上海市中心城區(qū)兒童地表粉塵重金屬健康風(fēng)險評價

上海市中心城區(qū)兒童地表粉塵重金屬健康風(fēng)險評價

由于環(huán)境界面的特殊性，地表徑流已成為包括重金屬在內(nèi)的各種污染物質(zhì)的來源和集合。在一定的動力條件下（風(fēng)力、汽車壓和人類活動）下，灰塵顆粒通過懸浮過程進入大氣，成為危害環(huán)境系統(tǒng)和人類健康的重要環(huán)境介質(zhì)。1999年至2000年，歐盟評估了倫敦、羅馬、哥德的土壤和環(huán)保因素生態(tài)風(fēng)險。1999年至2004年，美國對全國兒童健康分析（nhans）進行了研究，重點是研究室內(nèi)表面徑流負荷對兒童血鉛的影響。2005年，ferrisa等人在非洲羅安達進行了19種土壤和環(huán)保風(fēng)險評估。中國污染的健康風(fēng)險評估起步較晚，主要集中在污染現(xiàn)場。環(huán)境介質(zhì)主要包括土壤、大氣污染物、農(nóng)產(chǎn)品、再生水和飲用水[7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。在研究地表徑流中，考慮到暴露方法不全面或暴露方法的配置和計算方法不一致，存在一些問題。在這種背景下，本研究以上海典型地區(qū)為例，在代表重量為灰塵污染暴露濃度的基礎(chǔ)上，糾正了暴露模型的一些參數(shù)，并研究了評價地表徑流中有機碳污染風(fēng)險的基本方法。為推動我國城市環(huán)境健康評價研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。1材料和方法1.1樣品采集和分析方法由于灰塵污染物累積影響因素較多,為避免一次性采樣時間變化對污染物的影響,本實驗對固定樣點進行了長時間序列采樣,以提高灰塵樣品的代表性.鑒于兒童平時生活區(qū)域主要集中于居民區(qū)、文教區(qū)和公共廣場,選擇華東師范大學(xué)校園、中山北路華東師范大學(xué)路口,虹橋經(jīng)濟開發(fā)區(qū)新世紀廣場和居住區(qū)仙霞新村為采樣點,分別于2005年11月、2006年1月、4月和7月,用塑料鏟和毛刷在固定的路面區(qū)域進行不定期的灰塵樣品采集,共采集樣品48個.重金屬元素采用AANALYST800型原子吸收光譜儀測定,其中Cu、Zn、Ni、Cr及Pb測定采用火焰法,Cd采用石墨爐法.在分析中采用國家標準土壤樣品(GSD-9)進行分析質(zhì)量控制,隨機抽取1個樣品作5次重復(fù)測定,其中Cu、Zn、Pb和Cd相對標準偏差均小于10%,Cr和Ni的相對標準偏差均小于20%.1.2對重金屬暴露的影響根據(jù)地表灰塵在城市地表環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化特征,認為灰塵污染物主要通過以下3種暴露途徑進入人體:經(jīng)手-口途徑直接攝入,皮膚接觸和經(jīng)呼吸系統(tǒng)吸入.所研究的6種重金屬都具有慢性非致癌健康風(fēng)險,Ni、Cr和Cd則同時具有致癌風(fēng)險.由于美國EPA未給出攝入和皮膚接觸致癌暴露量參考值,而只給出了呼吸途徑暴露量參考值,因此,本研究只考慮Ni、Cr和Cd經(jīng)呼吸暴露途徑所導(dǎo)致的致癌風(fēng)險.污染物暴露量以單位時間、單位體重、人體暴露的污染物量[mg/(kg·d)]來表示,不同暴露途徑計算模型如式(1)～式(4)所示.參考美國EPA土壤健康風(fēng)險評價方法,我國場地環(huán)境評價指南,以及相關(guān)國內(nèi)外研究,具體變量取值如表1所示.經(jīng)手-口攝入途徑日平均暴露量(ADDing):吸入途徑日平均暴露量(ADDinh):皮膚接觸日平均暴露量(ADDderm):式(1)～式(3)中:C為灰塵重金屬暴露濃度的95%UCL,mg/kg;ADDing、ADDinh和ADDderm單位均為mg/(kg·d);IngR為經(jīng)手-口攝入的灰塵頻率,mg/d;InhR為呼吸頻率,m3/d;PEF為顆粒物排放因子,m3/kg;ED為暴露年限,a;EF為暴露頻率,d/a;BW為平均體重,kg;AT為非致癌物平均暴露時間,d;CF為轉(zhuǎn)換系數(shù),kg/mg;SA為暴露皮膚表面積,cm2;SL為皮膚黏著度,mg/(cm2·d);ABS為皮膚吸收因子,無量綱.致癌重金屬(Ni、Cr和Cd)吸入途徑終生日平均暴露量(LADDinh):式中:LADDinh為基于人體生命周期的吸入途徑終生日平均暴露量,mg/(kg·d);InhRchild和InhRadult分別為兒童和成人的呼吸頻率,m3/d;EDchild和EDadult分別為兒童和成人的暴露年限,aBWchild和BWchild分別為兒童和成人的平均體重,kg;AT為致癌物的平均暴露時間,d.在暴露量計算中,致癌物和非致癌物的AT取值不同.應(yīng)用式(1)～式(3)計算非致癌物暴露量時,將兒童在特定場地環(huán)境中的平均生活時間ED設(shè)定為6a,則AT為6×365d.而對于具有致癌風(fēng)險的重金屬Ni、Cr和Cd,其LADDinh表示作為單獨個體,兒童和成年的加權(quán)平均暴露量,其可能最大平均暴露時間假定為30a,其中兒童期為6a,24a為成人期,再將暴露量平均到整個生命周期(70a),則公式(4)AT取值為70×365d.因此,公式(1)～公式(3)只需考慮兒童暴露行為參數(shù),但在公式(4)計算LADDinh時,則需要分別考慮兒童和成人2種類型的InhR、ED和BW,表1同時給出了這3種參數(shù)的成人參考值,其余參數(shù)取值均僅限于兒童.部分地表灰塵顆粒物在外力作用下進入大氣,參考有關(guān)兒童環(huán)境行為研究,兒童室外活動直接暴露灰塵污染的EF取值180d/a,兒童皮膚暴露面積參數(shù)應(yīng)用了王喆等的研究結(jié)果,取值為不同季節(jié)暴露皮膚面積平均值1150cm2.部分國內(nèi)研究在計算灰塵污染物呼吸途徑暴露量時,應(yīng)用了實際的灰塵污染物濃度和默認的大氣顆粒物濃度值,作者認為這2個物理量沒有物質(zhì)遷移方面的直接聯(lián)系,無法反映出地表灰塵對周圍大氣環(huán)境的擾動.參考我國場地環(huán)境健康風(fēng)險方法和國外相關(guān)研究,本研究應(yīng)用PEF(表1),默認值為1.36×109m3/kg.PEF來源于美國EPA場地環(huán)境土壤健康風(fēng)險評價方法,表示在風(fēng)力干擾下,污染物在2種不同介質(zhì)中的濃度關(guān)系,即地表灰塵污染物濃度和灰塵被揚起后污染物在大氣中的濃度兩者之間的關(guān)系,PEF廣泛應(yīng)用于污染場地土壤塵呼吸攝入暴露量的計算.1.3非致病性風(fēng)險hq分別考慮污染物每一暴露途徑的致癌效應(yīng)和非致癌效應(yīng),如式(5)～式(8)所示:式(5)～式(8)中:HQ為非致癌風(fēng)險商,表征單種污染物的非致癌風(fēng)險;RfD為參考劑量,mg/(kg·d),表示在單位時間單位體重攝取的不會引起人體不良反應(yīng)的污染物最大量;HI為多污染物多暴露途徑的非致癌總風(fēng)險,當HQ或HI<1時,認為風(fēng)險較小或可以忽略,>1時認為存在非致癌風(fēng)險;斜率系數(shù)(SF)表示人體暴露于一定劑量某種污染物產(chǎn)生致癌效應(yīng)的最大概率,[mg/(kg·d)]-1Risk為污染物致癌風(fēng)險,表示癌癥發(fā)生的概率,通常以一定數(shù)量人口出現(xiàn)癌癥患者的個體數(shù)表示,如Risk在10-6～10-4之間(即每1萬人到100萬人增加1個癌癥患者),就認為該物質(zhì)不具備致癌風(fēng)險[6,17[6,17,18,19,20,21]21].2結(jié)果與討論2.1重金屬含量統(tǒng)計圖1為灰塵重金屬含量頻數(shù)分布.應(yīng)用Origin軟件Shapiro-Wilk法對數(shù)據(jù)進行正態(tài)檢驗,除Cd和Cr偏度系數(shù)近似為0,屬于正態(tài)分布以外,其他重金屬偏度系數(shù)都大于0,數(shù)據(jù)呈正偏態(tài)分布.表2為重金屬含量參數(shù)統(tǒng)計,可以看出,6種重金屬污染較為嚴重,均超出了上海土壤背景值,其中Zn、Pb、Cu和Cd平均值分別是土壤背景值的6～8倍,Cr和Ni超出2～3倍,Zn最大值達到土壤背景值的20倍.2.2地表石灰重金屬暴露計算由表3可以看出,3種途徑重金屬非致癌日均暴露量均為手-口接觸攝入量>皮膚吸收量>吸入灰塵量.說明經(jīng)手-口攝入是兒童地表灰塵暴露風(fēng)險的主要途徑.在6種重金屬中,非致癌重金屬日均暴露量Zn最高,其次為Pb、Cu和Ni,Cr和Cd較低.致癌重金屬Ni暴露量最高,其次為Cr和Cd.國內(nèi)部分有關(guān)地表灰塵重金屬暴露研究采用的暴露模型與本文不一致,因而結(jié)果不具有可比性.Ferreira等在羅安達的研究與本研究采用的暴露計算模型一致,研究結(jié)果具有可比性.考慮到上海與熱帶城市羅安達氣候不同,皮膚接觸途徑暴露模型計算中兒童暴露皮膚取值1150cm2要遠遠低于羅安達研究中應(yīng)用的2800cm2,但由于上?；覊mZn、Cu和Ni濃度高于羅安達,因此其暴露量仍要高出羅安達2倍,其他3種重金屬暴露量則相對較低.2.3不同重金屬暴露風(fēng)險的差異表4列出了6種重金屬不同暴露途徑的RfDSFinh為呼吸途徑暴露的斜率系數(shù).其中只有Ni、Cd和Cr可獲取EPA的RfDinh數(shù)據(jù),Zn、Pb和Cu的RfDinh認為可以等同于其相應(yīng)手-口攝入途徑的RfDing.計算6種重金屬不同暴露途徑非致癌風(fēng)險以及3種重金屬吸入途徑致癌風(fēng)險,結(jié)果如表5和圖2所示.表中HQing、HQinh和HQderm分別為攝入、呼吸和皮膚接觸途徑暴露的非致癌風(fēng)險.將本研究與羅安達研究相比(圖2),可以看出,兩城市重金屬暴露濃度95%UCL值差異較大,上海除Pb和Cd濃度值較低以外,其余4種重金屬都要高于羅安達,其中Ni濃度高出20倍,Cu高出近5倍,Zn和Cr高出2倍,這種重金屬濃度值的差異直接導(dǎo)致了暴露量和健康風(fēng)險的不同.由圖2可見,Zn、Cu、Ni和Cr不同途徑的暴露風(fēng)險上海都要高于羅安達.而Pb和Cd暴露風(fēng)險則低于羅安達,尤其是皮膚接觸途徑風(fēng)險兩城市差異最大,分析其原因,羅安達灰塵Pb和Cd濃度值高于上海,同時由于羅安達地處熱帶,暴露模型中兒童皮膚暴露面積參數(shù)取值為上海的2倍,因此羅安達兒童皮膚接觸灰塵Pb和Cd的健康風(fēng)險高于上海.不同重金屬暴露風(fēng)險的差異在羅安達與上海研究中顯示出一致性,Pb和Cr非致癌風(fēng)險高于其他4種重金屬,Cr致癌風(fēng)險高于Ni和Cd.2.4常用的從釋放氣由于健康風(fēng)險評估涉及眾多方法,需要多方面的信息與數(shù)據(jù),如污染物遷移暴露特定途徑、污染物毒理效應(yīng)、人群行為方式等,眾多復(fù)雜因素使評估過程中存在較大不確定性,選用的數(shù)學(xué)模型往往對真實情況進行簡化后得到,與實際發(fā)生情況存在差異,建議在地表灰塵健康風(fēng)險評價中應(yīng)加強以下幾方面的研究:灰塵污染物負荷:在美國EPA有關(guān)地表灰塵健康風(fēng)險的研究中,將灰塵鉛在單位地表面積的負荷,作為影響兒童血鉛的主要因素,而現(xiàn)有地表灰塵健康風(fēng)險研究多借鑒土壤污染暴露評價方法,只考慮了污染物在地表灰塵中的暴露濃度,卻忽略了灰塵在單位地表的負荷量,而后者也是影響灰塵污染物環(huán)境行為和健康風(fēng)險的重要因素美國EPA提出的大氣污染排放因子(EF)也將路面灰塵負荷作為影響污染物排放的重要因素并定量表示了在包括車流量、車型、重量、行駛路程等交通行為擾動下地表灰塵的起塵量.我國于2008年1月實施的城市揚塵污染防治技術(shù)規(guī)范也明確界定了路面積塵負荷的概念和測量方法.因此,加強灰塵污染物負荷在健康風(fēng)險評價中的應(yīng)用顯得尤為必要.灰塵排放因子:在地表灰塵吸入暴露量計算中,本研究應(yīng)用了顆粒物排放因子(PEF)來表征地表灰塵對大氣環(huán)境的擾動,但實際上考慮到灰塵與土壤顆粒物在濕度、粘合性等方面的差異其再懸浮的強度和頻率要遠遠大于土壤顆粒,因而起塵量更大,而且由于PEF最初應(yīng)用于土壤污染健康風(fēng)險評價,主要考慮土壤顆粒隨風(fēng)力侵蝕而揚起的部分,并沒有考慮由于交通等其他外力擾動帶來的揚塵污染.因此,應(yīng)用PEF默認值可能低估了灰塵污染物吸入途徑的暴露量和健康風(fēng)險.在EPA土壤污染健康風(fēng)險評價方法同時還提出了另外2種顆粒物排放因子PEFsc和PEFoff表示污染地塊在置換過程中由于大量交通行為所引發(fā)的土壤顆粒起塵量,充分考慮到了風(fēng)力和交通行為等多方面的擾動,分別用于評價戶外人員和居民對土壤污染的健康風(fēng)險.污染物生物有效性:在暴露量計算過程中,需要考慮到污染物的生物可利用性這一因素,現(xiàn)階段的研究通常是直接將利用強提取劑提取的污染物的含量(即所謂的總量)作為計算暴露劑量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而不考慮污染物在人體中的生物可利用性,在計算風(fēng)險商的時候往往出現(xiàn)風(fēng)險高估的情況.因此,如何正確地評估污染物的生物有效性以及將它們運用在特定場地的健康風(fēng)險評估中也是一個值得探討的問題.3重金屬暴露途徑和暴露風(fēng)險3.1上海中心城區(qū)文教區(qū)、居民區(qū)和城市廣場等區(qū)域地表灰塵重金屬污染較為嚴重,Zn、Pb、Cu和Cd平均值分別是土壤背景值的6～8倍,Cr和Ni超出2～3倍.3.2重金屬慢性日平均暴露量為手-口接觸攝入量>皮膚吸收量>吸入空氣量,經(jīng)手-口接觸行為攝入是兒童地表灰塵暴露風(fēng)險的主要途徑.3.3重金屬非致癌風(fēng)險順序為Pb>Cr>Ni>Cu>Zn>Cd,低于風(fēng)險閾值,表明不具備非致癌風(fēng)險,3種致癌重金屬致癌風(fēng)險依次為Cr>Ni>Cd也低于癌癥風(fēng)險閾值范圍,表明致癌風(fēng)險較低.由圖2和表5可以看出,6種重金屬