成都市区公园灰尘中金属元素分布及健康风险评价

罗 霜，李思思，何 晋，夏 波，罗自武，吴佳伦

(四川省成都生态环境监测中心站，成都 610000)

前 言

城市灰尘是指广泛存在于城市各个角落的细小颗粒物，主要由土壤颗粒、建筑扬尘、汽车尾气、大气降尘及生物残渣等的混合体组成。城市的灰尘中大都含有有害重金属，是都市生活环境的重要污染源[1～3]。灰尘中的重金属可以通过土壤-植物途径进入食物链，富集于人体，也可通过手-口摄入、呼吸吸入和皮肤接触直接进入人体，影响人体健康，诱发疾病[4-5]。

城市公园是城市生态环境系统的重要组成部分，是居民健身休闲娱乐的重要场所，公园环境质量的水平，直接决定了该区域内居民的生活质量[6-7]。近年来，灰尘中重金属对人体健康风险引起了国内外学者的广泛关注[8～13]，国内已有对上海、天津、南京、青岛、西安等城市公园的研究，而成都区域的相关研究文献中却缺乏公园灰尘方面的报道。成都作为西南地区交通枢纽、经济文化中心、中国最具幸福感城市，应该对此相关的健康风险进行科学认识。

本研究拟对成都市区20个公园灰尘中9种重金属含量进行分析，同时采用富集因子法、潜在生态危害指数法和健康风险评价模型，探究成都市区公园灰尘中重金属分布特征及其污染状况，并进行生态健康风险评价，对公园内开展休闲娱乐活动的适宜性及重金属污染防治提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

成都(东经102°54′～104°53′、北纬30°05 ′～31°26′)是四川省省会，成渝城市群双核之一，西部地区金融文创中心和对外交往枢纽。根据成都市统计官网数据显示，截止2018年常住人口1600多万。近年来成都市空气质量不断改善，优良天数逐年增加，且于2018年获得了中国最具幸福感城市称号。为探索生态环境质量状况对公园内休闲娱乐活动的影响，在成都市五个主城区分别选择3～5个公园，共计20个采样点位进行灰尘样品采集。将20个市区公园依次编号为P1～P20，点位信息详见表1和图1。

表1 采样点位信息Tab.1 Information of sampling points

图1 采样点位平面图Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 采样方法[14]

于2020年12月，在连续非雨天后采用扫集法进行大气灰尘采样。每个公园设3个不同采样点，以该采样点为中心，在半径15m范围内用清洁尼龙毛刷刷取离地0.5～2m高的灰尘样品于牛皮纸袋中，采样点以树叶、窗台等为主，避免从金属台面上进行取样。去除其中大颗粒杂物，于30℃烘干24h，确保样品干燥，用玛瑙研钵研磨后过100目尼龙筛，密封于塑料封口袋。

1.3 样品前处理与仪器分析

称取适量灰尘样品(精确至0.1 mg)于聚四氟乙烯微波消解管中，加入6mL HCL(优级纯)，2mL HNO3(优级纯)，1mL HF(优级纯)，使用微波消解仪消解，用ICP-MS(Agilent，型号7700)测定上清夜中Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、V、Zn、Cd共9种重金属元素含量。

1.4 质量控制

采用与灰尘性状相近的土壤成分分析标准物质(中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究，GSS-34)作为质控样品，测定过程中全程序空白和质控样品进行同步测定，以保证测定结果的准确性。

1.5 评价方法

1.5.1 富集因子法

富集因子(Enrichment factor，EF)，即通过环境介质中中金属元素的富集程度，来评判和评价环境中金属元素属于自然来源或人为来源，是定量评价污染物富集程度的重要指标，计算公式见公式(1)。

(1)

式中，EF为元素i的富集因子值；Ci为元素i的含量，mg/kg；Cr为被选定的参考元素的浓度，mg/kg；(Ci/Cr)背景为地壳中相应元素的相对浓度。本研究选择地壳含量丰富的Al作为参考元素。根据EF值大小，将重金属元素富集程度分别划分为5个等级[15]：EF≤1为极轻富集，1

1.5.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hankanson提出，该方法从重金属生物毒性出发，是目前较广泛的应用于环境介质重金属生态危害的评价方法[16]，其计算方法如公式(2)～(4)所示：

(2)

(3)

(4)

表2 地表土各元素背景及毒性响应系数值Tab.2 The background and toxicity response coefficient of surface soil elements

1.5.3 健康风险评价

根据EPA(United States Environmental Protection Agency，美国环保署)提出土壤健康风险评价模型，对本研究中公园灰尘中重金属含量进行评价[19]。该模型假设土壤、沉积物或灰尘中重金属主要通过人类活动中呼吸、手-口以及皮肤接触三种方式进入人体，而暴露受体则分为成人和儿童。

重金属元素的暴露量计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，ADDing、ADDinh、ADDderm分别为手-口摄入、呼吸和皮肤接触途径的灰尘颗粒日均暴露量，mg/(kg·d)；LADDinh为重金属呼吸摄入终生日均暴露量，mg/(kg·d)，其余参数的含义和取值见表3[20～23]。

表3 灰尘中重金属日均暴露模型的计算参数取值Tab.3 Parameter values in average daily dose calculation models of heavy metals in dust

该模型将金属元素分为致癌和非致癌两种，其危害指数的计算如公式(9)～(11)所示。

(9)

HI = HQ1+ HQ1+ ··· + HQn

(10)

(11)

式中，HQi为非致癌重金属元素i的风险值，HI为各元素风险值之和，当HQi或HI值小于1时，表示非致癌健康风险是可接受的，反之，则表示存在非致癌风险；ADDij为金属i以第j种暴露途径的日均暴露量，mg/kg；RfDij为金属i以第j种暴露途径的参考剂量，mg/(kg·d)，表示单位时间、单位体重摄食的重金属不会引起人体不良反应的最大量；HI为单种非致癌重金属元素暴露风险总危害指数之和；CRi为单种致癌重金属元素的健康风险指数；SFij为致癌重金属元素金属i以第j种暴露途径的致癌斜率因子，(kg·d)/mg，EPA致癌物质的划分中，Co、Ni、Cr和Cd存在致癌风险。RfDij、SFij取值见表4[23～25]。

表4 灰尘中不同暴露途径的RfDij及SFij取值Tab.4 Values of RfDij and SFij in different exposure pathways in dust [mg/(kg·d)]

2 结果分析

2.1 质量控制

本次试验中全程序空白Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、V、Zn、Cd元素均为检出，且对土壤成分分析标准物质GSS-34进行测定，回收率介于91.5%～112.7%间，说明本次测定结果准确性较好，数据可靠。

2.2 公园大气灰尘中重金属含量

对成都市公园大气灰尘重金属含量进行测定，结果见图2。

图2 成都市公园灰尘重金属含量Fig.2 Heavy metals in dust in Chengdu urban parks

运用SPSS进行ANOVA方差分析，结果显示：红牌楼公园的Pb(186.5 mg/kg)显著高于其他公园，形成了局部高值区，而总体来看Pb元素在金牛区形成高值区，由北向东、西方向呈逐渐减少趋势；东坡公园、圣灯公园、红牌楼公园的Cr含量显著高于其他公园，分别为252.7、217.8、222.2 mg/kg，而除青羊区外，其余区域公园Cr平均含量均较高；Co最高值出现在圣灯公园(41.9 mg/kg)，其他各公园灰尘中Co含量差异不明显，且总体平均值与成都市土壤背景Co含量接近；东郊记忆、东湖公园、滨江公园的Cu显著高于其他公园，分别为192.1、182.3、179.3 mg/kg，其总体分布趋势于Pb相似；沙河公园的Mn元素(1 000.4 mg/kg)显著高于其他公园，而其他公园分布较均匀，差异不明显，且总体平均值接近成都市土壤背景值；Ni元素在金牛公园和双桂公园的含量显著高于其他公园，分别为559.3、51.6 mg/kg，分布趋势同Pb元素，但其总体平均值小于背景含量；V含量在各公园间分布差异不明显，且均接近或低于背景含量；圣灯公园的Zn含量(1 623.1 mg/kg)显著高于其他公园，在金牛区、青羊区形成高值区，往南向和东向呈减少趋势；红牌楼公园的Cd含量显著高于其他所有公园，形成局部高值区，约为公园最低值的23倍，而各公园Cd分布趋势同Zn元素。

表5 成都市公园灰尘重金属元素含量统计Tab.51 Statistics on heavy metal contents in dust in Chengdu parks

对成都市区公园灰尘中重金属含量其进行统计分析，结果如表5所示。从最大值与最小值之比看，Cr、Co、Mn、Ni、V的比值较小，在1～5之间，Pb、Cu则稍高，在5～7之间，Zn、Cd较高，分别为14.3和21.7；从变异系数看，Cr、Co、Mn、Ni、V的变异系数均小于0.4，说明这5种重金属元素在成都市区公园分布较均匀，而Pb、Cu、Zn、Cd变异系数分别达到0.51、0.51、0.81、1.13，各公园间差异较大；从平均含量看，成都市区公园Co、Mn、Ni、V元素含量与成都市土壤背景含量(见表2)相近，Pb、Cr、Cu、Zn、Cd分别为背景值的2.5、1.9、3.4、6.0、5.8倍。由此可见，除Co、Mn、Ni、V外，其余金属(Pb、Cr、Cu、Zn、Cd)受人类活动较大，其中Cd所受影响十分显著。

与其他城市公园灰尘相比，成都Pb、Co、Cu、Ni、Cd、Cr、Zn含量处于中等水平、Mn、V处于较高水平，如表6所示。各城市间不同重金属元素含量差异较大，推测是各地不同的重金属背景含量、地质结构、交通情况、人口密度、经济结构等造成的。

表6 其他城市公园灰尘重金属含量Tab.6 Heavy metal contents in dust in other urban parks (mg/kg)

2.3 富集因子法

运用富集因子法对成都市公园灰尘中重金属富集程度进行分析，各元素EF值如图3所示，灰尘EF平均值Cd(245.4)>Zn(226.8)>Pb(172.0)>Cu(66.1)>Cr(41.4)>V(21.1)>Mn(19.7)>Co(18.7)>Ni(11.1)。

图3 成都市公园灰尘EF平均值Fig.3 Average EF content of dust in Chengdu urban parks

从富集程度看，Cd、Zn、Pb为重度富集，其余元素均为中度富集，说明人为活动对成都公园灰尘中金属元素含量的影响较明显。不同公园间金属元素的EF值差异较大，如靠近北面的金牛公园和东郊记忆，前者测定的金属均为极强污染，且Pb、Cd、Zn达到重度富集，而后者除Ni外也均为极强污染，Pb为重度富集，Cd、Zn甚至为极重富集；靠近南面的升仙湖公园、南站公园EF值均小于10，污染和富集程度均较轻。

本文所研究的20个公园中，金牛公园(P1)、东郊记忆(P6)、红牌楼公园(P16)灰尘中重金属元素Pb、Zn、Cd元素富集程度均较高。其中，金牛公园地处大十字路口且周围施工打围处较多，东郊记忆的修建基础是工业厂房，红牌楼公园附近则存在大量汽配商户，可能金属物件等老化、磨损造成其重金属元素富集程度较高。

2.4 潜在生态危害指数法

图4 成都市区公园单项重金属元素的潜在风险系数Fig.4 Potential risk coefficient of single heavy metal element in Chengdu urban parks

多项重金属元素潜在生态风险程度(RI)分析结果见图5，结果显示，低潜在生态风险的公园有升仙湖公园、塔子山公园等7个，占采样点位的35%；中度潜在生态风险的公园有九里堤公园、沙河公园等9个，占采样点位的45%；重度潜在生态风险的公园有东郊记忆、圣灯公园2个，占采样点位的10%；严重潜在生态风险的公园为红牌楼公园(RI=1053.2)，占采样点位的5%。

图5 成都市区公园多项重金属元素潜在生态风险程度Fig.5 Potential ecological risk degree of heavy metal elements in Chengdu urban parks

2.5 成都市公园灰尘中重金属健康风险评价

将此次研究的成都市区三环内的20个公园点位重金属测定结果进行均值处理，综合评估个风险评价参数的合理性，计算出各个风险评价指标。

2.5.1 公园灰尘中重金属暴露量

从表7中可以看出成都市公园中的9种重金属通过3种不同途径的暴露量。不管是成人还是儿童，手-口摄入是重金属暴露风险最高的途径，呼吸吸入是风险最低的途径；3种摄入途径，儿童的风险均高于成人，可能是由于成人的免疫系统发育比儿童更完善。如果比较不同元素的暴露风险，9种元素中Mn和Zn的风险较高，Cd、Ni和Co的较低。同时，致癌重金属呼吸吸入途径的终身日均暴露量远低于非致癌暴露量。

表7 重金属不同途径的暴露剂量Tab.7 Exposure doses of heavy metals in different path ways [mg/(kg·d)]

2.5.2 非致癌健康风险评价

如表8所示，9种重金属的3种途径暴露风险商值均小于EPA规定的风险值1，且每种重金属的各摄入途径的暴露风险叠加，9种重金属全部摄入途径的暴露风险叠加也都小于1，说明非致癌暴露风险较小，可以忽略。

表8 重金属非致癌暴露风险值Tab.8 Risk of non-carcinogenic exposure of heavy metals [mg/(kg·d)]

对比不同摄入途径各元素的风险贡献比值，Cr、Pb、Mn、Ni对手-口摄入风险值贡献较大，Mn对呼吸吸入风险的贡献高达90.8%，而皮肤接触风险值的主要贡献元素是Cr和V，分别如图6所示。

图6 不同摄入途径各元素的风险贡献Fig.6 Risk contribution of elements of different ingestion pathways

2.5.3 呼吸途径的致癌健康风险评价

此次考查的9种重金属中Co、Ni、Cr和Cd有致癌风险，其致癌风险Cd(1.3×10-10)

3 结 论

3.1 本研究中，成都市区公园灰尘重金属元素Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、V、Zn、Cd平均含量分别为82.4、147.4、16.8、101.2、642.7、30.7、91.3、512.1、1.2 mg/kg，污染水平较高的为金牛区、成华区公园；与国内其他城市相比，成都市区公园灰尘中重金属元素Mn、V含量较高，而其他元素则处于中等水平。

3.2 富集因子法的评价结果显示，成都市区公园灰尘重金属元素Cr、Co、Cu、Mn、Ni、V均为中度富集，而Cd、Zn、Pb为重度富集，说明各金属元素含量受人类活动影响显著。

3.3 潜在生态指数评价法的评价结果显示，单项重金属元素潜在生态风险Cd>Cu>Pb>Ni>Zn>Co>Cr>V>Mn，其中Cd潜在生态风险等级为很强，其余均为轻微；多项重金属元素潜在生态风险程度为轻度、中度、重度、严重的比例分别为35%、45%、10%、5%，其中红牌楼公园为重度潜在生态风险，需引起重视。

3.4 健康风险评价结果显示，对成人和儿童来说，重金属暴露风险途径均为手-口摄入>皮肤接触>呼吸吸入，且儿童的各途径风险暴露量均高于成人；9种重金属元素的非致癌暴露风险叠加值均小于1，其非致癌风险可忽略；本研究范围内，致癌重金属元素Cd、Ni、Co、Cr均不存在致癌风险。

3.5 整体来看，成都市区公园灰尘中重金属含量对人体危害较小，公园空气质量较好，适宜开展各类休闲娱乐活动。