环境科学  2021, Vol. 42 Issue (3): 1245-1254   PDF    
引用本文
郭清源, 白雯宇, 赵雪艳, 郭丽瑶, 王歆华, 耿春梅, 王晓丽, 王静, 杨文, 白志鹏. 淄博市道路尘细粒子载带金属元素的来源与健康风险评价[J]. 环境科学, 2021, 42(3): 1245-1254.
GUO Qing-yuan, BAI Wen-yu, ZHAO Xue-yan, GUO Li-yao, WANG Xin-hua, GENG Chun-mei, WANG Xiao-li, WANG Jing, YANG Wen, BAI Zhi-peng. Source and Health Risk Assessment of PM2.5-Bound Metallic Elements in Road Dust in Zibo City[J]. Environmental Science, 2021, 42(3): 1245-1254.
淄博市道路尘细粒子载带金属元素的来源与健康风险评价
郭清源1,2, 白雯宇2, 赵雪艳2, 郭丽瑶2, 王歆华2, 耿春梅2, 王晓丽1, 王静2, 杨文2, 白志鹏2     
1. 天津理工大学环境科学与安全工程学院, 天津 300384;
2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
收稿日期: 2020-07-19; 修订日期: 2020-08-22
基金项目: 大气重污染成因与治理攻关项目（DQGG0107-20）
作者简介: 郭清源(1995~), 男, 硕士, 主要研究方向为大气颗粒物中金属元素的污染特征及健康风险评价, E-mail: 654931741@qq.com
通信作者: 王晓丽, E-mail: tjutwxl@163.com; 王静, E-mail: wangjing@craes.org.cn
摘要: 为研究淄博市道路尘细粒子中金属元素的污染特征及其来源和生态及健康风险，于2016年10月至2017年5月在淄博市8区县共采集97个道路尘样品，使用再悬浮系统将道路尘中粒径小于2.5 μm的颗粒物悬浮并采集到滤膜上，通过ICP-MS和ICP-OES分析测定其中的18种金属元素.结果表明，Ca的质量分数ω（Ca）最高，均值达到120307.7 mg·kg-1，是山东省土壤背景值的7.2倍，ω（Zn）、ω（Cu）、ω（Sb）和ω（Cd）的均值分别为背景值的13.9、11.7、13.3和29.6倍.地累积指数（Igeo）表明，道路尘细粒子中Cd、Zn、Cu和Sb这4种元素受污染程度较高，冬季都受到了重度以上的污染.富集因子值（EF）同样表明，道路扬尘中的Cd、Zn、Sb和Cu这4种元素富集比较严重，受人为影响明显.主成分分析（PCA）表明，生物质燃烧、燃煤、机动车排放、钢铁冶炼和土壤扬尘为淄博市道路尘中金属元素的5个主要来源.潜在生态风险评价显示，Cd的潜在风险和总的潜在风险在3个季节都达到了极强且在冬季最高.健康风险评价显示As和Pb对儿童存在非致癌风险，Cr存在致癌风险.总之，淄博市道路尘细粒子载带金属元素受人为源影响，在冬季污染较强，存在潜在生态风险，对儿童具有一定的非致癌风险和致癌风险，对于道路尘的源头控制需要引起重视.
关键词: 道路尘      PM2.5      金属元素      来源      健康风险     
Source and Health Risk Assessment of PM2.5-Bound Metallic Elements in Road Dust in Zibo City
GUO Qing-yuan1,2 , BAI Wen-yu2 , ZHAO Xue-yan2 , GUO Li-yao2 , WANG Xin-hua2 , GENG Chun-mei2 , WANG Xiao-li1 , WANG Jing2 , YANG Wen2 , BAI Zhi-peng2     
1. College of Environmental Science & Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China;
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: To study the pollution characteristics, sources, and ecological and health risk of PM2.5-bound metallic elements in road dust in Zibo City, a total of 97 dust samples were collected in eight districts between October 2016 and May 2017, and particles smaller than 2.5 μm were suspended filtered using a resuspension system. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and optical emission spectrometry (ICP-OES) were used to investigate 18 metal elements within the dust samples. The results showed that the mass fraction of Ca[ω(Ca)] was highest with an average of 120307.7 mg·kg-1, which was 7.2 times higher than the soil background values for Shandong Province. The mean values of ω(Zn), ω(Cu), ω(Sb), and ω(Cd) were 13.9, 11.7, 13.3, and 29.6 times higher than the background values, respectively. The geo-accumulation index (Igeo) indicated high levels of Cd, Zn, Cu, and Sb pollution, especially in winter. Enrichment factors (EFs) also indicated high concentrations of Cd, Zn, Sb, and Cu in the road dust, which were notably affected by human activities. Principal component analysis (PCA) showed that biomass combustion, coal burning, vehicle emissions, iron and steel smelting, and soil dust are the five main sources of metal elements in road dust in Zibo City. The potential ecological risk of Cd and the total potential risk were extremely high during three seasons and was highest in winter. Health risk assessment showed that As and Pb had a non-carcinogenic risk for children, while Cr presents a carcinogenic risk. In conclusion, pollution from PM2.5-bound metallic elements in road dust in Zibo City is derived from anthropogenic sources and is most severe during winter. Importantly, the levels of pollution detected represent potential ecological risk as well as some non-carcinogenic and carcinogenic risks for children. Therefore, the source control of road dust requires particular attention.
Key words: road dust      PM2.5      metallic element      source      health risk     

随着中国城市化的快速发展, 路网总长度、机动车保有量快速增加, 各类在建工程数量和总面积保持高位, 交通与储运作业等增加了道路扬尘的排放.道路扬尘是城市大气颗粒物的重要来源之一[1~3], 是各单一尘源类(如土壤风沙尘、建筑水泥尘、煤烟尘和机动车尾气尘等)排放的颗粒物的混合物, 既可以视为环境空气中颗粒物的排放源类, 又可以视为各单一尘源类所排放的颗粒物的受体[4], 其组成特征能够反映城市环境受到人为源影响的程度.2018年7月国务院发布的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中, 在突出的4个重点行业和领域中明确提出了扬尘治理.无组织排放源是大气颗粒物的重要来源之一[1, 5, 6], 道路尘容易在机动车、行人及风力的作用下反复扬起和沉降, 有研究结果表明道路尘在扬尘中的贡献率可达40%~50%[7, 8].淄博市2018年PM2.5来源解析表明, 非采暖季和采暖季扬尘源的贡献率分别为14.1%和10.5%[9].

道路尘中含有多种对人体有害的物质, 如重金属[10, 11]和多环芳烃[12, 13]等.源于道路扬尘的PM2.5中的重金属可以通过口鼻的呼吸和皮肤接触等途径进入人体, 危害人体健康[14, 15], 当前发达国家已经过了大规模城市建设和城市改造阶段, 机动车尾气管理严格, 道路载尘少.我国近年来由于城市建设改造、大规模的民用建筑工程施工等, 道路积尘较多, 因此道路尘中载带的重金属对人体存在的健康风险[4, 10, 14, 16]受到关注.目前对道路尘的报道多针对于区域性和人口密集城市, 如Shen等[17]对中国东北、西北和华北11个城市的城市扬尘化学特征进行研究, 陈莜佳等[4]对上海主干道道路扬尘组分特征和来源进行研究, 但关于重工业城市不同季节的道路尘中金属元素的研究还比较少.

淄博市位于山东省中部(117°32′~118°31′E、35°55′~37°17′N), 地处鲁中山区与华北平原的接合部, 南依沂蒙山区与临沂接壤, 北临华北平原与东营、滨洲相接, 东接潍坊, 西与省会济南接壤, 交通发达, 是沟通中原地区和山东半岛的通道, 是山东省重要的交通枢纽城市.淄博市是全国石油化工、医药和陶瓷生产地, 为组团分布式城区, 每个城区周边产业发达, 货运量大.汽车保有量持续上升, 据文献[18], 2016年淄博市机动车保有量为105.0万辆, 城市铺装道路平均车流量为1 520.0万辆·a-1.为了认识淄博市道路尘细粒子中金属元素的污染现状, 本研究于2016年10月18日至2017年5月10日在淄博市8个区县采集主干道、支干道、支路和快速车道共97个样品, 通过课题组自主研制的再悬浮系统[19], 采集了道路尘中的PM2.5部分, 分析了其中18种金属元素, 系统研究了道路尘细粒子载带金属的污染特征、来源、潜在生态风险及健康风险.

1 材料与方法 1.1 样品采集

本研究采样方法参照文献[20], 使用吸尘器(HX-1216, 功率1 800 W)按照1 min·m-2的速度均匀吸扫路面上的积尘, 采样面积视路面清洁程度横跨道路取0.3~3 m宽, 对每条道路每隔3 km采集一个样品, 每个样品至少需3个子样品混合.采样完毕后, 取下吸尘纸袋确保完好后编号将其装入密封袋保存.采样需保证采样前3 d无雨雪, 确保路面干燥, 风力不大于3级.具体采集时间为：2016年10月18日~11月9日(秋季)、2017年1月13~23日(冬季)和2017年5月5~10日(春季), 由于夏季和秋季的污染源类型和季节条件差异不大, 因此只秋、冬和春这3个季节进行采集并做分析, 采样位置见图 1.

图 1 淄博市道路扬尘采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of road dust sampling points in Zibo City

1.2 样品前处理

将收集到的道路扬尘样品先去除其中的树叶和砂砾等杂物, 放在阴凉干燥的地方自然干燥7 d, 通过200目的泰勒标准筛(0.075 mm), 将过筛后的样品取1.5 g放入再悬浮仪器中, 通过PM2.5的切割头(切割粒径为2.43 μm)将样品采集在Teflon滤膜上, 最后得到97个PM2.5滤膜样品, 将得到的滤膜样品放在恒温恒湿的天平室平衡24 h后称量, 备用.

1.3 样品分析及质量控制

取1/2Teflon滤膜利用美国Agilent公司的Agilent 7500a型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析测定样品中14种元素(K、Na、Zn、Mn、Cu、Cr、Pb、Ni、As、Sn、Co、Sb、Mo和Cd)的含量, 另取1/2滤膜利用电感耦合等离子体光谱法(ICP-OES)测定样品中另外4种元素(Ca、Al、Fe和Mg)的含量; 相对误差和标准偏差均需要小于5%.每批样品需要做空白实验, 并进行15%的重复测定, 以保证检测结果满足质控要求, 具体元素分析方法和质控措施参考陆平等[21]对临沂市PM2.5和PM10中元素分布特征及来源解析的研究.

1.4 数据分析方法 1.4.1 地累积指数法

地累积指数(Igeo) 由Muller[22]提出后, 目前广泛应用于道路尘中金属污染水平的评价[14, 23].其计算公式为[24]:

(1)

式中, ci为样品中金属元素i的含量, mg·kg-1; Bi为i金属元素的地质背景值, 本研究取山东省A层土壤元素背景值, mg·kg-1, 具体取值见表 1[25]; k为因成岩运动可能引起背景值变动而设定的常数, 依据前期研究取1.5[26].地累积指数分级表见表 2[27].

表 1 山东省A层土壤元素背景值/mg·kg-1 Table 1 Background values of soil elements in Layer A of Shandong Province/mg·kg-1

表 2 地累积指数分级 Table 2 Ground accumulation index grading

1.4.2 富集因子法

富集因子法是以土壤或地壳为背景介质来研究大气中元素的富集程度的重要指标, 其值的大小可以识别元素的污染程度和季节变化, 计算公式如下：

(2)

式中, (Xi/XR)颗粒物和(Xi'/XR')地壳分别指大气和土壤中研究元素i与参比元素R含量的比值.土壤样本组分存在区域差异, 本研究参考山东省A层土壤元素背景值[25], 选取在土壤中含量丰富且与所测元素之间相关性较好的Al作为参比元素[28].若所求元素EF值小于5, 表明该元素未被富集自然源为主要来源; 若EF值在5~10之间, 则该元素有一定程度富集, 表明其来自于自然和人为混合源.若EF值大于10, 表明该元素在颗粒物中明显富集, 受人为影响较大.

1.4.3 主成分分析法

主成分分析法(PCA)是常用的多元统计分析方法, 是用来识别污染物主要来源的分析方法之一[29].为了进一步了解金属元素的来源并加以分类, 本研究使用SPSS 16.0对PM2.5中的18种金属元素进行了主成分分析.

1.4.4 潜在生态风险评价法

潜在生态风险评价法是1980年由瑞典学者Hakanson从沉淀学的角度提出[30], 是对沉淀物和土壤中重金属污染水平进行评价的方法.因为重金属具有高毒性的特点, 容易对生物和环境造成严重影响, 因此有必要对道路尘中的重金属进行潜在生态风险评价, 为相关的环境质量评价提供理论依据.

本研究对道路尘PM2.5中部分重金属进行潜在生态风险评价, 公式如下：

(3)
(4)

式中, Eir为第i种重金属元素的潜在风险指数; Tir为第i种重金属元素的毒性系数, 其中Zn、Cr、Cu、Pb、Ni、As和Cd的系数分别为1、2、5、5、5、10和30[31]; Ci为第i种重金属元素的含量, mg·kg-1; Co为第i种重金属元素的参比值, 这里取山东省土壤元素背景值, mg·kg-1; RI为重金属元素的综合潜在生态风险指数.表 3为潜在生态风险评价指数分级[8, 30, 32].

表 3 潜在生态风险评价指数分级 Table 3 Potential ecological risk assessment index gradeds

1.4.5 健康风险评价法

本研究是基于US EPA提出的健康风险评价模型对淄博市的道路尘PM2.5载带的9种重金属元素Zn、Mn、Cr、Pb、Ni、As、Co和Cd进行健康风险评价.道路尘中重金属元素主要通过呼吸、手-口摄入和皮肤接触[33, 34]这3种暴露途径进入人体, 其非致癌日均暴露量计算公式分别为：

(5)
(6)
(7)

由于US EPA未给出摄入和皮肤接触致癌暴露量参考值, 因此该研究仅考虑经呼吸途径的致癌风险, 其终身日均暴露量计算公式:

(8)

式中, ADDinh、ADDing和ADDderm分别为经呼吸、手-口摄入和皮肤接触的日均暴露量, mg·(kg·d)-1; LADDinh为致癌重金属经呼吸途径的终身日均暴露量, mg·(kg·d)-1; C为重金属元素的含量, mg·kg-1, 采用95%置信区间的上限值来估计合理的最大暴露量.文献[35]统一了中国人口的环境暴露参数, 本研究通过参考手册来评估淄博市民的健康风险, 其中参数的含义和取值见表 4.

表 4 重金属不同途径日均暴露量参数 Table 4 Average daily exposure of heavy metals via different pathways

重金属元素i经j途径对人体的非致癌风险(HQi, j), 非致癌风险(HIi)和致癌风险(Risk)计算公式如下：

(9)
(10)
(11)

式中, ADDi, j为i金属经j途径进入人体的日均暴露量, mg·(kg·d)-1; RfDi, j为i金属经j途径进入人体的日暴露健康风险参考值, mg·(kg·d)-1; LADD为致癌重金属经呼吸途径的终身日均暴露量, mg·(kg·d)-1; SF为致癌重金属元素致癌斜率因子, (kg·d)·mg-1.当HIi≤1表明无健康危害, 当HIi＞1表明可能存在健康危害[36, 37]; 当Risk在10-6~10-4之间需要采取风险管理措施[38].表 5是重金属元素通过3种方式进入人体的RfD和SF值[36, 37, 39].

表 5 重金属元素进入人体的日暴露健康风险参考值(RfD)和致癌斜率因子(SF) Table 5 Daily exposure health risk reference values (RfD) and carcinogenic slope factors (SF) for heavy metal elements entering the human body

2 结果与讨论 2.1 金属元素的含量分布特征

淄博市道路尘PM2.5中金属元素的含量如图 2所示, 可以看出地壳元素Ca、Al、Fe、K、Mg和Na的含量较高, 在检测的18种金属元素总和的占比在春季、秋季和冬季分别为99.1%、99.1%和98.7%, 春季中地壳元素含量的排序为Ca > Al > Fe > K > Mg > Na, 秋季为Ca > Al > Fe > Mg > K > Na, 冬季为Ca > Al > K > Fe > Mg > Na, 3个季节中ω(Ca)最高, 均值分别为118 161.0、121 187.6和121 574.7mg·kg-1, 其次是ω(Al), 均值分别为72 372.1、69 413.1和58 959.0 mg·kg-1.重金属元素中, ω(Zn)最高, 分别为715.3、705.3和1 232.2 mg·kg-1, 其余Cu、Cr、Pb、Sn、Co、Sb、Mo和Cd中均是冬季含量最高, 这是由于冬季采暖和地面温度低逆温发生导致的污染物扩散和移动减少所致[40, 41].

图 2 3个季节道路扬尘PM2.5中载带的金属元素含量 Fig. 2 Percentages of metal mass concentrations in PM2.5 in road dust during three seasons

样品分析得出采样期间ω(Ca)的均值为120 307.7 mg·kg-1, 是山东省土壤背景值的7.2倍, 这与淄博市建筑施工和道路铺设有关.ω(Zn)、ω(Cu)、ω(Sb)和ω(Cd)的均值分别为884.3、281.0、11.9和2.5mg·kg-1, 分别是土壤背景值的13.9、11.7、13.3和29.6倍, 这4种金属元素含量都超过了土壤背景值的10倍, 说明这4种元素受人为影响比较严重.ω(Al)、ω(Fe)、ω(K)、ω(Na)、ω(Mn) ω(Co)、ω(Mo)均值和土壤背景值的比值分别为1.0、0.9、0.7、0.3、1.0、1.1和1.0, 表明其受人为影响较小.

2.2 金属元素污染程度及来源分析 2.2.1 地累积指数分析

利用地累积指数评价道路尘中重金属污染水平, 图 3为道路尘中PM2.5载带的金属元素在3个季节的地累积指数.从中可以看出, Ca和Sn在3个季节都受到偏重度污染.Mg在春季未受污染, 在秋冬季受到轻度污染.Zn和Cu在春秋季受到偏重度污染, 在冬季受到重度污染.Cr在3个季节受到中度污染.Pb在春秋季受到中度污染, 冬季受到偏重度污染.Ni在3个季节都受到了轻度污染.As在春季受到偏重度污染, 秋季受到轻度污染, 冬季受到中度污染.Sb在春秋受到偏重度污染, 在冬季受到重度污染.Cd在春秋季受到中度污染, 在冬季受到严重污染.整体来看除了Ni和As外其它受到人为污染源影响的元素均是冬季Igeo较高, 可能是受到了燃煤采暖等人为活动的影响, 另外Cd、Zn、Cu和Sb这4种元素受人为污染程度较高, 在冬季都受到了重度以上的污染.这与张静等[14]对天津市道路扬尘PM2.5中金属元素污染状况的研究结果相似.

图 3 3个季节道路扬尘PM2.5中载带的金属元素Igeo结果 Fig. 3 Metal Igeo results for PM2.5 in road dust during three season

2.2.2 富集因子分析

图 4是3个季节的元素富集因子.从中可知, Ni、Mg、Mo、Co、Mn、K、Fe和Na这8种元素在春、秋和冬季的EF值均小于5, 说明它们主要来自自然源.Ca在3个季节的EF值都介于5~10之间; As在春季和冬季的EF值在5~10之间, 秋季小于5; Cr在春秋季EF值小于5, 冬季在5~10之间, 说明这些元素受到了人为源和自然源的共同影响.Pb、Sn和Cu在春秋季的EF值在5~10之间, 冬季大于10, 表明这些元素在冬季受人为源影响较大, Sb在春季的EF值处于5~10之间, 秋冬季大于10, Cd和Zn这2种元素在3个季节的EF值都大于10, 说明受人为源影响非常明显.从不同季节的元素EF值来看, 元素在冬季的EF值整体偏高, 说明冬季采暖可能是导致金属元素富集程度显著上升的重要原因.道路尘Cd、Zn、Sb和Cu这4种元素均与机动车相关, Cd元素来源于机动车尾气排放、钢铁冶炼及燃煤[42], Zn主要来源于汽车轮胎机械磨损, Cu主要来源于汽车金属零件和刹车里衬的磨损[43], Sb来自机动车尾气和刹车片的磨损[44], 本研究中这4种元素富集程度都较高, 反映了道路尘受人为污染影响的特征, 该结果也与地累积指数结果相同.

图 4 3个季节的元素富集因子结果 Fig. 4 Enrichment factors of metals during in three seasons

2.2.3 主成分分析

表 6为18种元素的主成分旋转因子载荷矩阵.从中可知, 5个主成分因子共解释了总变量的72.10%, 其中因子1的贡献率为18.58%, 其中K的载荷达到0.896, Mn为0.923, K为生物质燃烧的标志物[45], Mn来源于燃煤[29], 因此因子1与生物质燃烧和燃煤有关; 因子2的贡献率为17.12%, Cu的载荷为0.881, 其次为Sb和Sn, 分别是0.741和0.654, Cu、Sb和Sn来源于机动车金属零件磨损、尾气和刹车片磨损[23, 43, 44], 因此判断为机动车源; 因子3的贡献率为14.04%, Pb和Cd的载荷分别为0.818和0.776, 有研究证明Pb和Cd主要来源于钢铁冶炼和燃煤[42, 46], 因此判断为钢铁冶炼和燃煤; 因子4的贡献率为13.11%, Ca、Al、Fe和Mg都是地壳元素, Ca为土壤建筑尘的标志物[46], 因此判断因子4为土壤扬尘; 因子5贡献率为9.25%, As元素的载荷为0.832, 为燃煤源的标志物[47], 因此判断因子5为燃煤源.综上所述, 淄博市道路尘中金属元素的主要来源有生物质燃烧、燃煤、机动车排放、钢铁冶炼和土壤扬尘.

表 6 主成分旋转因子荷载矩阵 Table 6 Load matrix principal component rotation factors

2.3 潜在生态风险评价

本研究对道路尘PM2.5中的7种重金属Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As和Cd进行潜在生态风险评价, 结果如表 7所示.从中可知, 春季, Zn、Cr、Pb和Ni这4种元素存在轻微生态风险(Eir≤40), Cu和As存在中等生态风险(40 < Eir < 80), Cd存在极强生态风险(Eir≥320); 秋季, Zn、Cr、Pb、Ni和As存在轻微生态风险, Cu存在中等生态风险, Cd存在极强生态风险; 冬季, Zn、Cr、Ni存在轻微生态风险, Pb和As存在中等生态风险, Cu存在强生态风险(80 < Eir < 160), Cd存在极强生态风险.Cd的生态风险值极高, 在3个季节分别达到了551.0、615.8和1 501.2, 这与其毒性系数较大以及污染严重有关, 因此对Cd污染的治理刻不容缓.3个季节中除Ni和As以外其它5种元素均是冬季的潜在生态风险指数最高.总的潜在生态风险指数为冬季 > 秋季 > 春季, 春季和秋季RI值均大于700存在很强的的生态风险, 而冬季RI值高达1 720.6, 存在极强的生态风险, 表明道路尘的潜在生态风险在冬季最高.

表 7 淄博市3个季节潜在生态风险评价结果 Table 7 Potential ecological risks from metals in road dust during three seasons in Zibo City

2.4 健康风险评价

表 8是3个季节重金属元素的非致癌和致癌风险评价参数计算结果.从中可知, 在3种暴露途径中, 通过手-口摄入途径接触道路降尘重金属的风险最高, 其次为皮肤接触, 呼吸途径最低, 这与文献[39]的研究结果一致.3个季节中不同暴露途径非致癌风险和非致癌总风险均表现为儿童高于成人的特点.在手-口摄入途径中, 儿童HQ值比成人高一个数量级, 这可能是儿童的特殊行为模式频繁的手-口接触所致[34]; 在皮肤接触中Cr的HQ值大于其它重金属, 冬季最高为1.75×10-2; 在呼吸途径中Mn的HQ值最高, 冬季为1.91×10-2.在春季, 儿童和成人的HI值排序均为As > Cr > Pb > Mn > Ni > Zn > Cd > Co, 其中只有As在儿童中的HI值高于1, 存在非致癌风险, 其余元素无非致癌风险.在秋季, 儿童和成人的HI值排序均为As > Cr > Pb > Mn > Zn > Cd > Ni > Co, 其中As在儿童中的HI值高于1, 存在非致癌风险, 其余元素无非致癌风险.在冬季, 儿童和成人的HI值排序均为As > Pb > Cr > Mn > Cd > Zn > Ni > Co, 其中As和Pb在儿童中的HI值都高于1, 存在非致癌风险, 其余元素无非致癌风险.冯于耀等[15]对城市道路扬尘研究表明, As、Cd、Pb的非致癌风险值均大于1且手-口摄入的非致癌风险也大于1, 李越洋等[48]对天津道路降尘的研究表明, As对儿童的非致癌风险大于1且手-口摄入的非致癌风险也大于1. 有研究表明As主要来源于煤炭燃烧[42, 47], Pb主要来源于汽车尾气、燃煤和钢铁冶炼[46, 49], 因此需要进行煤炭总量和机动车流量的控制, 积极推进清洁绿色能源的使用, 同时也要尽量减少儿童在道路周边的暴露, 以减少重金属对人体的危害.

表 8 春、秋和冬季重金属元素的非致癌风险和致癌风险 Table 8 Non-carcinogenic risks and carcinogenic risks of heavy metals in road dust during spring, autumn, and winter

呼吸途径进入人体的致癌风险在春季和秋季的排序为Cr>As>Co>Ni>Cd, 在冬季的排序为Cr > As > Co > Cd > Ni.在春季和冬季Cr的Risk值分别为1.24×10-6和1.44×10-6, 都在10-6~10-4之间, 存在致癌风险, 道路尘中Cr主要来源于工业沉降和轮胎、刹车片的磨损[50], 因此需对相关源进行管控.

综上所述, 在春季Cr存在致癌风险; 秋季As对儿童存在非致癌风险; 冬季As和Pb都对儿童存在非致癌风险, Cr元素存在致癌风险.

3 结论

(1) 淄博市所测18种金属元素中Ca、K、Mg、Na、Zn、Mn、Cu、Cr、Pb、Sn、Co、Sb、Mo和Cd的含量在冬季最高, 这是由于冬季燃煤和机动车排放污染物扩散和移动减少所致.Zn、Cu、Sb和Cd的含量均值分别是山东省土壤背景值的13.9、11.7、13.3和29.6倍, 说明这4种元素受人为影响比较严重.

(2) 通过地累积指数和富集因子对金属元素污染程度分析表明, 冬季元素受人为的影响较大, 其中Cd、Zn、Sb和Cu这4种元素污染比较严重, 结合主成分分析推测, 淄博市道路尘PM2.5中金属元素的主要来源有生物质燃烧、燃煤、机动车排放、钢铁冶炼和土壤扬尘.

(3) 潜在生态风险评价表明, 总的潜在生态风险指数为冬季>秋季>春季, 3个季节都存在极强的生态风险.Zn、Cr和Ni这3种元素存在轻微生态风险, Pb和As存在轻微到中等生态风险, Cu存在中等到较强生态风险, Cd存在极强的生态风险.

(4) 健康风险分析表明, 儿童在3种途径的非致癌风险都大于成人, 手-口摄入是道路尘PM2.5载带的重金属元素进入人体的主要途径.3个季节中As对儿童的HI值都大于1, 在冬季Pb对儿童的HI值也大于1, 都对儿童存在非致癌风险.在春季和冬季Cr的Risk值分别为1.24×10-6和1.44×10-6, 对人体存在致癌风险, 因此对As、Pb、Cr的来源中的燃煤和机动车的控制应该受到重视.

参考文献
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