柯釗躍,王 佳,鄭君瑜,賴(lài)森潮,張穎儀 (華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)
廣州市學(xué)齡兒童在校期間PM2.5暴露水平評(píng)價(jià)
柯釗躍,王 佳,鄭君瑜*,賴(lài)森潮,張穎儀 (華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)
采用便攜式大氣顆粒物采樣器(MiniVol)和便攜式顆粒物檢測(cè)儀(pDR-1500)在2010年3月底至4月初對(duì)廣州市某小學(xué)的室內(nèi)外細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè),并對(duì)學(xué)齡兒童在校期間活動(dòng)模式進(jìn)行了跟蹤調(diào)查,評(píng)價(jià)了學(xué)齡兒童在校期間PM2.5暴露水平.結(jié)果顯示該小學(xué)室內(nèi)外日均PM2.5濃度范圍為25.1~145.9μg/m3,室內(nèi)PM2.5濃度略低于室外,兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.65);室內(nèi)實(shí)時(shí)PM2.5濃度結(jié)果表明非假期與假期存在差異.使用離子色譜分析了 PM2.5的陰離子成分,其中 NO3-和 SO42-占陰離子成分總量的 73%~95%.研究顯示道路交通源是采樣地點(diǎn)
近年來(lái),珠江三角洲地區(qū)的細(xì)顆粒物(PM2.5)污染較為嚴(yán)重[1-3].長(zhǎng)期暴露于細(xì)顆粒物中會(huì)嚴(yán)重影響人體健康,造成體內(nèi)DNA、細(xì)胞、組織、器官等的損傷,并與各種心肺疾病發(fā)病率上升以及死亡率上升等密切相關(guān)[4-6].因此,開(kāi)展不同地區(qū)PM2.5的污染特征以及不同人群暴露水平的評(píng)價(jià)研究具有重要意義.學(xué)齡兒童免疫力低,顆粒物污染對(duì)其造成的危害也更為嚴(yán)重[7-8].國(guó)外學(xué)者暴露研究開(kāi)展較多,重點(diǎn)放在了城市尺度顆粒物濃度監(jiān)測(cè)、學(xué)齡兒童和不同職業(yè)類(lèi)型工人的暴露評(píng)價(jià)[9-12],而目前國(guó)內(nèi)對(duì)學(xué)齡兒童的細(xì)顆粒物暴露水平的研究仍較少,已有研究尚未采用體重、年齡和吸入速率等數(shù)據(jù)全面分析學(xué)齡兒童PM2.5的暴露水平[9-10].因而,目前亟需盡快開(kāi)展相關(guān)研究工作以了解細(xì)顆粒物污染對(duì)人體健康的影響.
本研究通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)小學(xué)室內(nèi)外PM2.5濃度水平及其陰離子成分,初步探明細(xì)顆粒物的主要來(lái)源,同時(shí)結(jié)合行為活動(dòng)模式調(diào)查和呼吸生理數(shù)據(jù),開(kāi)展了學(xué)齡兒童在校期間 PM2.5的暴露水平評(píng)價(jià).
選擇廣州市天河區(qū)某小學(xué)為研究地點(diǎn),該小學(xué)臨近3條交通干道,周邊無(wú)其他工業(yè)污染源.
同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)外 PM2.5采樣.室外采樣點(diǎn)設(shè)置在校園操場(chǎng),采樣時(shí)間為2010年3月25日至2010年4月1日,24h連續(xù)采集,采樣儀器為兩臺(tái)帶 PM2.5切割頭的便攜式大氣顆粒物采樣器(MiniVol, AirMetrics, US),采樣濾膜為T(mén)eflon濾膜(φ47mm,Whatman,UK)和石英濾膜(φ47mm, Whatman,UK).室內(nèi)采樣點(diǎn)選擇在該校 1樓某教室內(nèi),除與室外同步采樣外,室內(nèi)繼續(xù)采樣至4月5日.樣品 24h連續(xù)采集,室內(nèi)采樣器為一臺(tái)帶PM2.5切割頭的便攜式顆粒物檢測(cè)儀(pDR-1500, Thermo,US),采樣濾膜為石英濾膜(φ37mm, Whatman, UK),該儀器可實(shí)時(shí)記錄PM2.5濃度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄間隔為20s,并且獲得濾膜樣品.共采集36個(gè)有效樣品(室內(nèi)外同步樣品24個(gè)、現(xiàn)場(chǎng)/實(shí)驗(yàn)室空白 12個(gè)).采樣同時(shí)使用空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀(ETL2000,Thermo,US)測(cè)量室外NOx實(shí)時(shí)濃度變化(2010年3月25日至2010年4月1日);使用小型無(wú)線氣象站(Vantage Pro2 Plus, Davis Instuments,US),實(shí)時(shí)記錄溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、降雨量等各種氣象數(shù)據(jù).
室內(nèi)采樣的班級(jí)共有50名學(xué)齡兒童,教室面積為 56m2,高度 3.15m,教室共有兩扇門(mén),四套窗戶.門(mén)開(kāi)面積約為 3.8m2,學(xué)生在校期間開(kāi)啟,窗戶開(kāi)啟面積為6.4m2,全天開(kāi)啟.
1.2.1 濃度分析 采用稱(chēng)重法[11]計(jì)算室內(nèi)外PM2.5濃度.采樣前后采用百萬(wàn)分之一天平 MX5 (Mettler-Toledo,CH)對(duì)濾膜進(jìn)行稱(chēng)量.稱(chēng)量后將濾膜放入Petri Slide密封保存在4℃冰箱待采樣或分析.
1.2.2 離子色譜分析 所采集樣品使用高純?nèi)ルx子水進(jìn)行超聲波輔助萃取.萃取液用ICS-1000離子色譜儀(Dionex,US)進(jìn)行陰離子分析.分析使用陰離子分析柱(AS14,Dionex,US)和抑制器(ASRS-II, Dionex,US),以Na2CO3/NaHCO3混合液為淋洗液,濃度為Na2CO33.5mmol/L/NaHCO31.0mmol/L,流速1.2mL/min.
1.2.3 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制 室內(nèi)采樣器pDR-1500實(shí)時(shí)讀數(shù)的原理是光散射,受濕度影響較大,機(jī)器讀數(shù)會(huì)偏高,因此參考濾膜采樣-稱(chēng)重法需進(jìn)行濃度校正[12].將MiniVol與pDR-1500置于室內(nèi)同一測(cè)點(diǎn),同一高度進(jìn)行平行采樣 7d.采樣結(jié)果顯示兩者 PM2.5濃度顯著相關(guān),獲得校正公式如下:
CMiniVol=CpDR-1500×0.601+9.120(R2=0.985) (1)式中:CMiniVol為 PM2.5日均值;CpDR-1500為實(shí)時(shí)PM2.5濃度的日統(tǒng)計(jì)均值.
采樣前,石英濾膜在馬弗爐中 700℃高溫灼燒3~4h以避免有機(jī)雜質(zhì)的影響.
樣品分析過(guò)程中,分析空白濾膜和現(xiàn)場(chǎng)空白,獲得濾膜背景值.
該小學(xué)學(xué)齡兒童人數(shù)共有1101人,年齡從6周歲到 12周歲.從六個(gè)年級(jí)的各個(gè)班級(jí)中隨機(jī)選取529名學(xué)生進(jìn)行健康調(diào)查.再于被調(diào)查學(xué)生中隨機(jī)選取220名進(jìn)行連續(xù)一周校內(nèi)活動(dòng)的跟蹤調(diào)查.
健康調(diào)查表主要記錄學(xué)齡兒童的身高、體重、年齡等數(shù)據(jù).校內(nèi)活動(dòng)記錄表記錄監(jiān)測(cè)期間連續(xù)一周被調(diào)查學(xué)生的校內(nèi)活動(dòng)情況,包括上課及各課間時(shí)間學(xué)齡兒童室內(nèi)外的活動(dòng)情況.
結(jié)合學(xué)齡兒童主要活動(dòng)場(chǎng)所教室、操場(chǎng)PM2.5的監(jiān)測(cè)結(jié)果、校內(nèi)時(shí)間-活動(dòng)模式和兒童平均吸入速率,對(duì)單位體重的兒童校內(nèi) PM2.5暴露水平進(jìn)行計(jì)算:

式中:Exp-W為兒童單位體重校內(nèi)PM2.5的日均潛在暴露水平,μg/(kg?d); CIndoor, COutdoor分別為教室和操場(chǎng)的PM2.5濃度, μg/m3; TIndoorSleep, TIndoorSit, TIndoorWalk, TIndoorSport分別為平均每天兒童在教室休息、坐、行走、運(yùn)動(dòng)的時(shí)間, TOutdoorSit, TOutdoorWalk, TOutdoorSport分別為平均每天兒童在操場(chǎng)坐、行走、運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,min;IRSleep,IRSedentary,IRLight,IRModerate, IRHigh分別為兒童在休息、坐、輕微、中度、重體力活動(dòng)狀態(tài)下單位體重的平均吸入速率, m3/(min?kg).另外,兒童室內(nèi)外運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度是有差異的,參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)局《暴露參數(shù)手冊(cè)》[13]和《兒童暴露參數(shù)手冊(cè)》[14]中針對(duì)學(xué)齡兒童平均吸入速率值的分級(jí)說(shuō)明(如小孩的玩耍為中度體力活動(dòng), 快跑等為重體力活動(dòng)),并結(jié)合本研究實(shí)際行為模式問(wèn)卷調(diào)查和對(duì)兒童在校行為及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的觀察,假設(shè)兒童在教室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)均屬于中度體力活動(dòng);在操場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)有 80%的時(shí)間屬于中度體力活動(dòng),20%的時(shí)間屬于重體力活動(dòng).
進(jìn)一步結(jié)合被調(diào)查兒童的體重?cái)?shù)據(jù),可計(jì)算兒童個(gè)體校內(nèi)日均PM2.5的潛在暴露水平:
Exp-I= Exp-W×BW (3)
式中:Exp-I為兒童個(gè)體校內(nèi)的 PM2.5日均潛在暴露水平, μg/d; Exp-W為兒童單位體重校內(nèi)的PM2.5日均潛在暴露水平, μg/(kg?d); BW為學(xué)齡兒童個(gè)體體重, kg.
2.1.1 采樣期間室內(nèi)外 PM2.5濃度水平 同步采樣期間(3月25日至4月1日),室外PM2.5質(zhì)量濃度在 25.1~145.9μg/m3之間,平均值為76.7μg/m3;室內(nèi) PM2.5的質(zhì)量濃度在 42.2~108.3μg/m3之間,平均值為 63.2μg/m3.室內(nèi)外PM2.5的日平均濃度值如圖1所示.
與Guo等(2010)[15]、Fromme等(2008)[16]和Crist等(2008)[17]的研究結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表 1.由表 1可見(jiàn),本研究的室內(nèi) PM2.5濃度為其他研究結(jié)果的 1.7~9.4倍,室外 PM2.5濃度為其他研究的4.5~6.6倍,對(duì)比結(jié)果表明其他城市校園室內(nèi)外PM2.5監(jiān)測(cè)濃度遠(yuǎn)小于本研究,廣州學(xué)齡兒童在校期間暴露于較高濃度的PM2.5中.

圖1 采樣期間室內(nèi)外細(xì)顆粒物濃度日均值Fig.1 Daily average of indoor and outdoor PM2.5 concentration

表1 不同城市小學(xué)室內(nèi)外PM2.5濃度的比較Table 1 Comparison of indoor/outdoor PM2.5 concentrations at primary schools in different cities
2.1.2 室內(nèi)PM2.5實(shí)時(shí)濃度變化 3月31日~4月5日的室內(nèi)實(shí)時(shí)PM2.5數(shù)據(jù)如圖2所示.采樣期間,3月31日~4月2日為正常上課時(shí)間;4月3~5日為清明節(jié)假期,無(wú)學(xué)生活動(dòng).
數(shù)據(jù)顯示非假期與假期PM2.5濃度變化存在明顯差異,這被認(rèn)為與假期和非假期人們出行時(shí)段的不同和清明假期祭拜活動(dòng)有關(guān),因而推測(cè)研究地點(diǎn)PM2.5濃度變化主要受到交通污染源、祭拜香火和當(dāng)時(shí)氣象因素有關(guān).數(shù)據(jù)顯示,非假日期間(3月31~4月2日)PM2.5日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)雙峰分布現(xiàn)象,PM2.5每日濃度值高峰分別出現(xiàn)在08:00~09:00、17:00~21:00兩個(gè)交通繁忙時(shí)段.假日期間的4月3~4日,PM2.5濃度均呈現(xiàn)單峰分布,每日濃度值高峰從14:00出現(xiàn)至17:00~20:00期間達(dá)到當(dāng)日最高值.峰值出現(xiàn)時(shí)間段與假期交通擁堵時(shí)段相對(duì)應(yīng).而4月5日,PM2.5濃度變化趨勢(shì)則完全不同于之前兩天,PM2.5峰值在凌晨出現(xiàn),之后濃度急劇下降.凌晨時(shí)分出現(xiàn)的峰值可能與該段時(shí)間大氣垂直擴(kuò)散能力的減弱有關(guān),導(dǎo)致空氣中顆粒物逐漸積累.而4月5日凌晨的降雨則與之后 PM2.5濃度的下降關(guān)系密切.這表明濕沉降對(duì)PM2.5的去除作用明顯.降水對(duì)PM2.5濃度影響也表現(xiàn)在4月2日的觀測(cè)中.4月2日全天PM2.5濃度僅在 40.0μg/m3上下.氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示在凌晨出現(xiàn)多次短時(shí)強(qiáng)降雨,降雨速率為98.4~274.2mm/h,之后全天降雨速率維持在1.2~7.8mm/h.

圖2 采樣期間室內(nèi)細(xì)顆粒物濃度實(shí)時(shí)變化Fig.2 Time series of indoor concentration during the sampling period

圖3 室內(nèi)外PM2.5濃度相關(guān)性分析Fig.3 Correlation between indoor and outdoor PM2.5
采樣期間,PM2.5濃度 I/O比值從 0.66~2.22,室內(nèi)PM2.5濃度8d中有6d小于室外濃度,這與室內(nèi)無(wú)污染來(lái)源和通風(fēng)條件良好有關(guān).圖2顯示假期室內(nèi)濃度相對(duì)非假期較高.
根據(jù)最小二乘法擬合回歸分析,采樣期間室內(nèi)外 PM2.5呈現(xiàn)顯著相關(guān)(圖 3,R2=0.65,P<0.01).這表明室內(nèi)PM2.5來(lái)源于室外滲透,室內(nèi)外PM2.5具有同源性.
2.3.1 評(píng)價(jià)參數(shù) 本研究主要通過(guò)考察非假期(3月25~4月1日)PM2.5濃度水平、學(xué)齡兒童的體重、吸入速率和在?;顒?dòng)模式等數(shù)據(jù),進(jìn)行學(xué)齡兒童在校期間 PM2.5暴露水平的評(píng)價(jià)(方法見(jiàn)1.3節(jié)).表 2列出了本次調(diào)查不同年齡兒童的體重?cái)?shù)據(jù).數(shù)值與國(guó)內(nèi)大規(guī)模調(diào)查結(jié)果接近[18],略低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(U.S.EPA)《暴露參數(shù)手冊(cè)》
[13]中的數(shù)據(jù).
目前,我國(guó)還沒(méi)有暴露參數(shù)方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè),因而本研究采用 U.S.EPA《兒童暴露參數(shù)手冊(cè)》[14]重點(diǎn)推薦的、加入體重校正后的單位體重平均吸入速率數(shù)據(jù)(表3).
通過(guò)對(duì) 220名學(xué)齡兒童連續(xù)一周的校內(nèi)時(shí)間-活動(dòng)模式追蹤,得到216份有效《學(xué)生校內(nèi)活動(dòng)記錄表》(7d)數(shù)據(jù).本研究中被調(diào)查學(xué)生平均在校時(shí)間為(467.5±66.7)min.男女學(xué)生在校期間日室內(nèi)外各活動(dòng)所用平均時(shí)間接近,性別差異小,這與該校作息時(shí)間模式有關(guān),也反映了該年齡段男女活動(dòng)情況差異小.圖4所示為該校學(xué)生在校活動(dòng)模式時(shí)間比例.其中室內(nèi)坐的時(shí)間最長(zhǎng),其次為室內(nèi)午休時(shí)間;再者為室外運(yùn)動(dòng).
2.3.2 學(xué)齡兒童校內(nèi) PM2.5潛在暴露水平 根據(jù)式(1)和式(2),計(jì)算每位兒童單位體重的校內(nèi)PM2.5日均潛在暴露水平和個(gè)體校內(nèi) PM2.5日均潛在暴露水平.結(jié)果顯示平均單位體重校內(nèi)日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),平均個(gè)體校內(nèi)日均潛在暴露水平為246.8μg/d(表4).圖5顯示低年級(jí)學(xué)生單位體重的校內(nèi)PM2.5日均潛在暴露水平高于高年級(jí)學(xué)生;這是與低年級(jí)兒童單位體重的平均吸入速率高于高年級(jí)兒童有關(guān),且本調(diào)查中低年級(jí)學(xué)生平均校內(nèi)停留時(shí)間多于高年級(jí)學(xué)生.而在加入兒童個(gè)體體重因子后,兩者的校內(nèi) PM2.5日均潛在暴露水平接近.

表2 不同年齡兒童的體重Table 2 Body weight of children at different ages

表3 學(xué)齡兒童單位體重的平均吸入速率[m3/(min?kg)]Table 3 Average inhalation rates for school children per unit of body weight [m3/(min?kg)]

圖4 學(xué)生在校期間不同活動(dòng)模式下的時(shí)間比例Fig.4 Percentage of daily-averaged time spent under different activity patterns by pupils during school time

表4 學(xué)齡兒童校內(nèi)PM2.5的日均潛在暴露水平Table 4 Daily average potential exposure levels of PM2.5 for school children
本研究顯示 PM2.5的主要陰離子成分是SO42-、NO3-和Cl-,其中SO42-所占百分比最多,其次為NO3-,再次為Cl-,該3種離子成分質(zhì)量濃度占所有陰離子總和的 93%~98%,其他離子成分(F-、Br-、NO2-)含量較少(圖6),這與Lai等(2007)[19]研究結(jié)果一致.陰離子濃度占 PM2.5質(zhì)量濃度的11.1%~22.3%.

圖5 各年級(jí)學(xué)生校內(nèi)PM2.5的日均潛在暴露水平Fig.5 Daily average PM2.5 potential exposure level for school children in every Grade

圖6 室內(nèi)外陰離子成分百分比Fig.6 Percentage of indoor and outdoor PM2.5 anionic component

圖7 室外NOx濃度與室內(nèi)外細(xì)顆粒物濃度比較Fig.7 Temporal variations of outdoor NOX , indoor and outdoor PM2.5
NOx主要由交通污染源排放產(chǎn)生的,尤其是公共汽車(chē)和重型卡車(chē)[20].監(jiān)測(cè)結(jié)果表明NOx日均值與PM2.5日均值變化趨勢(shì)相似(圖7),此外NOx也與NO3-日均值變化趨勢(shì)一致.非假期的NOx濃度高峰值出現(xiàn)在早晨和傍晚兩個(gè)交通高峰時(shí)期,與PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致,這表明該小學(xué)PM2.5的濃度變化受到交通污染的影響.
3.1 監(jiān)測(cè)期間室外 PM2.5質(zhì)量濃度平均值為76.7μg/m3,室內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度平均值為63.2μg/m3,室內(nèi)外濃度具有良好的相關(guān)性.
3.2 室內(nèi) PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,交通高峰時(shí)段存在濃度高峰;PM2.5中陰離子主要成分為SO42-、NO3-和 Cl-,SO42-占 45%~64%,NO3-占28%~31%;PM2.5質(zhì)量濃度、樣品中 NO3-濃度與NOx監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致,表明交通污染源是該小學(xué)室內(nèi)外PM2.5的來(lái)源之一.
3.3 學(xué)齡兒童在校期間平均單位體重的日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),平均個(gè)體校內(nèi)日均潛在暴露水平為246.8μg/d.
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PM2.5exposure assessment of school children at a primary school in Guangzhou, China.
KE Zhao-yue, WANG Jia, ZHENG Jun-yu*, LAI Sen-chao, ZHANG Ying-yi (College of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2011,31(10):1618~1624
To assess PM2.5exposure level of school children during school time, we collected indoor and outdoor PM2.5samples at a primary school in Guangzhou City from 2010-03-25 to 2010-04-05 by atmospheric particle sampler (MiniVol) and portable particle detector (pDR-1500), and investigated the activity patterns of pupils during the sampling period. The indoor and outdoor daily averages of PM2.5ranged from 25.1 to 145.9μg/m3. Indoor and outdoor PM2.5was well correlated (R2=0.65). Real-time measurement of indoor PM2.5was monitored and different diurnal variations were observed between weekdays and holidays. Anionic species were analyzed by ion chromatography. It was found that NO3-and SO42-accounted for the major part of anionic species (73%~95%). The results showed that vehicle source was one of the major sources of PM2.5at the sampling site. The exposure of pupils to PM2.5during school time was estimated using the indoor/outdoor PM2.5, the activity pattern and the inhalation rates of pupils. The results showed that the daily potential exposure level of PM2.5was 246.8μg/d and the daily potential exposure level of PM2.5per unit of body weight was 7.6μg/(kg?d) for school children.
school children;fine particulate matter;activity pattern;exposure assessment
PM2.5主要來(lái)源之一.學(xué)齡兒童在校期間單位體重PM2.5日均潛在暴露水平為7.6μg/(kg?d),個(gè)體日均潛在暴露水平為246.8μg/d.關(guān)鍵詞:學(xué)齡兒童;細(xì)顆粒物;活動(dòng)模式;暴露評(píng)價(jià)
X503.1
A
1000-6923(2011)10-1618-07
2011-01-21
教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-08-0208),粵港聯(lián)合科技創(chuàng)新平臺(tái)(2009B050900005)
* 責(zé)任作者, 教授, zheng.junyu@gmail.com
致謝:本研究現(xiàn)場(chǎng)采樣與調(diào)查得到該小學(xué)師生及工作人員的支持與幫助,現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析工作得到華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院LARES課題組等成員的協(xié)助,在此一并表示感謝.
柯釗躍(1985-),男,廣東南澳人,華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事大氣細(xì)顆粒物組分特征和暴露評(píng)價(jià)研究.