环境科学  2017, Vol. 38 Issue (8): 3110-3119   PDF    
常州市大气PM2.5中PAHs污染特征及来源解析
顾爱军1 , 刘佳澍1 , 罗世鹏1 , 毕承路1 , 苏亚兰1 , 叶招莲1,2 , 盖鑫磊2     
1. 江苏理工学院化学与环境工程学院, 常州 213001;
2. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室, 南京 210044
摘要: 2016年1~8月期间,在常州市采集到55个大气细颗粒物PM2.5样品,采用气相色谱-质谱联用仪测定其中17种PAHs的含量.结果表明,冬、春、夏季PAHs的季均浓度分别为140.24、41.42和2.96 ng·m-3,冬季污染较严重,且以4~6环中高分子量化合物为主. BaP日均浓度平均值3.64 ng·m-3,超标日占总采样天数的41%. PAHs浓度与气温(相关系数-0.643)和能见度(相关系数-0.466)显著负相关,与大气压呈显著正相关(相关系数0.544),而与风速、相对湿度相关性较差.受昼夜温差、大气层结和污染源变化等因素影响,夜间PAHs浓度高于白天.气团后向轨迹模型分析表明,常州PM2.5中PAHs主要受当地排放源和短距离传输的影响,长距离传输影响小(仅占11%).特征比值法分析发现,PAHs主要来源于燃煤、机动车尾气和生物质燃烧.利用超额终生致癌风险(ILCR)模型评估PAHs通过呼吸暴露途径对人体健康的影响,结果表明:成人的ILCR值高于儿童,冬季和春季人群的ILCR值略高于风险阈值,夏季则不明显.
关键词: 常州      PM2.5      PAHs      源解析      致癌风险     
Pollution Characteristics and Source Identification of PAHs in Atmospheric PM2.5 in Changzhou City
GU Ai-jun1 , LIU Jia-shu1 , LUO Shi-peng1 , BI Cheng-lu1 , SU Ya-lan1 , YE Zhao-lian1,2 , GAI Xin-lei2     
1. School of Chemical and Environmental Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China;
2. Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: A total of 55 ambient fine particle (PM2.5) samples were collected in Changzhou City from January to August 2016. The concentrations of 17 PM2.5-bound PAHs in the samples were analyzed by GC-MS. Results showed that seasonal average mass concentrations of PAHs in winter, spring, and summer were 140.24, 41.42, and 2.96 ng·m-3, respectively, which indicating that the pollution of PAHs in winter appeared more serious than in the other two seasons, and 4-6-ring high molecular weight PAHs were predominant in all three seasons. The average daily level of BaP was 3.64 ng·m-3 and the days it exceeded the permitted standard accounted for 41% of total days. PAH concentration had significant negative correlations with temperature (correlation coefficient: -0.643) and visibility (correlation coefficient: -0.466), whereas it had good positive correlations with atmospheric pressure (correlation coefficient: 0.544) and poor correlations with wind speed and relative humidity. PAH concentrations were higher at nighttime than at daytime, because of the influences of temperature difference, atmospheric stratification, as well as pollution sources. The results from the air backward trajectory model indicated that PM2.5-bound PAHs in Changzhou were mainly affected by local emission sources and short-distance transportation, whereas the contribution of long-distance transmission was small (only 11%). Based on analysis of characteristic ratios, PAHs were mainly sourced from coal burning, vehicle emissions, and biomass burning. An incremental lifetime cancer risk (ILCR) model was used to evaluate the health impact of PAHs via breathing exposure pathways. Results revealed that the ILCR of adults was higher than that of children. The ILCRs of the group for winter and spring were slightly higher than the risk threshold, but a difference was not obvious for summer.
Key words: Changzhou      PM2.5      PAHs      source apportionment      cancer risk     

霾(haze)是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中, 使能见度小于10 km的空气普遍混浊现象, 大气细颗粒物(PM2.5)是形成霾的直接原因. PM2.5包括燃烧、汽车排放产生的一次颗粒物, 气体分子通过光化学反应或液相反应生成的二次颗粒物, 以及这些微粒相互碰撞凝结成的新颗粒[1].大气颗粒物的直径越小, 越容易通过呼吸进入肺泡、血液和神经系统, 对人体的危害越大[2, 3].近年来, 中国平均年霾日数总体呈增加趋势. 2013年, 全国平均霾日数为30 d, 较常年同期偏多10 d, 达到50年来的峰值[4].

多环芳烃(PAHs)是由两个以上不包含杂环或取代基的芳香环组成的化合物, 是燃料不完全燃烧的产物[5, 6].当环数增加时, PAHs分子量上升, 蒸气压下降, 在空气中较难单独存在, 易与其他细粒子碰撞积聚[7].目前, 对PM2.5中PAHs的研究主要集中在PAHs的浓度水平、时空分布、毒性评估和来源解析.已发现:PAHs的浓度与PM2.5浓度密切相关, 霾日的含量高[8, 9], 冬季的浓度高于其他季节[10], 且地域差异显著, 北方城市远高于南方城市[11]; 苯并[a]芘(BaP)等多种PAHs具有致畸、致癌、致突变作用, 对人类健康形成极大威胁[8, 12]; PAHs来源复杂, 煤炭、石油等化石燃料燃烧, 秸秆、木材等生物质燃烧, 垃圾焚烧, 工业烟尘, 石化产品泄漏等人为活动均可能释放出PAHs[13].

我国霾多发地区主要集中在华北平原、长三角和珠三角等区域.常州市地处长三角中心地带, 工业经济较发达, 资源与能源消耗量和机动车保有量逐年快速增长, 大气环境质量不容乐观.然而, 常州地区开展大气质量和组分、来源等方面的研究较少.蒋少杰等[14]对常州秋季大气PM2.5中16种PAHs进行了定量分析, 并通过比值法和因子分析法判断其来源.另外, 还有研究者报道了常州市大气PM10、PM2.5质量浓度分布[15], 水溶性离子的时空分布特征[16]和重金属元素及常规污染物的污染特征[17, 18].本课题组通过采集常州大气中的PM2.5样品, 分析其负载的PAHs的化学组分和浓度, 研究PAHs的季节和昼夜变化特征, 并结合同期气象资料分析其成因, 利用后向轨迹模型和特征比值法对PAHs的来源进行解析, 通过超额终生致癌风险模型评估PAHs对人体健康的影响.本研究对于长三角地区控制大气颗粒物污染、评价大气环境质量和人体健康风险具有重要的参考价值.

1 材料与方法 1.1 样品采集

2016年1~8月期间, 在江苏理工学院29号楼楼顶(距地面约30 m), 采集大气细颗粒物PM2.5样品.采样点位于常州市区西南角, 周围主要是居民区及少量未开发土地, 附近的交通干道有城市高架、312国道和京杭大运河, 能较好地代表常州市大气平均污染水平.冬季(1月)和春季(3、4月)使用天虹TH-150D型采样器, 采样流量设为100 L·min-1, 每次采集21 h, 冬、春季各收集到9、13个有效样品; 夏季(7、8月)使用金仕达KB-1000型采样器, 采样流量1.05 m3·min-1, 白天和夜间分开采集(各采集11 h), 共收集到16个白天和17个夜间PM2.5有效样品.采样滤膜为石英滤膜, 采样前放入马弗炉中, 450℃下烘烤5 h, 用铝箔封装放在恒温恒湿干燥箱中保存.采样前后均对所用滤膜称重, 计算质量浓度, 采集完样品的滤膜置于冰柜内-20℃下保存待测.经多次对比平行实验, 两个采样器对PM2.5的平行采样误差范围为5%~10%.采样期间, 同步记录气温、风速、相对湿度、能见度和大气压等气象参数.采样期内的气态污染物(SO2、NO2、CO、O3)浓度数据来自采样点附近国家空气质量监测站点的在线监测数据.

1.2 PAHs测定

样品预处理参照国家环境保护部标准HJ 646-2013方法进行.具体为:将滤膜放入索氏提取器中, 加入250 mL的乙醚/正己烷(1:5, 体积比)混合提取18 h, 提取液45℃下旋转蒸发浓缩至约2 mL, 然后转移到预处理好的硅胶层析柱(3 cm Al2O3+10 g硅胶+2 cm失活的Na2SO4)内进行净化, 用25 mL正己烷洗脱并弃去, 再用30 mL二氯甲烷/正己烷(1:1, 体积比)混合液进一步洗脱得到PAHs, 洗脱液旋转蒸发至约2 mL后, 氮吹仪吹至1mL以内, 用正己烷准确定容至1 mL, 在Agilent公司的7890A/7000B型气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)上分析测定.测试参数为:色谱柱为Agilent DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm); 升温程序:起始柱温40℃保持2 min, 以10℃·min-1升到100℃, 保持1 min, 再以20℃·min-1的速度升温到250℃, 保持3 min; 质谱条件:MRM模式, 电子能量70 eV, 离子源温度230℃, 四级杆温度150℃.

17种检出的PAHs包括:萘(Nap)、苊烯(Acy)、苊(Ace)、芴(Fl)、菲(Phe)、蒽(Ant)、荧蒽(Flu)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)、䓛(Chr)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[a]芘(BaP)、苯并[e]芘(BeP)、茚并(1, 2, 3-cd)芘(InP)、二苯并[a, h]蒽(DahA)、苯并[ghi]苝(BghiP).

1.3 质量保证与质量控制

本实验中所用的乙醚、正己烷、二氯甲烷等有机溶剂均为色谱纯(HPLC级, Fisher公司, 美国).用标准物质混合样(单体PAHs的浓度均为1 000 mg·L-1, o2si公司, 美国)对PAHs进行定性, 外标法进行定量.样品在索氏提取前加入萘-d8(代表2~3环PAHs)和苝-d12(代表4环以上PAHs)作为回收率指标物, 测试结果表明, 萘-d8回收率41%~54%, 苝-d12回收率83%~102%.配置浓度范围为1~100 ng·mL-1的PAHs标准溶液用来确定标准曲线, 每种PAHs标准曲线线性良好, 相关系数R2均在0.99以上.空白膜用相同的方式处理, 且所有样品的浓度用空白和回收率进行矫正, 方法检测限为2~5 ng·mL-1.

2 结果与讨论 2.1 大气PM2.5和PAHs的浓度水平

图 1可知, 冬季PM2.5日均浓度范围83.81~183.20 μg·m-3, 平均值143.46 μg·m-3; 春季PM2.5日均浓度范围61.24~133.97 μg·m-3, 平均值104.80 μg·m-3; 夏季PM2.5日均浓度范围37.64~101.58 μg·m-3, 平均值69.75 μg·m-3.冬季PM2.5的季均值分别比春季和夏季高出36.9%和105.7%.冬、春和夏季PM2.5日均值超过国家二级标准(75 μg·m-3)[19]的天数分别占100%、84.6%和42.8%, 可见冬季和春季PM2.5污染较严重.夏季太阳辐射强, O3浓度高(见2.3节), 光化学反应强, 风速大, 大气上下对流强, 降雨多, 有利于大气颗粒物扩散和沉降; 冬季地面接收到的太阳辐射弱, 大气趋于稳定, 上下对流弱, 空气阴冷干燥, 各种供暖燃烧源产生的颗粒物不易从大气中除去, 造成冬季PM2.5污染严重.

图 1 采样期间PM2.5日均浓度箱图 Fig. 1 Box chart for 24-h average concentration of PM2.5 during the sampling period

3个季节大气PM2.5负载的17种PAHs的测定结果见表 1.冬季和春季所有PM2.5样品中, 17种PAHs都能检出, Acy、Ace和Ant相对于其他PAHs单体的浓度低很多.冬季17种PAHs日均总质量浓度(∑PAHs)范围13.98~365.64 ng·m-3, 平均值140.24 ng·m-3; 春季∑PAHs范围8.86~91.30 ng·m-3, 平均值41.42 ng·m-3; 夏季Acy未被检出, Ace、Fl、Ant和DahA的浓度较低, ∑PAHs范围1.47~7.76 ng·m-3, 平均值2.96 ng·m-3.可以看出冬季∑PAHs浓度远远高于春季和夏季, 分别是春季和夏季的3.4倍和47.4倍, 季节变化特征和PM2.5浓度的变化相似.这与冬季近地层大气层结稳定, 污染物不易扩散有关. 图 2为采样期内∑PAHs与PM2.5浓度的变化关系.从中可知, ∑PAHs浓度随PM2.5浓度的上升而上升, 相关系数为0.708, 说明∑PAHs与PM2.5浓度之间有一定的正相关性, 但相关性不显著.冬季PM2.5污染严重时, 其上负载的PAHs相应增加, PAHs浓度也相应比春夏季高.相关性不显著的原因可能是PAHs与PM2.5来源不完全一致, 并且PAHs是半挥发性物质, 对环境温度敏感, 大气温度变化时, 其含量也会随之改变.

表 1 常州大气PM2.5中PAHs的平均质量浓度1) Table 1 Average mass concentration of PAHs in atmospheric PM2.5 in Changzhou/ng·m-3

图 2 ∑PAHs与PM2.5浓度相关关系 Fig. 2 Correlation between total concentration of ∑PAHs and PM2.5

与国内其他城市相比, 常州PM2.5中PAHs冬季平均值高于同季节南京(50.57 ng·m-3)[20]、深圳(45.3 ng·m-3)[21]等南方城市, 低于京津冀地区(216.0 ng·m-3)[22]、太原(143.61 ng·m-3)[23]等北方城市, 处于中等污染水平.

2.2 PAHs的组分构成

表 1可知, 采样期间17种PAHs单体的季平均浓度范围从0.08 ng·m-3(Acy)到20.74 ng·m-3(InP), 各单体之间浓度相差很大.冬季和春季, Chr、InP、BghiP等单体相对含量较高; 夏季Nap、Phe、BghiP等单体占有主导地位. 图 3显示了PAHs的环数分布特征, 各环PAHs占∑PAHs的比例分别为:2~3环11%~24%, 4环24%~31%, 5环29%~31%, 6环21%~27%. 2~3环PAHs在夏季占比最高, 其原因可能是夏季高环的PAHs容易从粒相分配到气相, 导致高环PAHs在粒相中浓度降低较多, 低环占比相应增大; 同时, 夏季太阳辐射强, 羟基等自由基浓度高, 光化学反应强, 高环PAHs易被光解为低环PAHs或硝基芳香烃化合物; 另外, 4环以上PAHs主要来源于化石燃料的燃烧, 冬季由于煤炭燃烧源贡献增加, 造成冬季高环PAHs占比上升, 低环PAHs相应下降. 4环和6环PAHs所占比例均为:冬季>春季>夏季, 但差距不显著, 5环PAHs占比都在30%左右. 4环PAHs与燃煤排放密切相关[24], 而5~6环PAHs更多地来自汽油和柴油燃烧, 以机动车尾气排放为主[25~27].冬季煤炭消耗量增加, 汽车发动机温度低, 升温时间长, 在低温状态下燃料难以充分燃烧, 这些因素造成4环以上PAHs的排放量上升, 引起PM2.5中4~6环PAHs比例的提高.常州冬季没有集中供暖, 居民自采暖以电、天然气为主, 煤炭消耗量的季节变化没有北方城市明显, 所以, 4环以上PAHs占比没有显著的季节变化特征.

图 3 各季节PAHs环数分布比例 Fig. 3 Distribution of different ring numbers of PAHs in three seasons

在所有PAHs单体中, BaP是公认的最强致癌性物质, 在人体健康风险评估中具有指示意义.环境空气质量标准规定BaP日均浓度限值2.5 ng·m-3.冬季、春季和夏季PM2.5中BaP日均浓度范围分别为1.11~31.93、0.84~8.38和0.12~0.51 ng·m-3, 所有采样日平均值3.64 ng·m-3, 超标日占总采样天数41%. 7种有明确致癌性的PAHs(BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、InP、DahA)[28]合计占∑PAHs高达50.4%, 说明常州大气中致癌性PAHs浓度较高, 毒性大, 对人体健康危害较严重.

2.3 PAHs浓度与气象参数、大气污染物的关系

气象条件是影响半挥发性有机化合物如PAHs存在形态的重要因素.高温和强辐射有利于PAHs从颗粒物中挥发到气相, 雨水冲刷可将大气颗粒物沉降到地面, 有效降低大气中颗粒物上PAHs的浓度, 大气稳定度、气流和气团则会影响污染物的空间分布. PAHs浓度与气象参数和大气污染物关系的相关性分析见表 2图 4.由表 2可知, 常州PAHs浓度与气温显著负相关(99%置信水平), 相关系数-0.643.气温高时, PAHs易从颗粒物中挥发到大气中, 颗粒物中PAHs浓度降低. PAHs浓度与大气压呈显著正相关(99%置信水平), 相关系数0.544, 这是因为地面气压低时, 水平面上高压气团流向中心, 促使中心气流上升, 有利于气态污染物扩散稀释, PAHs浓度下降; 地面气压高时, 气团流向四周, 中心气流下沉, 污染物无法得到扩散稀释, PAHs浓度上升[29].PAHs浓度与大气能见度呈显著负相关(99%置信水平), 相关系数-0.466, 这与大气能见度与颗粒物浓度相关性强有关.能见度低时, 颗粒物浓度高, PAHs浓度随之增加; 能见度高时, 颗粒物浓度低, PAHs浓度随之降低.风速、相对湿度与PAHs浓度的相关性较弱, 说明它们对大气中PAHs浓度影响较小.

表 2 气象参数与PAHs相关系数1) Table 2 Correlations between meteorological parameters and PAHs

图 4 日均总PAHs浓度与气象参数随时间序列的变化 Fig. 4 Variation of daily average total PAHs and meteorological parameters with time

图 4可知, 夏季O3浓度高, 光化学反应强, 导致SO2、NO2发生光化学反应生成SO42-和NO3-, 与NH4+结合成硫酸铵和硝酸铵, 通过气/粒分配转移到粒相, 导致夏季气相中SO2和NO2的浓度(平均浓度15.8 μg·m-3和32.2 μg·m-3)低于冬季(43.9 μg·m-3和58.1 μg·m-3)和春季(25.8 μg·m-3和58.5 μg·m-3).同时, 夏季温度高, 风速大, 汽车等排放的CO易扩散而浓度明显低于冬季.

夏季白天和夜间PM2.5中PAHs浓度对比如图 5所示.显然, 90%以上采样日的白天PAHs浓度都低于夜间, 这与南京[30]、太原[23]等地区观测到的变化规律一致.可能的原因:① PAHs是半挥发性有机化合物, 其在气/固相中的分配受饱和蒸气压的影响.白天温度高, PAHs饱和蒸气压高, 有利于PAHs从颗粒物相挥发到气相; 夜间温度低, PAHs则会凝结在颗粒物上, 导致PAHs粒相夜间浓度高于白天浓度; ② 受大气稳定度和边界层高度的影响.夜间大气边界层高度下降, 污染物稀释扩散能力弱, 导致夜间PAHs更易聚集在近地层而使浓度升高[31]; ③ 白天和夜间污染物来源也不完全一致, 由于采样点紧邻交通干道中吴大道和312国道, 白天机动车以汽油车为主, 夜间柴油车增多; ④ 白天和夜间光化学反应强弱不一样.白天O3平均浓度为117.4 μg·m-3, 夜间为51.5 μg·m-3, 白天强光照射下颗粒物中一些PAHs分子容易发生光化学反应降解, 导致粒相PAHs浓度降低[32].

图 5 夏季昼夜PAHs浓度对比 Fig. 5 Comparison of PAHs between daytime and nighttime in summer

2.4 后向轨迹分析

结合美国国家海洋和大气管理局发布的全球数据管理系统(Global Data Assimilation System, GDAS)数据, 采用混合单粒子拉格朗日综合轨迹软件(HYSPLIT4.9), 对常州采样期间的气团进行后向轨迹模拟, 推测PM2.5负载的PAHs可能的传输路径和来源. 图 6为采样期间100 m处72 h气团后向轨迹图(冬季和春季采用当地时间中午12:00的数据, 夏季白天采用中午12:00的数据, 夏季晚上采用凌晨00:00的数据).总共分为4个聚类(代表4个气团方向).聚类1(占11%)来自北偏西方向, 起源于内蒙古, 途径北京、天津, 最后经过山东省到达常州, 经过的距离比较长, 代表长距离输送; 聚类2(占34%)来自西北方向, 从河南郑州出发, 穿过南京到达常州, 经过的距离比较短, 代表短距离输送; 聚类3(占31%)也属于短距离传输, 从正南方向过来, 经过福建和浙江省后到达采样点; 聚类4(占24%)代表海洋来源, 起源于东海, 经过上海到达常州.聚类1中67%来自1月冬季气团, 34%来自春季3月气团, 导致聚类1的总PAHs浓度偏高; 聚类2中26%来自冬季, 48%来自春季气团, 26%来自夏季气团, 尽管受夏季的影响, 但总PAHs最高(72.24 ng·m-3), 可能是因为聚类2受当地排放源影响, 而聚类1来自远距离传输; 聚类3和聚类4全部来自夏天的气团, 其∑PAHs浓度分别为7.89 ng·m-3和4.93 ng·m-3, 远低于聚类1和聚类2;聚类4代表海洋气团, 其PAHs平均浓度低于陆地短距离传输的聚类3.同时, 从PAHs单体的质量分布来看, 聚类3和聚类4中5~6环(高分子量)PAHs占比(分别为55.7%和64.3%)明显高于聚类1(46.3%), 可能的原因是夏季受汽车排放影响大, 冬季受取暖带来的煤燃烧影响大.对比还发现, 聚类2~4中BaP和BeP占比高于聚类1, 说明受当地烹饪排放的影响.总之, 后向轨迹分析表明, 采样点PAHs主要受当地排放源和短距离传输的影响, 来自北偏西方向的长距离传输贡献较小(占11%).

图 6 72 h后向轨迹图及相应的PAHs浓度及单体质量百分比分布 Fig. 6 The 72-h backward trajectories of an air mass arriving in Changzhou and the mass concentration and percentage of PAHs associated with four air mass trajectory clusters

2.5 比值特征法解析PAHs的来源

由于PAHs主要是含碳物质不完全燃烧的产物, 且每种燃烧源排放出的PAHs之间的比例相对固定, 所以研究者们通常利用比值特征法来追溯大气中PAHs的来源.本研究选定4种特征比值BaA/(BaA+Chr)、Flu/(Flu+Pyr)、InP/(InP+BghiP)、BaP/BghiP对PAHs的来源进行解析.

表 3列出了3个季节PAHs的特征比值和文献中报道的可能污染源, 图 7表示的是各季PAHs特征比值分布.从中可知, BaA/(BaA+Chr)在0.2~0.5之间, 冬季均值0.43, 与秸秆、木材等生物质燃烧源的特征比值一致, 也符合李英红等[33]对传统参考比值的统计分析结果; 春季和夏季的比值在0.25~0.35之间, 意味着汽油燃烧来源, 即汽油车尾气排放在春夏季占据优势. Flu/(Flu+Pyr)在0.4~0.6之间, 冬季均值0.47, 具备机动车尾气污染的特点; 春季比值范围0.43~0.57, 分布均匀, 表现出燃煤、燃油、木材等混合污染的特征; 夏季比值都大于0.5, 说明燃煤和生物质燃烧均有贡献. InP/(InP+BghiP)在0.4~0.6之间, 冬季和春季比值都在0.5~0.6之间, 接近燃煤的特征比(0.56), 说明燃煤对冬季和春季的PAHs有稳定的贡献, 夏季比值大部分处于0.4~0.5, 反映了周围柴油燃烧源的影响. BaP/BghiP在0.5~1.5之间, 大部分比值小于0.9, 说明柴油车尾气和燃煤对PAHs均有贡献, 尤其是冬季比值基本在0.5~0.9之间, 更显示出柴油车排放污染的特征.监测点南侧紧临京杭大运河主航道和312国道, 西边2 km有高架道路和若干大型物流中心, 柴油燃烧产物对本地区大气PAHs贡献较大.

表 3 各季PAHs的特征比值 Table 3 Diagnostic ratios of PAHs in winter, spring, and summer

图 7 PAHs特征比值分布 Fig. 7 Graphic illustration of diagnostic ratios of PAHs

总之, 通过特征比值法分析发现, 采样点大气中的PAHs来源以燃煤为主, 其次为机动车尾气和生物质燃烧源.冬季燃煤、秸秆木材等生物质燃烧源的贡献比夏季高, 夏季机动车尾气的贡献高于冬季.移动源贡献表现为:冬季柴油车贡献较大, 而夏季汽油车贡献较大.

2.6 健康风险评估

目前, 一般采用毒性当量因子(toxic equivalent factors, TEF)来评估PAHs对人类健康的影响.以BaP为基准毒性物质(BaP的TEF值设为1), 计算每个PAHs单体的毒性当量浓度(BEQi)和总的毒性当量浓度(TEQ), 计算公式如式(1):

(1)

式中, ci为各PAHs单体的浓度(ng·m-3), TEFi为PAHs单体相对于BaP毒性当量因子的比值.参考Nisbet的研究成果[39], 将各PAHs单体的TEF值设置如下:Nap、Acy、Ace、Fl、Phe、Flu和Pyr均为0.001, Ant、Chr和BghiP均为0.01, BaA、BbF、BkF和InP均为0.1, BaP和DahA均为1.

PM2.5中的PAHs可通过呼吸和皮肤接触等暴露途径进入人体体内, 人体可能会因此而致癌.这种健康风险可以利用超额终生致癌风险(incremental lifetime cancer risk, ILCR)模型进行估算.通过呼吸暴露途径导致的ILCR(无量纲)计算公式为:

(2)

式中, C为有毒污染物的质量浓度(mg·m-3, 这里用TEQ代替), IR为呼吸速率(m3·d-1), EF为暴露频率(d·a-1), ED为暴露时长(a), CSF为吸入BaP的致癌强度系数(3.14 kg·d·mg-1), BW为体重(kg), AT为平均寿命(d).儿童和成人呼吸暴露参数的取值如表 4所示, 各季节TEQ和ILCR估算结果如表 5所示.从中可知, 冬、春、夏季大气PM2.5中PAHs的TEQ分别约为18.23、5.24、0.39 ng·m-3; 通过呼吸暴露途径对儿童和成人造成的超额终生致癌风险, 冬季分别为3.63×10-6和7.51×10-6, 春季分别为1.04×10-6和2.16×10-6, 夏季分别为7.75× 10-8和1.61×10-7.成人面临的超额终生致癌风险比儿童高1倍左右, 主要是因为成人的暴露时间较长.由于冬季PAHs的总毒性当量浓度TEQ比夏季高得多, 所以冬季人群潜在的致癌风险也远远高于夏季.美国环境保护署规定:ILCR < 10-6时, 说明风险不明显; 10-6 < ILCR < 10-4时, 表示具有潜在致癌风险; ILCR>10-4时, 表明风险很高.评估结果表明, 常州冬季和春季, 儿童和成年人的ILCR略高于风险阈值(10-6), 存在一定的致癌风险, 居民应注意减少与污染物的接触, 政府应采取有力措施, 控制大气中PM2.5和PAHs浓度, 降低人群的致癌风险; 夏季人群的ILCR均小于10-6, 致癌风险不大.

表 4 人体呼吸暴露参数 Table 4 Human respiratory exposure parameters

表 5 通过呼吸暴露途径估算的ILCR值 Table 5 ILCR calculated via respiratory exposure

3 结论

(1) 常州冬季、春季和夏季PM2.5季均浓度分别为143.46、104.80和69.75 μg·m-3, 对应负载的季均∑PAHs为140.24、41.42和2.96 ng·m-3, 季节变化显著.

(2) 各环PAHs占∑PAHs的比例分别为:2~3环11%~24%, 4环24%~31%, 5环29%~31%, 6环21%~27%.冬季4~6环PAHs占据优势, 而夏季2~3环PAHs的比例上升明显. BaP平均日均浓度3.64 ng·m-3, 超标日占总采样天数的41%.

(3) PAHs浓度与气温和大气能见度显著负相关, 与大气压呈显著正相关, 与风速、相对湿度相关性较弱.受昼夜温差、大气层结和污染源变化等因素影响, 夜间PAHs浓度高于白天.

(4) 气团后向轨迹模型分析表明, 常州PM2.5中PAHs主要受当地排放源和短距离传输的影响, 长距离传输影响小(仅占11%).通过特征比值法分析发现, 常州大气中PAHs主要来源于燃煤、机动车尾气和生物质燃烧; 冬季燃煤、秸秆木材等生物质燃烧源的贡献比夏季高, 夏季机动车尾气的贡献高于冬季.

(5) 超额终生致癌风险模型评估结果表明:成人的ILCR值高于儿童, 冬季和春季人群的ILCR值略高于风险阈值, 夏季则不明显.

参考文献
[1] Whitby K T. The physical characteristics of sulfur aerosols[J]. Atmospheric Environment, 1978, 12(1-3): 135-159. DOI:10.1016/0004-6981(78)90196-8
[2] 王新, 聂燕, 陈红, 等. 兰州城区大气PM2.5污染特征及来源解析[J]. 环境科学, 2016, 37(5): 1619-1628.
Wang X, Nie Y, Chen H, et al. Pollution characteristics and source apportionment of PM2.5 in Lanzhou City[J]. Environmental Science, 2016, 37(5): 1619-1628.
[3] Anderson J O, Thundiyil J G, Stolbach A. Clearing the air: a review of the effects of particulate matter air pollution on human health[J]. Journal of Medical Toxicology, 2012, 8(2): 166-175. DOI:10.1007/s13181-011-0203-1
[4] 王伟光, 郑国光. 气候变化绿皮书:应对气候变化报告(2013):聚焦低碳城镇化[M]. 北京: 社会科学文献出版社, 2013.
[5] Chang K F, Fang G C, Chen J C, et al. Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Asia: a review from 1999 to 2004[J]. Environmental Pollution, 2006, 142(3): 388-396. DOI:10.1016/j.envpol.2005.09.025
[6] 王丽, 王利军, 史兴民, 等. 西安市地表灰尘中多环芳烃分布特征与来源解析[J]. 环境科学, 2016, 37(4): 1279-1286.
Wang L, Wang L J, Shi X M, et al. Distribution characteristics and source analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface dust of Xi'an City, China[J]. Environmental Science, 2016, 37(4): 1279-1286.
[7] Bidleman T F, Billings W N, Foreman W T. Vapor-particle partitioning of semivolatile organic compounds: estimates from field collections[J]. Environmental Science & Technology, 1986, 20(10): 1038-1043.
[8] Omar N Y M J, Mon T C, Rahman N A, et al. Distributions and health risks of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in atmospheric aerosols of Kuala Lumpur, Malaysia[J]. Science of The Total Environment, 2006, 369(1-3): 76-81. DOI:10.1016/j.scitotenv.2006.04.032
[9] Tan J H, Guo S J, Ma Y L, et al. Characteristics of particulate PAHs during a typical haze episode in Guangzhou, China[J]. Atmospheric Research, 2011, 102(1-2): 91-98. DOI:10.1016/j.atmosres.2011.06.012
[10] Lai I C, Chang Y C, Lee C L, et al. Source identification and characterization of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons along the southwestern coastal area of Taiwan—with a GMDH approach[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 115: 60-68. DOI:10.1016/j.jenvman.2012.11.018
[11] 王蕊, 苏玉红, 卓少杰, 等. 我国10城市冬季大气颗粒物中多环芳烃污染及呼吸暴露风险评价[J]. 生态毒理学报, 2015, 10(4): 96-104.
Wang R, Su Y H, Zhuo S J, et al. Pollution and inhalation exposure risk of PM10-Bound polycyclic aromatic hydrocarbons during the winter time in ten cities, China[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(4): 96-104.
[12] 张健, 樊曙先, 孙玉, 等. 厦门春季PM10中PAHs成分谱特征及其与气象要素相关性分析[J]. 环境科学, 2015, 36(4): 1173-1181.
Zhang J, Fan S X, Sun Y, et al. Analysis of component spectral characteristics of PM10-bound PAHs and the influence of weather conditions during spring in Xiamen[J]. Environmental Science, 2015, 36(4): 1173-1181.
[13] Ravindra K, Sokhi R, Van Grieken R. Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons: source attribution, emission factors and regulation[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(13): 2895-2921. DOI:10.1016/j.atmosenv.2007.12.010
[14] 蒋少杰, 薛银刚, 滕加泉, 等. 常州市秋季大气PM2.5中多环芳烃污染水平及来源[J]. 中国环境监测, 2015, 31(5): 40-44.
Jiang S J, Xue Y G, Teng J Q, et al. Study on the pollution characteristics and source identification of PAHs on ambient PM2.5 in fall of Changzhou[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(5): 40-44.
[15] 李东升, 肖凯成, 纪振. 常州市典型区域大气PM10、PM2.5质量浓度分布[J]. 南昌大学学报(理科版), 2015, 39(2): 196-198, 204.
Li D S, Xiao K C, Ji Z. The mass concentration distribution of atmospheric PM10 and PM2.5 in Changzhou typical districts[J]. Journal of Nanchang University (Natural Science), 2015, 39(2): 196-198, 204.
[16] 汤莉莉, 汤蕾, 花艳, 等. 苏南三市秋冬季PM2.5中水溶性离子和元素特征及源解析[J]. 大气科学学报, 2015, 38(5): 686-693.
Tang L L, Tang L, Hua Y, et al. Characteristics and source apportionment of water-soluble ions and elements in PM2.5 in three cities of South Jiangsu in autumn and winter[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2015, 38(5): 686-693.
[17] 王强, 戴玄吏, 巢文军, 等. 常州市春季大气PM2.5中金属元素的分析及污染特征[J]. 环境工程学报, 2015, 9(1): 323-330.
Wang Q, Dai X L, Chao W J, et al. Analysis and pollution characteristics of metal elements in PM2.5 in Changzhou during spring[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(1): 323-330.
[18] 王振, 余益军, 徐圃青, 等. 基于快速聚类方法分析常州市区PM2.5的统计特性[J]. 环境科学, 2016, 37(10): 3723-3729.
Wang Z, Yu Y J, Xu P Q, et al. Statistical characteristics of urban Changzhou PM2.5 based on k-means analysis[J]. Environmental Science, 2016, 37(10): 3723-3729.
[19] GB 3095-2012, 环境空气质量标准[S]. GB 3095-2012, Ambient air quality standard[S].
[20] Kong S F, Li X X, Li L, et al. Variation of polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric PM2.5 during winter haze period around 2014 Chinese Spring Festival at Nanjing: insights of source changes, air mass direction and firework particle injection[J]. Science of the Total Environment, 2015, 520: 59-72. DOI:10.1016/j.scitotenv.2015.03.001
[21] 李志刚, 周志华, 李少艾, 等. 深圳市大气中多环芳烃的污染特征与来源识别[J]. 中国环境科学, 2011, 31(9): 1409-1415.
Li Z G, Zhou Z H, Li S A, et al. Pollutant characterization and source identification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Shenzhen atmosphere[J]. China Environmental Science, 2011, 31(9): 1409-1415.
[22] 王超, 张霖琳, 刀谞, 等. 京津冀地区城市空气颗粒物中多环芳烃的污染特征及来源[J]. 中国环境科学, 2015, 35(1): 1-6.
Wang C, Zhang L L, Dao X, et al. Pollution characteristics and source identification of polycyclic aromatic hydrocarbons in airborne particulates of Beijing-Tianjin-Hebei Region, China[J]. China Environmental Science, 2015, 35(1): 1-6.
[23] 张洪, 何建昇, 赵小珍, 等. 太原市城中村采暖期大气中PM2.5中多环芳烃污染特征[J]. 环境化学, 2015, 34(3): 602-604.
[24] Kong S F, Ding X, Bai Z P, et al. A seasonal study of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5 and PM2.5-10 in five typical cities of Liaoning Province, China[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1-3): 70-80. DOI:10.1016/j.jhazmat.2010.06.107
[25] Khalili N R, Scheff P A, Holsen T M. PAH source fingerprints for coke ovens, diesel and, gasoline engines, highway tunnels, and wood combustion emissions[J]. Atmospheric Environment, 1995, 29(4): 533-542. DOI:10.1016/1352-2310(94)00275-P
[26] Harrison R M, Smith D J T, Luhana L. Source apportionment of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons collected from an urban location in birmingham, U. K[J]. Environmental Science & Technology, 1996, 30(3): 825-832.
[27] Miguel A H, Pereira P A P. Benzo(k)fluoranthene, Benzo(ghi)perylene, and Indeno(1, 2, 3-cd)pyrene: new tracers of automotive emissions in receptor modeling[J]. Aerosol Science and Technology, 1989, 10(2): 292-295. DOI:10.1080/02786828908959265
[28] Dubey J, Kumari K M, Lakhani A. Chemical characteristics and mutagenic activity of PM2.5 at a site in the Indo-Gangetic plain, India[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2015, 114: 75-83. DOI:10.1016/j.ecoenv.2015.01.006
[29] 毕丽玫, 郝吉明, 宁平, 等. 昆明城区大气PM2.5中PAHs的污染特征及来源分析[J]. 中国环境科学, 2015, 35(3): 659-667.
Bi L M, Hao J M, Ning P, et al. Characteristics and sources apportionment of PM2.5-bound PAHs in Kunming[J]. China Environmental Science, 2015, 35(3): 659-667.
[30] 孟庆紫, 樊曙先, 何佳宝, 等. 南京北郊冬季大气粗细颗粒物中PAHs来源解析[J]. 环境化学, 2015, 34(3): 417-424.
Meng Q Z, Fan S X, He J B, et al. Source apportionment of polycyclic aromatic hydrocarbons in fine and coarse particulate matter during winter in northern suburbs of Nanjing[J]. Environmental Chemistry, 2015, 34(3): 417-424. DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2015.03.2014071601
[31] Wu S P, Yang B Y, Wang X H, et al. Diurnal variation of nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons in PM10 at a roadside site in Xiamen, China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(10): 1767-1776. DOI:10.1016/S1001-0742(11)61018-8
[32] 丁潇, 白志鹏, 韩斌, 等. 鞍山市大气PM10中多环芳烃(PAHs)的污染特征及其来源[J]. 环境科学研究, 2011, 24(2): 162-171.
Ding X, Bai Z P, Han B, et al. Pollution characteristics and source analysis of PAHs in PM10 in Anshan City[J]. Research of Environmental Sciences, 2011, 24(2): 162-171.
[33] 李英红, 谭吉华, 段菁春, 等. 中国主要排放源颗粒相多环芳烃的成分谱特征[J]. 环境科学与技术, 2015, 38(6): 58-69.
Li Y H, Tan J H, Duan J C, et al. Characteristic of particle-PAHs source profile in China[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 38(6): 58-69.
[34] Soclo H H, Garrigues P, Ewald M. Origin of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in coastal marine sediments: case studies in Cotonou (Benin) and Aquitaine (France) Areas[J]. Marine Pollution Bulletin, 2000, 40(5): 387-396. DOI:10.1016/S0025-326X(99)00200-3
[35] Yunker M B, Macdonald R W, Vingarzan R, et al. PAHs in the Fraser River basin: a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH source and composition[J]. Organic Geochemistry, 2002, 33(4): 489-515. DOI:10.1016/S0146-6380(02)00002-5
[36] Li X X, Kong S F, Yin Y, et al. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in atmospheric PM2.5 around 2013 Asian Youth Games period in Nanjing[J]. Atmospheric Research, 2016, 174-175: 85-96. DOI:10.1016/j.atmosres.2016.01.010
[37] Szabó J, Nagy A S, Erdös J. Ambient concentrations of PM10, PM10-bound polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals in an urban site of Györ, Hungary[J]. Air Quality, Atmosphere & Health, 2015, 8(2): 229-241.
[38] Wang X F, Cheng H X, Xu X B, et al. A wintertime study of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5 and PM2.5-10in Beijing: assessment of energy structure conversion[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 157(1): 47-56. DOI:10.1016/j.jhazmat.2007.12.092
[39] Nisbet I C T, LaGoy P K. Toxic equivalency factors (TEFs) for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)[J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 1992, 16(3): 290-300. DOI:10.1016/0273-2300(92)90009-X