黑碳气溶胶的污染特征及健康风险评价——以石家庄市南郊为例

杜伟凯，江崎正，肖雨霄，刘思宇，段二红，李双江，肖捷颖

(河北科技大学 环境科学与工程学院，河北 石家庄 050000)

0 引 言

黑碳(BC)气溶胶占大气气溶胶质量浓度的比例可高达5%～15%[1-3]，由化石燃料和生物质燃料等含碳物质的不完全燃烧产生，是典型的一次气溶胶[4]。BC吸收可见光，可导致大气能见度降低[5]，在BC大规模排放期易造成大气能见度的迅速下降[6]，大气中的BC可以通过吸收太阳辐射直接影响气候，或与大气中的水蒸气相互作用，通过影响云的形成间接影响区域气候[7]。BC表面具有疏松多孔结构，易吸附多种有毒有害物质，同时BC气溶胶由于多具有纳米尺度，易穿透人体的肺组织，对健康造成严重影响[8]。2010～2013年姚青[9]等人对天津城区BC进行来源分析与健康风险评价，发现天津城区各季节成人和儿童的致癌风险(CR)均高于EPA给定的可接受风险水平(10-6)，而非致癌风险水平较低。2010年，国际癌症研究机构(IARC)将黑碳列为2B类致癌物。Janssen等[10]通过BC浓度与死亡率之间的关系进行Meta分析，发现其不良健康反应强于PM2.5和PM10。国内开展BC的健康效应研究起步较晚[11-12]，对于从致癌风险、非致癌风险等方面系统研究BC的健康风险的研究有待深入。鉴于石家庄地区大气BC健康风险尚不清楚，故本研究采用2018年8月～2021年4月的连续在线观测数据，通过对研究期间长时间序列及四季BC浓度的对比，分析石家庄市南郊BC浓度差异及健康风险，同时按不同性别、年龄和劳动强度进行疫情发生前后的健康风险评价，为城市BC气溶胶污染治理和公共卫生管理提供技术支持。

1 研究方法

1.1 监测点介绍

监测点位于河北科技大学信息科学与工程学院楼顶(河北省石家庄市裕华区，114°31′10″E，37°58′27″N)，四周空旷，距地面高度约20 m，距离东边裕翔街约500 m，西边建设大街约为1 km，西南方向有一发电厂距学校3 km，东北方向的南郊客运站距学校3 km。

1.2 监测时间及数据来源

监测时间为2018年8月～2021年4月。监测仪器为美国MetOne BC1054黑碳监测仪，该仪器为十波段监测，可自动测量并记录BC对370～950 nm的十波段光的吸收情况。根据测量结果可以确定BC光吸收系数及质量浓度。采样管PM2.5切割头需进行周期性清理。本研究采用880 nm 波长的测量结果作为BC质量浓度，将数据进行小时平均处理。

1.3 健康风险评价方法

健康风险评价是将环境污染与人体健康建立联系，定量描述人体暴露于污染物中受到危害的风险[15]。应用美国EPA(Environmental Protection Agency)人体健康风险评价方法[16],采用针对特定场所吸入途径污染物的健康风险评价方法(EPA-540-R-070-002)[16]进行BC的人群健康风险评价。

BC的健康风险可分为致癌性和非致癌性。一般假设BC可连续70 a致癌，而可接受的风险水平为10-6[12]。BC的致癌风险评价公式如下

CR=CDI×CSF

(1)

式(1)中：CR为终生致癌风险，无量纲；CSF为癌症斜率因子，为了评估暴露于不同水平的环境BC的健康风险，采用柴油尾气颗粒物代替BC，1.1 (kg·d)/mg作为BC的CSF[12]。

BC的非致癌风险可采用下式获得：

HQ=CDI/RfC

(2)

式(2)中：HQ为危害商，无量纲；RfC为参考浓度，为了评估暴露于不同水平的环境BC的健康风险，5 μg/m3作为BC的RfC[13]，数据来源于1998年OEHHA(Office of Environmental Health Hazard Assessment)报告。

公式(1)和(2)中日平均摄入量(CDI)计算公式如下：

CDI=C×IR×EF×ED/(BW×AT)

(3)

式(3)中：CDI为日平均摄入量，mg/(kg·d)；C为BC环境浓度，mg/m3；IR为吸入率，m3/d；EF为暴露频率，d/a；ED为暴露时间，a；BW为体重，kg；AT为平均时间，d。根据相关研究[14]，IR取7.6 m3/d(儿童)、16.6 m3/d(成人男)、13.5 m3/d(成人女)；基于中国人口出行情况，EF取346 d/a；参考EPA数据[12]，ED设定为6 a(儿童)，26 a(成人)。对于致癌风险评价，AT=365 d/a×70 a，而非致癌风险评价则为AT=365 d/a×ED[15]。BW按照儿童、成人男和成人女分别设定为15、67.3、57.5 kg[14]。

2 结果与分析

2.1 长时间序列变化趋势

图1为BC浓度的长时间序列，平均浓度值为3.03 μg/m3。2018年秋冬季BC浓度值偏高，因为2018年雾霾天气导致污染事件的发生，BC浓度值高，2019年秋冬季BC浓度值较2018年偏低，表明大气环境治理的成效。2020年1月23日之后BC浓度骤然下降，原因是疫情发生导致人类活动的减少，且之后春季气温回升、供暖需求减弱。到2021年4月6日BC浓度变化幅度相对较小。

图1 BC浓度时间序列图Fig.1 Time series diagram of BC concentration

2.2 四季BC浓度的日变化趋势

图2为四季BC浓度日变化趋势，图3为四季BC平均浓度变化(取1/2标准方差作误差线)。四季BC平均浓度值分别为2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。春、夏、秋季日变化呈双峰单谷型，其中，春季在6～7时、22～23时出现两次峰值，14～16时出现谷值；夏季在5～7时、20时左右出现两次峰值，14～16时出现谷值；秋季在6～8时、21～23时出现两次峰值，14～15时出现谷值；而冬季则呈双峰双谷型，在7～9时、21～22时出现峰值，4～6时、13～15时出现谷值。第一个峰值点按时间出现的顺序为夏季、春季、秋季、冬季，其中冬季出现延迟，原因是冬季昼短夜长，导致冬季早晨人类活动的开始时间也较其它季节晚，同时大气边界层发展晚于其它季节，污染物较晚扩散。第二个峰值点出现的原因是下午17：00之后出现交通晚高峰、烹饪活动密集、日落后大气结构趋于稳定，导致污染物累积，出现第二个峰值点，且夏季要早于其它三季2 h。谷值持续的时间春、夏季要大于秋、冬季，原因是春、夏季太阳辐射增强，湍流运动加强，导致BC浓度较长时间处于较低的水平。冬季第一个谷值点出现的原因是晚间黑碳排放来源较少及风的净化作用。第二个谷值点出现的原因是随着太阳辐射增强，温度升高，空气对流增强。冬季BC第二个峰值点值大于第一个峰值点值，原因是冬季日照时间短，逆温现象时常发生，同时风速较低，导致白天BC不易扩散，逐渐累积到晚上，此外冬季人类取暖等因素导致晚上的高峰值大于白天。BC浓度峰与谷的差值秋冬季要大于春夏季，主要与各季节间边界层高度、大气扩散能力等不同导致。BC浓度大小一般呈冬季>秋季>春季>夏季的趋势，原因是冬季开始取暖，距离观测点2 km处的热力公司在冬季达到燃煤高峰期及不利气象条件影响，导致BC浓度偏高。春季常见大风天气，夏季多降雨，有助于BC的清除。

图2 四季BC浓度的日变化趋势特征Fig.2 Characteristics of diurnal variation trend of BC concentration in four seasons

图3 四季BC平均浓度变化Fig.3 The variation of the average concentration of BC in four seasons

2.3 四季BC的健康风险评价

根据健康风险评价方法(EPA-540-R-070-002)[16]，计算研究区域成人男、女性和儿童的致癌风险(CR)和非致癌风险(HQ)，成人与儿童的CR均高于EPA给定的可接受风险水平(10-6)，表明研究区域BC的致癌风险需要引起重视。CR值大小顺序为成年男性>成年女性>儿童。一般而言HQ<1表明暴露人群不太可能产生不良的非癌症影响[11]，本研究中儿童的非致癌风险HQ值高于成人，但均未达到阈值。

表1 按性别评价四季的BC健康风险

2.4 不同劳动强度BC健康风险评价

以2020年1月23日为节点，疫情发生前BC浓度均值为4.07 μg/m3，疫情发生后BC浓度均值为1.94 μg/m3。按劳动强度划分为轻微活动、中体力活动、重体力活动、极重体力活动进行BC的致癌与非致癌健康风险评价，其中，河北省的体重推荐值(BW)为65.1 kg；IR为吸入率，m3/d，具体取值如表2；EF为暴露频率，取346 d/a；ED为暴露时间，取26 a；对于致癌风险评价，AT=365d/a×70a，而非致癌风险评价则为AT=365d/a×ED。

从表2发现，疫情发生后BC的致癌(CR)与非致癌风险(HQ)值均小于疫情发生前，但疫情发生后的CR值仍大于EPA给定的可接受风险水平(10-6)，表明石家庄市南郊区域BC的致癌风险不容忽视，其中疫情发生前后的CR值和HQ值大小均为极重体力活动>重体力活动>中体力活动>轻微活动，但极重体力活动的HQ仍未达到阈值1，表明即使在极重体力活动条件下大气BC对人群产生非致癌影响也不大。

表2 不同体力活动呼吸量的推荐值[17]及不同劳动强度BC健康风险评价

2.5 与其它地区的对比分析

为明晰石家庄与国内其它城市或背景区域大气中BC浓度值的差异，表3列出了部分国内其它城市的BC质量浓度值。通过对比发现，石家庄区域的BC浓度排放值处于中等水平，很大程度与2020年初、2021年初两次疫情有关，导致BC浓度值低于正常状态。四季浓度值与周变红在宝鸡高新区黑碳气溶胶特征[24]研究中得到的结论一致，BC浓度平均值冬季>秋季>春季>夏季。日变化趋势与张林在南京北郊黑碳气溶胶[25]研究中结论相似，早上7:00～9:00达到峰值，在下午的15:00～16:00达到谷值，然后浓度在20:00～21:00 逐渐上升。本文与姚青在天津城区进行健康风险评估[9]一文发现的各季节成人和儿童的致癌风险(CR)均高于EPA给定的可接受风险水平，非致癌风险水平较低的结论相似。

表3 全国其它城市大气中BC质量浓度值

3 结 论

2018年8月～2021年4月PM2.5中的BC平均浓度值为3.03 μg/m3。四季PM2.5中的BC平均浓度值为2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。其中春、夏、秋季日变化呈双峰单谷型，而冬季则呈双峰双谷型，与源排放强度及大气扩散条件有关。

成人与儿童的CR均高于EPA给定的可接受风险水平(10-6)，表明石家庄市南郊区域BC的致癌风险需要引起重视。其中致癌风险CR值成年男性>成年女性>儿童。儿童的非致癌风险HQ值高于成人，但均未达到该阈值。

以2020年1月23日为节点，疫情发生后BC的致癌(CR)与非致癌风险(HQ)均小于疫情发生前，但疫情发生后的CR值仍大于EPA给定的可接受风险水平(10-6)，表明石家庄市南郊区域BC的致癌风险不容忽视，其中疫情发生前、后的CR值和HQ值大小均为极重体力活动>重体力活动>中体力活动>轻微活动，但极重体力活动的HQ仍未达到阈值1，表明人群在进行极重体力活动时产生不良的非致癌影响也不大。