太原市中学PM2.5元素组成与健康风险评估

白旭,张泽斐,张一菲,赵卓慧,Norbäck Dan,张昕*

(1.山西大学 环境科学研究所,山西 太原 030006;2.复旦大学 公共卫生学院,上海 200032;3.乌普萨拉大学 医学院,瑞典 乌普萨拉SE-751)

0 引言

越来越多的流行病学研究表明,PM2.5暴露会增加人体罹患心血管疾病[1]、中风[2]、非恶性呼吸系统疾病[3]和肺癌[4]的风险,而PM2.5的组分是影响其健康效应的关键因素[5-6]。

近年来,我国城市化和工业化迅速发展,但是煤炭燃烧仍是工业生产、发电和采暖的主要能源。作为PM2.5最大的人为来源,煤炭燃烧会产生硫(S)、铬(Cr)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)和镉(Cd)等许多潜在的有害元素[7]。此外,从车辆尾气中排放或悬浮在道路扬尘中的PM2.5也是颗粒物的主要来源。这些颗粒物中可能包括硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钡(Ba)、Cr和锌(Zn)等元素[8]。采矿和工业生产则是PM2.5的第三个主要来源,特别是在冶金工业,颗粒物中含有较多的Cd、铜(Cu)、Cr、铅(Pb)、镍(Ni)和Zn元素[6,9]。

关于PM2.5中特定成分与人体健康之间相关性的研究较少,但颗粒物中的S、Ni、Cr、As和Cd已被确认为癌症的危险因素[4,10]。Cr(Ⅵ)化合物,As、Ni化合物,Cd和Cd化合物已被国际癌症研究中心(IARC)归为 Ⅰ 级致癌物,而钴(Co)被定义为Ⅱ级致癌物。作为全国重要的产煤和燃煤大省的省会城市,太原市近年来的空气质量有所改善,但仍是我国空气质量较差的10所城市之一[6,11]。因此,开展太原市PM2.5的组成成分的研究,具有重要的现实意义。

校园环境是青少年成长的主要环境之一,对青少年的健康尤为重要。目前关于校园环境中颗粒物及其元素组成对青少年健康影响的研究尚不多见[12]。因此,本研究主要通过分析太原市中学校校园内大气PM2.5的浓度及其元素组成,对As、Cd、Cr、Co和Ni等致癌重金属元素展开健康风险评估,以期全面了解学校PM2.5的暴露情况及致癌风险,改善青少年在校学习环境。

1 材料与方法

1.1 采样时间与地点

采样时间为2012年3月7日-30日。在山西省太原市市区采取整群抽样的方法,随机选取了10所初中学校,每所学校随机选取34个班级进行PM2.5的监测与样本的收集,采样位点如图1所示。其中,尖草坪区(1所),杏花岭区(1所),万柏林区(2所),迎泽区(2所)和小店区(4所)。

1.2 采样方法

使用无噪音便携式SKC空气分级采样器对PM2.5进行采样,每个样品采集72 h,同时用TSI仪器记录PM2.5浓度实时监测数据。为避免长时间采样导致采样膜饱和,采样流量设为2 L/min。共采集10所学校,34个PM2.5样品。采样滤膜为37 mm Teflon滤膜(孔径0.8 μm),将收集到的PM2.5样本放置在恒温恒湿的环境中。采样期间,同时记录气象条件,包括温度、压力、风速等。

1.3 分析方法

1.3.1 样本分析

采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对PM2.5元素组成进行分析。所有样本均在瑞典ALS Scandinavia实验室(认证编号:2030 A003219004)进行处理分析。每个样本浓度和元素组成的分析均采用标准方法(SS-EN ISO 17294/EPA Method 200.8/SS 028150)来进行质量控制和保证。

图1 采样位点Fig.1 Sampling sites

1.3.2 健康风险评估

人体与PM2.5接触的主要途径包括:摄取(进食与饮水)、吸入和皮肤接触[13]。根据美国环保署发布的健康风险评估模型来评价吸入暴露对不同人群(成人、男生和女生)的致癌风险情况(表1)[14]，本研究选取的初中学校学生年龄范围为12-14岁,具体计算方法如下[6]:

表1 经呼吸途径吸入的元素的参考剂量RfDinh(mg·kg-1·d-1)及癌症风险斜率因子SFI(mg·kg-1·d-1)-1 [6]

1. 计算经呼吸途径吸入的日均暴露剂量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)和终身日均暴露剂量(LADDinh, mg·kg-1·d-1):

(1)

其中:C是PM2.5中元素的浓度,(mg/m3)；IR是通过呼吸吸入空气的速率,(m3/d)；EF是暴露频率(d/a);ED是暴露持续时间(a);BW是体重,kg;AT是非致癌物质的平均暴露时间(d)。

(2)

其中,AT为致癌物的平均暴露时间(d)。IR,EF,ED,BW和AT的值见表2。

2. 定量计算各元素的非癌症风险(hazard quotient,HQ)和癌症风险(cancer risk,Ri)

(3)

其中,HQ为经呼吸途径暴露的元素的非癌症风险,当HQ<1时,表明没有显著的非癌症风险;当HQ>1时,可能会发生非癌症风险,且HQ的值越大,风险越高。

RfDinh(mg·kg-1·d-1)是参考剂量。

Ri=LADDinh×SFI,

(4)

其中,Ri是经呼吸途径暴露的元素的癌症风险,无量纲;当Ri>10-6时,我们认为有患癌症的风险,应引起注意。

SFI((mg·kg-1·d-1)-1)是通过呼吸吸入的元素的癌症风险斜率因子,即通过吸入致癌元素造成致癌风险的系数。

2 结果与分析

2.1 采样期间PM2.5浓度变化

采样期间太原市10所中学校园PM2.5的浓度及气象条件如表3所示，10所学校PM2.5的浓度均值为162.99 μg/m3(范围45.32～411.30 μg/m3),其中,8号校园附近PM2.5的浓度最高,为411.30 μg/m3,约为采样期PM2.5平均浓度的2.5倍。这可能是由于该校附近有较多的铁路干线和重型工业制造厂,交通污染源和工业污染源较多,且采样期间无持续风向,污染物不利于扩散,因此PM2.5的浓度较高。而3号和10号学校在采样期的浓度分别为45.32 μg/m3和59.56 μg/m3,约为采样期平均浓度的1/3,这可能与采样期间的天气状况有关,刮风有利于污染物的扩散,从而使PM2.5的浓度降低。除3号与10号学校外,采样期间其余学校PM2.5的24 h平均浓度均高于我国《环境空气质量标准》(GB3095-2012)所规定的日均浓度限值75 μg/m3。

表2 不同人群的暴露参数

表3 采样期间太原市10所学校PM2.5浓度及气象条件

2.2 采样期间PM2.5中元素组成及变化

PM2.5样本中共检测到66种元素,表4列出了采样期间所有可以检测到的元素质量浓度。其中,元素S的浓度最高,达到16 259 ng/m3,占颗粒物总质量的4.54%,这可能与太原市的能源结构有关。采样期间正值冬季采暖期,煤炭的大量燃烧使得空气中SO2浓度增加,再加上太原市西、北、东三面环山的特殊地形,非常不利于SO2等污染物的扩散。SO2经过一系列的复杂的反应,生成了硫酸盐等二次颗粒物,进而影响空气质量。Si、钾(K)、钙(Ca)、Fe、Al、镁(Mg)和钠(Na)等地壳元素的浓度仅次于S元素,约占颗粒物总质量的10.38%。这些元素主要来源于道路和风沙扬尘,这与山西特殊的地理环境有关。山西省位于黄土高原,植被覆盖率较低,空气干燥,风沙作用明显。Ca元素还可能来自沥青、混凝土或富Ca的土壤;Si和Fe可能来自发电厂或金属工业。被IARC归为致癌物的Cr、Ni、 As、Cd和Co的平均浓度分别为84.19、25.12、38.80、9.25和2.87 ng/m3。

2.3 健康风险评估

2.3.1 不同人群的非癌症风险评估

太原市初中学校中不同人群经呼吸暴露于PM2.5中重金属元素的日均暴露剂量(ADDinh)如表5所示。男生各元素的ADDinh略微大于成人和女生,并以Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg的顺序递减。

由图2可以看出,太原市中学校园内不同人群暴露于PM2.5中各重金属元素的非致癌风险以Mn>Cr>Co>Pb>As>Hg>Cd> Ni的顺序递减。不同重金属元素对经呼吸途径暴露于不同人群的非致癌风险为HQ(男生)>HQ(成人),HQ(男生)>HQ(女生),且各人群暴露于元素Mn的非致癌风险值为6.37～7.81(HQ>1),说明Mn元素对中学校园内不同人群的健康影响较大。不同人群暴露于Cr、Co、Pb、As、Hg、Cd和Ni的HQ值在3.51×10-4～8.47×10-1之间(HQ<1),说明这几种元素的非癌症致癌风险较低,可忽略。

2.3.2 不同人群的癌症风险评估

太原市中学不同人群的终身日均吸入暴露剂量(LADDinh)的高低顺序为Br>Pb>Mn>Cr>Sr>Se>As>Ni>Cd>Co>Hg(表5)。由图3可以看出,不同人群暴露于PM2.5中各重金属元素的癌症风险值以Cr>As>Cd>Co>Ni的顺序递减且Ri(男生)>Ri(成人),Ri(男生)>Ri(女生)。PM2.5中经呼吸途径暴露于元素Cr的致癌风险值较高(Ri>10-4)。

经呼吸途径暴露于各元素的HQ和Ri均为男生>成人。儿童中男生的风险值大于成人的原因可能是与成年人相比,儿童的呼吸道较窄,呼吸频率较高、单位体重呼吸的空气量较大,颗粒物沉积率较高,更易受空气污染的影响;此外,儿童的身体与器官正处于快速发育阶段，比较脆弱,对环境变化的感知要比成人敏感得多[6,18-19]。因此,儿童中男生的HQ值和Ri均高于成人。

男生经呼吸途径暴露于各种重金属元素的HQ值和Ri值均大于女生,这一结果与张恒等研究结果相同[20]。张恒等分析了南京市不同人群经呼吸途径暴露于各种重金属元素的健康风险,发现HQ值介于5.25×10-3～1.05,Ri值介于8.91×10-7～2.53×10-4,且无论非致癌风险值还是癌症风险值,男性均大于女性。这可能是因为与女性相比,男性室外活动的时间较长。因此,男生的非癌症风险和癌症风险的值均大于女生。成人与女生的HQ和Ri值的关系还需要进一步地研究和探索。

表4 采样期PM2.5元素平均浓度(ng/m3)

表5 太原市经呼吸暴露于PM2.5中元素的日均暴露剂量和终身日均暴露剂量(ADDinh, mg·kg-1·d-1)

图2 经呼吸途径暴露于PM2.5中潜在致癌元素的非癌症风险Fig.2 Non-cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

图3 经呼吸途径暴露于PM2.5中潜在致癌元素的癌症风险Fig.3 Cancer risks of potentially carcinogenic elements in PM2.5 via inhalation

关于不同性别儿童经呼吸途径暴露于PM2.5中重金属元素的健康风险研究较少,Kong等[16]通过对我国山东东营建筑物周围悬浮的不同粒径颗粒物中10种重金属元素的健康风险进行研究,结果显示,无论是儿童还是成人,As元素的非致癌风险和致癌风险值均超过阈值。Wan等[21]分析了北京市区落尘中12种潜在有害元素的健康效应,发现儿童的HQ值高于成人。Chen等[22]通过分析经呼吸途径暴露于西安市幼儿园和小学灰尘样本中重金属元素的致癌风险,发现Pb,Cr和As的非致癌风险较高,而元素Cr、As、Co和Ni的癌症风险值均大于阈值。Lin等[23]对苏州市道路扬尘中重金属元素的健康风险进行评估,发现元素Cr的非癌症风险较高。Peng等[24]对湖州市颗粒物中重金属元素的健康风险进行评估,发现Cr的致癌风险最大,说明Cr可能是大气颗粒物中的主要污染物。以上研究与本研究的结果基本一致。综上所述,通过呼吸暴露于PM2.5中的Cr和As元素对中学生有致癌风险,应引起重视。

3 讨论

我国针对PM2.5的大规模研究开始于2013年,本研究则开始于2012年,这对PM2.5的早期研究和以后的跟踪调查有重要意义。PM2.5中的重金属元素具有不可降解性、生物毒性和生物累积性,通过呼吸、食物摄取和皮肤接触等暴露途径进入人体后会损伤人体器官,甚至引发各种疾病[25]。本研究不仅具体测定了各种金属元素的风险值,而且将中学生的健康风险评价与学校现场的环境监测数据相联系,在减少控制排放源对人体的危害的同时也真实地反映了学生的暴露-效应的关联。

本研究也存在一些局限性:首先,颗粒物进入人体的方式主要有三种:呼吸、食物摄取和皮肤接触。本研究只选取了通过呼吸途径进入人体的方式,但PM2.5中的有毒物质也可能通过其他途径进入人体,可能使评估结果比实际值偏低;其次,本研究只选取了5种IARC认定的致癌元素进行健康风险评估,可能会忽略其他有潜在致癌风险元素的影响。此外,本研究的健康风险评估模型中涉及的暴露参数选用美国环保署发布的《暴露参数手册》,就体重而言,可能会造成5%～20%的偏倚,使不确定性增大[13]。因此,学校大气PM2.5中其他元素成分与癌症风险的相关性有待下一步的深入研究。

4 结论

(1)太原市中学校内PM2.5的浓度较高。ICP-MS检测到的66种元素中,S元素含量最高,地壳元素(Si、K、Ca、Fe和Al)次之。元素As、Cd和Cr的平均浓度均高于我国现行《环境空气质量标准》(GB3095-2012)。

(2)健康风险评价的结果显示,太原市初中学校中男生经呼吸途径暴露于各元素的非致癌风险和癌症风险较高。元素Mn的非致癌风险较大(HQ>1),暴露于元素Cr的致癌风险最高(Ri>10-4)。