南京市春节前后大气PM2.5中重金属来源及健康风险评价

王 伟,孔少飞,3*,刘海彪,严 沁,银 燕,张晓茹,李旭旭



南京市春节前后大气PM2.5中重金属来源及健康风险评价

王 伟1,2,孔少飞1,2,3*,刘海彪1,2,严 沁1,2,银 燕1,2,张晓茹1,2,李旭旭1,2

(1.南京信息工程大学,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044；3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

选择南京某居民区采样点,于2014年春节前后,采集大气PM2.5样品,分析其中的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Ba、Sb和Pb等12种金属元素,结合富集因子、聚类分析和主成分分析对其来源进行了探讨,并采用健康风险评价模型对其危害进行评估.结果表明:春节期间大气PM2.5的平均浓度相比春节前上升11.4%,春节后相比春节期间下降31.1%. V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb的平均浓度相比春节前下降了5.5%(V)~56.7%(Zn). PM2.5及其载带元素浓度的变化反应了节日前后工厂、机动车排放及烟花燃放等污染源的变化.春节期间Ba平均浓度相比节前增加了16.2倍,而在节后下降了94%,表明节日期间的烟花燃放是Ba的一个重要来源.富集因子和地累积指数分析显示,Cd、Sb、Pb、Cu、Zn、As、Ni和Ba属于重度富集元素,其富集因子范围为21~2259.主成分分析和聚类分析表明,金属冶炼和燃煤、烟花燃放和机动车尾气、工业过程是采样期间重金属的主要来源,贡献率分别为57.5%、12.4%和9.9%.风险评价结果表明致癌性元素(Cr、Co、Ni、As和Cd)的风险指数分别为2.0×10-6,8.9×10-9,1.3×10-8,1.9×10-7和7.7×10-9.除Cr外,其它值均低于致癌风险阈值范围(10-6~10-4),处于可接受水平.

春节；PM2.5；重金属；源解析；健康风险评价

春节期间烟花爆竹的大量燃放会造成大气PM2.5浓度的急剧升高,导致空气质量的瞬时恶化,进而危害人体健康.节日期间大气颗粒物的粒径分布和化学组成引起了国内外学者的广泛关注.烟花爆竹的燃放对气溶胶数浓度的影响主要集中在0.11~1.6μm粒径段[1],对气溶胶表面积浓度的影响主要集中在0.542~1.382μm粒径段[2],在燃放期间气溶胶数浓度谱为单峰型分布,峰值在100nm粒径处[3-4].烟花燃放对于大气气溶胶的各种化学组分均产生影响[5,6,9,11].春节期间烟花燃放是K+、Na+、Mg2+和Ca2+的主要来源[6-8].烟花爆竹燃放也是春节期间大气中含碳物质的重要排放源[9-10].烟花爆竹的燃放还会导致多环芳烃(PAHs)浓度的升高[11-14].

对于重金属元素,国内仅苏州[5]、北京[15]、沈阳[16]和南京[17]等地开展了春节前后重金属浓度变化特征研究.春节期间烟花爆竹燃放会导致Sr、As、Cu、Ba和Pb等重金属元素浓度的升高[5,15]; Kulshrestha等[18-19]在印度排灯节期间也观测到类似现象.为增加烟花爆竹燃放时的绚丽程度,在其制作过程中会添加大量火焰着色剂、闪光添加剂,如Cu、Li、Ba和Sr等金属粉末[5].在燃放过程中释放出来,导致大气中此类重金属元素浓度急剧升高.节日期间大气中重金属浓度除受到烟花爆竹燃放影响外,其它人为源变化对其影响也较大[17-20].在春节期间受企业工厂放假的影响,以工业排放、煤炭燃烧为主要排放源的重金属元素浓度相比节前有所下降[16-17,20],而由烟花爆竹燃放产生的重金属元素浓度相比节前明显升高[5,15].

上述研究仅讨论了春节前后重金属浓度的变化和原因,对人体健康风险的研究较少.大气颗粒物中重金属进入人体后会对人体机能和器官带来严重危害.如人体暴露在高浓度Cd环境下时会对肾功能带来严重损伤[22];Pb的过量摄入会影响人体血液循环系统和神经系统;As会损害人体呼吸道黏膜,诱发呼吸系统疾病,长期暴露在As浓度较高的环境下会引发肺癌和皮肤癌[23];暴露在重金属浓度高的环境下还会诱发帕金森综合征[24].基于此,本研究选取南京郊区某居民区为采样点,对春节前后大气PM2.5中重金属的浓度、来源和健康风险进行分析,以期为春节前后的大气重金属污染防控和健康风险评价提供参考.

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样点设于南京北郊的南京信息工程大学气象楼12楼楼顶 (118°71′E,32°21′N), 距地高度约62m,为该地区最高建筑物.在其东北和东南方向分布有扬子石化、南京钢铁集团等大型企业,观测点西北、正东、东南和东北方向为居民住宅区.采样时间为2014年1月24日~2月21日,其中1月31日为农历大年初一.仪器为武汉天虹TH-150C中流量采样器,配备2.5μm切割头.采样开始时间为每天08:00,采样流速为100L/min,连续采集24h,使用直径90mm的聚丙烯纤维滤膜.

1.2 样品分析

表1 ICP-MS方法的准确度 Table 1 Accuracy of ICP-MS method

采样前将聚丙烯纤维滤膜置于60℃的烘箱中烘2h,再将其放置于恒温恒湿的条件下平衡干燥24h,采用瑞士Mettler-Toledo MX5型微量天平进行称重,精度为10-5g,膜称重后置于冰箱低温保存.分析时将滤膜取出剪碎后置于100mL聚四氟乙烯烧杯中,用移液管移取5mL硝酸溶液(pH=5.6),后用塑料管加入一滴(0.05mL)40%氢氟酸(pH=5.3),使样品完全浸没于萃取溶液中,盖上烧杯盖,再将溶液置于控温电热板上,设定温度为220℃,加热回流2h后将其蒸干,再用5mL的稀盐酸浸取,最后将其移入到塑料比色管(10mL)中,用纯水稀释至标线处,摇匀待分析.采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(Agilent-7500a)对处理好的样品溶液进行元素测定.测定分析的元素包括V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Ba和Pb.为检测仪器分析结果的准确性,选择地球化学一级标准物质GSS2,分别称取12份样品,按样品分析步骤制备后测定标准物质重金属元素浓度.表1为ICP-MS方法的准确度.所测元素相对标准偏差(RSD)均低于10%,分析方法偏差较小.

1.3 数据分析

1.3.1 富集因子 富集因子是定量评价元素富集程度的重要指标,根据其值分析元素的来源.计算公式如下:

式中:EF是元素的富集因子,C指环境中元素的浓度或者是元素的土壤背景值,C指环境中的参比元素浓度或者是参比元素的土壤背景值.元素的富集因子越高,元素受人为源的影响越大,受自然源的影响越小.若EF<10,表明元素主要来自地壳;若10£EF£100,表明元素轻微富集,受到人为活动影响;若EF>100,表明元素严重富集,明显受到人为活动影响[25].本研究中V、Mn、Pb、Cu、Ni、Cr、Co、Zn、Cd和Sb背景值来自于南京城市土壤背景值[26],Fe、As和Ba背景值来自于中国土壤背景值[27].

表2 地累积指数污染程度分级 Table 2 Contamination level for different geoaccumulation index

1.3.2 地累积指数 地累积指数是研究重金属元素在沉积物、土壤和大气颗粒物中污染程度的重要指标.其公式如下:

式中:geo是元素的地累积指数,C指污染元素的实测丰度值,是指元素在土壤中的丰度值,值是考虑到各地背景值的不同而设定的系数,一般设定为1.5,元素地累积指数分级与污染程度的关系如表2[28].

1.4 重金属健康风险评价

表3 呼吸途径的健康风险评价参数 Table 3 Parameters for health risk assessment through inhalation pathway

大气中的重金属主要是通过皮肤接触、手口摄食以及呼吸吸入这3种途径进入人体,危害人体健康.本研究主要考虑通过呼吸吸入的颗粒物中重金属对人体产生的健康风险.采用美国环保局推荐的人体暴露健康风险评价模型.重金属的风险评估主要包括致癌风险和非致癌风险.本研究的12种元素中,Co、As、Ni、Cd和Cr属于致癌物质,其风险评估采用终身日均暴露剂量LADD(lifetime average daily dose)表示,非致癌物质采用日均暴露计量ADD(average daily dose)表示[29].计算公式如下:

式中:指污染物的浓度,mg/m3;InhR指呼吸速率, m3/d;EF指暴露频率,d/a;ED为暴露持续时间,a; BW指体重,kg;AT为平均暴露时间,d;HQ指危险系数,其值越高风险越大.当HQ>1时,表明其存在非致癌风险;RfD(reference dose)为参考剂量,指每天单位体重人体摄取重金属元素不会引起人体不良反应的污染物最大量,mg/(kg×d);ILCR是终身致癌风险,表示引发癌症的概率;SF(slope factor)指经呼吸暴露的致癌斜率系数, [mg/ (kg×d)]-1,表示人体暴露于一定剂量的某种污染物下产生致癌效应的最大概率[30].表3列出了修正后的国内人群暴露参数[29].

2 结果与讨论

2.1 气象要素分析

图1为采样点春节前后气象要素日变化序列.采样期间,日均气温变化范围为0~13.9℃,平均气温为5.6℃;相对湿度变化范围为28.5%~92.6%,平均相对湿度为70%,相对湿度整体偏高;风向多为东南风,风速变化范围为0.9~3.7m/s,平均风速为2.2m/s,风速较小,不利于污染物扩散和输送,天气多以霾或雾霾为主;采样期间共有4次降水,主要集中在2月5日以及2月16~18日,降水量分别为9,13mm.在1月28日2月2日期间,由于相对湿度偏高,风速较小,大气扩散条件差,致使较长时间内能见度偏低,平均能见度为1.9km.2月4日强冷锋过境,2月5日出现阴雨刮风天气,风速达3.7m/s,温度迅速降低,大气扩散条件改善,能见度在2月4日达到峰值(14.7km).

2.2 PM2.5浓度变化

图2是采样期间大气PM2.5质量浓度变化特征.整个采样期间可分为3个时间段, 1月24日~1月30日为春节前,1月31日~2月6日为春节假日期间,2月12日~2月21日为春节后.采样期间PM2.5的平均浓度为112.6 μg/m3,是我国PM2.5日均浓度二级标准限值的1.5倍[34].春节前大气中PM2.5的平均质量浓度为119.6 μg/m3,春节后PM2.5的平均质量浓度为91.9 μg/m3.观测结果与南京近年冬季PM2.5平均质量浓度观测值(98.4~152.1 μg/m3)一致[17,31-32].采样期间,由于烟花爆竹的大量燃放,在1月30日(除夕)和2月14日(元宵节)出现2次浓度峰值,浓度分别为318,118 μg/m3.在燃放高峰时期,大气能见度由除夕前的1.9km(1月29日)降至1.1km(1月30日),下降39.5%,表明节日期间烟花爆竹的燃放会导致大气能见度的下降.在1月30日~2月2日期间,平均风速为1.9m/s,风速较小,以霾天为主,不利于污染物传输和扩散, PM2.5平均质量浓度为229 μg/m3,是我国PM2.5日均浓度限值的3倍[34].在2月3日~2月6日期间,相比前4日,PM2.5日均质量浓度下降82.2%.这与沈阳[16]和成都[20]的观测结果差异较大,前者在春节期间PM2.5浓度出现两次峰值,分别为正月初一和初五,谷值出现在除夕当天,后4日相比前4日浓度下降48%.后者峰值出现在除夕,后4日相比前4日浓度上升5%.这主要由于各地习俗的差异导致烟花爆竹燃放时间不同,还需考虑观测期间的天气状况.本研究中PM2.5质量浓度的下降主要和烟花爆竹燃放量下降有关,且在2月3日和2月5日有降雨出现,降水量分别为0.3,9mm.导致大气中部分PM2.5通过湿沉降的方式去除.在2月17日~2月21日期间,PM2.5浓度逐渐回升,达到春节前的浓度水平,主要由于春节后工厂企业恢复生产,工业排放和机动车尾气排放增加导致PM2.5浓度的回升.

2.3 重金属浓度特征

我国空气质量标准和世界卫生组织(WHO)制定Pb的年均浓度限值为0.5 μg/m3.采样期间Pb的平均浓度为0.14 μg/m3,低于浓度限值[33].欧盟空气质量标准中As、Cd和Ni的年均浓度限值分别为4.1,3.5,13.8ng/m3[34].采样期间As、Cd和Ni平均浓度分别为11.1,1.9,7.4ng/m3.Cd和Ni浓度低于欧盟空气质量标准,As浓度为年均浓度限值的2.7倍,As污染较重.

春节期间多数重金属的浓度相比节前有所降低,降低幅度分别为V(5.5%)、Cr(13.1%)、Mn(47.7%)、Ni(44.6%)、Cu(10.1%)、Zn(56.7%)、As(37.1%)、Cd(51.8%)、Sb(47.5%)和Pb(17.6%).在春节期间相比节前浓度上升的重金属元素是Ba,增加了16.2倍.Mn、Cr和Cd主要来自工业冶炼和化石燃料的燃烧[16].春节期间由于多数工厂企业放假停工,工业排放减少,导致Mn、Cr和Cd元素浓度的下降.孙如峰等[35]认为As和Sb是燃煤的标识组分,As和Sb的浓度相比节前分别降低了43.9%和54.4%,表明春节期间燃煤消耗量相比春节前有所下降.Zn、Pb和Cu是机动车尾气的标识组分[32],在节日期间Zn、Pb和Cu的浓度均有不同程度的下降,这与节日期间路面上机动车行驶数量减少有关.

烟花爆竹的主要制作原料有强氧化剂如KNO3和KClO3等、硫磺、木炭以及火焰着色和闪光添加剂Sr、Ba、Al、Cu等金属粉末.金属粉末为金属单质或金属盐类,在高温下不同种类金属粉末分解产生不同光谱,如锶蒸气产生红色光谱,用硝酸锶、草酸锶等作为红光发色剂;绿光用氯酸钡、硝酸钡;蓝光用碳酸铜或孔雀石;白光用铝粉等.因此烟花爆竹燃放会导致空气中特定金属元素浓度的升高[5].本研究中,变化最明显的是Ba.节日期间Ba的浓度相比节前增加了16.2倍;其节后浓度比春节期间降低了94%. Li等[36]在山东的研究结果表明,春节期间烟花爆竹燃放会导致大气中富K硫酸盐和金属气溶胶粒子(富Ba、富Al、富Mg和富Fe)占比上升,其中Ba的占比燃放前为2%,燃放后为1.5%,燃放期间为10%.印度[18]、沈阳[16]和成都[20]的观测结果也表明,节日期间烟花燃放会导致大气中Ba浓度的升高,相比非节日期间浓度分别增加1091、76和14倍.可认为春节期间Ba的主要来源为烟花爆竹燃放.

节后相比春节期间浓度上升的元素有Mn、Ni和Zn,分别增加了165.1%、90.3%和74.5%. Mn主要来源于工业排放和二次扬尘,Zn主要来源于机动车尾气[32],Ni来源于工业冶炼和燃油尘[35].这主要由于春节后企业工厂逐渐恢复生产,导致部分重金属元素浓度相比春节期间有所上升.

表4 2014年春节前后大气PM2.5及重金属质量浓度 Table 4 Concentrations of PM2.5 and associated heavy metals around the Spring Festival in 2014

注:PM2.5浓度单位为μg/m3,重金属浓度单位为ng/m3.

2.4 重金属来源分析

2.4.1 富集因子 由图3可知,采样期间Cd、Sb、Pb、Cu、Zn和As元素的富集因子大于100,表明这些元素严重富集,明显受到人为活动影响;Ni、Ba和Cr的富集因子介于10和100之间,表明其轻微富集,受到人为活动影响;富集因子小于10的有V、Mn和Co,表明其受人为源的影响较小.

Cd富集因子为2259,其值远超100,表明其极严重富集.Cd主要来源于冶炼厂排放出的工业粉尘[32],在采样点东南方向有南京钢铁集团等大型冶炼厂,导致Cd极严重富集.Sb和Pb富集因子为706和647,Sb是燃煤的标识组分[16],大气中Pb主要与煤炭燃烧和工业冶炼有关[37].因此Sb和Pb的严重富集主要和工业冶炼以及煤炭燃烧有关.Cu、Zn和As在观测期间富集因子分别为336、289和110. Cu和Zn主要来源于机动车尾气排放和轮胎磨损[38],As主要来源于煤炭燃烧[35].烟花爆竹的燃放会导致Cu元素的富集[5,16],节日期间Cu的富集因子相比节前升高94%,节后相比节日期间下降43%,因此Cu的富集主要和烟花爆竹燃放以及机动车尾气排放有关.Ba的富集主要集中在春节期间,春节期间Ba富集因子为春节前的27倍,春节后相比春节期间Ba富集因子下降94.7%,验证了前述Ba的富集与春节期间烟花爆竹燃放有关的结论.Cr和Ni属于轻微富集,富集因子分别是11和28.2,主要来源为燃油飞灰以及工业冶炼等.本研究与洪也等[16]在沈阳的观测结果相似,在春节期间受人为源影响较大的元素如K、Ba、Sr、Ni、V、Cs、Mn和Pb 的富集因子都在 10~100之间,受烟花爆竹燃放的影响其中K、Ba、Sr等在除夕日的富集因子比平时分别高出近40、80和100倍.春节后相比春节期间富集因子上升的元素有Ni、Zn和Mn,分别上升了31%、21.1%和75.3%,这主要和春节后企业工厂恢复生产,工业过程和机动车尾气排放有所增加有关[33].

2.4.2 地累积指数 如图4所示,采样期间PM2.5中重金属污染程度极重的元素有Cd、Sb和Pb,其地累积指数均大于5;Cu和Zn的地累积指数分别为4.1和3.9,属重度污染;As的地累积指数为2.6,属中重度污染;Ni和Ba的地累积指数在0~1之间,污染程度较轻;Cr、V、Mn和Co地累积指数均小于0,无污染.

相比春节前期,春节期间Cd、Sb、Pb、Cu、Zn、As、Ni、Cr、V、Mn和Co的地累积指数分别下降15.7%、18%、8%、7.2%、31.5%、26.7%、281%、71%、20%、76%和0.7%.除Ba外,其他重金属元素地累积指数均有不同程度的下降,表明受节日期间企业工厂放假的影响,来自工业源和机动车尾气的重金属元素其地累积指数相比节日前有所下降.春节期间Ba地累积指数由节前-2.6增至1.4,表明春节期间烟花爆竹的燃放对Ba浓度的影响较大.春节后相比春节期间地累积指数上升的元素主要有Cu、Zn、As和Cr,分别上升了10%、58.3%、9.1%和48.1%,这主要和节后企业工厂的生产恢复有关.

2.4.3 聚类分析 图5将重金属元素分为以下4类:第1类含元素Co、Cd、V和Cr,其中Cr和Cd主要来源于工业排放,V是燃油的标识物,Co来源于工业排放以及煤炭燃烧[16];第2类元素是Sb、Ni、As和Mn,Sb和As是煤炭燃烧的标识组分,Mn主要来自煤炭燃烧、工业排放和土壤的二次扬尘[31],Ni主要来源于工业冶炼和燃油;第3类是Pb、Cu和Zn,Zn主要来源于机动车尾气排放[38],李丽娟等[39]认为Pb的主要来源为机动车尾气和燃煤,Cu主要来源于轮胎磨损以及机动车尾气排放.Cu、Zn和Pb来自同一排放源的可能性较大,可认为是机动车尾气.第4类元素是Ba, Ba是烟花爆竹的主要火焰着色剂之一[5],Wang等[15]认为节日期间烟花爆竹的燃放会导致Ba元素的富集,可认为春节期间Ba主要来源为烟花爆竹燃放.

本研究与[31]和杨卫芬[32]对南京冬季灰霾期间PM2.5中重金属来源分析的结果接近,均认为工业排放、煤炭燃烧和机动车尾气是重金属的主要来源;不同的是刘凤玲等认为As和Zn主要来源于燃煤和钢铁冶炼等工业过程,Pb和Cd主要与农作物秸秆燃烧、汽车尾气、道路扬尘等影响有关.杨卫芬等认为Cd、Se、Pb、Zn、As和Cu等重金属的富集与土壤尘、冶金化工尘、燃煤燃油、垃圾焚烧以及建筑扬尘有关,其中Pb和Cd主要来源于冶金化工尘和汽车尾气,Cu来源于冶金化工和机动车尾气.本研究认为由于在采样点东南方向有南京钢铁集团等大型冶炼厂,Cd的主要来源为钢铁冶炼尘,同时考虑到春节期间排放源的变化,Cu主要来源于机动车尾气和烟花爆竹燃放.

表5 春节前后PM2.5中重金属元素方差旋转因子载荷矩阵 Table 5 Varimax rotation factor loading matrix of heavy metals in PM2.5 around the Spring Festival

2.4.4 主成分分析 表5显示主成分分析共得到3个因子,累积解释总方差的79.8%.因子1解释了总方差的57.5%,其中载荷较高的元素分别是As、Cd、Zn和Sb,其中As和Sb都是煤炭燃烧的标识产物[35],Cd和Zn主要来自金属冶炼的排放[32].所以因子1主要是煤炭燃烧和金属冶炼.因子2解释了总方差的12.4%,其中载荷较高的元素是Cu、Ba、Pb和V,Cu和Ba都是主要的烟花爆竹的火焰着色剂,在烟花爆竹的燃放过程中会释放到大气中.V是石油燃烧的标识物,Pb和Cu也是机动车尾气的标识物.因子2可以解释为烟花爆竹燃放和机动车尾气排放.因子3解释了总方差的9.9%,其中载荷较高的元素是V、Co、Ni和Mn,因子3可以归结为工业过程.

主成分分析与聚类分析结果一致,即春节前后大气PM2.5中12种重金属元素富集的主要来源是煤炭燃烧、工业过程、烟花爆竹燃放以及机动车尾气.

2.5 重金属健康风险评价

由表6可见,春节期间在南京市某郊区采样点大气PM2.5中重金属的非致癌风险系数HQ的值在1.3´10-6和6.2´10-3之间,低于EPA规定限值1[30],非致癌风险按降序排列依次为Mn、Cr、Co、As、Pb、Sb、Cu、V、Cd、Ni和Zn,整体非致癌风险较低.终身致癌风险ILCR的值在7.7´10-9和2.0´10-6之间,按降序排列依次是Cr、As、Ni、Co和Cd.其中Cr(2.0´10-6)的值超过致癌风险阈值范围(10-6~10-4)[30],存在致癌风险,As、Ni、Cd和Co的值低于致癌风险阈值范围.春节前后需要加强对Cr排放的管控,降低其致癌风险.

表6 春节期间PM2.5中重金属元素经呼吸暴露的风险 Table 6 Health risks of heavy metals in PM2.5 through inhalation during the Spring Festival

3 结论

3.1 采样期间,南京市某郊区采样点PM2.5的平均浓度为112.6μg/m3,大气PM2.5中重金属元素的浓度均值分别是V(7.13)、Cr(9.25)、Mn(48.58)、Ni(7.41)、Cu(88.16)、Zn(182.32)、As(11.12)、Cd(1.85)、Sb(6.10)、Pb(136.33)、Co(0.41)和Ba(89.32)ng/m3.受节日期间工厂和企业放假的影响,Mn、Ni、Zn、V、As、Cu、Sb、Cd、Pb和Cr的平均浓度相比春节前下降了5.5%(V)~ 56.7%(Zn),下降程度Zn>Cd>Mn>Sb>Ni>As> Pb>Cr>Cu>V.

3.2 富集因子和地累积指数分析结果表明, Cd、Sb、Pb、Cu、Zn、As、Ni和Ba属于重度富集元素,其富集因子值在21(Ba)~2259(Cd)之间,受人为源的影响很大; Cr、V、Mn、Co富集程度相对较低,受人为源的影响程度相对较小.

3.3 主成分分析和聚类分析结果表明,金属冶炼和煤炭燃烧、烟花爆竹燃放和机动车尾气、工业过程是重金属的主要来源,贡献率分别为57.5%、12.4%和9.9%.

3.4 健康风险评价结果表明,采样期间重金属的非致癌风险系数值在2.2´10-6和1.2´10-2之间,低于EPA规定限值1,整体非致癌风险系数低;致癌性元素Cr、Co、Ni、As和Cd的致癌风险指数分别为2.0´10-6、8.9´10-9、1.3´10-8、1.9´10-7和7.7´10-9;Cr的风险值高于致癌风险阈值范围(10-6~10-4),需引起重视.

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* 责任作者, 教授, kongshaofei@126.com

Sources and risk assessment of heavy metals in PM2.5around 2014 Spring Festival in Nanjing

WANG Wei2, KONG Shao-fei1,2,3*, LIU Hai-biao1,2, YAN Qin1,2, YIN Yan1,2, ZHANG Xiao-ru1,2, LI Xu-xu1,2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；3.School of Environment, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)., 2016,36(7)：2186~2195

Daily PM2.5samples were collected around the 2014 Spring Festival (SF) at a suburban site of Nanjing and twelve kinds of heavy elements were analyzed. Sources were identified by enrichment factor (EF), cluster analysis and principal component analysis. Human health risks of heavy metals were assessed. Results showed that during SF, the average mass concentration of PM2.5was 11.4% higher than that for pre-SF period. After the SF, PM2.5concentrations decreased by 31.1%. The mass concentrations of V, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb and Pb decreased by 5.5% (V) ~56.7% (Zn), when compared with those for pre-SF period. The variation of PM2.5and associated elements reflected the sources variation of industrial plants, vehicle emission and fireworks burning. The concentration of Ba during SF period was 16.2times of that for pre-SF period, and then decreased by 94%, indicating firework burning was an important source of it. EF and geoaccumulation index showed that Cd, Sb, Pb, Cu, As, Ni, Ba and Zn are heavily enriched, with the EFs values ranging in 21~2259. Principal component analysis and cluster analysis showed that industrial emissions and coal combustion, fireworks burning and vehicle exhaust, industrial process are the main sources of heavy metals, contributing by 57.5%, 12.4% and 9.9%, respectively. Health risk assessment results indicated that during SF, the risk levels of carcinogenic elements-Cr, Co, Ni, As and Cd were 2.0×10-6, 8.9×10-9, 1.3×10-8, 1.9×10-7and 7.7×10-9, respectively. Except for Cr, the values were below the carcinogenic risk threshold range (10-6~10-4), at an acceptable level.

Spring Festival；PM2.5；heavy metal；source apportionment；health risk assessment

X513

A

1000-6923(2016)07-2186-10

王 伟(1992-),男,江苏泰州人,南京信息工程大学大气物理学院硕士研究生,主要从事大气颗粒物化学组成与来源解析研究.

2015-12-10

国家自然科学基金青年项目(41305119,2014-2016);教育部博士点基金(20133228120001);江苏省环保科研课题(20015017)