潮州市道路粉塵中重金屬污染特征和健康風險評價

馬潔瓊 藍小龍 林文杰

(韓山師范學院化學與環境工程學院,廣東 潮州 521041)

道路粉塵是一種復雜的環境介質,其中包含風化的路邊土壤、老化路面上的破碎物、有機物、汽車尾氣排放物、輪胎磨損老化后的物質、工業廢氣的沉降累積等[1]?，F如今,城市粉塵污染越來越嚴重,己成為城市固體污染化學定時炸彈的一種類型[2],這種污染是長期的、潛在的,并能與其它污染類型相互轉化。由于道路粉塵的粒徑較小,在外界動態條件下很容易再次揚起,懸浮在大氣中,并被人體通過呼吸道、消化道和皮膚吸收,危害人體健康。漂浮在大氣中的粉塵隨風飄動,繼續擴散到遠方,最后沉積在土壤表面或進入水環境。這種轉化會危害人體健康和動植物的正常生長發育,并破壞土壤中微生物平衡[3]。由于道路粉塵具有普遍存在性,會危害環境和人體健康。

近幾年,關于道路粉塵重金屬污染的研究主要集中在污染特征、來源分析以及風險評價等方面。王君櫹等[4]對南京市不同用地類型的道路粉塵中重金屬含量、空間分布進行了研究。結果表明:重金屬含量在商業區最高,在綠地區最低。梁青芳等[5]采用污染負荷指數法、生態風險指數法和GIS空間分析研究寶雞市各個功能區灰塵重金屬的污染程度及生態風險。結果表明,寶雞市交通區和工業區的生態風險達到很強級別;工業區和交通區處于中度污染水平,其余為輕度污染水平。Hernandez等[6]以墨西哥蒙特雷市為例,研究該市道路粉塵重金屬的來源、污染水平和人類健康風險。結果表明:Zn、Fe來源于汽車磨損,Ba、Cu、Fe、Pb、Zn來源于輪胎磨損,Mo、Ni、Pb、Ti來源于工業源,As來源于自然源;兒童受到鉛污染危害的風險較高。Hou等[7]通過收集已發表的文獻中我國3877個地區街道揚塵中銅、鋅、鎘、鉛的濃度數據,對重金屬的來源以及健康風險進行研究,結果發現交通排放和工業活動為道路粉塵重金屬污染的兩個主要來源;攝食是兒童和成人接觸道路粉塵金屬最主要的途徑,其次是皮膚接觸和呼吸吸入;兒童比成年人更容易受到街道揚塵重金屬污染,因此,在重金屬污染的環境中,兒童應優先得到保護。

近年來,由于潮州市著力打造旅游城市,其城市建設加快,游客數量增多。由汽車交通運輸、工業生產和城市建設等人類活動帶來的重金屬污染,隨著潮州市經濟的快速發展勢必逐漸加劇,將威脅到潮州市市民以及來潮游客的身體健康,甚至破壞潮州市的生態環境。然而針對潮州市道路粉塵的研究還比較匱乏。近年來,研究發現Cr、Cu、Pb、Zn和Ni是道路粉塵中常見的污染元素[8]。為此,研究潮州市道路粉塵重金屬污染顯得尤為重要。本文系統研究了潮州市城市道路粉塵重金屬的污染特征并開展了相關風險評估,為潮州市城市環境的污染防治提供了可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潮州市地處韓江中下游,是廣東省東部沿海的港口城市,陸地面積為3679平方公里。下轄湘橋區、潮安區、楓溪區、饒平縣。屬亞熱帶海洋性季風氣候,氣候溫暖宜人,全年日照和雨量均充足。截止至2018年底,全市常住人口265.66萬人,其中城鎮常住人口173.48萬人。

1.2 樣品采集和制備

本研究選擇潮州市中心湘橋區為采樣區域,在潮州大道兩側區域均勻布置采樣點,共設置15個采樣點。采樣點如圖1和表1所示。

圖1 研究區和采樣地圖

表1 潮州市道路粉塵采樣點

選擇3天以上天氣晴朗的干燥無風天進行現場采樣,避免降水影響粉塵成分。使用自封袋和塑料毛刷在每個采樣點100 m范圍內采集4個粉塵樣品,以四分法混合后裝入自封袋密封保存,質量約為200～300 g。采樣結束后,將所有樣品均勻鋪開于牛皮紙上,自然風干。風干后先過20目篩去除雜質,后用研缽研碎,過200目篩,取篩下物作為試驗樣品。

1.3 樣品處理與測定

道路粉塵重金屬的測定參照國家標準《土壤和沉積物12種金屬元素的測定 王水提取—電感耦合等離子體質譜儀 HJ 803-2016》[9]進行。具體操作步驟為:準確稱取0.500 g樣品于消解管中,加入10 mL王水,在管口處放上玻璃漏斗,置于石墨消解爐上消解4h后,靜置冷卻至室溫,用慢速定量濾紙過濾,收集濾液于50 mL容量瓶中。過濾結束后,用蒸餾水清洗玻璃漏斗、錐形瓶和濾渣3次,洗液過濾收集于50 mL容量瓶中,最后用蒸餾水定容至刻度。采用Ionization Couple Plasma-Atomic Emission Spectrometry(ICP-AES,島津-9820,日本)測定Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的濃度。

1.4 數據處理

運用Excel 2013詳細的統計了潮州市道路粉塵中重金屬Cr、Cu、Pb、Zn、Ni的含量、平均值、標準差、變異系數等;運用SPSS 22.0對從測試中獲得的數據進行相關性分析以及主成分分析;采用污染負荷指數法(PLI)和健康風險評價法評估道路粉塵重金屬污染;運用Origin9.0進行圖表的繪制,Word 2013和Photoshop CS6 13.0 對采樣地圖進行繪制。

1.5 質量保證

本實驗所使用的各種試劑均為優級純,實驗用水為蒸餾水;使用前,所有玻璃儀器均預先使用5%硝酸進行浸泡,后用自來水沖洗,最后用蒸餾水沖洗?？瞻讓嶒灥陀跈z測限;質量控制樣品相對誤差小于9%,相對偏差小于10%。

2 結果與討論

2.1 潮州市道路粉塵中重金屬空間分布特征

潮州市道路粉塵重金屬的含量分布展示在表2中。由表2可得,研究的5種重金屬平均含量大小順序為:Cr>Zn>Pb>Cu>Ni。五種重金屬(Cr、Cu、Pb、Zn、Ni)的平均含量均超過廣東省土壤背景值,分別是背景值的11.98、4.31、3.35、7.59、2.87倍。其中,污染最嚴重的是Cr,是背景值的11.98倍。

表2 潮州市道路粉塵重金屬含量

變異系數可以反映潮州市道路粉塵中重金屬含量的空間差異程度,按照變異系數大小分級標準[10](小變異:0%～15%;中等變異:16%～34%;強變異:≥35%),5種重金屬均為強變異程度。其中,變異程度最大的是Cr,變異系數高達115%,反映出道路粉塵中Cr含量空間分布極不均勻,局部污染嚴重。由表2數據可知,S6(客運中心)Cr污染最嚴重。

潮州市與國內其他城市道路粉塵中重金屬平均含量展示在表3中。對比可知,本研究道路粉塵中Cr的含量明顯高于國內其他城市的含量,表明本研究區Cr污染嚴重;Cu、Pb、Zn、Ni的含量均低于污染嚴重的上海等地;Ni的含量略高于北京;Pb的含量明顯高于南京;Zn的含量明顯高于北京;Cu的含量低于其他城市。綜上所述,同國內其他地區相比,潮州市道路粉塵重金屬Cu、Pb、Zn、Ni的含量處于中等濃度水平,而Cr的含量處于較高濃度水平。

表3 不同城市道路粉塵中重金屬含量

潮州市道路粉塵空間分布不均勻,局部污染嚴重(圖2)。其中,Cr的局部污染最嚴重。有研究結果顯示,Cr元素主要來源于機動車制動器磨損、金屬材料磨損等[11-14]。Cr污染嚴重的采樣點有鳳凰塔、綠榕大廈、高級中學、仙田中學、意溪上津小學。其中,由于鳳凰塔處于交通要道;綠榕大廈位于商業區;高級中學附近有加油站;仙田中學附近有建筑施工,門口大型車輛較多,所以車流量大是導致潮州市道路粉塵Cr污染嚴重的原因。除了Cr,其余四種元素的空間分布情況大致相同。

圖2 潮州市道路粉塵重金屬含量分布圖

2.2 潮州市道路粉塵重金屬來源分析

判斷城市道路粉塵重金屬的來源,有利于從源頭控制道路粉塵重金屬污染。本文運用相關性分析法及主成分分析法分析潮州市道路粉塵重金屬污染的來源。潮州市道路粉塵中重金屬之間的相關性分析結果列舉在表4中。由表中數據可知,潮州市道路粉塵中重金屬Pb、Zn,Cu、Zn,Cu、Ni之間呈顯著性相關(P<0.01);重金屬Zn與Ni之間存在較好的相關性(P<0.05);重金屬Cr僅與Ni存在相關性,而與其他三種重金屬均無顯著性相關。由以上相關性分析結果發現,潮州市道路粉塵中Pb和Zn之間、Cr和Ni之間以及Cu、Zn、Ni之間具有相同的物源。

表4 潮州市道路粉塵重金屬之間的Pearson相關系數

此外,本文進一步對潮州市道路粉塵重金屬含量進行了主成分分析(PCA)(表5)。表中共提取2個主成分因子,可解釋總變量的88.7%。結果顯示:第一主成分(PC1)中,Pb、Zn、Cu、Ni均具有很高的正載荷,共解釋了全部變量的61.7%。從前文的分析結果可知,Pb-Zn、Cu-Zn-Ni這兩組元素組內元素兩兩之間呈顯著正相關關系,說明這幾種元素的來源具有較大的相似性。有研究結果表明,Pb主要來源于汽車尾氣排放,Zn主要來源于汽車輪胎的老化磨損,Cu、Zn來源于汽油、車體的磨損,Ni來源于車體表面的金屬電鍍層中[20-23]。而研究區域位于潮州大道附近,此外,部分采樣點為旅游景點以及學校,車流量較大。綜上所述,說明第一主成分主要代表交通運輸活動的影響。第二主成分(PC2)中,僅有重金屬Cr和Ni具有較高的正載荷,解釋全部變量的27.0%,且Cr僅與Ni之間存在較高的相關性,由此可知,Cr的來源和Ni的來源具有較大的相似性。其中,Cr在第二主成分中的載荷高達0.804,由此看出,PC2主要受到Cr的影響。研究表明,Cr可能主要來源于工業污染源[23-24],五金材料的磨損會產生Cr和Ni,電子、冶金工業以及工業廢料是重金屬Ni、Cr的重要來源之一[13-14]。而采樣區域附近有大小不等的印刷廠、塑膠廠、陶瓷廠等工業,Cr和Ni主要來源于顏料、發動機的磨損等。因此,可以認為第二主成分主要代表工業活動的影響。

表5 重金屬在前兩個主成分上的因子載荷

據以上分析結果可得,交通活動和工業活動的來源占88.7%,是潮州市道路粉塵的主要來源,此外,還存在著一些未知的污染源對道路粉塵中重金屬污染有特殊貢獻,占總量的11.3%。

2.3 潮州市道路粉塵重金屬污染評價

本文選用了污染負荷指數法對潮州市道路粉塵重金屬污染的現狀進行評價。污染負荷指數PLI的計算公式如下:

(1)

表6 污染負荷指數(PLI)分級列表[25]

根據公式(1)計算的潮州市道路粉塵重金屬的污染負荷指數并進行分級,結果如圖3所示。由圖可知,采樣點中40%處于重度污染,13.3%處于中度污染,26.7%處于輕度污染,20%無污染。處于重度污染的采樣點,如市政府、卜蜂蓮花、楓春水果市場、客運中心、鳳凰塔、西湖,由于是旅游景點或生活娛樂區,人流量較多,相對的車流量也較大,所以污染較嚴重。此外,依據各采樣點的PLI值可計算得潮州市道路粉塵PLIzone為2.05,為中度污染水平。

圖3 潮州市道路粉塵重金屬污染負荷指數(PLI)

2.4 潮州市道路粉塵重金屬污染健康風險評價

根據《建設用地土壤污染風險評估技術導則》(HJ 25.3—2019)[26]附錄C計算致癌風險和危害商的推薦模型,以此來評估潮州市居民暴露在道路粉塵重金屬污染中的潛在健康風險。該模型的計算公式如下式2-9,式中參數取值見表7-8。

表7 計算公式中各參數的含義

表8 計算公式中各參數的取值

CRois=OISERca×Csur×SFO

(2)

CRdcs=DCSERca×Csur×SFd

(3)

CRpis=PISERca×Csur×SFi

(4)

CRn=CRois+CRdcs+CRpis

(5)

(6)

(7)

(8)

HIn=HQois+HQdcs+HQpis

(9)

潮州市道路粉塵重金屬對暴露人群產生的健康風險如表9所示。由表9數據可得,除了Cr的HIn>1,其余元素均表現為HIn<1,表明Cr對暴露人群存在非致癌風險。其中,Cr的非致癌性表現在:若人體攝入過量Cr,會損害皮膚,消化系統,呼吸系統,引發各種炎癥。

表9 潮州市道路粉塵中重金屬非致癌風險

根據國際癌癥研究中心對重金屬致癌危險性的分類,確定本研究的5種金屬中Cr和Ni具有致癌風險。若人體攝入過量的Cr和Ni,會誘發肺癌、鼻咽癌等其他癌癥。由表10數據可知,2種重金屬元素對研究區域暴露人群的致癌風險表現為Cr>Ni,表明潮州市道路粉塵中Cr對暴露人群的致癌風險更大。此外,元素Cr的總致癌風險水平大于1×10-6,處于不可接受風險水平。由以上分析結果表明,道路粉塵中Cr的污染對暴露人群有一定的影響。

表10 潮州市道路粉塵中重金屬致癌風險

3 結論

本文對潮州市道路粉塵重金屬含量水平、空間分布、來源解析、污染水平和健康風險進行研究,取得了以下幾點結論:

(1)道路粉塵中重金屬Cu、Pb、Zn、Ni的污染處于中等濃度水平,而Cr的污染處于較高濃度水平。由于部分地區車流量大造成道路粉塵空間分布不均勻。

(2)道路粉塵重金屬主要來源于交通污染,其次是工業污染。

(3)道路粉塵中重金屬Cr對暴露人群存在非致癌風險。研究區域道路粉塵重金屬中Cr的總致癌風險水平大于1×10-6,處于不可接受風險水平。

本文對潮州市城區開展重金屬污染的防治工作、合理規劃重金屬污染企業布局,對涉重金屬企業進行集中管理、以及開展涉重金屬企業的調查工作具有一定的指導意義[27]。