湖南省典型城市PM10和PM2.5及其载带重金属的污染特征和健康风险研究

谢忱，张文杰，杨文，李伟，王歆华，赵雪艳，白志鹏

1.山西大学环境与资源学院，山西 太原　030006

2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京　100012



湖南省典型城市PM10和PM2.5及其载带重金属的污染特征和健康风险研究

谢忱1,2，张文杰2，杨文2，李伟1*，王歆华2，赵雪艳2，白志鹏2

1.山西大学环境与资源学院，山西 太原030006

2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京100012

摘要为研究湖南省长株潭区域典型城市颗粒物及其载带重金属元素的污染特征和健康风险，于2014年8月在长沙市、湘潭市和区域背景点衡山采集了PM10和PM2.5样品。应用ICP-MS分析样品载带的10种重金属元素浓度，按Cr(Ⅵ)和总Cr比值为0.13估算Cr(Ⅵ)浓度。应用US EPA风险评价技术结合国内人群暴露参数对人体通过呼吸途径暴露的健康风险进行评价。结果表明：采样期间，长沙市PM10和PM2.5的日均浓度分别为42～155和18～119 μgm3，湘潭市为17～127和5～109 μgm3。长沙市和湘潭市PM10载带Cr (Ⅵ)浓度分别为0.81和0.65 ngm3，As浓度为9.3和6.3 ngm3，均超过国家重金属年均标准限值。10种重金属元素对暴露人群的非致癌风险都小于1，在可接受范围内。Cr(Ⅵ)、As的致癌风险为10-6～10-4，有潜在致癌风险；Cd、Ni和Co的致癌风险小于10-6，在人群可接受致癌风险范围内。

关键词颗粒物；重金属；污染特征；健康风险

Pollution Characteristics and Health Risk Analysis of Heavy Metals in PM10and PM2.5in Typical Cities in Hunan Province

XIE Chen1,2, ZHANG Wenjie2, YANG Wen2, LI Wei1, WANG Xinhua2, ZHAO Xueyan2, BAI Zhipeng2

1.College of Environmental and Resource Sciences, Shanxi University, Taiyuan 030006, China2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

AbstractTo investigate the pollution characteristics and health risks of heavy metals in particulate matter in Changsha, Zhuzhou, Xiangtan (CTZ) area in Hunan Province, PM10and PM2.5filter samples were collected in Changsha, Xiangtan and background site of Hengshan Mountain in August 2014. The concentrations of ten heavy metals were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry. In order to assess the carcinogenic risk of Cr(Ⅵ) on human, Cr(Ⅵ) concentrations were calculated based on the reference ratio of 0.13 for Cr(Ⅵ) to total Cr. The health risk of heavy metals inhaled by respiratory system was assessed by the model recommended by US EPA, coupled by the exposure factors in China. Results showed that the mass concentration of PM10and PM2.5were respectively 42-155 and 18-119 μgm3in Changsha, and were 17-127 and 5-109 μgm3in Xiangtan. The concentration of Cr(Ⅵ) in Changsha and Xiangtan was 0.81 and 0.65 ngm3in PM10samples, while that of As was 9.3 and 6.3 ngm3, much higher than the relevant Chinese air quality standards. The total non-carcinogenic risk of the each heavy metal was less than 1, within the acceptable level. The carcinogenic risks for Cr(Ⅵ) and As were in the range of 10-6-10-4, belonging to the range of potential carcinogenic risks. The carcinogenic risks for Cd, Ni and Co were below 10-6, indicating that the carcinogenic risks of the three metals are acceptable.

Key wordsparticulate matter; heavy metals; pollution characteristics; health risk assessment

虽然GB 3095—2012《环境空气质量标准》[14]给出了Pb、Cd、Hg、As和Cr(Ⅵ) 5种重金属的标准限值，但国内还未广泛实施大气颗粒物重金属的系统监测，相关研究较为分散。邹天森等[15]研究给出了我国城市大气中As、Cd、Cr、Mn、Ni和Pb的浓度分别为(22.7±33.4)、(14.1±83.7)、(60.9±67.1)、(220±190)、(37.5±34.1)和(290±213) ngm3，均超过GB 3095—2012、欧盟的《空气质量标准》[16]和世界卫生组织(World Health Organization，WHO)的《欧盟空气质量指南》[17]中相应重金属浓度的年均标准限值或参考限值。此外，重金属多分布在细颗粒物中，Duan等[18]研究表明，大气颗粒物中约60%～90%的重金属富集在PM2.5上。

湖南省是我国重要的重金属矿区之一，铅锌矿和铜锌矿等重金属矿资源丰富，Cd、Hg、Pb和Cr排放量位居全国首位[19]，采矿和冶炼造成了农业生态环境的破坏和污染[20]，如稻米镉超标及土壤重金属的污染问题[21]。目前对湖南省重金属污染的研究多集中在作物[22]、土壤[23-24]、道路尘[25]和水体[26]方面，而有关大气颗粒物载带重金属的研究相对较少。Zhang等[27]对长株潭城市群秋季大气颗粒物及其载带重金属的污染水平进行了分析，认为Pb、As和Cd是长株潭城市群的典型重金属元素，应当优先控制；其中Cd受人类活动影响最强。长沙市和湘潭市是长株潭城市群的重要中心城市，笔者通过实际监测，分析了长沙市和湘潭市典型采样点8月PM10和PM2.5及其载带重金属的污染水平，并采集了区域背景点衡山的颗粒物样品，以分析该区域大气颗粒物载带重金属元素受人为污染的影响；同时对PM10和PM2.5载带的重金属通过呼吸途径引起的人体健康风险进行了初步评价，以期为污染大气防治和保护公众健康提供基础依据。

1试验与方法

1.1样品采集与分析

1.1.1样品采集

在长沙市(雨花区)、湘潭市(岳塘区)和衡山(衡阳市)各设1个采样点，以衡山为该区域背景点。采样时间为2014年8月1—31日，每天采样1次，每次采样时间为08：30—次日07：30。整个采样过程中，排除特殊天气、机器故障和停电等因素的影响后，每个采样点采集到PM10和PM2.5有效样品数分别为26～30和26～29个，具体信息如表1所示。

表1　采样点及样品数量统计

PM10和PM2.5样品采集使用武汉天虹TH-150F型智能中流量采样仪，采样流速均为100 Lmin，采样滤膜为聚丙烯膜(90 mm)。现场采样时应用微电脑中流量校准器(THM-150型)对采样仪进行校准，确保采样流量稳定。

1.1.2样品分析

颗粒物滤膜样品采用十万分之一天平称量，滤膜称量前需平衡48 h以上。颗粒物浓度根据采样前后滤膜的质量差和采样体积计算得到。

重金属元素浓度使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国Agilent公司的Agilent 7500a型)，测定样品中10种重金属元素Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Co、V和Pb的浓度。

1.2重金属元素的健康风险评价

采用美国国家环境保护局(US EPA)推荐的人体暴露健康风险评价模型[28]及我国人群暴露参数，对PM2.5中10种重金属元素的健康风险进行分析。由于人体吸入是PM2.5的主要暴露途径，因此本研究只针对呼吸暴露产生的健康风险进行评价。儿童属于敏感人群，故研究中单独对其健康风险进行评价，因此将暴露人群分为儿童、成年男性和成年女性3组。

风险评价需要估算污染物的日均暴露剂量(average daily dose)，并根据重金属的致癌与非致癌性分别进行评价。计算方法如下[29]：

ADD=C×IR×EF×ED(BW×AT)

(1)

式中：ADD为污染物的日均暴露剂量，mg(kg·d)；C为PM2.5载带的污染物浓度，mgm3；IR为呼吸速率，m3d；EF为暴露频率，da；ED为暴露持续时间，a；BW为体质量，kg；AT为平均暴露时间，d。估算结果见表2。

表2　人体呼吸暴露参数

注：成年男性和成年女性的IR和BW数据引自《中国人群暴露参数手册(成人卷)》[29]湖南省的数据；儿童的IR和BW数据参考北京市《场地环境评价导则》[30]。

1.2.1非致癌风险评价

Mn、Cu、Zn、V和Pb属于非致癌性重金属，单一污染物的非致癌风险用危险系数(HQ)评价，其计算公式如下[29,31]：

HQ=ADDRfD

(2)

式中RfD(inhalation reference dose)为污染物在呼吸暴露途径下的参考剂量，mg(kg·d)。10种典型重金属元素的暴露参考剂量见表3。

表3　重金属经呼吸途径进入人体的剂量-反应参数[31-34]

注：SF为致癌斜率因子(slope factor)。

多种元素作用于同一个体的综合非致癌风险用危险指数(HI)评价[31]，公式如下：

(3)

当HI≤1时，风险较小或可以忽略；HI>1时，存在非致癌风险[35]。

1.2.2致癌风险评价

重金属Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co具有潜在致癌风险，用ILCR(incremental lifetime cancer risk，终身致癌风险增量)对其致癌风险进行评估[36]，公式如下：

ILCR=ADD×SF

(4)

式中：ILCR表示人群癌症发生的概率，通常以单位数量人口出现癌症患者的比例表示，若ILCR为10-6～10-4(即每万人～百万人增加1个癌症患者)，认为该物质有潜在致癌风险[31]；SF为致癌斜率因子，〔mg(kg·d)〕-1，表示人体暴露于一定剂量某种污染物下产生致癌效应的最大概率。Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co的SF见表3。

1.3不确定性分析

由于环境因素的变化和人群暴露参数的差异等不确定因素的影响，导致风险评价的结果具有不确定性[37]。为进一步评价数据的不确定性，常用蒙特卡罗模型(Monte Carlo model)进行分析。通过随机抽样对计算结果进行多次模拟，得到模拟结果及其频率分布，根据置信区间(5%～95%)的概率分布用以评价健康风险中的计算风险概率[36]。本文使用水晶球软件(Crystal Ball，版本号：11.1.63.0)进行风险不确定性分析。

2结果与讨论

2.1PM10和PM2.5的浓度分布特征

长沙市、湘潭市和衡山背景点的PM10和PM2.5夏季浓度如图1所示。

图1　夏季大气PM10和PM2.5及二者比值分布Fig.1　The concentration of PM10 and PM2.5 and the ratios of PM10 and PM2.5 in August

由图1可知，长沙市PM10和PM2.5的日均浓度最高，分别为42～155和18～119 μgm3；其次是湘潭市，日均浓度为17～127和5～109 μgm3。根据“空气质量指数查询(AQI)-PM2.5查询”[38]的数据显示，2014年8月长沙市PM10和PM2.5的平均日均浓度分别为68和45 μgm3，湘潭市PM10和PM2.5分别为66和44 μgm3，长沙市PM10和PM2.5的平均日均浓度大于湘潭市，与本研究结果一致，说明本研究手工监测与在线监测的数据误差较小。将本研究结果与GB 3092—2012中PM10和PM2.5二级标准限值(150和75 μgm3)进行对照发现，长沙市和湘潭市PM10的达标天数比例分别为96.3%和96.7%，PM2.5的达标天数比例分别为92.3%和89.3%。

区域背景点衡山PM10和PM2.5的平均日均浓度分别为43和33 μgm3，低于国家一级标准限值的50和35 μgm3。与张霖琳等[39]研究的我国4个大气背景点第二季度(夏季非采暖季)的PM10和PM2.5比较发现：衡山PM10和PM2.5与湖北省神农架处于同一水平，高于广东省南岭、山西省庞泉沟和吉林省长白山地区，表明颗粒物污染的区域性较强。分析PM2.5在PM10中所占比例发现，衡山(区域背景点)该比值大于长沙市和湘潭市(图1)，表明衡山细颗粒物所占比例最大，这也与细颗粒物在区域内分布相对均匀，粗颗粒物受局地影响较大有关。

2.2PM10和PM2.5载带的重金属浓度特征

城市采样点和区域背景点夏季环境空气PM10和PM2.5载带重金属的分析结果见表4。由表4可知，在PM10和PM2.5中，Zn、Pb的浓度最高，其次为Mn和Cu，而Co的浓度最低。燃煤、燃油和金属冶炼可能是Zn、Pb、Mn、Cu浓度较高的主要原因。PM10中V、Cr、As、Cd和Co的浓度为长沙市>湘潭市，其余重金属元素浓度为湘潭市>长沙市；PM2.5中除Co外，其他重金属元素浓度均为长沙市>湘潭市。城市点位和背景点位对比发现：长沙市、湘潭市PM10和PM2.5载带的重金属元素浓度基本高于衡山(区域背景点)，主要是受局地污染排放影响较大；衡山PM2.5载带的Cr、Ni、As与城市污染水平差异相对较小，表明这几种重金属在PM2.5中具有较强的区域传输性。

将本研究与国内其他城市(包括张霖琳等[39]研究的4个城市大气背景点)的研究结果进行了比较，结果见表5。由表5可知，衡山PM10载带的Cr、Ni、Zn、Cd、Co浓度与4个大气背景点[37]处于同一水平，而Mn、Cu、Zn、As和V浓度则略高，表明衡山背景点可能在一定程度上受到了采矿冶炼的影响。2011年秋季长株潭城市群[41]PM10载带的重金属浓度高于本文研究结果，可能是受采样点、采样季节等差异的影响，具体原因需要进一步深入分析。海口市[48]PM10中重金属浓度低于长沙市、湘潭市，其他城市除拉萨市[45]和太原市[49]的部分重金属浓度低于本研究外，深圳市[42]、杭州市[43]、沈阳市[44]、兰州市[46]、北京市[47]、重庆市[50]和昆明市[51]均高于本研究。

表4　各采样点PM10和PM2.5中10种重金属浓度

Table 4　The concentrations of 10 heavy metals in PM10 and PM2.5　 ngm3

表4　各采样点PM10和PM2.5中10种重金属浓度

重金属元素浓度长沙市PM10PM2.5湘潭市PM10PM2.5衡山(区域背景点)PM10PM2.5总Cr6.2±3.56.0±5.65.0±3.52.6±1.34.3±4.23.5±3.5Cr(Ⅵ)1)0.810.780.650.340.560.46Mn22.8±14.58.0±5.328.7±18.86.6±3.912.3±10.26.3±6.0Ni2.8±1.42.8±3.24.1±4.11.5±1.02.2±1.51.9±1.9Cu15.5±10.58.6±12.122.1±18.08.3±4.617.1±19.07.5±4.8Zn133.2±149.349.3±38.3149.8±207.446.9±70.944.0±27.329.4±17.9As9.3±12.74.5±4.46.3±6.43.5±3.54.4±4.64.0±3.9Cd1.8±2.50.7±1.01.5±1.90.5±0.60.6±0.50.4±0.4Co0.7±0.50.1±0.10.6±0.40.1±0.00.2±0.10.1±0.0V6.9±4.28.0±4.05.1±2.52.3±0.63.0±1.42.7±1.2Pb45.4±46.721.1±20.347.6±54.519.9±22.218.7±12.212.9±10.8

1)以Cr(Ⅵ)和总Cr平均比值(0.13)进行估算，引自文献[40]。

表5　国内部分城市或地区PM10载带的10种重金属的浓度

Table 5　The concentrations of 10 heavy metals in PM10 among some citiesareas in China　ngm3

表5　国内部分城市或地区PM10载带的10种重金属的浓度

城市采样时间(年-月)CrCr(Ⅵ)1)MnNiCuZnAsCdCoVPb长沙市夏季(2014-08)6.20.8122.82.815.5133.29.31.80.76.945.3湘潭市夏季(2014-08)5.00.6528.74.122.1149.86.31.50.65.147.6衡山夏季(2014-08)4.30.5612.32.217.144.04.40.60.13.018.7大气背景点[39]夏季(2013-06)3.40.449.75.610.30.10.20.40.20.117.2长沙市[41]秋季(2011-11)24.03.12————21.54.0——134.0株洲市[41]秋季(2011-11)36.64.76————42.817.8——279.0湘潭市[41]秋季(2011-11)27.93.62————49.115.6——228.0深圳市[42]冬季(2005-11)9.61.2535.59.6130.5263.8—0.7—24.746.7杭州市[43]全年(2006)36.04.68108.011.0134.0892.052.0———288.0沈阳市[44]全年(2007)76.19.89254.316.3174.9510.3—4.03.1—241.5拉萨市[45]全年(2007-09—2008-08)19.02.4727.07.29.181.01.80.51.84.837.0兰州市[46]夏季(2010-07)17.72.30—8.064.4449.7—0.7——83.9北京市[47]全年(2011-04—2012-01)33.84.39112.312.7226.8603.337.74.4——208.3海口市[48]春季(2011-04)3.10.4028.22.423.0124.6—0.30.52.835.6太原市[49]春季(2012-05)69.18.98139.150.079.1369.13.40.49.6—67.1重庆市[50]全年(2012)17.82.3170.134.019.7405.618.52.31.0—82.0昆明市[51]全年(2013-04—2014-01)20.02.60290.010.080.0380.020.020.0——510.0标准限值GB3095—2012《环境空气质量标准》[14]—0.025————65——500欧盟《空气质量标准》[16]———20——65———WHO《欧洲空气质量指南》[17]—0.252)15025——6.62)52)—1000500

1)以Cr(Ⅵ)和总Cr平均比值(0.13)进行估算，引自文献[40]；2)风险水平1∶100 000对应的浓度限值。

我国、欧盟和WHO重金属元素环境浓度的年均参考限值或标准限值如表5所示。长沙市和湘潭市这2个城市采样点PM10载带的Cr(Ⅵ)平均浓度超标，远高于GB 3095—2012规定的0.025 ngm3和WHO规定的0.25 ngm3；长沙市和湘潭市的As浓度同样超标，长沙市为GB 3095—2012限值(6 ngm3)的1.5倍，而湘潭市超标0.3 ngm3；Mn未超过WHO规定的150 ngm3的标准限值，Ni未超过欧盟和WHO的标准限值，Cd和Pb未超过我国、欧盟和WHO规定的标准值。所以Cr(Ⅵ)和As的污染不容忽视。

2.3PM10和PM2.5载带典型重金属健康风险评价

应用表4数据，根据健康风险评价模型和参数，蒙特卡洛方法对长沙市、湘潭市PM10和PM2.5载带的10种重金属元素对人群的健康风险进行模拟，在模拟过程中进行50 000次随机抽样，得到HQi、HI和ILCR模拟结果。

2.3.1重金属元素非致癌风险评价

注：柱形图为均值，竖线为标准偏差。图2　长沙市和湘潭市采样点中大气PM10和PM2.5载带的10种重金属元素经呼吸途径的非致癌风险Fig.2　Non-carcinogenic risk of 10 heavy metals in PM10 and PM2.5 through breathing in Changsha and Xiangtan City

长沙市和湘潭市采样点人群HQi和HI的模拟结果如图2所示。由图2可知，PM10和PM2.5载带重金属元素对3种人群的非致癌风险均为儿童>成年男性>成年女性，结果与于云江等[46]对兰州市大气PM10中重金属元素对人群的健康风险评价结果一致。儿童受到的健康风险要高于成人，主要是由于儿童的行为和生理特点，儿童户外活动多，暴露于环境污染物的机会更多，而且儿童的每单位体质量比成人有着更高的易感性[37]。由图2可以看出，2个城市采样点PM10和PM2.5载带Cr的HQi要高于其他重金属元素，在PM10和PM2.5中分别为(4.36～6.93)×10-2和(2.27～6.67)×10-2，其次是Co，在PM10和PM2.5中分别为(2.61～3.93)×10-2和(4.36～5.62)×10-3，另外7种重金属元素As、Pb、Mn、Cd、V、Cu、Zn和Ni的HQi比Cr低1～4个数量级，都低于人体可接受的上限值(1)[52]，表明其对成人和儿童的非致癌风险处于可接受的范围内。PM10和PM2.5载带的10种重金属元素的HI未超过1，即PM10和PM2.5载带的重金属元素对成人和儿童非致癌风险处于人群可接受水平。虽然本研究结果中重金属元素对人群的非致癌风险处于可接受水平，但是由于采样时间、地点等差异，导致不同研究者在不同城市的研究结果不同。Hu等[52]对南京市TSP和PM2.5载带的重金属元素进行健康风险评价发现，TSP载带的Mn和PM2.5载带的Co的HQi大于1，会对儿童和成人产生非致癌健康风险。由于PM2.5可通过呼吸进入人体并对健康产生有害影响，因此研究PM2.5载带的重金属元素健康风险的意义更加突出。

2个城市采样点PM10和PM2.5载带重金属元素的HI均为长沙市>湘潭市。PM10载带的Cr、Co、As、Cd和V的非致癌风险均为长沙市较高；Pb、Mn、Cu、Zn和Ni的非致癌风险湘潭市较高。PM2.5载带的10种重金属元素非致癌风险均为长沙市较高。

2.3.2重金属元素致癌风险评价

注：柱形图为均值，竖线为标准偏差。图3　长沙市和湘潭市采样点中大气PM10和PM2.5载带的5种重金属元素经过呼吸途径的致癌风险Fig.3　Carcinogenic risk of 5 heavy metals in PM10 and PM2.5 through breathing in Changsha and Xiangtan City

国际癌症研究机构(IARC)已经确定Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co对人类有致癌或潜在致癌作用。由于Cr在氧化物中有Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)2种价态，Cr的毒性与其价态相关，Cr(Ⅵ)的毒性是Cr(Ⅲ)的100倍[53-55]，所以致癌风险主要考虑Cr(Ⅵ)的毒性。目前，国内对环境空气中Cr(Ⅵ)的研究较少，狄一安等[56]通过离子色谱分离、柱后衍生紫外的方法分析了北京市城区大气颗粒物中的Cr(Ⅵ)浓度。刀谞等[57]比较了不同国家和地区的环境空气中Cr(Ⅵ)的浓度水平，总结了Cr(Ⅵ)的样品分析方法研究进展，认为环境空气中Cr(Ⅵ)测定过程存在样品有效采集、提取、干扰因素去除、仪器测试检出限等多个技术难点，导致现有环境空气Cr(Ⅵ)的监测还未有相关标准方法。Park等[58]将韩国首尔大气颗粒物载带Cr(Ⅵ)和总Cr的比值约为1∶7进行换算，得出Cr(Ⅵ)的浓度，以计算Cr(Ⅵ)对人群的致癌风险。谭吉华等[40]按Cr(Ⅵ)与总Cr的平均比值(0.13)进行估算，得出Cr(Ⅵ)的浓度。考虑到地域原因，引用谭吉华等[40]的结果对Cr(Ⅵ)进行估算。长沙市和湘潭市城市采样点人群的致癌暴露风险值ILCR的模拟结果如图3所示。由图3可知，PM10和PM2.5载带重金属元素对3种人群的致癌风险均为成年男性>成年女性>儿童，成年男性致癌暴露风险值达到儿童的3.7倍。Chen等[59]评价了天津市PM2.5载带重金属元素对人群的致癌风险，成年男性罹患癌症的风险大于成年女性，儿童的致癌风险最低；Cr(Ⅵ)、Ni、Cd和As对人群的致癌风险为(7.72～12.6)×10-9，说明天津市Cr(Ⅵ)、Ni、Cd和As的致癌风险处于人群可接受的范围内。本研究中，长沙市、湘潭市城市采样点PM10和PM2.5中As的致癌风险高于其他重金属元素，分别为(2.46～13.6)×10-6和(1.36～5.62)×10-6，表明As存在潜在的致癌风险。其次是Cr(Ⅵ)，在PM10和PM2.5中的致癌风险分别为(7.02～27.9)×10-7和(3.25～21.7)×10-7；Cr(Ⅵ)对成年人的致癌风险为10-6～10-4时，存在潜在致癌风险，需采取一定的风险防护措施，对儿童的致癌风险小于10-6，对儿童无致癌风险。Cd〔在PM10和PM2.5的致癌风险分别为(2.43～9.37)×10-7和(8.10～36.5)×10-8〕，Co〔在PM10和PM2.5中分别为(1.50～5.69)×10-7和(2.52～8.11)×10-8〕和Ni〔在PM10和PM2.5中分别为(6.07～28.2)×10-8和(3.23～19.4)×10-8〕的致癌风险值低于10-6，即可认为PM10和PM2.5载带的Cd、Co和Ni的致癌风险处于可接受范围内。张霖琳等[60]对APEC会期北京、天津、石家庄、保定和济南等5个城市PM2.5载带重金属元素的健康风险进行研究发现，As对人群的致癌风险为10-6～10-4，有潜在致癌风险；Ni致癌风险低于10-7，处于可接受的范围内，与本文对As和Ni的研究一致，说明京津冀和长株潭地区受到As的影响严重，应予以重视并建议优先控制。

3结论

(1)2014年夏季长沙市和湘潭市PM10的日均浓度分别为42～155和17～127 μgm3，PM2.5的日均浓度分别为18～119和5～109 μgm3，采样期间PM10和PM2.5浓度为长沙市>湘潭市；衡山背景点PM10和PM2.5的日均浓度分别为43和35 μgm3，低于国家一级标准限值和城市采样点。

(2)PM10和PM2.5载带重金属元素的浓度分析表明：2个城市采样点夏季环境空气PM10和PM2.5载带的重金属元素Zn的浓度最高(在PM10和PM2.5中分别为133.2～149.8和46.9～49.3 ngm3)，Co的浓度最低(在PM10和PM2.5中分别为0.6～0.7和0.1 ngm3)，长沙市和湘潭市2个城市PM10载带的10种重金属元素浓度低于国内其他城市。背景点衡山的浓度部分高于国内其他4个大气背景点，可能是由于采矿冶炼行为产生的污染通过区域传输对衡山产生了影响。

(3)基于重金属元素非致癌健康风险的评价结果发现：2个城市采样点PM10和PM2.5载带的重金属元素通过呼吸途径对人群的HI小于1，说明10种重金属元素的综合非致癌风险在可接受范围内。

(4)对Cr(Ⅵ)、Ni、As、Cd和Co的致癌健康风险评价发现：PM10和PM2.5载带的重金属元素中，Cr(Ⅵ)、As致癌风险为10-6～10-4，表明其具有潜在致癌风险，需要引起重视并建议优先控制；Cd、Ni和Co的致癌风险小于10-6，致癌风险在人群可接受水平。

志谢：感谢长沙环境保护职业技术学院的贾劲松等同志协助完成采样工作。

参考文献

[1]WANG J,HU Z,CHEN Y,et al.Contamination characteristics and possible sources of PM10and PM2.5in different functional areas of Shanghai,China[J].Atmospheric Environment,2013,68:221-229.

[2]CHENG Z,JIANG J,FAJARDO O,et al.Characteristics and health impacts of particulate matter pollution in China(2001-2011)[J].Atmospheric Environment,2013,65:186-194.

[3]HU J,WANG Y,YING Q,et al.Spatial and temporal variability of PM2.5and PM10over the North China Plain and the Yangtze River Delta,China[J].Atmospheric Environment,2014,95:598-609.

[4]MARTINELLI N,OLIVIERI O,GIRELLI D.Air particulate matter and cardiovascular disease:a narrative review[J].European Journal of Internal Medicine,2013,24(4):295-302.

[5]MOOIBROEK D,SCHAAP M,WEIJERS E P,et al.Source apportionment and spatial variability of PM2.5using measurements at five sites in the Netherlands[J].Atmospheric Environment,2011,45(25):4180-4191.

[6]中国环境监测总站.2015年第三季度74城市空气质量状况报告[ROL].[2015-04-02].http:www.cnemc.cnpublishtotalWeb Sitenewsnews_44483.html.

[7]DEFOREST D K,BRIX K V,ADAMS W J.Assessing metal bioaccumulation in aquatic environments:the inverse relationship between bioaccumulation factors,trophic transfer factors and exposure concentration[J].Aquatic Toxicology,2007,84(2):236-246.

[8]Al RASHDI S,ARABI A A,HOWARI F M,et al.Distribution of heavy metals in the coastal area of Abu Dhabi in the United Arab Emirates[J].Marine Pollution Bulletin,2015,97(12):494-498.

[9]Centers for Disease Control and Prevention.Toxicological profile for chromium[ROL].Atlanta:The Agency for Toxic Substances and Disease Registry.[2015-08-12].http:www.atsdr.cdc.govToxProfilestp.asp?id=62&tid=17.

[10]Centers for Disease Control and Prevention.Toxicological profile for nickel[ROL].Atlanta:The Agency for Toxic Substances and Disease Registry.[2015-08-12].http:www.atsdr.cdc.govToxProfilestp.asp?id=245&tid=44.

[11]Centers for Disease Control and Prevention.Toxicological profile for arsenic[ROL].Atlanta:The Agency for Toxic Substances and Disease Registry.[2015-08-12].http:www.atsdr.cdc.govToxProfilestp.asp?id=22&tid=3.

[12]Centers for Disease Control and Prevention.Toxicological profile for cadmium[ROL].Atlanta:The Agency for Toxic Substances and Disease Registry.[2015-08-12].http:www.atsdr.cdc.govToxProfilestp.asp?id=48&tid=15.

[13]Centers for Disease Control and Prevention.Toxicological profile for cobalt,public health service,Agency for toxic substances and disease registry[ROL].Atlanta:The Agency for Toxic Substances and Disease Registry.[2015-08-12].http:www.atsdr.cdc.govToxProfilestp33.pdf.

[14]环境保护部.环境空气质量标准:GB 3095—2012[S].北京:中国环境科学出版社,2012.

[15]邹天森,康文婷,张金良,等.我国主要城市大气重金属的污染水平及分布特征[J].环境科学研究,2015,28(7):1053-1061.

ZOU T S,KANG W T,ZHANG J L,et al.Concentrations and distribution characteristics of atmospheric heavy metals in urban areas of China[J].Research of Environmental Sciences,2015,28(7):1053-1061.

[16]European Union.Air quality standards[AOL].Belgium:European Commission,2008[2015-12-01].http:ec.europa.euenvironmentairqualitystandards.htm.

[17]World Health Organization Regional Office for Europe.Air quality guidelines for Europe[M].2nd ed.Copenhagen:World Health Organization,2000:125-162.

[18]DUAN J,TAN J.Atmospheric heavy metals and arsenic in China:situation,sources and control policies[J].Atmospheric Environment,2013,74:93-101.

[19]雷丹.湖南重金属污染现状分析及其修复对策[J].湖南有色金属,2012,28(1):57-60.

LEI D.Analysis on heavy metals pollution status in Hunan Province and its remediation strategy[J].Hunan Nonferrous Metals,2012,28(1):57-60.

[20]雷鸣,曾敏,郑袁明.湖南采矿区和冶炼区水稻土重金属污染及其潜在风险评价[J].环境科学学报,2008,28(6):1212-1220.

LEI M,ZENG M,ZHENG Y M,et al.Heavy metals pollution and potential ecological risk in paddy soils around mine areas and smelting areas in Hunan Province[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(6):1212-1220.

[21]茉琳.从“鱼米乡”之觞看国内土壤污染之痛[J].人人健康,2013(14):12-13.

[22]ZHOU H,ZHOU X,ZENG M,et al.Effects of combined amendments on heavy metal accumulation in rice(OryzasativaL.)planted on contaminated paddy soil[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2014,101:226-232.

[23]WEI C,WANG C,YANG L.Characterizing spatial distribution and sources of heavy metals in the soils from mining-smelting activities in Shuikoushan,Hunan Province,China[J].Journal of Environmental Sciences,2009,21(9):1230-1236.

[24]WANG M,CHEN W,PENG C.Risk assessment of Cd polluted paddy soils in the industrial and township areas in Hunan,Southern China[J].Chemosphere,2016,144:346-351.

[25]HUANG J,LI F,ZENG G,Et al.Integrating hierarchical bioavailability and population distribution into potential eco-risk assessment of heavy metals in road dust:a case study in Xiandao District,Changsha City,China[J].Science of the Total Environment,2016,541:969-976.

[26]雷鸣,秦普丰,铁柏清.湖南湘江流域重金属污染的现状与分析[J].农业环境与发展,2010,27(2):62-65.

[27]ZHANG K,CHAI F,ZHENG Z,et al.Characteristics of atmospheric particles and heavy metals in winter in Chang-Zhu-Tan city clusters,China[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(1):147-153.

[28]US EPA.Risk assessment guidance for superfund volume Ⅰ human health evaluation manual:part A[S].Washington DC:US EPA,1989.

[29]环境保护部.中国人群暴露参数手册：成人卷[M].北京:中国环境出版社,2013.

[30]场地环境评价导则：DB 11T656—2009[S].北京,北京市环境保护科学研究院,2009.

[31]王钊,韩斌,倪天茹,等.天津市某社区老年人PM2.5暴露痕量元素健康风险评估[J].环境科学研究,2013,26(8):913-918.

WANG Z,HAN B,NI T R,et al.Health risk assessment of trace elements of PM2.5exposure for the elderly subpopulation in Tianjin,China[J].Research of Environmental Sciences,2013,26(8):913-918.

[32]WEI X,GAO B,WANG P,et al.Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals in street dusts from different functional areas in Beijing,China[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2015,112:186-192.

[33]LIU X,ZHAI Y,ZHU Y,et al.Mass concentration and health risk assessment of heavy metals in size-segregated airborne particulate matter in Changsha[J].Science of the Total Environment,2015,517:215-221.

[34]LU X,WU X,WANG Y,et al.Risk assessment of toxic metals in street dust from a medium-sized industrial city of China[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2014,106:154-163.

[35]ZHOU P,GUO J,ZHOU X,et al.PM2.5,PM10and health risk assessment of heavy metals in a typical printed circuit noards manufacturing workshop[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(10):2018-2026.

[36]许嘉.基于化学组分和来源解析的颗粒物室内外相关性及健康风险研究[D].天津:南开大学,2014.

[37]LI Z,MA Z,van der KUIJP T J,et al.A review of soil heavy metal pollution from mines in China:pollution and health risk assessment[J].Science of the Total Environment,2014,468469:843-853.

[38]天气后报.空气质量指数查询(AQI)-PM2.5查询[EBOL].[2015-09-02].http:www.tianqihoubao.comaqi.

[39]张霖琳,刀谞,王超,等.我国四个大气背景点颗粒物浓度及其元素分布特征[J].环境化学,2015,34(1):70-76.

ZHANG L L,DAO X,WANG C,et al.Characterization of air particulate matters and elements in four national background locations,China[J].Environmental Chemistry,2015,34(1):70-76.

[40]谭吉华,段菁春.中国大气颗粒物重金属污染、来源及控制建议[J].中国科学院研究生院学报,2013,30(2):145-155.

TAN J H,DUAN J C.Heavy metals in aerosol in China:pollution,sources,and control strategies[J].Journal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences,2013,30(2):145-155.

[41]杨晴,张凯,柴发合,等.长株潭城市群秋季大气颗粒物及其重金属元素污染特征[J].环境科学研究,2013,26(6):590-597.

YANG Q,ZHANG K,CHAI F H,et al.Study on the pollution characteristics of atmospheric particles and heavy metals in autumn in Chang-Zhu-Tan metropolitan area[J].Research of Environmental Sciences,2013,26(5):590-597.

[42]WU G,DU X,WU X,et al.Chemical composition,mass closure and sources of atmospheric PM10from industrial sites in Shenzhen,China[J].Journal of Environmental Sciences,2013,25(8):1626-1635.

[43]包贞,冯银厂,焦荔,等.杭州市大气PM2.5和PM10污染特征及来源解析[J].中国环境监测,2010,26(2):44-48.

BAO Z,FENG Y C,JIAO L,et al.Characterization and source apportionment of PM2.5and PM10in Hangzhou[J].Environmental Monitoring in China,2010,26(2):44-48.

[44]余涛,程新彬,杨忠芳,等.辽宁省典型地区大气颗粒物重金属元素分布特征及对土地质量影响研究[J].地学前缘,2008,15(5):146-154.

YU T,CHENG X B,YANG Z F,et al.Distributional characteristics of heavy metal elements in atmospheric particulate matter and their impact on land quality in Liaoning province[J].Earth Science Frontiers,2008,15(5):146-154.

[45]CONG Z,KANG S,LUO C,et al.Trace elements and lead isotopic composition of PM10in Lhasa,Tibet[J].Atmospheric Environment,2011,45(34):6210-6215.

[46]于云江,杨林,李良忠,等.兰州市大气PM10中重金属和多环芳烃的健康风险评价[J].环境科学学报,2013,33(11):2920-2927.

YU Y J,YANG L,LI L Z,et al.Health risk assessments of heavy metals and PAHs bound to PM10in Lanzhou city[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(11):2920-2927.

[47]GAO J,TIAN H,CHENG K,et al.Seasonal and spatial variation of trace elements in multi-size airborne particulate matters of Beijing,China:mass concentration,enrichment characteristics,source apportionment,chemical speciation and bioavailability[J].Atmospheric Environment,2014,99:257-265.

[48]谢东海,陈楠,薛英,等.海口市春季大气颗粒物浓度及重金属元素分析[J].安徽农业科学,2012,40(4):2172-2175.

XIE D H,CHEN N,XUE Y,et al.Study on concentration of atmospheric particles and heavy metals in spring in Haikou[J].Journal of Anhui Agriculture Science,2012,40(4):2172-2175.

[49]李丽娟,温彦平,彭林,等.太原市春季PM2.5和PM10中As及重金属污染特征研究[J].太原理工大学学报,2015,46(1):104-109.

LI L J,WEN Y P,PENG L,et al.Pollution characteristics of arsenic and heavy metals in PM2.5and PM10of Taiyuan in spring season[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2015,46(1):104-109.

[50]焦姣,姬亚芹,白志鹏,等.重庆市颗粒物PM10和PM2.5中元素污染特征和来源[J].南开大学学报(自然科学版),2013,46(6):8-13.

JIAO J,JI Y Q,BAI Z P,et al.Element distribution characteristics and source apportionment in PM10,PM2.5in Chongqing[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis,2013,46(6):8-13.

[51]盛涛.昆明市大气PM10和PM2.5比值特征及来源研究[D].昆明:昆明理工大学,2014.

[52]HU X,ZHANG Y,DING Z,et al.Bioaccessibility and health risk of arsenic and heavy metals(Cd,Co,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn and Mn)in TSP and PM2.5in Nanjing,China[J].Atmospheric Environment,2012,57:146-152.

[53]LANÇA S,ALVES A,VIEIRA A I,et al.Chromium-induced toxic hepatitis[J].European Journal of Internal Medicine,2002,13(8):518-520.

[54]HOU Y,LIU H,ZHAO X,et al.Combination of electroreduction with biosorption for enhancement for removal of hexavalent chromium[J].Journal of Colloid and Interface Science,2012,385(1):147-153.

[55]WU P,LI S,JU L,et al.Mechanism of the reduction of hexavalent chromium by organo-montmorillonite supported iron nanoparticles[J].Journal of Hazardous Materials,2012,219220:283-288.

[56]狄一安,周瑞,于跃,等.北京城区大气颗粒物中六价铬的污染特征及来源[J].环境化学,2014,33(12):2117- 2122.

DI Y A,ZHOU R,YU Y,et al.Characteristic and source apportionment of hexavalent chromiumn in particulate matter in Beijing[J].Environmental Chemistry,2014,33(12):2117-2122.

[57]刀谞,王超,张霖琳,等.环境空气中六价铬的分析方法研究进展[J].环境化学,2015,34(10):1875-1884.

DAO X,WANG C,ZHANG L L,et al.Advances on analysis of hexavalent chromium in the environment air[J].Environmental Chemistry,2015,34(10):1875-1884.

[58]PARK E,KIM D,PARK K.Monitoring of ambient particles and heavy metals in a residential area of Seoul,Korea[J].Environmental Monitoring and Assessment,2008,137(123):441-449.

[59]CHEN P,BI X,ZHANG J,et al.Assessment of heavy metal pollution characteristics and human health risk of exposure to ambient PM2.5in Tianjin,China[J].Particuology,2015,20:104-109.

[60]张霖琳,薛荔栋,吕怡兵,等.APEC会期5个城市空气细颗粒物中重金属健康风险评估[J].环境化学,2015,34(6):1218-1220. ○

刘泽民，鲍晓峰，姚鹏,等.生物机油添加剂对柴油机气态污染物和颗粒物排放的影响[J].环境工程技术学报,2016,6(2):157-162.

LIU Z M，BAO X F，YAO P, et al.Study on the effect of the bio-lubricating-oil-additive on the gaseous pollutants and particulate matter emissions of diesel engine[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(2):157-162.

中图分类号:X513

文章编号:1674-991X(2016)02-0147-10

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.022

作者简介:谢忱(1989—)，女，硕士研究生，主要从事大气颗粒物重金属污染特征和环境风险评估研究，xielouchen@163.com*责任作者:李伟(1964—)，男，教授，主要从事环境化学和环境影响战略评价研究，liwei@sxu.edu.cn

基金项目:环境保护公益性行业科研专项(201409022)

收稿日期:2015-12-04