重庆市渝中区城区监测点大气PM2.5中金属和类金属元素污染特征分析及健康风险评估*

曾晓龙,沈卓之,曾云夏△,邓 雪,刘 淼,薛 丰,胡雪郢,周 杰

(1.重庆市渝中区疾病预防控制中心检验科,重庆 400010;2.重庆市疾病预防控制中心科技信息科,重庆 400042)

随着城市化进程的不断推进,全国各地相继出现以PM2.5为首要污染物的空气污染问题。金属及类金属元素作为PM2.5的主要组成部分,可通过呼吸作用进入人体,对健康产生毒性、致癌性及生物蓄积性损伤[1-3],其健康危害大小与金属成分和浓度有关[4]。近年来,北京、西安、济南、沈阳等城市相继开展了空气PM2.5中金属及类金属元素污染特征分析及健康风险评价[5-15],而重庆作为西部唯一直辖市,相关报道较少。重庆中心城区地处槽谷地带,平均风速小,相对湿度较高,地理气象条件不利于大气污染物的扩散[16],其中,渝中区地处长江、嘉陵江交汇处,全区陆地面积20.08平方公里,常住人口58.8万人,其空气质量一直受到广泛关注。本研究通过分析重庆市渝中区2021年大气PM2.5和其中12种金属及类金属元素污染特征和程度,开展人群健康风险评估,为进一步探讨地区大气PM2.5污染防治和人群空气污染健康防护提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

采样点位于重庆市渝中区马家堡小学教学楼楼顶,监测高度15 m,周边为居民区、学校、商场、写字楼,避开污染源。于2021年1-12月,每月10-16日采样,连续采集7 d,采样时间为每天10:00至次日9:30,全年共采集样品84份。采样所用仪器为智能中流量空气总悬浮颗粒物采样器(武汉天虹,型号:TH-150A、TH-150C),采样流量100 L/min;所用石英纤维滤膜为90 mm滤膜(英国Whatman公司,货号:1851-090)。

1.2 方法

1.2.1样品处理及分析

依据《空气污染对人群健康影响监测与防护工作手册(2021年)》要求,样品采集完成后,当日开始平衡称重,尽快完成PM2.5浓度测定,15 d内进行成分提取,测定其中12种金属及类金属成分含量。取1/8采集到的滤膜,放入15 mL离心管底部,加入95%硝酸(Fisher,67%～70%)溶液10 mL,于70 ℃水浴超声3 h,充分振荡后用0.45 μm滤头过滤,直接用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7900)测定其中12种金属及类金属成分含量。

1.2.2质量控制与质量保证

实验室分析12种金属及类金属成分检测的校准曲线线性良好,相关系数(r)≥0.999 0 ;抽取10%的样品进行平行测定,相对标准偏差均小于20%;样品加标回收率为82.3%～112.7%,方法检出限为0.01～8.9 ng/m3;每批样品分析均进行1个实验室空白和1个现场空白分析。

1.2.3健康风险评估

按照《大气污染人群健康风险评估技术规范》(WS/T 666-2019)中“基于大气污染物毒性资料的人群健康风险评估”方法,开展12种金属和类金属元素的健康风险评估。

1.2.4暴露-反应关系评估

污染物的毒性参数使用美国环境保护署区域筛选水平(regional screening levels,RSL)通用表中的环境空气部分[17],查阅12种元素以吸入途径接触的毒性参数,见表1。筛选浓度部分,确定若某一元素具有致癌效应,则可接受风险水平为1×10-6;如具有非致癌效应,则危害商值为1,以此为基准计算对应元素的筛选浓度。如果元素暴露浓度低于筛选浓度,则表明在该暴露水平下对人群无不可接受的风险,终止健康风险评估。如果元素暴露浓度超过筛选浓度,则启动下一步吸入途径的健康风险评估。致癌效应筛选浓度计算公式(公式①)为:CA=(AT×TR)/(IUR×ET×EF×ED)。式中,CA为与评估值对应的大气中的污染物(μg/m3);AT为预期寿命年数×365 d/年×24 h/d;TR为目标癌症风险(1×10-6);IUR为吸入单位风险(μg/m3);ET为暴露时间(h/d);EF为暴露频率(d/年);ED为暴露持续时间(年)。本研究假设居民持续暴露在大气环境中,ET取值24 h/d、EF取值365 d/年、ED取值预期寿命年数。

表1 各金属及类金属元素经吸入途径的毒性参数及其来源

非致癌效应筛选浓度计算公式(公式②)为:CA=(AT×Target HQ×RfC×1 000 μg/mg)/(ET×EF×ED)。式中,CA、AT、ET、EF、ED的意义和取值同公式①;Target HQ为目标危害商数(取值为1);RfC为参考浓度(mg/m3)。

1.2.5暴露评估

暴露浓度计算公式(公式③)为:EC=(CA×ET×EF×ED)/AT。式中,EC为暴露浓度(μg/m3);CA为污染物在空气中的浓度(μg/m3);ET、EF、ED、AT的意义及取值同公式①。

1.2.6健康风险表征

以超额致癌风险评估金属及类金属元素的致癌风险。计算公式(公式④)为:超额致癌风险=IUR×EC。式中,IUR的意义同公式①,EC的意义同公式③。

当超额致癌风险<1×10-6,表明其引起癌症的风险较低,在监管意义上为可以接受的风险;该超额致癌风险为1×10-6～1×10-4,表明其有潜在的致癌风险;该超额致癌风险>1×10-4,表明其引起癌症的风险较高。

采用目标危害商数评估重金属的非致癌风险。计算公式(公式⑤)为:HQ=EC/RfC×1 000 μg/mg。式中HQ为目标危害商数;EC的意义同公式②,RfC的意义同公式③。HQ≥1,表示暴露浓度可能产生非致癌毒性;HQ<1,则表示暴露浓度产生的非致癌性毒性处于可接受的水平[18]。

1.3 统计学处理

采用SPSS19.0软件进行统计学处理,未检出按照检出限的50%进行数据分析。PM2.5及金属和类金属元素浓度均不服从正态分布,因此采用最小值、Q1、Q2、Q3、最大值这5项参数进行统计学描述。考虑到需要与《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中PM2.5及各污染物的年平均浓度限值(二级)进行比较,同时纳入算术平均值进行统计学描述,并采用其开展风险评估。使用秩和检验来分析金属和类金属元素的季节性差异,以α=0.05为校验水准。

2 结 果

2.1 大气中PM2.5浓度情况

研究期间,该区域2021年PM2.5浓度年平均值为46 μg/m3,最大值为150 μg/m3。其中有11 d的PM2.5浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中24 h平均值的二级浓度限值(75 μg/m3),超标率为13.1%。超限量值采样日期主要集中在秋冬两季,不同季节中PM2.5浓度平均值由大到小依次为冬季、秋季、春季、夏季,见表2。

表2 大气中PM2.5浓度情况(μg/m3)

2.2 PM2.5中金属和类金属元素浓度情况

重庆市渝中区城区2021年PM2.5中12种重金属年平均浓度由高到低依次为铝、锰、铅、砷、铬、硒、锑、镍、镉、铊、汞、铍,其中汞和铍全年未检出。比较不同季节元素浓度,除镍外,9种元素均为秋冬季浓度高于春夏季,差异有统计学意义(P<0.05);砷、镉、汞、铅的年平均浓度均未超过限值标准(GB 3095-2012),见表3。

表3 PM2.5中金属和类金属元素浓度情况(ng/m3)

2.3 各元素的筛选浓度情况

各金属及类金属元素经吸入途径的毒理学参数见表3,其中6种元素有致癌性参数,10种有非致癌性参数。各元素的筛选浓度见表4,砷、镉、铬的暴露浓度高于致癌效应筛选浓度,继续对砷、镉、铬进行致癌性风险评估。10种元素的暴露浓度均低于非致癌效应筛选浓度,因此终止10种元素的非致癌效应风险评估。

表4 各元素的筛选浓度情况(ng/m3)

2.4 健康风险表征

对砷、镉、铬进行致癌性风险评估,3种元素的超额致癌风险分别为1.74×10-5、1.08×10-6、3.24×10-6,均介于1×10-6～1×10-4之间,对人群存在潜在的致癌风险。

3 讨 论

本研究在区域中心城区设置采样点,监测高度为15 m,位于国控环境空气质量监测站覆盖范围内,采样点周边为居民区、学校、商场、写字楼,无工厂,避开了污染源及障碍物、交通道路,空气污染程度相对较轻。本研究中,2021年每月均进行PM2.5采样分析,共采集样本84件,一定程度上可反映该区域部分城区大气PM2.5的污染情况。2021年PM2.5浓度年平均值为46 μg/m3,超过了年平均二级浓度限值(35 μg/m3),其中有11 d超过24 h平均二级浓度限值(75 μg/m3),超标率为13.1%,主要集中在秋冬季。PM2.5浓度表现出明显的季节性,秋冬季浓度均值大于春夏季。结果显示,该区域仍存在PM2.5污染情况,这可能与周边地区大气污染物传输有关。

本研究的12种金属和类金属元素中,铝、锰、铅质量浓度最高,占所测元素总浓度的93.9%,主要来自汽车尾气、土地开发施工和道路扬尘[20]。有9种元素表现出明显的季节性,秋冬季质量浓度大于春夏季,这可能是因为冬季低温少风,气象条件不利于PM2.5扩散和降解,一定程度上造成金属和类金属元素的累积,而夏季较多的降水有助于PM2.5的沉降清除。铅、镉、砷、汞4种元素年平均浓度均低于《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)标准限值[21],这与该区域内无厂矿等工业污染源的情况相符。

依据《大气污染人群健康风险评估技术规范》(WS/T 666-2019)进行健康风险评估。结果显示,10种元素的暴露浓度均小于其非致癌效应的筛选浓度,表明其对人群健康无明显非致癌风险。砷、镉、铬3种元素终身超额致癌风险均大于1×10-6,介于1×10-6～1×10-4之间,表明这3种元素有潜在致癌风险。砷是典型的燃煤元素[22],长期暴露可能造成急慢性中毒,导致人体器官病变或发育缺陷[23],对儿童青少年的危害尤其大[24-25]。该区域虽不存在燃煤污染源,但可能受周边大气传输影响。评估结果显示,监测时段内空气PM2.5中的砷浓度对居民有一定的致癌性风险(1.74×10-5),对人群的健康危害需引起关注。

本次健康风险评估结果存在一定的不确定性:在PM2.5采样、运输、保存及元素测定过程中存在误差,造成12种金属和类金属元素的浓度存在不确定性。健康风险评估是以人群全年全时间均暴露在大气环境中为前提进行的,未考虑室内环境因素,且未考虑人群个体因素的差异,暴露浓度存在不确定性。评估是基于单一环境、单一大气污染物进行,未进行考虑年龄敏感性、多重环境,评估时只考虑了吸入途径的健康风险,未考虑经口或皮肤接触进入。