典型石油城市道路積塵重金屬污染及健康風險評價*

阿迪萊·伊斯馬伊力 麥麥提吐爾遜·艾則孜,2# 靳萬貴 阿地拉·艾來提

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆師范大學新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

道路積塵也稱地表灰塵，是城市環境顆粒物的一種富集體[1]。道路積塵作為城市交通、工業、建筑以及大氣沉降等影響下產生的顆粒物質，通常附著或沉積于城市不同的下墊面上，通過呼吸吸入、皮膚接觸、手-口攝入等途徑進入人體逐漸積聚，并在降水影響下進入城市土壤及水環境中，威脅城市生態系統平衡,并危害人體健康[2-3]。

為保護城市環境與居民身體健康，相關學者對城市道路積塵重金屬污染及潛在風險開展了大量研究[4]，并取得了豐富的研究成果。白澤琳等[5]分析了蘭州市城關區道路積塵中的Cu、Zn、Cd、Cr和Pb等的污染風險，發現無論兒童還是成人，手-口攝入是道路積塵主要暴露途徑，Cr和Pb是蘭州市城關區道路積塵主要的健康風險因子。常靜等[6]對上海中心城區道路積塵中Pb、Cr、Ni、Cu、Zn和Cd 6種重金屬元素的健康風險進行評價，發現6種元素的致癌風險和非致癌風險都在風險閾值內，手-口攝入是健康風險的主要暴露途徑。曹治國等[7]分析了北京市室內外6種重金屬元素粒徑分布規律和人體健康風險，發現不同粒徑的道路積塵中6種重金屬元素的非致癌健康風險均可忽略。王碩等[8]探討了中國道路積塵中Cr、Cu、Pb、Zn和Cd 5種重金屬元素的空間分布特征及各省份的富集狀況，發現中國道路積塵中重金屬元素含量普遍較高，不同區域道路積塵重金屬含量差異較大。

近年來，石油開采區土壤污染風險倍受關注[9-12]。油田原油中含有幾十種重金屬元素，其中包括Cd、Cr、Pb和Hg等生物毒性強的重金屬元素。在原油的開采、加工與運輸過程中產生的石油污染物，經過各種途徑在生態系統間循環，對周圍的土壤、水體和大氣環境安全帶來威脅[13-14]?？死斠烙吞锸切轮袊闪⒑箝_發建設的第一個大油田，原油產量居中國陸上油田第4位。該地區石油開采和運輸過程中產生的石油污染物已對當地生態環境造成了污染[15-16]。基于此，本研究以克拉瑪依市為研究區，分析克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg共6種重金屬元素的含量與污染水平，采用美國環境保護署(USEPA)健康風險評價模型，分析重金屬污染的潛在人體健康風險，以此來探討石油開發背景下，城市道路積塵重金屬污染風險，為石油城市生態環境保護提供科學依據。

1 研究區概況

克拉瑪依市位于準噶爾盆地西北緣，是中國重要的石油石化基地，現已發現油氣田25座，石油地質儲量約18.3億t[17]?？死斠朗兄鞒菂^總面積53 km2，氣候屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫約8.6 ℃，多年平均降水量約169 mm，多年平均蒸發量約2 692 mm，地勢為西北高、東南低，平均海拔約400 m[18]。該區域土壤類型主要為棕鈣土、荒漠灰鈣土和灰棕壤。

2 材料與方法

2.1 道路積塵樣品采集與測定

于2018年9—10月在克拉瑪依市進行了道路積塵樣品采樣，共采集了52個道路積塵樣品，采樣點分布見圖1。在采集樣品過程中，根據研究區實際情況進行了均勻布點，用簸箕、毛刷等非金屬類工具掃取樣品并除掉其中混雜的小石子等雜物，將樣品放入聚乙烯自封袋。所有樣品經過自然風干，通過100目尼龍篩后委托新疆維吾爾自治區分析測試研究院測定As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg含量。重金屬含量測定過程中按國家土壤標準參比物質(GSS-12)和重復樣進行質量控制，各元素回收率均在允許范圍內。

圖1 研究區位置及采樣點分布Fig.1 The location of study area and sampling points

2.2 污染評價方法

采用地質累積指數法評價克拉瑪依市道路積塵重金屬污染水平。地質累積指數計算見式(1)：

Igeo=log2[Csoil/(1.5B)]

(1)

式中：Igeo為重金屬的地質累積指數；Csoil為道路積塵中重金屬質量濃度，mg/kg；B為重金屬的參考背景值，mg/kg，本研究以新疆土壤背景值[19]為參考背景值；1.5為因巖石差異引起背景值變化的校正系數。

Igeo污染水平分級標準：Igeo≤0為無污染；05為極強污染。

2.3 健康風險評價模型

2.3.1 模型與參數選擇

采用USEPA人體暴露風險評估方法，分別計算研究區道路積塵中6種重金屬對兒童和成人的手-口攝入途徑日平均暴露量(CDIing，mg/(kg·d))、呼吸吸入途徑日平均暴露量(CDIinh，mg/(kg·d))、皮膚接觸途徑日平均暴露量(CDIder，mg/(kg·d))[20]。CDIing、CDIinh、CDIder計算分別見式(2)至式(5)。

(2)

(3)

(4)

式中：Ring為手-口攝入頻率，mg/d；CF為轉換系數，kg/mg；EF為暴露頻率，d/a；ED為暴露期，a；BW為人群標準體重，kg；AT為重金屬平均暴露時間，d；Rinh為呼吸頻率，m3/d；PEF為積塵排放因子，m3/kg；SA為暴露皮膚表面積，cm2；AF為皮膚黏附系數，mg/(cm2·d)；ABS為皮膚吸收因子。

根據文獻[21]、[22]及相關研究成果[23-24]，確定本研究健康風險評價參數數值。

2.3.2 人體健康風險表征

As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對人體健康有非致癌風險，根據各元素的日平均暴露量(CDI，mg/(kg·d))及對應參考劑量(RfD，mg/(kg·d))計算非致癌風險熵(HQ)及綜合非致癌風險指數(HI)，計算公式見式(5)、式(6)：

(5)

(6)

式中：HQi為第i種重金屬元素的非致癌風險熵。

當HI<1時，表示可以忽略非致癌風險；當HI>1時，表示存在非致癌風險[25]。

As、Cd、Cr具有一定致癌風險，根據3種元素的CDI及致癌斜率系數(SF，(kg·d)/mg)計算致癌風險熵(CR)及致癌風險指數(TCR)，計算公式見式(7)、式(8)：

CR=CDI×SF

(7)

(8)

式中：CRi為第i種重金屬元素的非致癌風險熵。

當TCR≤10-6時，認為重金屬元素致癌風險可以忽略，TCR=10-4為最大可接受致癌風險水平。各重金屬元素的RfD和SF取值參考文獻[26]、[27]。

3 結果與分析

3.1 道路積塵中重金屬含量特征

克拉瑪依市道路積塵重金屬質量濃度統計結果見表1?？梢钥闯?，道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg質量濃度分別為9.03～107.00、0.05～4.10、32.00～94.70、16.90～186.00、12.70～51.30、0～0.160 mg/kg。As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg平均值分別為18.12、0.21、48.81、39.92、23.98、0.050 mg/kg，分別為新疆土壤背景值的1.62、1.75、0.99、1.50、1.24、2.94倍。雖然Cr的平均值低于新疆土壤背景值，但Cr的最大值為新疆土壤背景值的1.92倍。

As、Cd、Cu、Hg的CV分別為0.76、2.74、0.67、0.75，呈現強變異，表明這4種元素可能受局部污染源的影響明顯。Cr、Pb的CV分別為0.20、0.35，呈現中等變異，表明Cr、Pb受外界影響較小。道路積塵中所有重金屬元素的偏度系數和峰度系數總體較高，表明研究區道路積塵中6種重金屬元素處于較高的積累狀況。

3.2 道路積塵中重金屬污染特征與空間分布格局

克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的Igeo統計見表2。由表2可見，6種重金屬元素Igeo平均值排序為Hg>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整體看來，研究區道路積塵中Hg為輕度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd無污染。Cd的Igeo最大值為4.51，達到強到極強污染水平。As、Cu、Hg的Igeo最大值分別為2.67、2.22、2.60，表現為中到強污染。Cr、Pb的Igeo最大值分別為0.36、0.82，均為輕度污染。經統計，52個道路積塵樣品中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg為無污染(Igeo≤0)的樣品數分別占樣品總數的65.38%、88.46%、98.08%、69.23%、80.77%、38.46%，呈現輕度污染(0

利用Arc GIS 10.3軟件繪制克拉瑪依市道路積塵中6種重金屬元素Igeo的空間分布圖(見圖2)。由圖2可見，6種重金屬元素Igeo的空間分布規律具有一定的差異?？傮w上，As、Cu、Hg的Igeo空間分布規律比較相似，呈現較明顯的地帶性分布規律。As、Cu、Hg的Igeo高值區出現在研究區西北部，向東南方向總體呈減小趨勢。相關研究表明，城市道路積塵中Hg來源復雜，主要受化石燃料燃燒、電子工業以及生活垃圾的影響[28]。STERNBECK等[29]研究表明，城市道路積塵中Hg主要來自人為源，與商業、交通和家庭活動有關。此外，Cu、As與交通排放和日常生活來源相關[30-33]。機動車剎車塊及其他零件的磨損、尾氣的排放等交通活動是道路積塵Cu、Hg元素來源之一[34]。通過以上分析，認為研究區道路積塵中As、Cu、Hg的污染分布格局主要受研究區交通運輸、日常生活與商業活動影響。Cd的Igeo空間分布較為離散，出現兩個同心圓狀分布格局。研究區道路積塵中Cd的平均值為新疆土壤背景值的1.75倍，污染較明顯，很可能有外來污染物的影響。蔣炳言等[35]的研究表明，城市道路積塵中Cd來源極其復雜，其主要來源為建筑物涂層脫落和墻面維修、多源大氣排放、電鍍金屬腐蝕以及城市綠地中長期使用含Cd肥料等。克拉瑪依市Cd的Igeo高值區為主要工業區和G30國道、S201省道交匯處，因此認為Cd污染分布格局主要受到研究區工業生產和交通運輸的影響。Pb、Cr的Igeo呈現均勻分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表現為輕度污染，其他區域表現為無污染。道路積塵中Cr的Igeo在整個研究區表現為無污染態勢。從Pb、Cr的污染水平與污染分布格局可以看出，研究區道路積塵中這兩種元素污染分布主要受到城市土壤成土母質等自然因子的影響。

表1 克拉瑪依市道路積塵中重金屬質量濃度統計1)

表2 道路積塵中重金屬的Igeo

3.3 道路積塵中重金屬健康風險評價

3.3.1 非致癌風險評估

克拉瑪依市道路積塵中重金屬元素的非致癌風險熵計算結果見表3。由表3可知，道路積塵中重金屬對成人、兒童的HI分別為0.15、0.88，兒童略高于成人；6種重金屬元素的HQ排序為As>Cr>Pb>Cu>Cd>Hg；對成人來說，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對HI的貢獻率分別為63.88%、0.47%、26.73%、1.08%、7.69%和0.20%；對兒童來說，道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg對HI的貢獻率分別為66.11%、0.41%、24.35%、1.11%、7.82%、0.20%；手-口攝入是非致癌風險的主要暴露途徑，成人、兒童在手-口攝入途徑下暴露的非致癌風險分別為占HI的88.44%、92.16%。綜上可知，研究區道路積塵中重金屬對成人、兒童的非致癌風險在可接受風險水平范圍內，As是克拉瑪依市道路積塵中主要的非致癌風險元素。

3.3.2 致癌風險評估

克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr的致癌風險評估見表4。由表4可知，道路積塵中As、Cd和Cr的致癌風險排序為As>Cr>Cd。成人、兒童的TCR分別為2.75×10-5、4.25×10-5，兒童略高于成人。道路積塵中Cd對TCR的貢獻率可以忽略不計，As、Cr對成人TCR的貢獻率分別為52.60%、47.40%，對兒童TCR的貢獻率分別為52.85%、47.15%。可見，克拉瑪依市道路積塵中As產生的致癌健康風險最大。與非致癌風險的暴露途徑相同，手-口攝入為重金屬致癌風險主要暴露途徑，呼吸吸入途徑的致癌風險最小。成人、兒童的TCR均小于10-4，屬于可接受風險水平，因此可以認為克拉瑪依市道路積塵中重金屬對人群不具有致癌風險。

圖2 克拉瑪依市道路積塵重金屬Igeo空間分布Fig.2 Spatial distribution of Igeo of heavy metals in road dust in Karamay

表3 道路積塵重金屬非致癌風險評估1)

注：1)HQing、HQinh、HQder分別為手-口攝入途徑、呼吸吸入途徑及皮膚接觸途徑下的非致癌風險熵。

表4 道路積塵重金屬致癌風險評估1)

注：1)CRing、CRinh、CRder分別為手-口攝入途徑、呼吸吸入途徑及皮膚接觸途徑下的致癌風險熵。

4 結 論

(1) 克拉瑪依市道路積塵中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的平均值分別為新疆土壤背景值的1.62、1.75、1.50、0.99、1.24、2.94倍。6種重金屬元素的Igeo平均值排序為Hg>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整體看來，研究區道路積塵中Hg為輕度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd無污染。

(2) 總體上，As、Cu、Hg的Igeo從西北向東南呈減小趨勢；Cd的Igeo空間分布較為離散，出現兩個同心圓狀分布格局；Pb、Cr的Igeo呈現均勻分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表現為輕度污染，其他區域表現為無污染，Cr的Igeo在整個研究區表現為無污染態勢。As、Cu、Hg主要受研究區交通運輸、日常生活與商業活動影響，Cd主要受到研究區工業生產和交通運輸的影響，Cr、Pb主要受到城市土壤成土母質等自然因子的影響。

(3) 健康風險評價結果表明，克拉瑪依市道路積塵重金屬污染的非致癌風險與致癌風險均屬于安全水平，兒童受到的健康危害大于成人，手-口攝入途徑為道路積塵重金屬健康風險主要暴露途徑。道路積塵中As含量對非致癌風險指數與致癌風險指數的貢獻率最大，是克拉瑪依市道路積塵中主要的健康風險元素。