太原市中學PM2.5元素組成與健康風險評估

白旭,張澤斐,張一菲,趙卓慧,Norb?ck Dan,張昕*

(1.山西大學 環境科學研究所,山西 太原 030006;2.復旦大學 公共衛生學院,上海 200032;3.烏普薩拉大學 醫學院,瑞典 烏普薩拉SE-751)

0 引言

越來越多的流行病學研究表明,PM2.5暴露會增加人體罹患心血管疾病[1]、中風[2]、非惡性呼吸系統疾病[3]和肺癌[4]的風險,而PM2.5的組分是影響其健康效應的關鍵因素[5-6]。

近年來,我國城市化和工業化迅速發展,但是煤炭燃燒仍是工業生產、發電和采暖的主要能源。作為PM2.5最大的人為來源,煤炭燃燒會產生硫(S)、鉻(Cr)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)和鎘(Cd)等許多潛在的有害元素[7]。此外,從車輛尾氣中排放或懸浮在道路揚塵中的PM2.5也是顆粒物的主要來源。這些顆粒物中可能包括硅(Si)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鋇(Ba)、Cr和鋅(Zn)等元素[8]。采礦和工業生產則是PM2.5的第三個主要來源,特別是在冶金工業,顆粒物中含有較多的Cd、銅(Cu)、Cr、鉛(Pb)、鎳(Ni)和Zn元素[6,9]。

關于PM2.5中特定成分與人體健康之間相關性的研究較少,但顆粒物中的S、Ni、Cr、As和Cd已被確認為癌癥的危險因素[4,10]。Cr(Ⅵ)化合物,As、Ni化合物,Cd和Cd化合物已被國際癌癥研究中心(IARC)歸為 Ⅰ 級致癌物,而鈷(Co)被定義為Ⅱ級致癌物。作為全國重要的產煤和燃煤大省的省會城市,太原市近年來的空氣質量有所改善,但仍是我國空氣質量較差的10所城市之一[6,11]。因此,開展太原市PM2.5的組成成分的研究,具有重要的現實意義。

校園環境是青少年成長的主要環境之一,對青少年的健康尤為重要。目前關于校園環境中顆粒物及其元素組成對青少年健康影響的研究尚不多見[12]。因此,本研究主要通過分析太原市中學校校園內大氣PM2.5的濃度及其元素組成,對As、Cd、Cr、Co和Ni等致癌重金屬元素展開健康風險評估,以期全面了解學校PM2.5的暴露情況及致癌風險,改善青少年在校學習環境。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與地點

采樣時間為2012年3月7日-30日。在山西省太原市市區采取整群抽樣的方法,隨機選取了10所初中學校,每所學校隨機選取34個班級進行PM2.5的監測與樣本的收集,采樣位點如圖1所示。其中,尖草坪區(1所),杏花嶺區(1所),萬柏林區(2所),迎澤區(2所)和小店區(4所)。

1.2 采樣方法

使用無噪音便攜式SKC空氣分級采樣器對PM2.5進行采樣,每個樣品采集72 h,同時用TSI儀器記錄PM2.5濃度實時監測數據。為避免長時間采樣導致采樣膜飽和,采樣流量設為2 L/min。共采集10所學校,34個PM2.5樣品。采樣濾膜為37 mm Teflon濾膜(孔徑0.8 μm),將收集到的PM2.5樣本放置在恒溫恒濕的環境中。采樣期間,同時記錄氣象條件,包括溫度、壓力、風速等。

1.3 分析方法

1.3.1 樣本分析

采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)對PM2.5元素組成進行分析。所有樣本均在瑞典ALS Scandinavia實驗室(認證編號:2030 A003219004)進行處理分析。每個樣本濃度和元素組成的分析均采用標準方法(SS-EN ISO 17294/EPA Method 200.8/SS 028150)來進行質量控制和保證。

圖1 采樣位點Fig.1 Sampling sites

1.3.2 健康風險評估

人體與PM2.5接觸的主要途徑包括:攝取(進食與飲水)、吸入和皮膚接觸[13]。根據美國環保署發布的健康風險評估模型來評價吸入暴露對不同人群(成人、男生和女生)的致癌風險情況(表1)[14]，本研究選取的初中學校學生年齡范圍為12-14歲,具體計算方法如下[6]:

表1 經呼吸途徑吸入的元素的參考劑量RfDinh(mg·kg-1·d-1)及癌癥風險斜率因子SFI(mg·kg-1·d-1)-1 [6]

1. 計算經呼吸途徑吸入的日均暴露劑量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)和終身日均暴露劑量(LADDinh, mg·kg-1·d-1):

(1)

其中:C是PM2.5中元素的濃度,(mg/m3)；IR是通過呼吸吸入空氣的速率,(m3/d)；EF是暴露頻率(d/a);ED是暴露持續時間(a);BW是體重,kg;AT是非致癌物質的平均暴露時間(d)。

(2)

其中,AT為致癌物的平均暴露時間(d)。IR,EF,ED,BW和AT的值見表2。

2. 定量計算各元素的非癌癥風險(hazard quotient,HQ)和癌癥風險(cancer risk,Ri)

(3)

其中,HQ為經呼吸途徑暴露的元素的非癌癥風險,當HQ<1時,表明沒有顯著的非癌癥風險;當HQ>1時,可能會發生非癌癥風險,且HQ的值越大,風險越高。

RfDinh(mg·kg-1·d-1)是參考劑量。

Ri=LADDinh×SFI,

(4)

其中,Ri是經呼吸途徑暴露的元素的癌癥風險,無量綱;當Ri>10-6時,我們認為有患癌癥的風險,應引起注意。

SFI((mg·kg-1·d-1)-1)是通過呼吸吸入的元素的癌癥風險斜率因子,即通過吸入致癌元素造成致癌風險的系數。

2 結果與分析

2.1 采樣期間PM2.5濃度變化

采樣期間太原市10所中學校園PM2.5的濃度及氣象條件如表3所示，10所學校PM2.5的濃度均值為162.99 μg/m3(范圍45.32～411.30 μg/m3),其中,8號校園附近PM2.5的濃度最高,為411.30 μg/m3,約為采樣期PM2.5平均濃度的2.5倍。這可能是由于該校附近有較多的鐵路干線和重型工業制造廠,交通污染源和工業污染源較多,且采樣期間無持續風向,污染物不利于擴散,因此PM2.5的濃度較高。而3號和10號學校在采樣期的濃度分別為45.32 μg/m3和59.56 μg/m3,約為采樣期平均濃度的1/3,這可能與采樣期間的天氣狀況有關,刮風有利于污染物的擴散,從而使PM2.5的濃度降低。除3號與10號學校外,采樣期間其余學校PM2.5的24 h平均濃度均高于我國《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)所規定的日均濃度限值75 μg/m3。

表2 不同人群的暴露參數

表3 采樣期間太原市10所學校PM2.5濃度及氣象條件

2.2 采樣期間PM2.5中元素組成及變化

PM2.5樣本中共檢測到66種元素,表4列出了采樣期間所有可以檢測到的元素質量濃度。其中,元素S的濃度最高,達到16 259 ng/m3,占顆粒物總質量的4.54%,這可能與太原市的能源結構有關。采樣期間正值冬季采暖期,煤炭的大量燃燒使得空氣中SO2濃度增加,再加上太原市西、北、東三面環山的特殊地形,非常不利于SO2等污染物的擴散。SO2經過一系列的復雜的反應,生成了硫酸鹽等二次顆粒物,進而影響空氣質量。Si、鉀(K)、鈣(Ca)、Fe、Al、鎂(Mg)和鈉(Na)等地殼元素的濃度僅次于S元素,約占顆粒物總質量的10.38%。這些元素主要來源于道路和風沙揚塵,這與山西特殊的地理環境有關。山西省位于黃土高原,植被覆蓋率較低,空氣干燥,風沙作用明顯。Ca元素還可能來自瀝青、混凝土或富Ca的土壤;Si和Fe可能來自發電廠或金屬工業。被IARC歸為致癌物的Cr、Ni、 As、Cd和Co的平均濃度分別為84.19、25.12、38.80、9.25和2.87 ng/m3。

2.3 健康風險評估

2.3.1 不同人群的非癌癥風險評估

太原市初中學校中不同人群經呼吸暴露于PM2.5中重金屬元素的日均暴露劑量(ADDinh)如表5所示。男生各元素的ADDinh略微大于成人和女生,并以Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg的順序遞減。

由圖2可以看出,太原市中學校園內不同人群暴露于PM2.5中各重金屬元素的非致癌風險以Mn>Cr>Co>Pb>As>Hg>Cd> Ni的順序遞減。不同重金屬元素對經呼吸途徑暴露于不同人群的非致癌風險為HQ(男生)>HQ(成人),HQ(男生)>HQ(女生),且各人群暴露于元素Mn的非致癌風險值為6.37～7.81(HQ>1),說明Mn元素對中學校園內不同人群的健康影響較大。不同人群暴露于Cr、Co、Pb、As、Hg、Cd和Ni的HQ值在3.51×10-4～8.47×10-1之間(HQ<1),說明這幾種元素的非癌癥致癌風險較低,可忽略。

2.3.2 不同人群的癌癥風險評估

太原市中學不同人群的終身日均吸入暴露劑量(LADDinh)的高低順序為Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg(表5)。由圖3可以看出,不同人群暴露于PM2.5中各重金屬元素的癌癥風險值以Cr>As>Cd>Co>Ni的順序遞減且Ri(男生)>Ri(成人),Ri(男生)>Ri(女生)。PM2.5中經呼吸途徑暴露于元素Cr的致癌風險值較高(Ri>10-4)。

經呼吸途徑暴露于各元素的HQ和Ri均為男生>成人。兒童中男生的風險值大于成人的原因可能是與成年人相比,兒童的呼吸道較窄,呼吸頻率較高、單位體重呼吸的空氣量較大,顆粒物沉積率較高,更易受空氣污染的影響;此外,兒童的身體與器官正處于快速發育階段，比較脆弱,對環境變化的感知要比成人敏感得多[6,18-19]。因此,兒童中男生的HQ值和Ri均高于成人。

男生經呼吸途徑暴露于各種重金屬元素的HQ值和Ri值均大于女生,這一結果與張恒等研究結果相同[20]。張恒等分析了南京市不同人群經呼吸途徑暴露于各種重金屬元素的健康風險,發現HQ值介于5.25×10-3～1.05,Ri值介于8.91×10-7～2.53×10-4,且無論非致癌風險值還是癌癥風險值,男性均大于女性。這可能是因為與女性相比,男性室外活動的時間較長。因此,男生的非癌癥風險和癌癥風險的值均大于女生。成人與女生的HQ和Ri值的關系還需要進一步地研究和探索。

表4 采樣期PM2.5元素平均濃度(ng/m3)

表5 太原市經呼吸暴露于PM2.5中元素的日均暴露劑量和終身日均暴露劑量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)

圖2 經呼吸途徑暴露于PM2.5中潛在致癌元素的非癌癥風險Fig.2 Non-cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

圖3 經呼吸途徑暴露于PM2.5中潛在致癌元素的癌癥風險Fig.3 Cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

關于不同性別兒童經呼吸途徑暴露于PM2.5中重金屬元素的健康風險研究較少,Kong等[16]通過對我國山東東營建筑物周圍懸浮的不同粒徑顆粒物中10種重金屬元素的健康風險進行研究,結果顯示,無論是兒童還是成人,As元素的非致癌風險和致癌風險值均超過閾值。Wan等[21]分析了北京市區落塵中12種潛在有害元素的健康效應,發現兒童的HQ值高于成人。Chen等[22]通過分析經呼吸途徑暴露于西安市幼兒園和小學灰塵樣本中重金屬元素的致癌風險,發現Pb,Cr和As的非致癌風險較高,而元素Cr、As、Co和Ni的癌癥風險值均大于閾值。Lin等[23]對蘇州市道路揚塵中重金屬元素的健康風險進行評估,發現元素Cr的非癌癥風險較高。Peng等[24]對湖州市顆粒物中重金屬元素的健康風險進行評估,發現Cr的致癌風險最大,說明Cr可能是大氣顆粒物中的主要污染物。以上研究與本研究的結果基本一致。綜上所述,通過呼吸暴露于PM2.5中的Cr和As元素對中學生有致癌風險,應引起重視。

3 討論

我國針對PM2.5的大規模研究開始于2013年,本研究則開始于2012年,這對PM2.5的早期研究和以后的跟蹤調查有重要意義。PM2.5中的重金屬元素具有不可降解性、生物毒性和生物累積性,通過呼吸、食物攝取和皮膚接觸等暴露途徑進入人體后會損傷人體器官,甚至引發各種疾病[25]。本研究不僅具體測定了各種金屬元素的風險值,而且將中學生的健康風險評價與學校現場的環境監測數據相聯系,在減少控制排放源對人體的危害的同時也真實地反映了學生的暴露-效應的關聯。

本研究也存在一些局限性:首先,顆粒物進入人體的方式主要有三種:呼吸、食物攝取和皮膚接觸。本研究只選取了通過呼吸途徑進入人體的方式,但PM2.5中的有毒物質也可能通過其他途徑進入人體,可能使評估結果比實際值偏低;其次,本研究只選取了5種IARC認定的致癌元素進行健康風險評估,可能會忽略其他有潛在致癌風險元素的影響。此外,本研究的健康風險評估模型中涉及的暴露參數選用美國環保署發布的《暴露參數手冊》,就體重而言,可能會造成5%～20%的偏倚,使不確定性增大[13]。因此,學校大氣PM2.5中其他元素成分與癌癥風險的相關性有待下一步的深入研究。

4 結論

(1)太原市中學校內PM2.5的濃度較高。ICP-MS檢測到的66種元素中,S元素含量最高,地殼元素(Si、K、Ca、Fe和Al)次之。元素As、Cd和Cr的平均濃度均高于我國現行《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)。

(2)健康風險評價的結果顯示,太原市初中學校中男生經呼吸途徑暴露于各元素的非致癌風險和癌癥風險較高。元素Mn的非致癌風險較大(HQ>1),暴露于元素Cr的致癌風險最高(Ri>10-4)。