桂西北矿区道路灰尘重金属污染及健康风险评价

韦妮玉　张新英　林善春　陈　平

(1.广西师范学院地理科学与规划学院，南宁　530001；2.广西师范学院环境与生命科学学院，南宁　530001)



桂西北矿区道路灰尘重金属污染及健康风险评价

韦妮玉1张新英2林善春1陈平1

(1.广西师范学院地理科学与规划学院，南宁530001；2.广西师范学院环境与生命科学学院，南宁530001)

以桂西北典型矿区周边村屯为研究区域，采集道路灰尘样品28个，测定重金属Cd、As、Pb、Cu、Zn含量，并应用美国环保署(U.S.EPA)人体暴露风险评价方法，评价人群在吸入、摄食及皮肤接触3种途径下摄入灰尘的健康风险。结果表明，研究区道路灰尘中5种重金属均超出广西土壤环境背景值，其中Cd平均值超出背景值的950倍，其次As、Zn、Pb、Cu分别为347、91、52、25倍。道路灰尘的重金属非致癌总风险，儿童为247.58，成人为34.36，远远超出安全阈值1.0。As的致癌风险为9.29×10-6，存在致癌风险。不同途径重金属慢性每日平均暴露量排序为：手-口摄入途径>皮肤接触途径>呼吸摄入途径。

桂西北矿区；道路灰尘；重金属；健康风险评价

道路灰尘包含了大量路边风化的表层土壤、工业废气积聚沉降的物质、汽车尾气排放物等，是一种复杂的环境介质[1]。Wei和Yang综述我国城市街道灰尘中Cu、Pb、Zn和Cd的平均含量为149.62、238.66、655.94和2.03mg/kg，均高于在土壤中的背景值[2]。秦松对兰州市的研究发现，西固城区街灰尘中Cu、Zn、Pb和Cd的均值分别为75.7、350、111和2.87mg/kg；依次是城郊对照点街道灰尘中相应重金属的2.99、3.38、3.70和1.74倍；主成分分析表明工业活动和交通运输是灰尘中重金属Cu、Zn、Pb、Cd等元素的主要来源[3]。我国桂西北矿区是具有上千年历史的典型矿区，占全国金属矿山的20%。近几十年来，矿产资源开发带来了严重的环境问题。矿区地表灰尘中重金属的含量水平、累积状况以及存在的风险更值得关注。

灰尘颗粒物经再悬浮可进入大气，其中的重金属污染物可通过呼吸吸入、经口摄入和皮肤接触等途径进入人体[4]。道路灰尘在人体中的长期累积可能会对人体造成慢性伤害[5]。道路灰尘的健康风险评价希望通过评价污染物对人体健康造成危害的可能性和大小来指导污染防治决策。本文以美国环保署(U.S.EPA)提出的土壤重金属健康风险评价方法(U.S.EPA，2001)作为基本框架，探讨桂西北典型矿区居民暴露在道路灰尘环境中的潜在健康风险。

1　材料和方法

1.1样品采集与分析

2016年3月，保持晴朗无风的天气下，在南丹县大厂镇、车河镇的各个自然村屯采集道路灰尘2～3个(图1)。每个样点在5～7m2范围内，利用毛刷和塑料铲采集，5个点位的灰尘充分混合为一个样品，共采集样品28份。称取过100目筛的样品0.5g于聚四氟乙烯杯中，采用HNO3-HF-HClO4加热消解。重金属Cd采用火焰原子吸收法，As、Pb、Cu、Zn利用等离子发射光谱法测定。所有样品均做相应的试剂空白和平行样，并以标准物质(GBW07444)进行质量控制。

图1　采样点信息图

1.2环境暴露模型与参数选取

本研究以U.S.EPA提出的土壤健康风险模型为参考，对桂西北矿区居民暴露在道路灰尘的风险评价。由中国环境科学研究院完成的我国第一本暴露参数手册，列出了风险评价参数的推荐值，即最能代表我国人群总体暴露特征的数值，故本研究的暴露参数主要参考我国人群暴露参数手册[6]和美国环境保护署所提出的土壤健康评价标准[7，8]，参数及其含义见表1。本研究的5种重金属对人体都具有慢性的非致癌风险，同时Cd、As具有致癌风险。对于非致癌性效应，ADDing、ADDinh、ADDdemal分别为手-口摄入、呼吸吸入和皮肤接触途径的灰尘颗粒日平均暴露量，计算式为：

(1)

(2)

(3)

对于致癌性效应，由于U.S.EPA只给出呼吸途径暴露量参考值，本研究就将呼吸途径Cd和As致癌风险进行评估。LADDinh表示致癌重金属呼吸途径的终身日平均暴露量，按式(4)计算[9]。

(4)表1　地表灰尘重金属日平均暴露量计算参数含义及其取值

注：95%UCL为平均值的95%置信上限。

1.3健康风险评价

非致癌风险通常用危害商来度量，重金属的致癌风险用风险度(Risk)度量。具体表达如式(5)～(8)所示：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，HQ为非致癌风险商，表示污染物在某一途径的非致癌风险；ADD为污染物在此途径下的非致癌风险量；RfD为该途径的参考剂量，表示在单位时间、单位体重下摄取的污染物最大量不会引起人体的不良反应；HI为污染物在多种暴露途径下总的非致癌风险，当HQ或HI<1时，风险较小或可以忽略，HQ或HI>1时认为存在非致癌风险；斜率系数(SF)表示人体暴露于一定剂量的污染物下产生致癌效应的最大概率；Risk为致癌风险，表征癌症发生的概率，若Risk在10-6～10-4之间(即每1万人到100万人增加1个癌症患者)，认为该物质不具备致癌风险。Cd、As、Pb、Cu、Zn的参考剂量RfD及Cd、As的致癌率因子SF，见表2[10]。

表2　地表灰尘重金属不同暴露途径RfD和SF

2　结果与分析

2.1矿区道路灰尘重金属含量特征

本研究分析灰尘中5种金属元素，包括Cd、As、Pb、Cu 、Zn，平均值分别为：58.67、3912.08、981.40、521.36、4252.10 mg/kg。与Wei和Yang等其他研究相比，矿区道路灰尘的重金属含量远远高于城市街道灰尘中的重金属含量。

采用SPSS19.0对灰尘样品重金属含量进行统计分析(见表3)。灰尘中5种重金属平均含量均超出广西土壤元素背景值，Cd的平均值超出倍数最高，为950倍，其次As为347倍，Zn、Pb、Cu分别为91、52、25倍，表明该研究区灰尘的重金属污染已相当严重，特别Cd元素和As元素的环境污染效应，应该引起重视。

表3　矿区道路灰尘重金属含量特征

注：广西土壤背景值引自李良忠等[11，12]。

2.2重金属元素含量相关性

采用SPSS19.0对灰尘样品不同重金属含量之间的相关性分析(见表4)，结果表明Cd～Pb、Cd～Zn、Cd～As、Pb～Zn、Cu～Zn、As～Zn有很高的相关性，说明它们之间的同源性很高。王济等研究表明[13]，多种重金属元素会伴生于母岩中，重金属污染元素砷和铅、锌显著相关，是因为砷矿石多伴生于锌、铅等的硫化矿物中。例如：沈阳冶炼厂是一个包括铜、铅、锌、制酸等综合性有色金属工厂，但是每年随矿石中带进大量的砷，造成该市砷污染。本研究的5种重金属元素呈很高的相关性，说明道路灰尘的污染源可能来自矿区废气、飘尘等。

表4　道路灰尘中各重金属的相关矩阵

注：*显著性相关(样本数n=28，显著性水平P<0.05)；**极显著性相关(样本数n=28，显著性水平P<0.01)。

2.3矿区道路灰尘暴露剂量

根据暴露模型可计算出重金属在不同暴露途径下的暴露量(见表5)，结果所示，各种重金属非致癌风险暴露剂量排序为As>Zn>Cu>Pb>Cd，与灰尘中重金属总量的排序一致；3种暴露剂量中手-口摄入途径占据主导地位，带来的健康风险最高；儿童在呼吸途径的暴露量略低于成人外，其他两种途径的暴露量高于成人，而且同一暴露途径下儿童的暴露量均高于成人。根据公式(4)计算，发现，致癌重金属呼吸途径的终身日平均暴露量As略高于Cd，但致癌风险暴露剂量都很低。

表5　道路灰尘重金属不同途径暴露剂量

2.4道路灰尘暴露的健康风险

根据公式(5)～(8)计算出重金属元素在不同暴露途径非致癌健康风险值(见表6)，结果表明，手-口直接摄入途径的非致癌风险最高，其次为皮肤接触途径，而且手-口摄入风险远高于后两者。对于儿童群体，非致癌总风险高于成人，非致癌风险危害商值高达247.58，仅由手-口直接接触摄入的非致癌风险危害商值就已达246.10，贡献率为99.4 %，暴露风险最大的是As；元素As、Cu、Pb在同一暴露途径下的非致癌风险危害商值(HQ)均大于安全阈值1.0。成人的非致癌总风险达危害商值为34.36，仅由手-口直接接触摄入的非致癌总风险就达33.24，As的暴露风险最大。所有重金属各途径的叠加风险(HI)远远超过了安全阈值1.0，表明研究区域的灰尘已对群众的身体健康构成危害，特别是As、Cd和Pb元素带来的健康风险，尤其对儿童的身体健康风险很大，应引起高度重视。

表6　不同暴露途径的非致癌健康风险

重金属As、Cd在呼吸吸入途径下对人体的危害程度(见表7)，As元素的致癌风险为9.29×10-6，100万人约增加9个癌症患者，存在致癌风险。Cd的致癌风险值低于致癌风险的量级水平，可认为不具备致癌风险。

表7　呼吸途径致癌风险暴露风险值

3　结　论

(1)道路灰尘中重金属元素含量排序为As>Zn>Cu>Pb>Cd，5种重金属元素的平均值均超出广西土壤环境背景值，其中 Cd超出950倍，其次As为347倍，Zn、Pb、Cu分别为91、52、25倍，表明该研究区灰尘的重金属污染已相当严重，其主要污染因子是Cd和As。

(2)道路灰尘的重金属非致癌总风险，儿童危害商值为247.58，成人为34.36，远远超出安全阈值1.0，仅由手-口直接接触摄入的非致癌总风险儿童为246.10，成人为33.24。表明研究区域的灰尘对群众的身体健康有很高的非致癌风险，特别对儿童的身体健康可能造成危害，手-口摄入途径带来的健康风险最高，所以要注意经常洗手、洗脸，制止儿童允吸手指。

(3)As的致癌风险为9.29×10-6，癌症发生的概率Risk在10-6～10-4之间，存在一定的致癌风险；Cd的致癌风险分别为4.96×10-8，低于癌症风险阈值范围，表明灰尘中Cd尚不致对人体造成致癌危害。元素As是矿区具有最高潜在健康风险的元素。

[1] 常静，刘敏，侯立军，等.城市地表灰尘的概念、污染特征与环境效应[J].应用生态学报，2007，18(15)：1153-1158.

[2]Wei，B and Yang，L.A review of heavy metal contamination in urban soils，urban road dusts and agricultural soil from China[J].Microchemical Journal，2010，93：147-152.

[3]秦松.西固城区街道灰尘重金属含量的分布、来源及质量评价[D].兰州大学，2008.

[4]Kose T，Yamamoto T，Anegawa A，et al.Source analysis for polycyclic aromatic hydrocarbon in road dust and urban runoff using marker compounds[J].Desalination，2008 ，226 (1-3 )：151-159.

[5]唐荣莉，马克明，张育新，等.北京城市道路灰尘重金属污染的健康风险评价[J].环境科学学报，2012，(8)：217-226.

[6]中国环境保护科学研究院.2013.中国人群暴露参数手册[S].北京：中国环境出版社.

[7]U.S.EPA.1996.Soil screening guidance：Technical background document [M].Washington，D.C：Office of solid Waste and Emergency Response.

[8]U.S.EPA.2001.Supplemental guidance for developing soil screening levels for superfund sites [M].Washington，D.C：Office of solid waste and emergency response.4-24.

[9]李如忠，周爱佳，童芳，吴亚东，张萍，喻佳.合肥市城区地表灰尘重金属分布特征及环境健康风险评价[J].环境科学，2011，09：2661-2668.

[10]郭鹏然，雷永乾，周巧丽，等.电镀厂周边环境中重金属分布特征及人体健康暴露风险评价[J].环境科学，2015，09：3447-3456.

[11]李良忠，胡国成，张丽娟，等.矿区家庭灰尘中重金属污染及其潜在生态风险[J].中国环境科学，2015，04：1230-1238.

[12]刘勇.广西某矿区农用地土壤重金属含量分析与污染评价[D].广西师范学院，2012.

[13]王济，张凌云.贵阳市表层土壤重金属污染元素之间的相关分析[J].贵州师范大学学报(自然科学版)，2006，03：33-36.

Health Risk Assessment of Heavy Metals of Street Dust from Northwest Guangxi Mining Area

WEI Ni-yu1ZHANG Xin-ying2LIN Shan-chun1CHEN Ping1

(1.Guangxi Teachers Education University，a. Geography and Planning institute；b. institute of environmental and life sciences，Nanning 530001)

This study focused on the characterization and the health risk assessment of heavy metals in the dust of Northwest Guangxi Mining Area. Totally 28 dust samples were collected from the road surfaces. Concentrations of Cd、As、Pb、Cu、and Zn were measured to investigate their distribution and evaluate their risk to human health. The US EPA Health Risk Assessment Model was employed to evaluate the potential health risk of those heavy metals in the street dust. The results showed that concentrations of Cd、As、Pb、Cu、and Zn higher than soil background values，Cd was 950 times，As、Zn、Pb and Cu were347、91、52 and25 times. The total non-carcinogenic hazard index of the five metals for children was 247.58，adults was 34.36，both exceeded the safety threshold value(1.0)，the cancer risk of As was 9.29×10-6，higher than the average risk thresholds of the heavy metals. The way of chronic daily average exposure was ingestion>dermal>inhalation taken.

Northwest Guangxi；Mining Area；street dusts；heavy metals；Health risk assessment

韦妮玉，硕士研究生，研究方向为资源与环境评价

张新英，教授，博士，研究方向为资源与环境评价

X21

A

1673-288X(2016)05-0167-04

项目资金：国家自然科学基金项目(41461095)；广西科技开发项目(2014DD29046)；广西自然科学基金项目(2011GXNSFA018094)

引用文献格式：韦妮玉等.桂西北矿区道路灰尘重金属污染及健康风险评价[J].环境与可持续发展，2016，41(5)：167-169.