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        南京市典型地區(qū)大氣多環(huán)芳烴污染特征及健康風(fēng)險評價

        2021-10-22 05:50:40吉貴祥顧杰郭敏吳冠群石利利
        關(guān)鍵詞:六合區(qū)江寧區(qū)氣態(tài)

        吉貴祥,顧杰,郭敏,吳冠群,石利利

        (生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

        多環(huán)芳烴(PAHs)是一類分子中含有2個或2個以上苯環(huán)的碳氫化合物,主要來源于化石燃料和生物質(zhì)燃料的不完全燃燒[1]。PAHs在環(huán)境中的含量雖然是微量的,但由于其穩(wěn)定性和生物累積性,能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生潛在危害。在美國環(huán)保署(EPA)公布的16種優(yōu)先控制PAHs中(萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚苯[1,2,3-cd]芘、二苯并[a, n]蒽、苯并[g,h,i]苝),苯并[a]芘(B[a]P)、苯并[a]蒽、二苯并[a, n]蒽等對人體和生物體具有致癌、致畸和致突變作用。流行病學(xué)研究已證實,PAHs可通過皮膚、呼吸道和消化道進入人體,有誘發(fā)皮膚癌、肺癌、直腸癌、胃癌、膀胱癌、乳腺癌等作用。國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)將B[a]P歸為I類致癌物[2-5],二苯并[a, n]蒽為2A類致癌物,萘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽和茚苯[1,2,3-cd]芘為2B類致癌物。焦化廠、 煉鐵廠、 煉鋁廠工人肺癌患病率的顯著增高,與接觸高濃度的PAHs密切相關(guān)[6]。我國云南省宣威縣由于室內(nèi)燃燒煙煤,室內(nèi)空氣中PAHs污染嚴重,成為肺癌高發(fā)區(qū)[7-8]。

        城市已經(jīng)成為人類生產(chǎn)生活的主要場所,人類通過工業(yè)和民用燃煤、機動車排放、垃圾焚燒等人為活動向城市環(huán)境中排放了大量的PAHs。PAHs是半揮發(fā)性污染物,大氣則是人體暴露于PAHs污染的重要媒介。Menichini[9]評價了全球約60個城市空氣中PAHs 濃度,其代表物B[a]P 的質(zhì)量濃度如下:歐洲1~20 ng/m3,美國約1 ng/m3,北美及南美洲、澳大利亞0.1~1.0 ng/m3,日本 1~10 ng/m3。而我國的調(diào)查顯示:南京、武漢、太原、石家莊、唐山等城市均有不同程度超標(biāo)[10-11]。南京作為長江三角洲地區(qū)重要核心經(jīng)濟區(qū)之一,近年來城市迅速擴展,工業(yè)經(jīng)濟高速發(fā)展。隨著機動車總量和道路車流量持續(xù)快速增長,能源與化石燃料消耗不斷增加,且城市垃圾焚燒站不斷增加,使得南京市大氣中細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)的污染越來越嚴重,尤其是顆粒物中的有機污染物對人體健康危害極大。李秋歌等[12]研究結(jié)果顯示,2001—2005 年南京市大氣氣溶膠PAHs污染呈加重的趨勢,最高值達291.67 ng/m3。

        現(xiàn)監(jiān)測分析了南京市2個典型區(qū)域大氣PAHs 的濃度,利用比值判斷法對PAHs的來源進行初步解析,并運用健康風(fēng)險評價模型對2個區(qū)域的人群進行了健康風(fēng)險評價。研究結(jié)果對于加強南京市的大氣污染評價,制定環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),保障生態(tài)安全和人體健康具有重要的現(xiàn)實意義。

        1 研究方法

        1.1 研究區(qū)域和采樣點位

        選擇南京市六合區(qū)大廠街道和江寧區(qū)東山街道作為代表性地區(qū)。六合區(qū)是江蘇省會南京市北大門,南靠長江,也是南京市化工企業(yè)集中區(qū)。六合區(qū)大廠街道集中了南京鋼鐵聯(lián)合有限公司、中國石化集團南京化學(xué)工業(yè)有限公司、中國石化揚子石油化工有限公司、南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司、華能國際電力股份有限公司等一批冶金、能源、化工大型企業(yè),大氣污染物排放量較大。江寧區(qū)東山街道位于六合區(qū)大廠街道東南方28 km處(為主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向),轄區(qū)內(nèi)無重污染企業(yè)。分別在六合區(qū)大廠街道和江寧區(qū)東山街道人群聚集居住區(qū)設(shè)置4個和2個采樣點。

        1.2 樣品采集和保存

        選取一年中2個典型季節(jié)(秋季:2016年9月;冬季:2016年12月)采集大氣樣品。采用中流量采樣器(國技儀器AMEM,ADS-2062)放在無障礙物的區(qū)間,用石英纖維濾膜捕集大氣中PM10,用聚氨酯泡沫(PUF)吸附芯吸附氣態(tài)物質(zhì)。以 0.1 m3/min采樣流量,每天采集20 h以上,每個季節(jié)連續(xù)采集5 d。記錄采樣點的準(zhǔn)確地理位置,采樣條件 (采樣日期、樣品名稱),氣象條件(如溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、壓力)和采樣體積等。樣品采集后于-20 ℃低溫保存,并在一周內(nèi)完成處理和分析。

        采樣前將石英纖維濾膜在馬福爐中于400 ℃加熱5 h以上,冷卻后用鋁箔包好放置于-18 ℃ 的冰箱冷藏。PUF使用前用蒸餾水清洗,瀝干水分后用丙酮清洗3次,放入索氏提取器,依次用丙酮回流提取16 h,乙醚/正己烷(V∶V=1∶9)提取液回流提取16 h,更換 2~3 次乙醚/正己烷提取液回流,每次回流提取 16 h。然后取出,將溶劑揮干用鋁箔包好于-18 ℃ 的冰箱冷藏備用。

        1.3 樣品分析

        選用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司,7890A-5975C)對樣品進行定量分析,色譜柱為DB-5MS 毛細柱 (30 m×0.25 mm×0.25 μm),載氣為高純氦氣(99.999%)。(1)氣相色譜條件。進樣口溫度:280°C;程序升溫:70°C保持2 min,10°C/min到320°C保持5.5 min;載氣:氦氣,流量:1.0 mL/min;進樣量:1.0 μL。(2)質(zhì)譜條件。離子源:EI源;離子源溫度:230°C;離子化能量:70 eV;掃描方式:選擇離子掃描;溶劑延遲3 min;傳輸線溫度:280°C。采用內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法進行定量分析。

        1.4 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

        采樣和分析過程中,每批樣品均進行1個試劑空白,1 次實驗空白和1次空白加標(biāo)分析。實驗室分析結(jié)果表明,16種 PAHs 的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好,相關(guān)系數(shù)≥0.995;空白加標(biāo)回收率控制在80.7%~117.2%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為6.09%~20.7%;樣品定量限為 0.6~1.3 ng/m3。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 大氣PAHs 污染特征

        2016年南京市典型地區(qū)大氣PAHs質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果見表1。秋季,六合區(qū)和江寧區(qū)大氣氣態(tài)16種PAHs平均質(zhì)量濃度分別為440和421 ng/m3;冬季,六合區(qū)和江寧區(qū)大氣氣態(tài)16種PAHs平均質(zhì)量濃度分別為1 322和827 ng/m3,六合區(qū)大氣PAHs濃度明顯高于江寧區(qū),為江寧區(qū)的1.6倍。在秋季,六合區(qū)和江寧區(qū)大氣顆粒態(tài)(PM10)中16種PAHs平均質(zhì)量濃度分別18.8和17.7 ng/m3;冬季,六合區(qū)和江寧區(qū)PM10中16種PAHs平均質(zhì)量濃度分別為47.8和44.2 ng/m3,2個地區(qū)大氣PM10中PAHs的濃度無顯著差別。

        表1 2016年南京市典型地區(qū)大氣PAHs質(zhì)量濃度 ng/m3

        冬季大氣氣態(tài)和PM10中PAHs質(zhì)量濃度顯著高于秋季,呈典型的季節(jié)變化特征。南京市四季分明且溫差較大,秋季氣象條件良好,污染物可以得到有效擴散和沉降,所以秋季 PAHs 的污染水平較低;冬季溫度低、氣壓高,頻繁出現(xiàn)逆溫等不利于污染物擴散的氣象條件,大氣穩(wěn)定度較高,阻礙了大氣污染物的擴散,造成污染物的局地積累形成重污染,導(dǎo)致冬季 PAHs 的質(zhì)量濃度較高。

        目前,已有大量關(guān)于中國城市大氣中PAHs 污染情況的報道,例如長春市夏季PM2.5中PAHs質(zhì)量濃度為19.28~79.42 ng/m3[13],大連市氣態(tài)和顆粒態(tài)中PAHs質(zhì)量濃度為29.4~413 ng/m3[14],徐州市PM2.5中PAHs質(zhì)量濃度為0.85~94.82 ng/m3[15],廣州市PM2.5中16種PAHs年均值為5.363 ng/m3[16],南京市PM10中PAHs范圍為11.03~53.56 ng/m3,唐山市冬季PM2.5中PAHs月均值為229.50 ng/m3[17],東北3省(遼寧、吉林、黑龍江)大氣顆粒物中14種PAHs質(zhì)量濃度為16.3~712.1 ng/m3[18]。北京冬季霧霾期大氣氣態(tài)和顆粒態(tài)中PAHs質(zhì)量濃度分別為585和705 ng/m3[19],杭州冬季灰霾日氣態(tài)和PM2.5中的PAHs平均質(zhì)量濃度為515.9和14.98 ng/m3[20]。而這些研究結(jié)果由于采樣時間、季節(jié)、地點以及采樣介質(zhì)(氣態(tài)和/或顆粒態(tài))等方面的差異,使得即使是同一城市所報道的大氣中PAHs的濃度也有所不同。

        圖1 2016年南京市典型地區(qū)大氣中不同環(huán)數(shù)PAHs組成特征

        2.2 大氣PAHs 來源解析

        大氣中PAHs的組成受各種因素的影響,比值法認為,燃料種類和燃燒條件的不同,會導(dǎo)致生成的PAHs組成和相對含量都不同,因此,可以根據(jù)它們的比值高低識別污染源。傅家謨等[21]提出熒蒽(Flu)和芘(Pys)的含量比值可用作化石燃料燃燒類型的判別指標(biāo),比值接近于1.40和1.0分別代表煤型和油型燃燒。

        2016年南京市典型地區(qū)環(huán)境空氣中ρ(Flu)和ρ(Pys)的比值見表2。六合區(qū)ρ(Flu)/ρ(Pys)無論在冬季還是秋季都是接近于1.40,代表其主要為煤型燃燒;而江寧區(qū)ρ(Flu)/ρ(Pys)在秋季和冬季均接近1.0,代表其主要為油型燃燒,即交通污染為主。此外,六合區(qū)和江寧區(qū)在冬季,該比值均有所提高,提示冬季煤型燃燒的比例有所增加。六合區(qū)是南京市的主要工業(yè)區(qū),區(qū)域內(nèi)集中了一批冶金、能源、化工等大型企業(yè),煤炭使用量大,煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的PAHs隨著煙塵被排放到大氣中,因此六合區(qū)的PAHs污染以燃煤污染為主。江寧區(qū)東山街道轄區(qū)內(nèi)主要為污染較輕的高新技術(shù)企業(yè),區(qū)域內(nèi)PAHs污染以汽車尾氣排放為主。

        表2 2016年南京市典型地區(qū)環(huán)境空氣中Flu和Pys的比值

        2.3 大氣PAHs暴露的健康風(fēng)險評估

        由于不同種類PAHs的毒性各不相同,總PAHs濃度并不足以表示總PAHs的毒性。毒性等效因子TEFs(Toxic Equivalency Factors)的發(fā)展和應(yīng)用為定量評價樣品中PAHs混合物致癌性風(fēng)險提供了依據(jù)。將B[a]P的毒性視為1,定義其他PAHs的毒性相對于B[a]P的系數(shù),即毒性等效因子。利用這一因子計算其他PAHs相對于B[a]P的毒性數(shù)值,即可得到“B[a]P毒性等效濃度”。本研究借鑒了Nisbeth和Lagoy所提出的毒性等效因子[22],計算2016年南京典型地區(qū)大氣中16種PAHs的B[a]P毒性等效濃度,結(jié)果見表3。六合區(qū)和江寧區(qū)大氣(氣態(tài)和PM10)中16種PAHs平均質(zhì)量濃度(秋季和冬季平均值)分別為914.82和712.27 ng/m3,六合區(qū)大氣PAHs污染水平高于江寧區(qū),但B[a]P毒性等效濃度江寧區(qū)反而高于六合區(qū),其濃度分別為309.84和274.1 ng/m3,其原因有待進一步分析。

        表3 大氣中PAHs質(zhì)量濃度和B[a]P毒性等效濃度 ng/m3

        IARC將B[a]P分類為Ⅰ類致癌物,采用無閾化合物健康危險度評價模型來計算其致癌風(fēng)險,計算公式見式(1):

        CRinh=LADDinh×SFi

        (1)

        式中:CRinh——吸入暴露途徑的超額致癌風(fēng)險,無量綱;LADDinh——吸入途徑污染物的致癌終生日均暴露量,mg/(kg·d);SFi——呼吸吸入致癌斜率因子,[mg/(kg·d)]-1。

        EPA綜合風(fēng)險信息系統(tǒng)(IRIS) 提供的B[a]P的IUR(呼吸吸入單位致癌因子)為 6×10-4(μg/m3)-1,SFi和LADDinh計算公式見式(2)和式(3):

        (2)

        式中:IRa——人體每日空氣呼吸量,m3/d;BW——人體體重,kg。

        (3)

        式中:EF——暴露頻率,d/a,通常為350 d/a;ED——暴露期,a,通常為24 a;AT——致癌效應(yīng)平均時間,通常為27 740 d;C——大氣污染物質(zhì)量濃度,mg/m3,六合區(qū)為2.74×10-4mg/m3,江寧區(qū)為3.10×10-4mg/m3。

        根據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2019),中國成人IRa和BW平均值分別為14.5 m3/d和61.8 kg,計算得到B[a]P的SFi為2.56 [mg/(kg·d)]-1,六合區(qū)和江寧區(qū)人群通過大氣吸入PAHs的超額致癌風(fēng)險分別為5.17×10-5和5.85×10-5。參照致癌風(fēng)險閾值10-6的水平,六合區(qū)和江寧區(qū)人群吸入PAHs的致癌風(fēng)險均超過了可接受水平。

        3 結(jié)論

        (1)南京市工業(yè)區(qū)(六合區(qū))和生活區(qū)(江寧區(qū))大氣(氣態(tài)和可吸入顆粒態(tài))中16種PAHs的質(zhì)量濃度分別為914.82和712.27 ng/m3,B[a]P毒性等效濃度分別為274.1和309.84 ng/m3;大氣 PAHs 污染水平具有典型的季節(jié)變化特征,冬季污染水平高于秋季。

        (2)PM10中PAHs組成以稠環(huán)為主,而秋季氣相中低環(huán)的PAHs占比較大;源解析結(jié)果表明,燃煤污染是六合區(qū)PAHs污染主要來源,而江寧區(qū)主要表現(xiàn)為交通污染。

        (3)健康風(fēng)險評價結(jié)果表明,六合區(qū)和江寧區(qū)人群通過大氣吸入PAHs的超額致癌風(fēng)險分別為5.17×10-5和5.85×10-5,均略高于可接受的水平10-6。

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