典型石油城市道路积尘重金属污染及健康风险评价*

阿迪莱·伊斯马伊力 麦麦提吐尔逊·艾则孜,2# 靳万贵 阿地拉·艾来提

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2. 新疆师范大学新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

道路积尘也称地表灰尘，是城市环境颗粒物的一种富集体[1]。道路积尘作为城市交通、工业、建筑以及大气沉降等影响下产生的颗粒物质，通常附着或沉积于城市不同的下垫面上，通过呼吸吸入、皮肤接触、手-口摄入等途径进入人体逐渐积聚，并在降水影响下进入城市土壤及水环境中，威胁城市生态系统平衡,并危害人体健康[2-3]。

为保护城市环境与居民身体健康，相关学者对城市道路积尘重金属污染及潜在风险开展了大量研究[4]，并取得了丰富的研究成果。白泽琳等[5]分析了兰州市城关区道路积尘中的Cu、Zn、Cd、Cr和Pb等的污染风险，发现无论儿童还是成人，手-口摄入是道路积尘主要暴露途径，Cr和Pb是兰州市城关区道路积尘主要的健康风险因子。常静等[6]对上海中心城区道路积尘中Pb、Cr、Ni、Cu、Zn和Cd 6种重金属元素的健康风险进行评价，发现6种元素的致癌风险和非致癌风险都在风险阈值内，手-口摄入是健康风险的主要暴露途径。曹治国等[7]分析了北京市室内外6种重金属元素粒径分布规律和人体健康风险，发现不同粒径的道路积尘中6种重金属元素的非致癌健康风险均可忽略。王硕等[8]探讨了中国道路积尘中Cr、Cu、Pb、Zn和Cd 5种重金属元素的空间分布特征及各省份的富集状况，发现中国道路积尘中重金属元素含量普遍较高，不同区域道路积尘重金属含量差异较大。

近年来，石油开采区土壤污染风险倍受关注[9-12]。油田原油中含有几十种重金属元素，其中包括Cd、Cr、Pb和Hg等生物毒性强的重金属元素。在原油的开采、加工与运输过程中产生的石油污染物，经过各种途径在生态系统间循环，对周围的土壤、水体和大气环境安全带来威胁[13-14]。克拉玛依油田是新中国成立后开发建设的第一个大油田，原油产量居中国陆上油田第4位。该地区石油开采和运输过程中产生的石油污染物已对当地生态环境造成了污染[15-16]。基于此，本研究以克拉玛依市为研究区，分析克拉玛依市道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg共6种重金属元素的含量与污染水平，采用美国环境保护署(USEPA)健康风险评价模型，分析重金属污染的潜在人体健康风险，以此来探讨石油开发背景下，城市道路积尘重金属污染风险，为石油城市生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

克拉玛依市位于准噶尔盆地西北缘，是中国重要的石油石化基地，现已发现油气田25座，石油地质储量约18.3亿t[17]。克拉玛依市主城区总面积53 km2，气候属于典型的温带大陆性干旱气候，多年平均气温约8.6 ℃，多年平均降水量约169 mm，多年平均蒸发量约2 692 mm，地势为西北高、东南低，平均海拔约400 m[18]。该区域土壤类型主要为棕钙土、荒漠灰钙土和灰棕壤。

2 材料与方法

2.1 道路积尘样品采集与测定

于2018年9—10月在克拉玛依市进行了道路积尘样品采样，共采集了52个道路积尘样品，采样点分布见图1。在采集样品过程中，根据研究区实际情况进行了均匀布点，用簸箕、毛刷等非金属类工具扫取样品并除掉其中混杂的小石子等杂物，将样品放入聚乙烯自封袋。所有样品经过自然风干，通过100目尼龙筛后委托新疆维吾尔自治区分析测试研究院测定As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg含量。重金属含量测定过程中按国家土壤标准参比物质(GSS-12)和重复样进行质量控制，各元素回收率均在允许范围内。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 The location of study area and sampling points

2.2 污染评价方法

采用地质累积指数法评价克拉玛依市道路积尘重金属污染水平。地质累积指数计算见式(1)：

Igeo=log2[Csoil/(1.5B)]

(1)

式中：Igeo为重金属的地质累积指数；Csoil为道路积尘中重金属质量浓度，mg/kg；B为重金属的参考背景值，mg/kg，本研究以新疆土壤背景值[19]为参考背景值；1.5为因岩石差异引起背景值变化的校正系数。

Igeo污染水平分级标准：Igeo≤0为无污染；05为极强污染。

2.3 健康风险评价模型

2.3.1 模型与参数选择

采用USEPA人体暴露风险评估方法，分别计算研究区道路积尘中6种重金属对儿童和成人的手-口摄入途径日平均暴露量(CDIing，mg/(kg·d))、呼吸吸入途径日平均暴露量(CDIinh，mg/(kg·d))、皮肤接触途径日平均暴露量(CDIder，mg/(kg·d))[20]。CDIing、CDIinh、CDIder计算分别见式(2)至式(5)。

(2)

(3)

(4)

式中：Ring为手-口摄入频率，mg/d；CF为转换系数，kg/mg；EF为暴露频率，d/a；ED为暴露期，a；BW为人群标准体重，kg；AT为重金属平均暴露时间，d；Rinh为呼吸频率，m3/d；PEF为积尘排放因子，m3/kg；SA为暴露皮肤表面积，cm2；AF为皮肤黏附系数，mg/(cm2·d)；ABS为皮肤吸收因子。

根据文献[21]、[22]及相关研究成果[23-24]，确定本研究健康风险评价参数数值。

2.3.2 人体健康风险表征

As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg对人体健康有非致癌风险，根据各元素的日平均暴露量(CDI，mg/(kg·d))及对应参考剂量(RfD，mg/(kg·d))计算非致癌风险熵(HQ)及综合非致癌风险指数(HI)，计算公式见式(5)、式(6)：

(5)

(6)

式中：HQi为第i种重金属元素的非致癌风险熵。

当HI<1时，表示可以忽略非致癌风险；当HI>1时，表示存在非致癌风险[25]。

As、Cd、Cr具有一定致癌风险，根据3种元素的CDI及致癌斜率系数(SF，(kg·d)/mg)计算致癌风险熵(CR)及致癌风险指数(TCR)，计算公式见式(7)、式(8)：

CR=CDI×SF

(7)

(8)

式中：CRi为第i种重金属元素的非致癌风险熵。

当TCR≤10-6时，认为重金属元素致癌风险可以忽略，TCR=10-4为最大可接受致癌风险水平。各重金属元素的RfD和SF取值参考文献[26]、[27]。

3 结果与分析

3.1 道路积尘中重金属含量特征

克拉玛依市道路积尘重金属质量浓度统计结果见表1。可以看出，道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg质量浓度分别为9.03～107.00、0.05～4.10、32.00～94.70、16.90～186.00、12.70～51.30、0～0.160 mg/kg。As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg平均值分别为18.12、0.21、48.81、39.92、23.98、0.050 mg/kg，分别为新疆土壤背景值的1.62、1.75、0.99、1.50、1.24、2.94倍。虽然Cr的平均值低于新疆土壤背景值，但Cr的最大值为新疆土壤背景值的1.92倍。

As、Cd、Cu、Hg的CV分别为0.76、2.74、0.67、0.75，呈现强变异，表明这4种元素可能受局部污染源的影响明显。Cr、Pb的CV分别为0.20、0.35，呈现中等变异，表明Cr、Pb受外界影响较小。道路积尘中所有重金属元素的偏度系数和峰度系数总体较高，表明研究区道路积尘中6种重金属元素处于较高的积累状况。

3.2 道路积尘中重金属污染特征与空间分布格局

克拉玛依市道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的Igeo统计见表2。由表2可见，6种重金属元素Igeo平均值排序为Hg>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整体看来，研究区道路积尘中Hg为轻度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd无污染。Cd的Igeo最大值为4.51，达到强到极强污染水平。As、Cu、Hg的Igeo最大值分别为2.67、2.22、2.60，表现为中到强污染。Cr、Pb的Igeo最大值分别为0.36、0.82，均为轻度污染。经统计，52个道路积尘样品中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg为无污染(Igeo≤0)的样品数分别占样品总数的65.38%、88.46%、98.08%、69.23%、80.77%、38.46%，呈现轻度污染(0

利用Arc GIS 10.3软件绘制克拉玛依市道路积尘中6种重金属元素Igeo的空间分布图(见图2)。由图2可见，6种重金属元素Igeo的空间分布规律具有一定的差异。总体上，As、Cu、Hg的Igeo空间分布规律比较相似，呈现较明显的地带性分布规律。As、Cu、Hg的Igeo高值区出现在研究区西北部，向东南方向总体呈减小趋势。相关研究表明，城市道路积尘中Hg来源复杂，主要受化石燃料燃烧、电子工业以及生活垃圾的影响[28]。STERNBECK等[29]研究表明，城市道路积尘中Hg主要来自人为源，与商业、交通和家庭活动有关。此外，Cu、As与交通排放和日常生活来源相关[30-33]。机动车刹车块及其他零件的磨损、尾气的排放等交通活动是道路积尘Cu、Hg元素来源之一[34]。通过以上分析，认为研究区道路积尘中As、Cu、Hg的污染分布格局主要受研究区交通运输、日常生活与商业活动影响。Cd的Igeo空间分布较为离散，出现两个同心圆状分布格局。研究区道路积尘中Cd的平均值为新疆土壤背景值的1.75倍，污染较明显，很可能有外来污染物的影响。蒋炳言等[35]的研究表明，城市道路积尘中Cd来源极其复杂，其主要来源为建筑物涂层脱落和墙面维修、多源大气排放、电镀金属腐蚀以及城市绿地中长期使用含Cd肥料等。克拉玛依市Cd的Igeo高值区为主要工业区和G30国道、S201省道交汇处，因此认为Cd污染分布格局主要受到研究区工业生产和交通运输的影响。Pb、Cr的Igeo呈现均匀分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表现为轻度污染，其他区域表现为无污染。道路积尘中Cr的Igeo在整个研究区表现为无污染态势。从Pb、Cr的污染水平与污染分布格局可以看出，研究区道路积尘中这两种元素污染分布主要受到城市土壤成土母质等自然因子的影响。

表1 克拉玛依市道路积尘中重金属质量浓度统计1)

表2 道路积尘中重金属的Igeo

3.3 道路积尘中重金属健康风险评价

3.3.1 非致癌风险评估

克拉玛依市道路积尘中重金属元素的非致癌风险熵计算结果见表3。由表3可知，道路积尘中重金属对成人、儿童的HI分别为0.15、0.88，儿童略高于成人；6种重金属元素的HQ排序为As>Cr>Pb>Cu>Cd>Hg；对成人来说，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg对HI的贡献率分别为63.88%、0.47%、26.73%、1.08%、7.69%和0.20%；对儿童来说，道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg对HI的贡献率分别为66.11%、0.41%、24.35%、1.11%、7.82%、0.20%；手-口摄入是非致癌风险的主要暴露途径，成人、儿童在手-口摄入途径下暴露的非致癌风险分别为占HI的88.44%、92.16%。综上可知，研究区道路积尘中重金属对成人、儿童的非致癌风险在可接受风险水平范围内，As是克拉玛依市道路积尘中主要的非致癌风险元素。

3.3.2 致癌风险评估

克拉玛依市道路积尘中As、Cd、Cr的致癌风险评估见表4。由表4可知，道路积尘中As、Cd和Cr的致癌风险排序为As>Cr>Cd。成人、儿童的TCR分别为2.75×10-5、4.25×10-5，儿童略高于成人。道路积尘中Cd对TCR的贡献率可以忽略不计，As、Cr对成人TCR的贡献率分别为52.60%、47.40%，对儿童TCR的贡献率分别为52.85%、47.15%。可见，克拉玛依市道路积尘中As产生的致癌健康风险最大。与非致癌风险的暴露途径相同，手-口摄入为重金属致癌风险主要暴露途径，呼吸吸入途径的致癌风险最小。成人、儿童的TCR均小于10-4，属于可接受风险水平，因此可以认为克拉玛依市道路积尘中重金属对人群不具有致癌风险。

图2 克拉玛依市道路积尘重金属Igeo空间分布Fig.2 Spatial distribution of Igeo of heavy metals in road dust in Karamay

表3 道路积尘重金属非致癌风险评估1)

注：1)HQing、HQinh、HQder分别为手-口摄入途径、呼吸吸入途径及皮肤接触途径下的非致癌风险熵。

表4 道路积尘重金属致癌风险评估1)

注：1)CRing、CRinh、CRder分别为手-口摄入途径、呼吸吸入途径及皮肤接触途径下的致癌风险熵。

4 结 论

(1) 克拉玛依市道路积尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg的平均值分别为新疆土壤背景值的1.62、1.75、1.50、0.99、1.24、2.94倍。6种重金属元素的Igeo平均值排序为Hg>As>Cu>Pb>Cr>Cd。整体看来，研究区道路积尘中Hg为轻度污染，As、Cu、Pb、Cr、Cd无污染。

(2) 总体上，As、Cu、Hg的Igeo从西北向东南呈减小趋势；Cd的Igeo空间分布较为离散，出现两个同心圆状分布格局；Pb、Cr的Igeo呈现均匀分布格局，其中Pb的Igeo在市中心表现为轻度污染，其他区域表现为无污染，Cr的Igeo在整个研究区表现为无污染态势。As、Cu、Hg主要受研究区交通运输、日常生活与商业活动影响，Cd主要受到研究区工业生产和交通运输的影响，Cr、Pb主要受到城市土壤成土母质等自然因子的影响。

(3) 健康风险评价结果表明，克拉玛依市道路积尘重金属污染的非致癌风险与致癌风险均属于安全水平，儿童受到的健康危害大于成人，手-口摄入途径为道路积尘重金属健康风险主要暴露途径。道路积尘中As含量对非致癌风险指数与致癌风险指数的贡献率最大，是克拉玛依市道路积尘中主要的健康风险元素。