:00至次日9:30,全年共采集樣品84份。采樣所用儀器為智能中流量空氣總懸浮顆粒物采樣器(武漢天虹,型號:TH-150A、TH-150C),采樣流量100 L/min;所用石英纖維濾膜為90 mm濾膜(英國Whatman公司,貨號:1851-090)。

1.2 方法

1.2.1樣品處理及分析

依據《空氣污染對人群健康影響監測與防護工作手冊(2021年)》要求,樣品采集完成后,當日開始平衡稱重,盡快完成PM2.5濃度測定,15 d內進行成分提取,測定其中12種金屬及類金屬成分含量。取1/8采集到的濾膜,放入15 mL離心管底部,加入95%硝酸(Fisher,67%～70%)溶液10 mL,于70 ℃水浴超聲3 h,充分振蕩后用0.45 μm濾頭過濾,直接用電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 7900)測定其中12種金屬及類金屬成分含量。

1.2.2質量控制與質量保證

實驗室分析12種金屬及類金屬成分檢測的校準曲線線性良好,相關系數(r)≥0.999 0 ;抽取10%的樣品進行平行測定,相對標準偏差均小于20%;樣品加標回收率為82.3%～112.7%,方法檢出限為0.01～8.9 ng/m3;每批樣品分析均進行1個實驗室空白和1個現場空白分析。

1.2.3健康風險評估

按照《大氣污染人群健康風險評估技術規范》(WS/T 666-2019)中“基于大氣污染物毒性資料的人群健康風險評估”方法,開展12種金屬和類金屬元素的健康風險評估。

1.2.4暴露-反應關系評估

污染物的毒性參數使用美國環境保護署區域篩選水平(regional screening levels,RSL)通用表中的環境空氣部分[17],查閱12種元素以吸入途徑接觸的毒性參數,見表1。篩選濃度部分,確定若某一元素具有致癌效應,則可接受風險水平為1×10-6;如具有非致癌效應,則危害商值為1,以此為基準計算對應元素的篩選濃度。如果元素暴露濃度低于篩選濃度,則表明在該暴露水平下對人群無不可接受的風險,終止健康風險評估。如果元素暴露濃度超過篩選濃度,則啟動下一步吸入途徑的健康風險評估。致癌效應篩選濃度計算公式(公式①)為:CA=(AT×TR)/(IUR×ET×EF×ED)。式中,CA為與評估值對應的大氣中的污染物(μg/m3);AT為預期壽命年數×365 d/年×24 h/d;TR為目標癌癥風險(1×10-6);IUR為吸入單位風險(μg/m3);ET為暴露時間(h/d);EF為暴露頻率(d/年);ED為暴露持續時間(年)。本研究假設居民持續暴露在大氣環境中,ET取值24 h/d、EF取值365 d/年、ED取值預期壽命年數。

表1 各金屬及類金屬元素經吸入途徑的毒性參數及其來源

非致癌效應篩選濃度計算公式(公式②)為:CA=(AT×Target HQ×RfC×1 000 μg/mg)/(ET×EF×ED)。式中,CA、AT、ET、EF、ED的意義和取值同公式①;Target HQ為目標危害商數(取值為1);RfC為參考濃度(mg/m3)。

1.2.5暴露評估

暴露濃度計算公式(公式③)為:EC=(CA×ET×EF×ED)/AT。式中,EC為暴露濃度(μg/m3);CA為污染物在空氣中的濃度(μg/m3);ET、EF、ED、AT的意義及取值同公式①。

1.2.6健康風險表征

以超額致癌風險評估金屬及類金屬元素的致癌風險。計算公式(公式④)為:超額致癌風險=IUR×EC。式中,IUR的意義同公式①,EC的意義同公式③。

當超額致癌風險<1×10-6,表明其引起癌癥的風險較低,在監管意義上為可以接受的風險;該超額致癌風險為1×10-6～1×10-4,表明其有潛在的致癌風險;該超額致癌風險>1×10-4,表明其引起癌癥的風險較高。

采用目標危害商數評估重金屬的非致癌風險。計算公式(公式⑤)為:HQ=EC/RfC×1 000 μg/mg。式中HQ為目標危害商數;EC的意義同公式②,RfC的意義同公式③。HQ≥1,表示暴露濃度可能產生非致癌毒性;HQ<1,則表示暴露濃度產生的非致癌性毒性處于可接受的水平[18]。

1.3 統計學處理

采用SPSS19.0軟件進行統計學處理,未檢出按照檢出限的50%進行數據分析。PM2.5及金屬和類金屬元素濃度均不服從正態分布,因此采用最小值、Q1、Q2、Q3、最大值這5項參數進行統計學描述。考慮到需要與《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中PM2.5及各污染物的年平均濃度限值(二級)進行比較,同時納入算術平均值進行統計學描述,并采用其開展風險評估。使用秩和檢驗來分析金屬和類金屬元素的季節性差異,以α=0.05為校驗水準。

2 結 果

2.1 大氣中PM2.5濃度情況

研究期間,該區域2021年PM2.5濃度年平均值為46 μg/m3,最大值為150 μg/m3。其中有11 d的PM2.5濃度超過《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中24 h平均值的二級濃度限值(75 μg/m3),超標率為13.1%。超限量值采樣日期主要集中在秋冬兩季,不同季節中PM2.5濃度平均值由大到小依次為冬季、秋季、春季、夏季,見表2。

表2 大氣中PM2.5濃度情況(μg/m3)

2.2 PM2.5中金屬和類金屬元素濃度情況

重慶市渝中區城區2021年PM2.5中12種重金屬年平均濃度由高到低依次為鋁、錳、鉛、砷、鉻、硒、銻、鎳、鎘、鉈、汞、鈹,其中汞和鈹全年未檢出。比較不同季節元素濃度,除鎳外,9種元素均為秋冬季濃度高于春夏季,差異有統計學意義(P<0.05);砷、鎘、汞、鉛的年平均濃度均未超過限值標準(GB 3095-2012),見表3。

表3 PM2.5中金屬和類金屬元素濃度情況(ng/m3)

2.3 各元素的篩選濃度情況

各金屬及類金屬元素經吸入途徑的毒理學參數見表3,其中6種元素有致癌性參數,10種有非致癌性參數。各元素的篩選濃度見表4,砷、鎘、鉻的暴露濃度高于致癌效應篩選濃度,繼續對砷、鎘、鉻進行致癌性風險評估。10種元素的暴露濃度均低于非致癌效應篩選濃度,因此終止10種元素的非致癌效應風險評估。

表4 各元素的篩選濃度情況(ng/m3)

2.4 健康風險表征

對砷、鎘、鉻進行致癌性風險評估,3種元素的超額致癌風險分別為1.74×10-5、1.08×10-6、3.24×10-6,均介于1×10-6～1×10-4之間,對人群存在潛在的致癌風險。

3 討 論

本研究在區域中心城區設置采樣點,監測高度為15 m,位于國控環境空氣質量監測站覆蓋范圍內,采樣點周邊為居民區、學校、商場、寫字樓,無工廠,避開了污染源及障礙物、交通道路,空氣污染程度相對較輕。本研究中,2021年每月均進行PM2.5采樣分析,共采集樣本84件,一定程度上可反映該區域部分城區大氣PM2.5的污染情況。2021年PM2.5濃度年平均值為46 μg/m3,超過了年平均二級濃度限值(35 μg/m3),其中有11 d超過24 h平均二級濃度限值(75 μg/m3),超標率為13.1%,主要集中在秋冬季。PM2.5濃度表現出明顯的季節性,秋冬季濃度均值大于春夏季。結果顯示,該區域仍存在PM2.5污染情況,這可能與周邊地區大氣污染物傳輸有關。

本研究的12種金屬和類金屬元素中,鋁、錳、鉛質量濃度最高,占所測元素總濃度的93.9%,主要來自汽車尾氣、土地開發施工和道路揚塵[20]。有9種元素表現出明顯的季節性,秋冬季質量濃度大于春夏季,這可能是因為冬季低溫少風,氣象條件不利于PM2.5擴散和降解,一定程度上造成金屬和類金屬元素的累積,而夏季較多的降水有助于PM2.5的沉降清除。鉛、鎘、砷、汞4種元素年平均濃度均低于《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)標準限值[21],這與該區域內無廠礦等工業污染源的情況相符。

依據《大氣污染人群健康風險評估技術規范》(WS/T 666-2019)進行健康風險評估。結果顯示,10種元素的暴露濃度均小于其非致癌效應的篩選濃度,表明其對人群健康無明顯非致癌風險。砷、鎘、鉻3種元素終身超額致癌風險均大于1×10-6,介于1×10-6～1×10-4之間,表明這3種元素有潛在致癌風險。砷是典型的燃煤元素[22],長期暴露可能造成急慢性中毒,導致人體器官病變或發育缺陷[23],對兒童青少年的危害尤其大[24-25]。該區域雖不存在燃煤污染源,但可能受周邊大氣傳輸影響。評估結果顯示,監測時段內空氣PM2.5中的砷濃度對居民有一定的致癌性風險(1.74×10-5),對人群的健康危害需引起關注。

本次健康風險評估結果存在一定的不確定性:在PM2.5采樣、運輸、保存及元素測定過程中存在誤差,造成12種金屬和類金屬元素的濃度存在不確定性。健康風險評估是以人群全年全時間均暴露在大氣環境中為前提進行的,未考慮室內環境因素,且未考慮人群個體因素的差異,暴露濃度存在不確定性。評估是基于單一環境、單一大氣污染物進行,未進行考慮年齡敏感性、多重環境,評估時只考慮了吸入途徑的健康風險,未考慮經口或皮膚接觸進入。