高速公路PM2.5中重金屬季節(jié)變化特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李曉寶，趙紅，曾波，董煥煥，熊雅菁，黃萍

江西省交通科學(xué)研究院，江西 南昌 330200

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與能源的過(guò)渡消耗是霧霾等現(xiàn)象頻發(fā)的原因之一。PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)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(diǎn)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)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(jìn)入人體，長(zhǎng)期積累將對(duì)人體健康造成潛在危害（Zeng et al.，2016；Zhang et al.，2016）。研究表明，過(guò)量吸入 Zn會(huì)導(dǎo)致腸胃疾病，長(zhǎng)時(shí)間暴露較高Pb環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)病變，長(zhǎng)期接觸Cr會(huì)導(dǎo)致氣短、咳嗽、氣喘等疾病（張瑩等，2017；Talbid et al.，2018），我國(guó)大氣PM2.5污染約與120萬(wàn)居民的提前死亡相關(guān)（曹軍驥，2014）。因此，開(kāi)展人體對(duì)大氣PM2.5中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的把控、制定有效的防治措施尤為重要。

目前，我國(guó)對(duì)環(huán)境空氣PM2.5及其重金屬的研究主要集中在城市地區(qū)，相關(guān)研究集中在污染特征、季節(jié)變化、來(lái)源和身體健康影響（陸喜紅等，2016；符小晴等，2018；鄭權(quán)等，2018；楊毅紅等，2019）等方面。交通源是大氣污染的主要來(lái)源之一，但以交通為單獨(dú)源進(jìn)行大氣重金屬的相關(guān)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(fā)現(xiàn)高速公路對(duì)周邊環(huán)境有較大影響；Hou et al.（2018）對(duì)高速公路隧道內(nèi)大氣顆粒物的污染特征進(jìn)行了研究，認(rèn)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(huán)境空氣 PM2.5中重金屬的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)了汽車尾氣可引起高速公路收費(fèi)站工作人員DNA的損壞。江西處于我國(guó)東南偏中部長(zhǎng)江中下游南岸，鄰近6個(gè)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(dá)544.3萬(wàn)輛，高速公路里程超過(guò)6000 km，隨著高速公路客運(yùn)量和貨運(yùn)量逐年攀升，高速公路運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境污染的影響亦得到關(guān)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(duì)高速公路中人群較為集中的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)環(huán)境空氣PM2.5中重金屬污染特征及人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚未有相關(guān)報(bào)道。

本文針對(duì)江西省南昌周邊3條典型高速公路為研究對(duì)象，分析高速公路中 PM2.5及其重金屬在不同季節(jié)的污染特征與健康風(fēng)險(xiǎn)，以期為高速公路大氣重金屬污染提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為防治措施的實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)

為評(píng)估高速公路人群健康風(fēng)險(xiǎn)，初步選擇意向?yàn)槿巳狠^集中，建設(shè)時(shí)期、車流量和地形地勢(shì)差異較大，且較具代表性的服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站。江西省高速集團(tuán)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(zhǎng)高速昌銅段的通車時(shí)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(jīng)南昌南管理中心應(yīng)允，協(xié)助環(huán)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(wù)區(qū)和收費(fèi)站，其中昌樟、昌銅和溫厚高速的收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)分別為胡家坊收費(fèi)站和樟樹(shù)服務(wù)區(qū)、奉新收費(fèi)站和奉新服務(wù)區(qū)、豐厚收費(fèi)站和南昌南服務(wù)區(qū)。具體的采樣點(diǎn)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(wù)區(qū)和收費(fèi)站環(huán)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(shí)將已編號(hào)、稱重的濾膜放入清潔的采樣器濾膜夾中，以100 L·min-1連續(xù)采樣24 h，采樣高度距地面1.5 m。采樣結(jié)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(gè)季節(jié)，實(shí)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(shí)間從2018年3—10月，每2個(gè)月集中采樣1次，每次采樣連續(xù)采集3 d，共收集PM2.5樣品72張。由于2018年冬季持續(xù)降水，未能在冬季進(jìn)行采樣。采樣期間，用自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀（QT1010，美國(guó)）測(cè)定氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象參數(shù)。

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

1.3 樣品的分析測(cè)定

服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站環(huán)境空氣PM2.5質(zhì)量濃度測(cè)定按《環(huán)境空氣 PM10和 PM2.5的測(cè)定 重量法》（HJ 618—2011）進(jìn)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(cè)定電感耦合等離子體質(zhì)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(guó)）監(jiān)測(cè)消解液中的6種重金屬元素，即Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Ni的質(zhì)量濃度，對(duì)應(yīng)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(shù)法、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

采用地累積指數(shù)（Geo-accumulation index，Igeo）對(duì)高速公路環(huán)境大氣 PM2.5中重金屬的污染狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)（李友平等，2015），計(jì)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(huán)境背景值研究》（何紀(jì)力等，2006），k為考慮造巖運(yùn)動(dòng)可能引起背景值變動(dòng)而加入的常數(shù)，一般取值為1.5。

PM2.5中重金屬元素的Igeo與污染程度的關(guān)系分級(jí)見(jiàn)表1（李曉寶等，2019）。

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

環(huán)境空氣PM2.5中重金屬元素對(duì)人體產(chǎn)生危害主要通過(guò)3個(gè)途徑，分別是經(jīng)口攝食、呼吸系統(tǒng)吸入及皮膚接觸，而呼吸系統(tǒng)吸入是環(huán)境空氣對(duì)身體影響最為直接的途徑，因此，本研究?jī)H評(píng)估呼吸吸入的重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用美國(guó)環(huán)保署（USEPA）健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)PM2.5中6中重金屬通過(guò)呼吸途徑引起的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)（Tian et al.，2010）。由于長(zhǎng)期暴露于高速公路服務(wù)區(qū)和收費(fèi)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(fēng)險(xiǎn)。暴露量的計(jì)算公式如下：

式中，ADD為非致癌物質(zhì)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(shí)間，暴露參數(shù)值參考《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)》（環(huán)境保護(hù)部，2013），具體參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 暴露參數(shù)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(fēng)險(xiǎn)（HI）計(jì)算公式如下：

式中，HQi為重金屬i元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)，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(jiàn)表2。當(dāng)HI或HQ≤1時(shí)，非致癌風(fēng)險(xiǎn)較低，或可以忽略，HI或HQ＞1時(shí)，存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

致癌元素的終生致癌暴露風(fēng)險(xiǎn)（ILCR）計(jì)算公式如下：

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 高速公路環(huán)境大氣PM2.5中重金屬元素質(zhì)量濃度及季節(jié)變化特征

數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示不同采樣地環(huán)境空氣PM2.5及PM2.5中重金屬質(zhì)量濃度并未顯示出顯著差異。而江西省高速公路環(huán)境空氣PM2.5的日均質(zhì)量濃度季節(jié)變化表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季（表4），僅有春季的 PM2.5質(zhì)量濃度（90.11 μg·m-3）超過(guò)國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（24 h質(zhì)量濃度限制 75 μg·m-3）。相關(guān)性分析表明PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)（表5），而與其他氣象因子，如風(fēng)速、空氣濕度等未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，故溫度及溫度引起的相關(guān)環(huán)境變化（如綠化）是導(dǎo)致 PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)季節(jié)變化特征的主要原因（姜磊等，2018）。

高速公路不同季節(jié)環(huán)境空氣PM2.5中重金屬質(zhì)量濃 度 均 表 現(xiàn) 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(huán)境空氣PM2.5中重金屬元素在不同季節(jié)亦表現(xiàn)為相似趨勢(shì)，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(quán)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(biāo)志物，因?yàn)閆n存在于機(jī)動(dòng)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(huán)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(shù)值（Cheng et al.，2010），且隨著柴油質(zhì)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(huán)境大氣PM2.5中Cu質(zhì)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(jù)相關(guān)文獻(xiàn)整理，城市源大氣PM2.5中Cr的年均質(zhì)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(lái)源是機(jī)動(dòng)車制動(dòng)塊磨損和機(jī)動(dòng)車尾氣，而 Cr的主要來(lái)源是地殼、揚(yáng)塵源，部分來(lái)自機(jī)動(dòng)車尾氣（Wang et al.，2017；董世豪等，2019），因此，定期進(jìn)行路面清理可能是減少高速公路環(huán)境空氣 PM2.5中Cr污染的重要手段之一。

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

表4 高速公路環(huán)境空氣PM2.5中重金屬質(zhì)量濃度的季節(jié)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(huán)境空氣PM2.5中重金屬濃度與氣象因子的相關(guān)性Table 5 Correlation between the heavy metal concentrations of ambient air PM2.5 and meteorological parameters

2.2 高速公路環(huán)境空氣PM2.5中重金屬污染的季節(jié)變化特征

Igeo是判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的重要參數(shù)，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(jié)環(huán)境大氣 PM2.5中重金屬元素的Igeo計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。總體來(lái)看，不同季節(jié)PM2.5中6種重金屬的Igeo值隨季節(jié)呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，且Igeo值均大于0，說(shuō)明6種重金屬元素受到交通源人為活動(dòng)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(yán)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(xiàn)為重度污染，春季和夏季屬偏重污染；Cr在春季表現(xiàn)為中度污染，夏季和秋季表現(xiàn)為偏重污染，Ni的Igeo值處于1.55—3.05之間，污染程度隨季節(jié)變化差異較大，總體上呈中度污染。高速公路服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站環(huán)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(xiàn)的更為嚴(yán)重，而 Zn和 Cd的污染程度最高，研究結(jié)果與天津市某高速公路收費(fèi)站的研究結(jié)果較為相似（Li et al.，2019）。

2.3 高速公路環(huán)境大氣PM2.5中重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

江西省高速公路環(huán)境大氣PM2.5中6種重金屬經(jīng)呼吸途徑的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和致癌風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表6、7。重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)（HQ）從高到低依次為：Cr＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Ni，不同季節(jié)單元素的 HQ 值均小于1，聯(lián)合非致癌風(fēng)險(xiǎn)HI值也小于1，處于人體可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明春季、夏季和秋季高速公路收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)的 PM2.5中重金屬不存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。另外，不同重金屬對(duì)于不同人群的非致癌風(fēng)險(xiǎn)均表現(xiàn)為男性＞女性，諸多研究得出相同的結(jié)果（陸喜紅等，2016；符小晴等，2018）。

圖2 不同季節(jié)高速公路環(huán)境空氣PM2.5中重金屬元素的地累積指數(shù)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(fēng)險(xiǎn)Table 6 Non-carcinogenic risk of female worker in highway

表7 高速公路工作人員致癌風(fēng)險(xiǎn)Table 7 Carcinogenic risk of worker in highway

對(duì)于致癌重金屬，PM2.5中Cr對(duì)成年男性與女性的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)閾值10-4，說(shuō)明高速公路服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站對(duì)男性和女性均存在致癌健康風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果與南昌市和成都市環(huán)境大氣PM2.5中Cr的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值極為接近（李友平等，2015；鄭權(quán)等，2018），而遠(yuǎn)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(lái)估算（陸喜紅等，2016），本研究高速公路環(huán)境空氣PM2.5中Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)仍高于閾值，建議采取相應(yīng)防護(hù)措施減少Cr污染。高速公路環(huán)境空氣PM2.5中Ni的致癌健康風(fēng)險(xiǎn)處于10-6—10-4之間，說(shuō)明高速公路PM2.5中Ni對(duì)人體健康具有潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，交通源大氣PM2.5中Ni的健康風(fēng)險(xiǎn)高于廣州（符小晴等，2018）、南昌（鄭權(quán)等，2018）、成都（李友平等，2015）等城市。高速公路環(huán)境空氣PM2.5中Cr和 Ni均存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，且男性的致癌風(fēng)險(xiǎn)略高于女性，交通源污染中應(yīng)重視Cr和Ni的污染。

從季節(jié)變化來(lái)看，Cr和Ni秋季的致癌風(fēng)險(xiǎn)均高于春季和夏季，Cd元素在春季和夏季致癌風(fēng)險(xiǎn)低于人類可接受風(fēng)險(xiǎn)水平10-6，而秋季Cd的致癌風(fēng)險(xiǎn)高于人類可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。

3 結(jié)論

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

（2）地累積指數(shù)法的分析結(jié)果表明環(huán)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(xiàn)更為嚴(yán)重，而Zn和Cd的污染程度最高；

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