黑碳氣溶膠的污染特征及健康風(fēng)險評價
——以石家莊市南郊為例

杜偉凱，江崎正，肖雨霄，劉思宇，段二紅，李雙江，肖捷穎

(河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050000)

0 引 言

黑碳(BC)氣溶膠占大氣氣溶膠質(zhì)量濃度的比例可高達5%～15%[1-3]，由化石燃料和生物質(zhì)燃料等含碳物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)生，是典型的一次氣溶膠[4]。BC吸收可見光，可導(dǎo)致大氣能見度降低[5]，在BC大規(guī)模排放期易造成大氣能見度的迅速下降[6]，大氣中的BC可以通過吸收太陽輻射直接影響氣候，或與大氣中的水蒸氣相互作用，通過影響云的形成間接影響區(qū)域氣候[7]。BC表面具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，易吸附多種有毒有害物質(zhì)，同時BC氣溶膠由于多具有納米尺度，易穿透人體的肺組織，對健康造成嚴重影響[8]。2010～2013年姚青[9]等人對天津城區(qū)BC進行來源分析與健康風(fēng)險評價，發(fā)現(xiàn)天津城區(qū)各季節(jié)成人和兒童的致癌風(fēng)險(CR)均高于EPA給定的可接受風(fēng)險水平(10-6)，而非致癌風(fēng)險水平較低。2010年，國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)將黑碳列為2B類致癌物。Janssen等[10]通過BC濃度與死亡率之間的關(guān)系進行Meta分析，發(fā)現(xiàn)其不良健康反應(yīng)強于PM2.5和PM10。國內(nèi)開展BC的健康效應(yīng)研究起步較晚[11-12]，對于從致癌風(fēng)險、非致癌風(fēng)險等方面系統(tǒng)研究BC的健康風(fēng)險的研究有待深入。鑒于石家莊地區(qū)大氣BC健康風(fēng)險尚不清楚，故本研究采用2018年8月～2021年4月的連續(xù)在線觀測數(shù)據(jù)，通過對研究期間長時間序列及四季BC濃度的對比，分析石家莊市南郊BC濃度差異及健康風(fēng)險，同時按不同性別、年齡和勞動強度進行疫情發(fā)生前后的健康風(fēng)險評價，為城市BC氣溶膠污染治理和公共衛(wèi)生管理提供技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點介紹

監(jiān)測點位于河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院樓頂(河北省石家莊市裕華區(qū)，114°31′10″E，37°58′27″N)，四周空曠，距地面高度約20 m，距離東邊裕翔街約500 m，西邊建設(shè)大街約為1 km，西南方向有一發(fā)電廠距學(xué)校3 km，東北方向的南郊客運站距學(xué)校3 km。

1.2 監(jiān)測時間及數(shù)據(jù)來源

監(jiān)測時間為2018年8月～2021年4月。監(jiān)測儀器為美國MetOne BC1054黑碳監(jiān)測儀，該儀器為十波段監(jiān)測，可自動測量并記錄BC對370～950 nm的十波段光的吸收情況。根據(jù)測量結(jié)果可以確定BC光吸收系數(shù)及質(zhì)量濃度。采樣管PM2.5切割頭需進行周期性清理。本研究采用880 nm 波長的測量結(jié)果作為BC質(zhì)量濃度，將數(shù)據(jù)進行小時平均處理。

1.3 健康風(fēng)險評價方法

健康風(fēng)險評價是將環(huán)境污染與人體健康建立聯(lián)系，定量描述人體暴露于污染物中受到危害的風(fēng)險[15]。應(yīng)用美國EPA(Environmental Protection Agency)人體健康風(fēng)險評價方法[16],采用針對特定場所吸入途徑污染物的健康風(fēng)險評價方法(EPA-540-R-070-002)[16]進行BC的人群健康風(fēng)險評價。

BC的健康風(fēng)險可分為致癌性和非致癌性。一般假設(shè)BC可連續(xù)70 a致癌，而可接受的風(fēng)險水平為10-6[12]。BC的致癌風(fēng)險評價公式如下

CR=CDI×CSF

(1)

式(1)中：CR為終生致癌風(fēng)險，無量綱；CSF為癌癥斜率因子，為了評估暴露于不同水平的環(huán)境BC的健康風(fēng)險，采用柴油尾氣顆粒物代替BC，1.1 (kg·d)/mg作為BC的CSF[12]。

BC的非致癌風(fēng)險可采用下式獲得：

HQ=CDI/RfC

(2)

式(2)中：HQ為危害商，無量綱；RfC為參考濃度，為了評估暴露于不同水平的環(huán)境BC的健康風(fēng)險，5 μg/m3作為BC的RfC[13]，數(shù)據(jù)來源于1998年OEHHA(Office of Environmental Health Hazard Assessment)報告。

公式(1)和(2)中日平均攝入量(CDI)計算公式如下：

CDI=C×IR×EF×ED/(BW×AT)

(3)

式(3)中：CDI為日平均攝入量，mg/(kg·d)；C為BC環(huán)境濃度，mg/m3；IR為吸入率，m3/d；EF為暴露頻率，d/a；ED為暴露時間，a；BW為體重，kg；AT為平均時間，d。根據(jù)相關(guān)研究[14]，IR取7.6 m3/d(兒童)、16.6 m3/d(成人男)、13.5 m3/d(成人女)；基于中國人口出行情況，EF取346 d/a；參考EPA數(shù)據(jù)[12]，ED設(shè)定為6 a(兒童)，26 a(成人)。對于致癌風(fēng)險評價，AT=365 d/a×70 a，而非致癌風(fēng)險評價則為AT=365 d/a×ED[15]。BW按照兒童、成人男和成人女分別設(shè)定為15、67.3、57.5 kg[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長時間序列變化趨勢

圖1為BC濃度的長時間序列，平均濃度值為3.03 μg/m3。2018年秋冬季BC濃度值偏高，因為2018年霧霾天氣導(dǎo)致污染事件的發(fā)生，BC濃度值高，2019年秋冬季BC濃度值較2018年偏低，表明大氣環(huán)境治理的成效。2020年1月23日之后BC濃度驟然下降，原因是疫情發(fā)生導(dǎo)致人類活動的減少，且之后春季氣溫回升、供暖需求減弱。到2021年4月6日BC濃度變化幅度相對較小。

圖1 BC濃度時間序列圖Fig.1 Time series diagram of BC concentration

2.2 四季BC濃度的日變化趨勢

圖2為四季BC濃度日變化趨勢，圖3為四季BC平均濃度變化(取1/2標(biāo)準方差作誤差線)。四季BC平均濃度值分別為2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。春、夏、秋季日變化呈雙峰單谷型，其中，春季在6～7時、22～23時出現(xiàn)兩次峰值，14～16時出現(xiàn)谷值；夏季在5～7時、20時左右出現(xiàn)兩次峰值，14～16時出現(xiàn)谷值；秋季在6～8時、21～23時出現(xiàn)兩次峰值，14～15時出現(xiàn)谷值；而冬季則呈雙峰雙谷型，在7～9時、21～22時出現(xiàn)峰值，4～6時、13～15時出現(xiàn)谷值。第一個峰值點按時間出現(xiàn)的順序為夏季、春季、秋季、冬季，其中冬季出現(xiàn)延遲，原因是冬季晝短夜長，導(dǎo)致冬季早晨人類活動的開始時間也較其它季節(jié)晚，同時大氣邊界層發(fā)展晚于其它季節(jié)，污染物較晚擴散。第二個峰值點出現(xiàn)的原因是下午17：00之后出現(xiàn)交通晚高峰、烹飪活動密集、日落后大氣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致污染物累積，出現(xiàn)第二個峰值點，且夏季要早于其它三季2 h。谷值持續(xù)的時間春、夏季要大于秋、冬季，原因是春、夏季太陽輻射增強，湍流運動加強，導(dǎo)致BC濃度較長時間處于較低的水平。冬季第一個谷值點出現(xiàn)的原因是晚間黑碳排放來源較少及風(fēng)的凈化作用。第二個谷值點出現(xiàn)的原因是隨著太陽輻射增強，溫度升高，空氣對流增強。冬季BC第二個峰值點值大于第一個峰值點值，原因是冬季日照時間短，逆溫現(xiàn)象時常發(fā)生，同時風(fēng)速較低，導(dǎo)致白天BC不易擴散，逐漸累積到晚上，此外冬季人類取暖等因素導(dǎo)致晚上的高峰值大于白天。BC濃度峰與谷的差值秋冬季要大于春夏季，主要與各季節(jié)間邊界層高度、大氣擴散能力等不同導(dǎo)致。BC濃度大小一般呈冬季>秋季>春季>夏季的趨勢，原因是冬季開始取暖，距離觀測點2 km處的熱力公司在冬季達到燃煤高峰期及不利氣象條件影響，導(dǎo)致BC濃度偏高。春季常見大風(fēng)天氣，夏季多降雨，有助于BC的清除。

圖2 四季BC濃度的日變化趨勢特征Fig.2 Characteristics of diurnal variation trend of BC concentration in four seasons

圖3 四季BC平均濃度變化Fig.3 The variation of the average concentration of BC in four seasons

2.3 四季BC的健康風(fēng)險評價

根據(jù)健康風(fēng)險評價方法(EPA-540-R-070-002)[16]，計算研究區(qū)域成人男、女性和兒童的致癌風(fēng)險(CR)和非致癌風(fēng)險(HQ)，成人與兒童的CR均高于EPA給定的可接受風(fēng)險水平(10-6)，表明研究區(qū)域BC的致癌風(fēng)險需要引起重視。CR值大小順序為成年男性>成年女性>兒童。一般而言HQ<1表明暴露人群不太可能產(chǎn)生不良的非癌癥影響[11]，本研究中兒童的非致癌風(fēng)險HQ值高于成人，但均未達到閾值。

表1 按性別評價四季的BC健康風(fēng)險

2.4 不同勞動強度BC健康風(fēng)險評價

以2020年1月23日為節(jié)點，疫情發(fā)生前BC濃度均值為4.07 μg/m3，疫情發(fā)生后BC濃度均值為1.94 μg/m3。按勞動強度劃分為輕微活動、中體力活動、重體力活動、極重體力活動進行BC的致癌與非致癌健康風(fēng)險評價，其中，河北省的體重推薦值(BW)為65.1 kg；IR為吸入率，m3/d，具體取值如表2；EF為暴露頻率，取346 d/a；ED為暴露時間，取26 a；對于致癌風(fēng)險評價，AT=365d/a×70a，而非致癌風(fēng)險評價則為AT=365d/a×ED。

從表2發(fā)現(xiàn)，疫情發(fā)生后BC的致癌(CR)與非致癌風(fēng)險(HQ)值均小于疫情發(fā)生前，但疫情發(fā)生后的CR值仍大于EPA給定的可接受風(fēng)險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區(qū)域BC的致癌風(fēng)險不容忽視，其中疫情發(fā)生前后的CR值和HQ值大小均為極重體力活動>重體力活動>中體力活動>輕微活動，但極重體力活動的HQ仍未達到閾值1，表明即使在極重體力活動條件下大氣BC對人群產(chǎn)生非致癌影響也不大。

表2 不同體力活動呼吸量的推薦值[17]及不同勞動強度BC健康風(fēng)險評價

2.5 與其它地區(qū)的對比分析

為明晰石家莊與國內(nèi)其它城市或背景區(qū)域大氣中BC濃度值的差異，表3列出了部分國內(nèi)其它城市的BC質(zhì)量濃度值。通過對比發(fā)現(xiàn)，石家莊區(qū)域的BC濃度排放值處于中等水平，很大程度與2020年初、2021年初兩次疫情有關(guān)，導(dǎo)致BC濃度值低于正常狀態(tài)。四季濃度值與周變紅在寶雞高新區(qū)黑碳氣溶膠特征[24]研究中得到的結(jié)論一致，BC濃度平均值冬季>秋季>春季>夏季。日變化趨勢與張林在南京北郊黑碳氣溶膠[25]研究中結(jié)論相似，早上7:00～9:00達到峰值，在下午的15:00～16:00達到谷值，然后濃度在20:00～21:00 逐漸上升。本文與姚青在天津城區(qū)進行健康風(fēng)險評估[9]一文發(fā)現(xiàn)的各季節(jié)成人和兒童的致癌風(fēng)險(CR)均高于EPA給定的可接受風(fēng)險水平，非致癌風(fēng)險水平較低的結(jié)論相似。

表3 全國其它城市大氣中BC質(zhì)量濃度值

3 結(jié) 論

2018年8月～2021年4月PM2.5中的BC平均濃度值為3.03 μg/m3。四季PM2.5中的BC平均濃度值為2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。其中春、夏、秋季日變化呈雙峰單谷型，而冬季則呈雙峰雙谷型，與源排放強度及大氣擴散條件有關(guān)。

成人與兒童的CR均高于EPA給定的可接受風(fēng)險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區(qū)域BC的致癌風(fēng)險需要引起重視。其中致癌風(fēng)險CR值成年男性>成年女性>兒童。兒童的非致癌風(fēng)險HQ值高于成人，但均未達到該閾值。

以2020年1月23日為節(jié)點，疫情發(fā)生后BC的致癌(CR)與非致癌風(fēng)險(HQ)均小于疫情發(fā)生前，但疫情發(fā)生后的CR值仍大于EPA給定的可接受風(fēng)險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區(qū)域BC的致癌風(fēng)險不容忽視，其中疫情發(fā)生前、后的CR值和HQ值大小均為極重體力活動>重體力活動>中體力活動>輕微活動，但極重體力活動的HQ仍未達到閾值1，表明人群在進行極重體力活動時產(chǎn)生不良的非致癌影響也不大。