潮州市道路粉尘中重金属污染特征和健康风险评价

马洁琼 蓝小龙 林文杰

(韩山师范学院化学与环境工程学院,广东 潮州 521041)

道路粉尘是一种复杂的环境介质,其中包含风化的路边土壤、老化路面上的破碎物、有机物、汽车尾气排放物、轮胎磨损老化后的物质、工业废气的沉降累积等[1]。现如今,城市粉尘污染越来越严重,己成为城市固体污染化学定时炸弹的一种类型[2],这种污染是长期的、潜在的,并能与其它污染类型相互转化。由于道路粉尘的粒径较小,在外界动态条件下很容易再次扬起,悬浮在大气中,并被人体通过呼吸道、消化道和皮肤吸收,危害人体健康。漂浮在大气中的粉尘随风飘动,继续扩散到远方,最后沉积在土壤表面或进入水环境。这种转化会危害人体健康和动植物的正常生长发育,并破坏土壤中微生物平衡[3]。由于道路粉尘具有普遍存在性,会危害环境和人体健康。

近几年,关于道路粉尘重金属污染的研究主要集中在污染特征、来源分析以及风险评价等方面。王君櫹等[4]对南京市不同用地类型的道路粉尘中重金属含量、空间分布进行了研究。结果表明:重金属含量在商业区最高,在绿地区最低。梁青芳等[5]采用污染负荷指数法、生态风险指数法和GIS空间分析研究宝鸡市各个功能区灰尘重金属的污染程度及生态风险。结果表明,宝鸡市交通区和工业区的生态风险达到很强级别;工业区和交通区处于中度污染水平,其余为轻度污染水平。Hernandez等[6]以墨西哥蒙特雷市为例,研究该市道路粉尘重金属的来源、污染水平和人类健康风险。结果表明:Zn、Fe来源于汽车磨损,Ba、Cu、Fe、Pb、Zn来源于轮胎磨损,Mo、Ni、Pb、Ti来源于工业源,As来源于自然源;儿童受到铅污染危害的风险较高。Hou等[7]通过收集已发表的文献中我国3877个地区街道扬尘中铜、锌、镉、铅的浓度数据,对重金属的来源以及健康风险进行研究,结果发现交通排放和工业活动为道路粉尘重金属污染的两个主要来源;摄食是儿童和成人接触道路粉尘金属最主要的途径,其次是皮肤接触和呼吸吸入;儿童比成年人更容易受到街道扬尘重金属污染,因此,在重金属污染的环境中,儿童应优先得到保护。

近年来,由于潮州市着力打造旅游城市,其城市建设加快,游客数量增多。由汽车交通运输、工业生产和城市建设等人类活动带来的重金属污染,随着潮州市经济的快速发展势必逐渐加剧,将威胁到潮州市市民以及来潮游客的身体健康,甚至破坏潮州市的生态环境。然而针对潮州市道路粉尘的研究还比较匮乏。近年来,研究发现Cr、Cu、Pb、Zn和Ni是道路粉尘中常见的污染元素[8]。为此,研究潮州市道路粉尘重金属污染显得尤为重要。本文系统研究了潮州市城市道路粉尘重金属的污染特征并开展了相关风险评估,为潮州市城市环境的污染防治提供了可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潮州市地处韩江中下游,是广东省东部沿海的港口城市,陆地面积为3679平方公里。下辖湘桥区、潮安区、枫溪区、饶平县。属亚热带海洋性季风气候,气候温暖宜人,全年日照和雨量均充足。截止至2018年底,全市常住人口265.66万人,其中城镇常住人口173.48万人。

1.2 样品采集和制备

本研究选择潮州市中心湘桥区为采样区域,在潮州大道两侧区域均匀布置采样点,共设置15个采样点。采样点如图1和表1所示。

图1 研究区和采样地图

表1 潮州市道路粉尘采样点

选择3天以上天气晴朗的干燥无风天进行现场采样,避免降水影响粉尘成分。使用自封袋和塑料毛刷在每个采样点100 m范围内采集4个粉尘样品,以四分法混合后装入自封袋密封保存,质量约为200～300 g。采样结束后,将所有样品均匀铺开于牛皮纸上,自然风干。风干后先过20目筛去除杂质,后用研钵研碎,过200目筛,取筛下物作为试验样品。

1.3 样品处理与测定

道路粉尘重金属的测定参照国家标准《土壤和沉积物12种金属元素的测定 王水提取—电感耦合等离子体质谱仪 HJ 803-2016》[9]进行。具体操作步骤为:准确称取0.500 g样品于消解管中,加入10 mL王水,在管口处放上玻璃漏斗,置于石墨消解炉上消解4h后,静置冷却至室温,用慢速定量滤纸过滤,收集滤液于50 mL容量瓶中。过滤结束后,用蒸馏水清洗玻璃漏斗、锥形瓶和滤渣3次,洗液过滤收集于50 mL容量瓶中,最后用蒸馏水定容至刻度。采用Ionization Couple Plasma-Atomic Emission Spectrometry(ICP-AES,岛津-9820,日本)测定Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的浓度。

1.4 数据处理

运用Excel 2013详细的统计了潮州市道路粉尘中重金属Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的含量、平均值、标准差、变异系数等;运用SPSS 22.0对从测试中获得的数据进行相关性分析以及主成分分析;采用污染负荷指数法(PLI)和健康风险评价法评估道路粉尘重金属污染;运用Origin9.0进行图表的绘制,Word 2013和Photoshop CS6 13.0 对采样地图进行绘制。

1.5 质量保证

本实验所使用的各种试剂均为优级纯,实验用水为蒸馏水;使用前,所有玻璃仪器均预先使用5%硝酸进行浸泡,后用自来水冲洗,最后用蒸馏水冲洗。空白实验低于检测限;质量控制样品相对误差小于9%,相对偏差小于10%。

2 结果与讨论

2.1 潮州市道路粉尘中重金属空间分布特征

潮州市道路粉尘重金属的含量分布展示在表2中。由表2可得,研究的5种重金属平均含量大小顺序为:Cr>Zn>Pb>Cu>Ni。五种重金属(Cr、Cu、Pb、Zn、Ni)的平均含量均超过广东省土壤背景值,分别是背景值的11.98、4.31、3.35、7.59、2.87倍。其中,污染最严重的是Cr,是背景值的11.98倍。

表2 潮州市道路粉尘重金属含量

变异系数可以反映潮州市道路粉尘中重金属含量的空间差异程度,按照变异系数大小分级标准[10](小变异:0%～15%;中等变异:16%～34%;强变异:≥35%),5种重金属均为强变异程度。其中,变异程度最大的是Cr,变异系数高达115%,反映出道路粉尘中Cr含量空间分布极不均匀,局部污染严重。由表2数据可知,S6(客运中心)Cr污染最严重。

潮州市与国内其他城市道路粉尘中重金属平均含量展示在表3中。对比可知,本研究道路粉尘中Cr的含量明显高于国内其他城市的含量,表明本研究区Cr污染严重;Cu、Pb、Zn、Ni的含量均低于污染严重的上海等地;Ni的含量略高于北京;Pb的含量明显高于南京;Zn的含量明显高于北京;Cu的含量低于其他城市。综上所述,同国内其他地区相比,潮州市道路粉尘重金属Cu、Pb、Zn、Ni的含量处于中等浓度水平,而Cr的含量处于较高浓度水平。

表3 不同城市道路粉尘中重金属含量

潮州市道路粉尘空间分布不均匀,局部污染严重(图2)。其中,Cr的局部污染最严重。有研究结果显示,Cr元素主要来源于机动车制动器磨损、金属材料磨损等[11-14]。Cr污染严重的采样点有凤凰塔、绿榕大厦、高级中学、仙田中学、意溪上津小学。其中,由于凤凰塔处于交通要道;绿榕大厦位于商业区;高级中学附近有加油站;仙田中学附近有建筑施工,门口大型车辆较多,所以车流量大是导致潮州市道路粉尘Cr污染严重的原因。除了Cr,其余四种元素的空间分布情况大致相同。

图2 潮州市道路粉尘重金属含量分布图

2.2 潮州市道路粉尘重金属来源分析

判断城市道路粉尘重金属的来源,有利于从源头控制道路粉尘重金属污染。本文运用相关性分析法及主成分分析法分析潮州市道路粉尘重金属污染的来源。潮州市道路粉尘中重金属之间的相关性分析结果列举在表4中。由表中数据可知,潮州市道路粉尘中重金属Pb、Zn,Cu、Zn,Cu、Ni之间呈显著性相关(P<0.01);重金属Zn与Ni之间存在较好的相关性(P<0.05);重金属Cr仅与Ni存在相关性,而与其他三种重金属均无显著性相关。由以上相关性分析结果发现,潮州市道路粉尘中Pb和Zn之间、Cr和Ni之间以及Cu、Zn、Ni之间具有相同的物源。

表4 潮州市道路粉尘重金属之间的Pearson相关系数

此外,本文进一步对潮州市道路粉尘重金属含量进行了主成分分析(PCA)(表5)。表中共提取2个主成分因子,可解释总变量的88.7%。结果显示:第一主成分(PC1)中,Pb、Zn、Cu、Ni均具有很高的正载荷,共解释了全部变量的61.7%。从前文的分析结果可知,Pb-Zn、Cu-Zn-Ni这两组元素组内元素两两之间呈显著正相关关系,说明这几种元素的来源具有较大的相似性。有研究结果表明,Pb主要来源于汽车尾气排放,Zn主要来源于汽车轮胎的老化磨损,Cu、Zn来源于汽油、车体的磨损,Ni来源于车体表面的金属电镀层中[20-23]。而研究区域位于潮州大道附近,此外,部分采样点为旅游景点以及学校,车流量较大。综上所述,说明第一主成分主要代表交通运输活动的影响。第二主成分(PC2)中,仅有重金属Cr和Ni具有较高的正载荷,解释全部变量的27.0%,且Cr仅与Ni之间存在较高的相关性,由此可知,Cr的来源和Ni的来源具有较大的相似性。其中,Cr在第二主成分中的载荷高达0.804,由此看出,PC2主要受到Cr的影响。研究表明,Cr可能主要来源于工业污染源[23-24],五金材料的磨损会产生Cr和Ni,电子、冶金工业以及工业废料是重金属Ni、Cr的重要来源之一[13-14]。而采样区域附近有大小不等的印刷厂、塑胶厂、陶瓷厂等工业,Cr和Ni主要来源于颜料、发动机的磨损等。因此,可以认为第二主成分主要代表工业活动的影响。

表5 重金属在前两个主成分上的因子载荷

据以上分析结果可得,交通活动和工业活动的来源占88.7%,是潮州市道路粉尘的主要来源,此外,还存在着一些未知的污染源对道路粉尘中重金属污染有特殊贡献,占总量的11.3%。

2.3 潮州市道路粉尘重金属污染评价

本文选用了污染负荷指数法对潮州市道路粉尘重金属污染的现状进行评价。污染负荷指数PLI的计算公式如下:

(1)

表6 污染负荷指数(PLI)分级列表[25]

根据公式(1)计算的潮州市道路粉尘重金属的污染负荷指数并进行分级,结果如图3所示。由图可知,采样点中40%处于重度污染,13.3%处于中度污染,26.7%处于轻度污染,20%无污染。处于重度污染的采样点,如市政府、卜蜂莲花、枫春水果市场、客运中心、凤凰塔、西湖,由于是旅游景点或生活娱乐区,人流量较多,相对的车流量也较大,所以污染较严重。此外,依据各采样点的PLI值可计算得潮州市道路粉尘PLIzone为2.05,为中度污染水平。

图3 潮州市道路粉尘重金属污染负荷指数(PLI)

2.4 潮州市道路粉尘重金属污染健康风险评价

根据《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3—2019)[26]附录C计算致癌风险和危害商的推荐模型,以此来评估潮州市居民暴露在道路粉尘重金属污染中的潜在健康风险。该模型的计算公式如下式2-9,式中参数取值见表7-8。

表7 计算公式中各参数的含义

表8 计算公式中各参数的取值

CRois=OISERca×Csur×SFO

(2)

CRdcs=DCSERca×Csur×SFd

(3)

CRpis=PISERca×Csur×SFi

(4)

CRn=CRois+CRdcs+CRpis

(5)

(6)

(7)

(8)

HIn=HQois+HQdcs+HQpis

(9)

潮州市道路粉尘重金属对暴露人群产生的健康风险如表9所示。由表9数据可得,除了Cr的HIn>1,其余元素均表现为HIn<1,表明Cr对暴露人群存在非致癌风险。其中,Cr的非致癌性表现在:若人体摄入过量Cr,会损害皮肤,消化系统,呼吸系统,引发各种炎症。

表9 潮州市道路粉尘中重金属非致癌风险

根据国际癌症研究中心对重金属致癌危险性的分类,确定本研究的5种金属中Cr和Ni具有致癌风险。若人体摄入过量的Cr和Ni,会诱发肺癌、鼻咽癌等其他癌症。由表10数据可知,2种重金属元素对研究区域暴露人群的致癌风险表现为Cr>Ni,表明潮州市道路粉尘中Cr对暴露人群的致癌风险更大。此外,元素Cr的总致癌风险水平大于1×10-6,处于不可接受风险水平。由以上分析结果表明,道路粉尘中Cr的污染对暴露人群有一定的影响。

表10 潮州市道路粉尘中重金属致癌风险

3 结论

本文对潮州市道路粉尘重金属含量水平、空间分布、来源解析、污染水平和健康风险进行研究,取得了以下几点结论:

(1)道路粉尘中重金属Cu、Pb、Zn、Ni的污染处于中等浓度水平,而Cr的污染处于较高浓度水平。由于部分地区车流量大造成道路粉尘空间分布不均匀。

(2)道路粉尘重金属主要来源于交通污染,其次是工业污染。

(3)道路粉尘中重金属Cr对暴露人群存在非致癌风险。研究区域道路粉尘重金属中Cr的总致癌风险水平大于1×10-6,处于不可接受风险水平。

本文对潮州市城区开展重金属污染的防治工作、合理规划重金属污染企业布局,对涉重金属企业进行集中管理、以及开展涉重金属企业的调查工作具有一定的指导意义[27]。