环境科学  2017, Vol. 38 Issue (10): 4071-4076   PDF    
引用本文
张静, 张衍杰, 方小珍, 李凤华, 吴琳, 毛洪钧. 道路扬尘PM2.5中金属元素污染特征及健康风险评价[J]. 环境科学, 2017, 38(10): 4071-4076.
ZHANG Jing, ZHANG Yan-jie, FANG Xiao-zhen, LI Feng-hua, WU Lin, MAO Hong-jun. Characteristics and Health Risk Assessment of Metallic Elements in PM2.5 Fraction of Road Dust[J]. Environmental Science, 2017, 38(10): 4071-4076.
道路扬尘PM2.5中金属元素污染特征及健康风险评价
张静 , 张衍杰 , 方小珍 , 李凤华 , 吴琳 , 毛洪钧     
南开大学环境科学与工程学院, 城市交通污染防治研究中心, 天津 300071
收稿日期: 2017-02-28; 修订日期: 2017-04-19
基金项目: 科技部科技基础性工作专项（2013FY112700-02）；国家科技支撑计划项目（2014BAC16B03）
作者简介: 张静(1988~), 女, 博士研究生, 主要研究方向为颗粒物组分及排放清单, E-mail:dr.zhangjing@mail.nankai.edu.cn
通信作者: 吴琳, E-mail:dr.wu@msn.com
摘要: 为了分析和比较城市和公园道路扬尘（RD&PRD）中PM2.5载带的部分金属元素的污染特征及其健康风险，本文利用再悬浮系统将道路扬尘中粒径小于2.5 μm的颗粒物悬浮至滤膜上，分析了PM2.5中载带的Na、Mg、Al、Fe、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn、Cd和Pb等元素.结果显示，城市道路扬尘中Cu和Sb的平均含量为626 mg·kg-1和23mg·kg-1，明显高于公园道路扬尘（274 mg·kg-1和11mg·kg-1），表明RD中Cu和Sb的含量可能受到非尾气（刹车磨损）排放的影响；地累计指数（Igeo）分析显示，RD和PRD中Cd达到强到极强污染程度（4 < Igeo < 5），Cu、Sb、Zn和Pb为强或中到强污染程度（2 < Igeo < 4），Ni和Mn为未受污染到中度污染（Igeo < 1）.RD和PRD中的Cu、Ni、Sb、Zn、Cd和Pb尚不存在非致癌风险，Ni和Cd的终生致癌风险小于10-6，无致癌风险.
关键词: 道路扬尘      PM2.5      金属元素      地累计指数      健康风险评价     
Characteristics and Health Risk Assessment of Metallic Elements in PM2.5 Fraction of Road Dust
ZHANG Jing , ZHANG Yan-jie , FANG Xiao-zhen , LI Feng-hua , WU Lin , MAO Hong-jun     
Center for Urban Transport Emission Research(CUTER), College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China
Abstract: In order to analyze and compare the pollution characteristics and risks to human health of metallic elements in the PM2.5 fraction of urban road dust (RD) and park road dust (PRD), particles smaller than 2.5 μm were suspended to filters by a re-suspension system and concentrations of Na, Mg, Al, Fe, Cu, Mn, Ni, Sb, Zn, Cd, and Pb were quantified. Results showed that the average concentrations of Cu and Sb in RD were 626 mg·kg-1 and 23 mg·kg-1, significantly higher than that in PRD (274 mg·kg-1 and 11 mg·kg-1). This indicated that the elemental composition of RD was influenced by non-exhaust emissions. The geoaccumulation Index (Igeo) of each detected element showed that samples were strongly to extremely contaminated by Cd (4 < Igeo < 5), moderately to strongly contaminated by Cu, Sb, Zn, and Pb (2 < Igeo < 4), and uncontaminated to moderately contaminated by Ni and Mn (Igeo < 1). The hazard index (HI) values of Sb, Pb, Cu, Ni, Zn, and Cd were less than 1 and the incremental lifetime cancer risk (ILCR) values of Ni and Cd were less than 10-6, indicating that these elements of RD and PRD are not associated with any cancer risks or non-cancer health risks.
Key words: road dust      PM2.5      metallic elements      geoaccumulation index      health risk assessment     

扬尘是大气颗粒物的主要来源之一, 颗粒物源解析结果显示, 在我国某些北方城市扬尘对PM2.5贡献率可达30%[1~3], 其中道路扬尘在扬尘中的占比最高可达50%[4].道路扬尘又可作为受体, 其主要贡献源包括尾气颗粒物的沉降、轮胎及刹车片磨损、路面磨损和路边土壤流失等.正因如此, 道路扬尘颗粒物中载带多种对人体有害组分, 如重金属[5, 6]、多环芳烃等[7].研究表明, 机动车尾气管排放的颗粒物中会载带Mn、Ni、Cd等重金属元素[8, 9], 非尾气(轮胎及刹车片磨损)排放的颗粒物中载带Cu、Sb、Zn、Cd、Pb等元素较为丰富[10].

国内外已有大量研究对道路扬尘及降尘中金属元素的排放特征进行了分析并对重金属元素的健康风险进行了评估, 但研究对象大多为粗颗粒物[11~15], 会过高估计重金属对人体存在健康风险.由于细颗粒物(PM2.5, 粒径小于2.5 μm的颗粒物)直径小, 能够进入人体肺泡, 对人体健康危害更大, 且更易进入大气环境中进行长距离传输, 因此本文借助再悬浮系统, 将采集的城市道路扬尘和公园道路扬尘中的PM2.5悬浮至滤膜上, 分析了其载带的4种地壳元素(Na、Mg、Al、Fe)和7种微量元素(Cu、Mn、Ni、Sb、Zn、Cd和Pb), 对其污染特征及重金属健康风险进行了分析.将细颗粒与粗颗粒分离, 对细颗粒进行单独研究在一定程度上降低了健康风险评价的误差, 以期为城市环境健康和管理提供理论参考.

1 材料与方法 1.1 样品采集

2015年5月, 在天津市市内选取四类不同等级的道路(次干道、主干道、快速路和环线)进行了城市道路扬尘(RD)的采集, 采样点的选取参考文献[16], 采样过程中分别对所选道路的机动车道和非机动车道进行了样品的采样, 每个样品至少3个子样品.对于公园道路扬尘(PRD), 在市内选取了3个人流量较大公园进行了样品的采集, 分别是南翠屏公园、长虹生态公园和水上公园, 每个公园采集了3个样品, 每个样品包含3个子样品.

样品带回实验室之后, 首先将样品过200目(75 μm)泰勒标准筛, 以去除砂砾及枝叶等杂质, 自然晾干的样品利用再悬浮系统[17]将粒径小于2.5 μm (PM2.5)的颗粒物采集到聚丙烯滤膜(φ 47) 上, 最终得到城市和公园道路扬尘的PM2.5样品分别为41和9个.

1.2 样品检测方法

利用碱熔法将1/2聚丙烯滤膜样品熔解, 并使用电感耦合原子发射光谱(ICP-OES, Vista MPX)检测提取液中的Mg、Al和Fe; 另一半样品, 利用酸熔法熔解, 使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS, Aglient 7700) 对提取液中的Na、Mn、Ni、Cu、、Zn、Sb、Cd和Pb的含量进行了检测, 同时做空白试验, 以保证测试质量.

1.3 分析方法 1.3.1 地累计指数

地累计指数(geoaccumulation index, Igeo)自1969年Müller[18]提出之后, 广泛应用于道路扬尘元素污染等级的评价[19~22].地累积指数不仅可以反映各组分分布的自然变化特征, 还可以判别人为活动对环境组分的影响, 是判定人为活动影响的重要参数.本文利用地累计指数对道路扬尘中PM2.5载带重金属元素的污染程度进行评价, 计算公式如下：

(1)

式中, Igeo为地累积指数; Cn为样品中元素n含量或质量分数, %; Bn为元素n的地球化学背景值, 本研究中取天津市A层土壤元素背景中位值[23], 系数1.5用来校正因岩石差异引起的背景值变化.在地累积指数的研究与应用中, 一般采用的是Müller的分级标准, 将污染程度从无污染到极强污染分为7个污染等级(如表 1).

表 1 地累积指数(Igeo)与污染程度分级 Table 1 Geoaccumulation index (Igeo) and the corresponding contamination degree

1.3.2 健康风险评价模方法

本文基于EPA提供的健康风险评价模型对道路扬尘中PM2.5载带的重金属进行健康风险评估.人体主要通过3种途径暴露于道路扬尘中：摄食、皮肤接触和呼吸.经3种暴露途径的非致癌日均暴露量的计算公式分别如式(2)~(4)：

(2)
(3)
(4)

由于参数的局限, 本研究中仅考虑呼吸暴露途径的致癌风险, 其终身日平均暴露量(LADD)如公式(5) 所示.

(5)

式中, ADDing、ADDinh和ADDdermal分别是经摄食、呼吸和皮肤接触的日暴露量, mg·(kg·d)-1; C为尘中重金属的含量, mg·kg-1, 经常采用95%置信区间的上限值(95%UCL)来估计合理的最大暴露量, 由SPSS软件计算获得, 其他参数含义及单位如表 2所示.

表 2 道路扬尘重金属暴露量参数 Table 2 Exposure factors for heavy metal doses

各重金属对非致癌风险的有害份额由HQ (hazard quotient)来表述, 非致癌风险由HI (hazard index)来表述, HI为所有重金属的累计风险, ILCR为致癌总风险, 公式如下：

(6)
(7)

式中, RfD为各重金属元素的参考剂量, mg·(kg·d)-1; SF为致癌重金属元素的致癌斜率因子, mg·(kg·d)-1, 所研究重金属对应的RfD和SF值如表 3所示. HI≤1表明无非致癌风险, HI＞1表明可能存在非致癌健康风险; ILCR介于10-6~10-4时, 需要采取风险管理措施.

表 3 本文所研究重金属的RfD和SF值 Table 3 RfD and SF values of heavy metals in this study

2 结果与讨论 2.1 金属元素含量

图 1为RD和PRD中PM2.5载带金属元素的含量, 从中可以看出各重金属元素含量变化幅度较大.在RD中, 金属元素的含量为Al>Fe>Mg>Na>Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Sb>Cd, 地壳元素的含量高于痕量元素, 痕量元素中, Zn的平均含量最高, 主要分布在701~982 mg·kg-1, 平均含量为811 mg·kg-1; 其次是Mn和Cu, 主要分布在449~801 mg·kg-1和356~864 mg·kg-1, 平均含量分别是630 mg·kg-1和626mg·kg-1; 最后是Pb、Ni、Sb和Cd, 在PM2.5中的平均含量分别为131、82、23和2.4 mg·kg-1.

图 1 RD和PRD中PM2.5载带金属元素的含量 Fig. 1 Metal content of PM2.5 from RD and PRD

在PRD中, 金属元素含量从高到低为Al>Fe>Mg>Na>Zn>Mn>Cu>Pb>Sb>Ni>Cd, 地壳元素的含量高于痕量元素, 痕量元素中, Zn的平均含量最高, 主要分布在809~952 mg·kg-1, 平均含量为874 mg·kg-1, Mn和Cu含量主要分布在696~832 mg·kg-1和209~295mg·kg-1, 平均含量为706 mg·kg-1和274mg·kg-1, Pb、Ni、Sb和Cd的平均含量分别是151、66、11和2.4mg·kg-1.

两种尘中金属元素含量对比发现, RD中PM2.5所载带的Al、Fe和Mg小于PRD, Cu和Sb的平均含量高于PRD, 分别是PRD的2.28和2.09倍, 这说明这两种元素具有交通污染相关来源, 且其在RD中的含量由交通污染源主导.铜纤维和三硫化二锑(Sb2S3)是刹车片生产过程中重要组分, 因此RD中的Cu和Sb可能来自非尾气的排放[28].而Zn、Mn、Ni和Pb在两种尘中的含量相近, 说明这4种元素受由其他污染源影响较大.

2.2 金属元素污染程度分析

图 2为城市道路扬尘和公园道路扬尘中PM2.5载带金属元素的地累计指数.从中可以看出, 在RD和PRD中, 地壳元素(Al、Fe、Mg和Na)及Mn的Igeo均小于0, 说明这4种元素未受到人为污染源影响, Cd的污染程度最高, 在RD和PRD中均属于强到极强污染(4 < Igeo < 5); Cu和Sb在RD中属于强污染程度(3 < Igeo < 4), 且明显高于PRD(2 < Igeo < 3), 说明交通污染源会直接排放这两种元素[10, 29, 30]; Zn和Pb在RD和PRD中均属于中到强度污染, 且PRD中的污染程度高于RD, 说明Zn和Pb在PRD中富集严重; Ni的Igeo介于0~1, 可能受到了轻微污染, 主要由自然源贡献; Mn的Igeo < 0, 未受到人为污染.综上分析, RD中, 7种重金属元素的污染程度由高到低为：Cd、Cu、Sb、Zn、Pb、Ni和Mn, PRD中为Cd、Sb、Zn、Cu、Pb、Ni和Mn.同时说明RD和PRD中PM2.5载带的Cd、Cu、Sb、Zn和Pb具有明显的人为污染源.

图 2 RD和PRD中金属元素的Igeo值 Fig. 2 The Igeo value of detected metals in RD and PRD

2.3 健康风险评价

由2.2节的结果可知, Cd、Sb、Cu、Ni、Pb和Zn受到了人为源的污染.为了评估金属元素对人体健康是否存在潜在的危害, 本文对以上6种重金属元素进行了致癌和非致癌健康风险评价.

表 4为不同暴露途径重金属元素的95% UCL值、HQ、HI和ILCR值.对于非致癌风险, RD中各元素的HI值顺序为：Sb>Pb>Cu>Ni>Zn>Cd, PRD各元素的HI值顺序为：Sb>Pb>Cu>Ni>Zn>Cd, 以上6种元素的HI值均小于1, 说明对人体无非致癌风险.从不同暴露途径的暴露量来看, 呈现摄食＞皮肤接触＞呼吸的特点.

表 4 重金属非致癌风险与致癌风险 Table 4 Non-carcinogenic risk and carcinogenic risk of heavy metals

对于致癌风险, 本文所研究重金属中Ni和Cd具有致癌效应, 2种元素的ILCR值为Ni＞Cd.在RD和PRD中, Ni和Cd的ILCR均小于10-6说明不存在致癌风险.

3 结论

(1) 本文利用ICP-OES和ICP-MS分别检测了城市道路扬尘和公园道路扬尘中PM2.5载带的Mg、Al、Fe和Na、Mn、Ni、Cu、Zn、Sb、Cd、Pb等11种金属元素, 各元素含量变化幅度较大. RD中Cu和Sb的平均含量高于PRD, 分别是PRD的2.28和2.09倍, 这可能是非尾气的排放增加了这两种元素在城市道路扬尘中的含量; 而Zn、Mn、Ni和Pb在RD和PRD中的含量相当, 可能是由于这4种元素主要由其他污染源贡献.

(2) 地累计指数结果显示, 在RD和PRD中, Al、Fe、Mg、Na和Mn未受污染, Ni受到轻微污染, 其他元素的污染程度存在一定的差异, 其中在RD中, 污染程度由高到低为：Cd(强到极强)、Cu(强)、Sb(强)、Zn(中到强)和Pb(中到强), PRD中为Cd(强到极强)、Sb(中到强)、Zn(中到强)、Cu(中到强)和Pb(中到强).这5种元素具有明显的人为污染源.

(3) 非致癌健康风险评价结果表明RD和PRD中Cd、Sb、Cu、Ni、Pb和Zn均不存在非致癌风险.对于Ni和Cd这2种致癌元素, 其终生致癌健康风险均小于10-6, 且在RD和PRD中这两种元素尚不存在致癌风险.

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