城市土壤與灰塵中重金屬的健康風(fēng)險評價

城市土壤與灰塵中重金屬的健康風(fēng)險評價目前土壤污染特別是重金屬污染已經(jīng)成為城市土壤環(huán)境的一個通病。對于城市土壤和灰塵的重金屬而言，其進(jìn)入人體的主要途徑是非食物鏈途徑?？諝鈸P塵中的重金屬會通過“手-口”和“呼吸道-消化道”的途徑無意識進(jìn)入人體。現(xiàn)有研究表明僅僅通過無意識“手-口”途徑，兒童每天攝入的土壤和灰塵量可以達(dá)到50-200mg甚至是更高［1,2］,因此土壤和灰塵中的重金屬濃度增加的同時也就大大的增加了人體健康風(fēng)險。目前，國內(nèi)外針對城市土壤和灰塵的重金屬污染已經(jīng)展開了一定的研究。1999-2004年，美國對室內(nèi)地表灰塵中的鉛展開了調(diào)查［3］；蘇格蘭亞伯丁城區(qū)土壤鉛富集明顯［4］；長春市城市土壤銅、鉛污染較為嚴(yán)重［5］；上海城區(qū)地表灰塵中Zn、Pb、Cu和Cd平均值分別為上海市土壤背景值的6~8倍［6］；北京土壤重金屬污染已經(jīng)開始凸顯，道路兩側(cè)灰塵中金屬含量也有所升高［7］；北京中心城公園土壤Pb含量平均值已經(jīng)達(dá)到66.2mg/kg［8］，這些研究在一定程度上反應(yīng)了城市土壤和灰塵重金屬不斷積累的嚴(yán)重性，并已經(jīng)引起了廣泛的重視。北京作為一個人口密集的國際大都市，無論是政治經(jīng)濟還是環(huán)境質(zhì)量都應(yīng)走在世界前列。已有的針對北京灰塵重金屬研究主要是針對交通繁忙的道路和街道，并沒有針對人類生活的不同功能區(qū)進(jìn)行分類，本課題針對北京城區(qū)的公園廣場、大學(xué)校區(qū)、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)四個人口密集區(qū)域分別研究，對土壤和灰塵中重金屬含量進(jìn)行分析并進(jìn)行人體健康風(fēng)險評價，為人們的出行和活動提供參考，也為進(jìn)一步的北京城區(qū)土壤重金屬治理提供依據(jù)。1實驗部分1.1樣品采集本研究采樣點如圖1所示，2013年3月在北京城區(qū)四環(huán)以內(nèi)選擇大學(xué)校區(qū)，居民區(qū)，旅游區(qū)，商業(yè)區(qū)，公園廣場，車站等29個采樣點。使用不銹鋼樣品鏟在每個采樣點采集3?5處0~20cm地表土混合，并使用毛刷和美的VH03W-09EA型便攜式吸塵器采集周邊灰塵。每份樣品約500g,分裝在聚乙烯樣品袋中保存，帶回實驗室進(jìn)行測定。L2樣品處理與分析方法去除煙頭、植物殘體和石礫等雜物后的土樣平鋪于塑料袋上，攤成約2cm厚的薄層，用不銹鋼鏟壓碎、翻動，使其風(fēng)干后過20目不銹鋼篩后用于金屬種類和含量測定?；覙觿t是風(fēng)干后過20目不銹鋼篩測定金屬含量。圖1北京中心城區(qū)表土和灰塵采樣點Fig.1SoilanddustssampleofCentralAreaofBeijing土壤與灰塵中重金屬含量分析采用HClO4-HNO3開放式濕消解，定容后的上清液用原子吸收分光光度計（日本，島津AA6300）測定金屬含量。重金屬污染評價污染程度評價重金屬污染程度評價采用單因子污染指數(shù)法和Nemerrow綜合指數(shù)法［9］。1)重金屬單因子污染指數(shù)計算匕因不式⑴中，Pi為土壤中i元素的污染指數(shù)，Si為城市土壤重金屬i的環(huán)境背景值(mg/kg)；Wi為重金屬i在土壤中的實測值(mg/kg)。2)Nemerrow綜合指數(shù)分析P="尸*十⑥皿河式(2)中，P為Nemerrow綜合污染評價指數(shù)；為不同污染物的單因子指數(shù)的平均值；Pimax為最嚴(yán)重的污染物的單因子指數(shù)。1.4.2健康風(fēng)險評價本文采用美國環(huán)?？偸鹜扑]的健康風(fēng)險評價模型，根據(jù)北京市土壤和灰塵重金屬的主要暴露途徑，計算北京市居民經(jīng)呼吸途徑和皮膚接觸途徑攝入重金屬而引起的健康風(fēng)險［io,n］。1)呼吸日攝入量計算T IFXETXEFXED?蟲。"也X」F乃ET、恭m「"" BWxAT式⑶中：：通過呼吸途徑化學(xué)物質(zhì)i的平均日攝入量，mg?kg-l?d-l；CA（i）：空氣中化學(xué)物質(zhì)i濃度，mg?kg-l；IR：呼吸率，m3?d-L（成人上限30m3?d-1,平均值20m3?d-l[17]）；IF：轉(zhuǎn)換因子，10-6kg?mg-l；ET：暴露時間，h?d-l；EF：暴露頻率d?a-1；ED：暴露期，a；BW；成年人的平均體重，kg；AT：平均時間，EDX365d?a-lo2）皮膚接觸日攝入量計算itSOfl-c)CS-.xCi-x5/JXxABSxEFxEDitSOfl-c)BWxAT(4)式⑷中：Ii（soi『c）通過皮膚接觸土壤途徑化學(xué)物質(zhì)i的平均日攝入量，mg?kg-l?d-1；CSi：土壤中化學(xué)物質(zhì)的濃度，mg?kg-l；CF：轉(zhuǎn)換因子，10-6kg?mg-l；SA：皮膚接觸表面積，cm2；AF：皮膚對土壤的粘滯系數(shù)，mg?cm-2；ABS：皮膚對土壤中化學(xué)物的吸附比；EF：暴露頻率，d?a-l；ED：暴露期；BW：成年人的平均體重，kg；AT：平均時間，EDX365d?a-lo3）非致癌風(fēng)險指數(shù)計算：⑸式（5）中：R非致癌：所有非致癌化學(xué)物質(zhì)（i）導(dǎo)致的人體健康終生風(fēng)險，量綱1；Ii：非致癌化學(xué)物質(zhì)（i）的日攝入量，mg?kg-1?d-1；RfDi：非致癌化學(xué)物質(zhì)⑴的參考劑量，mg?kg-1?d-1。若非致癌風(fēng)險指數(shù)小于1，則表明通過呼吸途徑引起居民人體健康非致癌風(fēng)險較低；若風(fēng)險指數(shù)大于1，則表明其非致癌風(fēng)險較高。1.5數(shù)據(jù)處理利用Excel2010和SPSS18.0對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。2結(jié)果與討論土壤及灰塵中的重金屬含量及其差異土壤和灰塵中重金屬含量差異分析經(jīng)分析測量，采樣點土壤中Cu、Pb、2口平均含量分別是51.3571、39.2500、118.6429mg/kg，灰塵中Cu、Pb、Zn平均含量分別是138.5833、117.5417、473.8750mg/kg。前人的研究表明北京市Cu、Pb、Zn的背景值是18.7、24.6、57.5mg/kg［12］。土壤中銅的含量是背景值的2.7倍，在三種元素中最高；灰塵中鋅的含量是背景值的8.2倍，在三種元素中最高。國內(nèi)外也進(jìn)行了許多類似的研究，Gautam等人研究了加德滿都灰塵中重金屬的含量［13］，與本文研究結(jié)果類似，灰塵中重金屬含量遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?。張菊等的研究表明上海市街道灰塵中鉛含量是背景值的9.3倍，同樣遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担?］。北京市不同重金屬灰塵和土壤中的含量對比如圖2所示。由圖2可以看出不同功能區(qū)內(nèi)，灰塵中的重金屬含量均遠(yuǎn)高于土壤?；覊m中的Cu含量高的原因可能是由于汽車金屬部件的磨損，產(chǎn)生的含Cu金屬粉末附著于大氣中的顆粒物上，沉積下來導(dǎo)致地表灰塵中Cu含量偏高。Pb主要來源于汽車燃料的燃燒、輪胎、防凍劑以及建筑材料［14］，其次還來自于城區(qū)周邊工業(yè)的污染排放，汽車活動和工業(yè)活動是造成Pb在灰塵中的含量比土壤要高的原因。Zn是輪胎硬化劑的材料，灰塵中高含量的Zn極有可能是源于高溫下輪胎的磨損［15］，即同樣是由于汽車活動造成的污染。國內(nèi)外對灰塵中重金屬來源也進(jìn)行了一定的研究，郭廣慧等的研究表明機

動車輛直接排放的顆粒物及車輛行駛引起的二次揚塵，是公路灰塵和土壤中重金屬含量增加的重要因素［16］。Banerjee在對印度德里地表灰塵中Pb含量的研究中表明Pb的重點來源為汽車尾氣排放、廢物燃燒和工業(yè)生產(chǎn)中污染物的排放［17］。圖2北京市不同功能區(qū)土壤和灰塵中重金屬的含量柱狀圖（A銅，B鉛，C鋅）Fig.2BoxplotsofheavymetalconcentrationsinurbansoilanddustsindifferentlanduseareasofBeijing(ACu,BPb,CZn)2.2.2不同功能區(qū)之間土壤和灰塵中重金屬污染比較北京市不同功能區(qū)的土壤和灰塵中三種重金屬的含量對比如圖2所示。土壤中Cu在商業(yè)區(qū)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三個區(qū)的含量，原因在于商業(yè)區(qū)的采樣地點位于王府井步行街、南鑼鼓巷等古建筑密集處。而由古代建筑在建造以及維護(hù)過程中大量使用含Cu染料，導(dǎo)致土壤中Cu的含量較高；Pb的含量依次是公園廣場》大學(xué)校區(qū)〉居民區(qū)＞商業(yè)區(qū)；Zn的含量在商業(yè)區(qū)最高，大學(xué)校區(qū)最低?；覊m中重金屬Cu的含量依次是大學(xué)校區(qū)〉公園廣場》居民區(qū)＞商業(yè)區(qū)；而Pb的含量則是公園廣場最高，其他三個地區(qū)的含量值相差不大；Zn在商業(yè)區(qū)的含量最高，而后依次是大學(xué)校區(qū)、公園廣場和居民區(qū)。WAhlin等［18］研究發(fā)現(xiàn)，僅因剎車磨損排放的重金屬就有Cr、Fe、Cu、Zn、Mo、Sn、Sb、Ba、Pb.后面提到的Pb和Zn的元素含量之間的相似性（如圖2所示）以及在市區(qū)交通繁忙路段附近元素的高含量似乎也說明這一組合主要來源于交通污染。2.2北京市土壤和灰塵的重金屬污染程度評價北京市不同功能區(qū)地表土壤和灰塵重金屬的單因子和Nemerrow綜合污染指數(shù)如表1所示。表1北京市土壤和灰塵重金屬單因子污染指數(shù)和Nemerrow綜合污染指數(shù)Table1PollutionindexandNemerrowintegratedpollutionindexofurbansoilanddustsinBeijing樣區(qū)單因子污染指數(shù)Nemerrow綜合指數(shù)CuPbZn公園廣場土壤1.602.001.921.92灰塵5.487.445.356.80大學(xué)校區(qū)土壤1.031.571.671.55灰塵8.591.5523.4818.40商業(yè)區(qū)土壤9.840.902.447.62灰塵4.832.7910.948.89居民區(qū)土壤1.201.321.921.72灰塵4.923.334.844.65由表1可以看出，4個研究區(qū)域的地表灰塵中，不同重金屬的污染程度有所差異。在公園廣場，重金屬Cu、Pb和Zn在土壤中的污染指數(shù)分別為1.60、2.00和1.92,皆處于中度污染水平；灰塵中金屬Cu、Pb、Zn的污染指數(shù)分別是5.48、7.44、5.35，皆處于重度污染水平。從Nemerrow綜合污染指數(shù)來看，公園廣場的土壤中的重金屬污染處于輕污染水平，而地表灰塵中重金屬污染處于重度污染水平；大學(xué)校區(qū)除灰塵中重金屬Cu、Zn處于重度污染水平外，其他重金屬污染水平皆處于輕度污染水平；商業(yè)區(qū)除灰塵中重金屬Pb污染指數(shù)小于1,處于無污染水平外，其他重金屬污染水平皆處于