摘 要：
目的 分析西安市PM2.5中12种金属和类金属元素的污染特征，并评价其人群健康风险。方法 2018年在西安市莲湖区和雁塔区的两个监测点每月定期采集PM2.5样品，检测样品中锑、铝、砷、铍、镉、铬、汞、铅、锰、镍、硒、铊12种金属和类金属元素的含量。检测结果按照不同区域、季节统计分析和评价。采用美国环保署(EPA)推荐的健康风险评价模型进行呼吸途径的人群健康风险评价。结果 共采集分析PM2.5样品165份。砷、镉的达标率分别为51.52%和83.03%,区域间组间两两比较差异无统计学意义(P>0.05)。各季节砷的达标率由高到低依次为夏季>秋季>冬季>春季。砷的平均浓度为8.21ng/m3,超标1.37倍。各季节砷元素平均浓度均超标，由高到低依次为冬季>春季>秋季>夏季，其它元素平均浓度均未超标。砷、镉、铬、铅、锰、镍、汞、锑和硒元素的HQ值和总HI值均<1。致癌元素砷、镉、铬和镍的ILCR值介于3.63×10-07～2.58×10-05之间。ILCR值砷元素最高，其次为铬元素；冬季最高，其次为春秋季，夏季最低；成年男性>成年女性>儿童青少年。结论 西安市冬季大气PM2.5中金属和类金属元素污染较为严重，PM2.5中砷和铬通过呼吸途径对人群健康潜在风险较高。
关键词：
PM2.5 元素 污染特征 健康风险评估
Pollution characteristics and health risk assessment of metals and metalloid elements in atmospheric PM2.5in Xi′an
MENG Zhaowei ZHANG Tongjun ZHENG Jingli DING Yong JIA Ru CHANG Feng
Institute for Environmental Health Research and Evaluation,Shaanxi Provincial Centre for Disease Control and Prevention;
Abstract：
Objective To analyze the pollution characteristics of 12 kinds of metals and metalloid elements in PM2.5 in Xi′an city, and to assess the health risks. Methods In 2018,PM2.5 samples were collected regularly every month at two monitoring points in Lianhu District and Yanta District of Xi′an City.The content of twelve metal and metalloid elements(Sb, Al, As, Be, Cd, Cr, Hg, Pb, Mn, Ni, Se, and Ti) in the samples were determined.The test results were statistically analyzed and evaluated according to different regions and seasons.The health risk assessment model recommended by the US Environmental Protection Agency(EPA) was used to assess the health risks of the metal and metalloid elements. Results A total of 165 PM2.5 samples were collected and analyzed.The qualified rates of As and Cd were 51.52% and 83.03%,respectively, and there was no significant difference between regions(P>0.05).The qualified rate of As in each season from high to low was summer> autumn> winter> spring.The average concentration of As was 8.21 ng/m3,being 1.37 times higher than the standard.The average concentration of As in each season exceeded the standard, and the order from high to low was winter> spring>autumn>summer.The average concentrations of other elements did not exceed the standard.HQ value and HI value of As, Cd, Cr, Pb, Mn, Ni, Hg, Ti and Se were all less than 1.The ILCR value of carcinogenic elements As, Cd, Cr and Ni was between 3.63×10-07 ～2.58×10-05.The ILCR value was highest for As, followed by Cr.The ILCR value was highest in winter, followed by spring and autumn, and lowest in summer.The order of ILCR value was adult males> adult females> children and adolescents. Conclusion The pollution of metal and metalloid elements in the atmospheric PM2.5 in Xi′an in the winter is most serious.Arsenic and chromium in PM2.5 pose a higher potential health risk to the population through the respiratory route.
Keyword：
PM2.5; Elements; Pollution characteristics; Health risk assessment;
西安市近年来经济蓬勃发展，周边企业众多，伴随其独特的地理环境和近年来以静稳天气为主的气候特征，造成西安市雾霾多发易发[1]。PM2.5是雾霾的主要成分，是目前国内外研究的热点，其健康危害主要取决于其化学成分和浓度水平[2-3],PM2.5上附着了大量金属和类金属元素，美国环保署(EPA)综合风险信息数据库(IRIS)和国际癌症研究所(IARC)的相关研究成果，显示PM2.5上附着的砷、镉、铬和镍属于致癌物；铅、汞、锰、锑和硒属于非致癌物[4]。通过分析2018年西安市PM2.5中12种金属和类金属元素的污染特征，并对各元素通过呼吸途径引起的人体健康风险开展初步评价，以期为制定相关防控措施和开展环境风险管理提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集、运输和保存
根据2012年西安市6个主城区国控环保站点的环保监测数据，包括NO2、SO2、PM10、PM2.5、CO和O3,通过分析上述污染物的浓度，选择污染浓度相对较高的莲湖区和相对较低的雁塔区分别设置1个采样点。采样点高度在12～15m之间，周边无高大建筑物遮挡，避开污染源及交通主干道。每月定期(10～16日)使用大气采样器采集7份PM2.5样品。每天采样时间不少于22 h。
1.2 样品检测
按照《空气和废气颗粒物中铅等金属元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ 657-2013)测定锑、铝、砷、铍、镉、铬、汞、铅、锰、镍、硒、铊12种金属和类金属元素(以下简称“金属元素”)的含量。
1.3 质量控制
检测实验室通过了计量认证，监测过程中使用的仪器设备定期检定、校准和维护，校准周期不超过一年，定期清洗切割器。
1.4 评价方法
1.4.1 达标评价
目前我国《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)仅给出了砷(6ng/m3)、镉(5ng/m3)、汞(50ng/m3)和铅(500ng/m3)元素的年均二级浓度(参考浓度)限值，研究仅对上述指标开展达标评价，低于限值为达标。
1.4.2 健康风险评价
1.4.2.1 暴露剂量计算
EPA推荐的健康风险评价模型进行呼吸途径的人群健康风险评价[5]。非致癌物需计算日均暴露剂量(average daily dose, ADD,mg/kg/day),致癌物需计算终生日均暴露剂量(life average daily dose, LADD,mg/kg/day),计算见公式(1):
ADD(LADD)=C×IR×EF×ED/(AT×BW) (1)
式中：C:空气中污染物的浓度(mg/m3);IR:呼吸速率；EF:暴露频率；ED:暴露持续时间；BW:体重；AT:平均暴露时间。综合国内外有关研究成果[7-9],暴露参数(表1)。
表1 人群暴露评价模型参数
1.4.2.2 非致癌和致癌风险
金属元素暴露的非致癌风险和致癌风险见公式(2)、(3):
ILCR=LADD×SF (3)
式中，RfD(reference dose)为参考剂量；HQ(hazard quotient)为单一元素的非致癌风险；HI(hazard index)为多种元素的非致癌风险，当HI 或HQ≤1时，风险较低或可忽略；HI 或 HQ>1 时，存在非致癌风险。SF(slope factor)为致癌斜率因子，ILCR(incremental lifetime cancer risk)为终生增量致癌风险，ILCR<10-6,认为其引起癌症的风险性较低；ILCR值介于10-6～10-4之间，认为其存在癌症风险；ILCR>10-4认为其引起癌症的风险性较高。SF及RfD值(表2)。
1.5 统计学分析
采用spss 25.0统计软件对数据进统计分析。未检出按照最小检出的二分之一进行数据分析，定性资料的组间比较采用卡方检验。定量资料如符合正态分布组间比较采用方差分析，不符合正态分布组间比较采用独立样本非参数检验。检验水准α=0.05。
表2 金属元素呼吸途径暴露的SF和RfD[10-12]
2 结 果
2.1 PM2.5中金属元素质量浓度达标情况
PM2.5中砷、镉、汞和铅的达标率分别为51.52%、83.03%、100.00%和100.00%。砷和镉达标率在区域间组间两两比较差异无统计学意义(χ2=2.197、0.144,P=0.138、0.704)。各季节砷的达标率由高到低依次为夏季>秋季>冬季>春季(χ2=14.869,P=0.002)(表3)。
2.2 PM2.5中金属元素质量浓度特征
砷的平均浓度为8.21ng/m6,超标1.37倍，各季节砷元素平均浓度均超标，由高到低依次为冬季>春季>秋季>夏季。镉、铅和汞的平均浓度均达标。锑、砷和铬元素浓度区域间组间两两比较差异有统计学意义(Z=-2.337、-1.997、-2.155,P=0.017、0.046、0.031),其它各指标浓度区域间组间两两比较差异无统计学意义(P>0.05)。铊元素夏季平均浓度高于其它季节，其它各金属元素冬季浓度显著高于其它季节，组间两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)(表4,表5)。
2.3 PM2.5中金属元素健康风险评价
研究发现砷、镉、铬、铅、锰、镍、汞、锑和硒元素的单一元素(HQ值)和多种重金属元素(HI值)的非致癌风险均<1,表示上述金属元素的非致癌风险处于人体可接受的范围(表6)。
砷、镉、铬和镍元素的ILCR值介于3.63×10-07～2.58×10-05之间。同一季节内，各金属元素ILCR值：成年男性>成年女性>儿童青少年；同一人群，砷元素ILCR值：冬季>春季>秋季>夏季；镉和铬元素ILCR值：冬季>秋季>春季>夏季；同一人群、季节内，砷元素ILCR值均最高，其次为铬元素；冬季全人群砷的ILCR值均>1.00×10-05,秋季成人砷的ILCR值均>1.00×10-06,春季成年男性砷的ILCR值>1.00×10-06。秋冬季成年人铬的ILCR值均>1.00×10-05(表7)。
表3 不同季节砷、镉的质量浓度达标率情况
表4 不同指标质量浓度平均水平(ng/m3)
表5 不同指标各季节质量浓度平均水平(ng/m3)
表6 不同季节不同人群PM2.5中金属元素呼吸途径非致癌风险(HQ)
表7 不同季节不同人群PM2.5中金属元素呼吸途径致癌风险(ILCR)
3 讨 论
监测12种金属元素平均浓度水平由高到低依次为铝>锰>铅>硒>砷>铬>锑>镉>镍>铊>汞>铍。铝和锰等自然源元素占比较高，与西安市地处西部，沙尘较多有关；其次为铅、硒和砷等元素，这些元素主要来自机动车排放、燃煤排放等[10-11]。砷元素的达标率偏低，达标率为51.52%,平均浓度为8.21ng/m3,是国标参考浓度限值的1.37倍，且四个季节的平均浓度均超标，提示西安市全年均受到砷污染的影响，砷具有一定的致癌能力和潜在的致畸作用，长期暴露可造成急性或慢性中毒，致使人体器官病变或发育缺陷[12],尤其是对青少年儿童的危害[13]。镉元素的达标率为83.03%,不达标主要集中在夏季，镉主要来源于电镀行业以及石油、燃煤的燃烧以及汽车轮胎的摩擦[14]。镉进入机体后可导致肝、肾、睾丸等多器官急性或慢性损伤，甚至发生癌变[15],提示政府应该重视并加大措施治理大气砷、镉污染。
通过EPA推荐的健康风险评价模型评价了砷等元素经呼吸途径的人群健康风险评价，各人群，各季节砷、镉、铬、铅、锰、镍、汞、锑和硒的HQ值和总HI值均<1,与北京、南宁等多地区[16-17]的监测结果相同，表示上述元素的非致癌风险均较低或可忽略，与致癌元素砷、镉、铬和镍的ILCR值介于3.63×10-07～2.58×10-05之间，砷和铬元素在部分人群中>1.00×10-05,对人群健康潜在风险较高，与我国北方多地的监测结果较为接近[18]。各元素成ILCR值成年男性>成年女性>儿童青少年，表明成年男性的健康风险相对较高，原因可能与成人体重、每日空气呼吸量、污染物暴露持续时间等相对青少年和儿童较高有关；儿童虽然对污染物敏感，但体重最轻，暴露于污染物的时间最短，因此健康风险相对其他人群最低。砷元素ILCR值最高，其次为铬元素，表明砷元素对人群的健康风险相对较高，其次为铬元素，砷和铬应用广泛，主要来自工业排放[19],因此应当重点针对此类金属来源进行整治，加强职业卫生管理工作。各元素冬季ILCR值最高，其次为春秋季，夏季最低，表明冬季金属元素对人群的健康风险相对较高。
研究对西安市大气PM2.5中金属和类金属元素的健康风险进行了初步评价，为进一步制定相关防控措施和开展环境风险管理提供数组参考，研究环境空气PM2.5中金属元素的浓度随时间变化而变化，以年平均浓度计算，存在一定的不确定性。直接使用环境空气监测数据计算终身暴露量，未考虑室内环境因素；未考虑人体个体因素的差异，导致暴露量存在不确定性。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
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