成都市雙流區(qū)大氣中TSP及重金屬污染分析*

楊貴宇，寧 靜，李益華

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

大氣總懸浮顆粒物(total suspended particulates，TSP)是指環(huán)境中空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤100 μm的顆粒物。大氣中懸浮顆粒物的存在不僅降低能見(jiàn)度[1]，更會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生潛在威脅。TSP中的重金屬元素具有生物富集性，會(huì)沿著食物鏈不斷轉(zhuǎn)移、富集，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-4]。成都位于四川盆地西部，風(fēng)速低、日照少、濕度大，極不利于大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散，成為國(guó)內(nèi)霾嚴(yán)重的城市之一[5-6]。成都市2016年肺癌發(fā)病率和死亡率分別為61.53/10萬(wàn)和54.29/10萬(wàn)，發(fā)病率和死亡率均居惡性腫瘤第一位，而肺癌的發(fā)病和死亡均受到大氣懸浮顆粒物的影響[7-8]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

儀器：TH-150C智能中流量采樣器(配TSP切割器)，武漢天虹；5B-1(V8)消解儀，上海連華實(shí)業(yè)有限公司；Finnigan LCQ電感耦合-等離子質(zhì)譜儀，美國(guó)熱電；AR224CN萬(wàn)分之一天平，奧豪斯。

試劑：硝酸(優(yōu)級(jí)純)；鹽酸(優(yōu)級(jí)純)；玻璃纖維濾膜(φ90 mm)，武漢天虹；重金屬標(biāo)準(zhǔn)樣品，國(guó)標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司。

1.2 樣品采集

實(shí)驗(yàn)采樣地點(diǎn)位于成都市雙流區(qū)，采樣點(diǎn)坐標(biāo)為北緯30°34’，東經(jīng)103°58’，采樣高度為30 m，采樣點(diǎn)周圍人為干擾較小，周圍空曠，每次連續(xù)采樣12 h(采樣體積為60 m3)，共采集有效樣品38個(gè)樣品。采集時(shí)段為3-5月(春季)。

1.3 大氣總懸浮顆粒物的測(cè)定

將采集樣品的玻璃纖維濾膜置于25 ℃烘箱中干燥24 h，對(duì)比玻璃纖維濾膜烘干前后的質(zhì)量差計(jì)算環(huán)境空氣中的TSP濃度。

1.4 重金屬的測(cè)定

大氣總懸浮顆粒物中重金屬的測(cè)定參考《空氣和廢氣顆粒物中鉛等金屬元素的測(cè)定電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ657-2013)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。采用電熱板消解，100 ℃加熱回流2.0 h。冷卻至室溫后，用超純水定容至50 mL待測(cè)。采用電感耦合-等離子體質(zhì)譜儀分析總懸浮顆粒物中6種重金屬V、Cr、Mn、Ni、As、Cd的濃度，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)美國(guó)環(huán)保署(EPA)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)TSP中的重金屬呼吸暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，日均暴露劑量計(jì)算公式如下：

(3)

式中，ADD(Average Daily Dose)為某元素每日暴露劑量，mg·(kg·d)-1；c為空氣中金屬元素質(zhì)量濃度，mg·m-3；IR為呼吸速率，m3·d-1；EF為暴露頻率，d·a-1；ED為暴露年限，a；BW為體重，kg；AT為平均暴露時(shí)間，d。

非致癌風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)式(4)計(jì)算，致癌風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)式(5)計(jì)算:

HQ=ADD/RfD

(4)

ILCR=ADD×SF

(5)

HQ為某重金屬元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)(Hazard Quotient)；RfD為參考劑量(Reference Dose)，mg·(kg·d)-1。ILCR為某元素的終生增量致癌風(fēng)險(xiǎn)(Incremental Lifetime Cancer Risk)；SF為致癌斜率因子(Slope Factor)，[mg·(kg·d)-1]-1。參考劑量(RfD)和致癌系數(shù)(SF)取自美國(guó)EPA的推薦值[9]，暴露參數(shù)取值參考現(xiàn)有研究[10-13]和《中國(guó)人群暴露參數(shù)手冊(cè)》[14]。

當(dāng)HQ>1時(shí)，說(shuō)明該元素在人體內(nèi)存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)HQ≤1時(shí)，說(shuō)明該元素的非致癌風(fēng)險(xiǎn)較小或可以忽略。當(dāng)ILCR<10-6時(shí)，認(rèn)為不存在致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)10-4≤ILCR≤10-6時(shí)，認(rèn)為該物質(zhì)存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)ILCR>10-4時(shí)，認(rèn)為該物質(zhì)存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 TSP濃度分析

根據(jù)采樣前后玻璃纖維濾膜質(zhì)量的增量及采樣體積來(lái)計(jì)算大氣中TSP的質(zhì)量濃度，結(jié)果見(jiàn)圖1。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中規(guī)定的TSP標(biāo)準(zhǔn)限值，年均一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為80 μg·m-3，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為200 μg·m-3。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，該研究區(qū)年均TSP濃度為162 μg·m-3，低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖1 TSP濃度隨時(shí)間的變化

圖中每一段連續(xù)的線段代表一個(gè)連續(xù)的采樣區(qū)間。樣品采集中，3月24日至3月26日持續(xù)三個(gè)陰天、4月4日至4月8日持續(xù)四個(gè)晴天，4月16至4月18日持續(xù)三個(gè)陰天，三個(gè)階段均未出現(xiàn)降雨天氣，在三個(gè)時(shí)間段內(nèi)TSP濃度均呈逐日遞增趨勢(shì)。在4月9日和4月19日出現(xiàn)降雨天氣，經(jīng)過(guò)短暫的降雨，TSP濃度明顯轉(zhuǎn)折降低。上述現(xiàn)象說(shuō)明降雨對(duì)TSP濃度有很大影響，降水能夠攜帶空氣中懸浮的顆粒物到地面，從而顯著降低空氣中懸浮顆粒物的濃度。在4月25日、5月9日和5月30日的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，TSP濃度有略微的下降。該結(jié)果與其他研究成果相似[15-16]。

2.2 重金屬元素的污染特征

使用電感耦合-等離子體質(zhì)譜儀檢測(cè)TSP樣品中六種重金屬的質(zhì)量濃度，結(jié)果見(jiàn)圖2。各元素的平均濃度由大到小排列分別為：Mn(9.53×10-5mg·m-3)>As(1.79×10-5mg·m-3)>Cr(1.60×10-5mg·m-3)>V(7.5×10-6mg·m-3)>Ni(5.7×10-6mg·m-3)>Cd(2.6×10-6mg·m-3)。采樣3個(gè)月期間，3月份和4月份風(fēng)向以北風(fēng)為主；而5月份風(fēng)向以南風(fēng)為主，且降水較多。分析測(cè)試結(jié)果表明，3月和4月重金屬質(zhì)量濃度維持在較高水平，五月下旬各重金屬濃度有顯著降低。結(jié)合采樣日前后氣象狀況分析可知：降雨會(huì)使重金屬濃度下降，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)各個(gè)重金屬濃度都有顯著下降。原因可能是降水能有效消除空氣中的TSP，而采樣點(diǎn)位于成都市西南地區(qū)，北風(fēng)天氣下會(huì)把成都市中心的由汽車尾氣[17-18]、垃圾焚燒[19]等排放的污染物質(zhì)吹到郊區(qū)，使重金屬濃度偏高；南方向主要為郊區(qū)，污染源較少，故對(duì)空氣中的污染物濃度起到稀釋作用。3月25日～4月8日和5月10日～5月17日，各重金屬濃度出現(xiàn)顯著的高峰，在此時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)向由西北風(fēng)為主導(dǎo)，故TSP中重金屬有可能來(lái)自西北部的工業(yè)區(qū)。

圖2 TSP中重金屬濃度隨時(shí)間的變化

2.4 TSP中重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)TSP由呼吸途徑暴露產(chǎn)生的非致癌和致癌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，V的HQ值小于1，非致癌水平在可接受范圍內(nèi)，Mn的HQ值達(dá)到35，具有較大的非致癌風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，長(zhǎng)期暴露于高濃度Mn的環(huán)境會(huì)對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)造成影響[20]。Cd對(duì)于兒童和Ni對(duì)于所有人群的致癌風(fēng)險(xiǎn)較小或可忽略。As和Cr對(duì)所有人群的ILCR均超過(guò)美國(guó)環(huán)保署推薦的可接受風(fēng)險(xiǎn)閾值(10-6)，具有明顯的致癌效應(yīng)。

圖3 重金屬元素對(duì)各人群的健康風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié) 論

(1)2019年春季成都市雙流區(qū)TSP濃度范圍為162±82 μg·m-3，年均質(zhì)量濃度低于國(guó)家年均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)天氣狀況為降雨或南西風(fēng)時(shí)，TSP濃度會(huì)顯著下降。

(2)在空氣中常見(jiàn)的幾種重金屬測(cè)試中，其質(zhì)量濃度排序?yàn)椋篗n>As>Cr>V>Ni>Cd。

(3)TSP中V和Ni對(duì)所有人群均無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。Mn具有較大的非致癌風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期暴露可能會(huì)影響神經(jīng)系統(tǒng)。As和Cr對(duì)所有人群具有致癌效應(yīng)，Cd僅對(duì)成人具有致癌效應(yīng)。