城市土壤与灰尘中重金属的健康风险评价

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(3)
式(3)中：������������ (air ) ：通过呼吸途径化学物质 i 的平均日摄入量，mg•kg-1•d-1；CA(i)：空气中化学物质 i 浓 度，mg•kg-1；IR：呼吸率，m3•d-1， （成人上限 30m3•d-1，平均值 20m3•d-1[17]） ；IF：转换因子，10-6kg•mg-1； ET：暴露时间，h•d-1；EF：暴露频率 d•a-1；ED：暴露期，a；BW；成年人的平均体重，kg；AT：平均时 间，ED× 365d•a-1。 2）皮肤接触日摄入量计算 ������������（soil −c ） =
表 1 北京市土壤和灰尘重金属单因子污染指数和 Nemerrow 综合污染指数 Table1Pollution index and Nemerrowintegratedpollutionindexof urban soil and dusts in Beijing
单因子污染指数 样区 Cu 土壤 公园广场 灰尘 土壤 大学校区 灰尘 土壤 商业区 灰尘 土壤 居民区 灰尘 1.60 5.48 1.03 8.59 9.84 4.83 1.20 4.92 Pb 2.00 7.44 1.57 1.55 0.90 2.79 1.32 3.33 Zn 1.92 5.35 1.67 23.48 2.44 10.94 1.92 4.84 Nemerrow 综合指数 1.92 6.80 1.55 18.40 7.62 8.89 1.72 4.65
2
(2)
式(2)中，P 为 Nemerrow 综合污染评价指数； 为不同污染物的单因子指数的平均值；Pimax 为最严重 的污染物的单因子指数。 1.4.2 健康风险评价 本文采用美国环保总署推荐的健康风险评价模型，根据北京市土壤和灰尘重金属的主要暴露途径，计 算北京市居民经呼吸途径和皮肤接触途径摄入重金属而引起的健康风险[10,11]。 1）呼吸日摄入量计算 ������������ (air ) =
������������������ × ������������× ������������ × ������������ × ������������������ × ������������ × ������������ ������������ × ������������
(4)
式(4)中：Ii(soil-c)通过皮肤接触土壤途径化学物质 i 的平均日摄入量，mg•kg-1· d-1；CSi：土壤中化学物质 -1 -6 -1 2 的浓度，mg•kg ；CF：转换因子，10 kg•mg ；SA：皮肤接触表面积，cm ；AF：皮肤对土壤的粘滞系数， mg•cm-2；ABS：皮肤对土壤中化学物的吸附比；EF：暴露频率，d•a-1；ED：暴露期；BW：成年人的平均 体重，kg；AT：平均时间，ED× 365d•a-1。 3）非致癌风险指数计算： R 非致癌 = Ii /RfDi (5)
225 225 750
A
150 150
B
C
Cu含量/mg/kg
Pb含量/mg/kg
75
75
Zn含量/mg/kg
公园广场 大学区 商业区 居民区
500
250
0
公园广场 大学区 商业区 居民区
0
0
公园广场 大学区 商业区 居民区
土样
图 2 北京市不同功能区土壤和灰尘中重金属的含量柱状图(A 铜，B 铅，C 锌)
1 实验部分
1.1 样品采集 本研究采样点如图 1 所示， 2013 年 3 月在北京城区四环以内选择大学校区， 居民区， 旅游区， 商业区， 公园广场，车站等 29 个采样点。使用不锈钢样品铲在每个采样点采集 3~5 处 0~20cm 地表土混合，并使用 毛刷和美的 VH03W-09EA 型便携式吸尘器采集周边灰尘。 每份样品约 500g， 分装在聚乙烯样品袋中保存， 带回实验室进行测定。 1.2 样品处理与分析方法 去除烟头、 植物残体和石砾等杂物后的土样平铺于塑料袋上， 摊成约 2cm 厚的薄层， 用不锈钢铲压碎、 翻动，使其风干后过 20 目不锈钢筛后用于金属种类和含量测定。灰样则是风干后过 20 目不锈钢筛测定金 属含量。
2 结果与讨论
2.1 土壤及灰尘中的重金属含量及其差异 2.1.1 土壤和灰尘中重金属含量差异分析 经分析测量，采样点土壤中 Cu、Pb、Zn 平均含量分别是 51.3571、39.2500、118.6429 mg/kg，灰尘 中 Cu、Pb、Zn 平均含量分别是 138.5833、117.5417、473.8750 mg/kg。前人的研究表明北京市 Cu、Pb、 Zn 的背景值是 18.7、24.6、57.5 mg/kg[12]。土壤中铜的含量是背景值的 2.7 倍，在三种元素中最高；灰 尘中锌的含量是背景值的 8.2 倍，在三种元素中最高。国内外也进行了许多类似的研究，Gautam 等人 研究了加德满都灰尘中重金属的含量[13]，与本文研究结果类似，灰尘中重金属含量远高于当地土壤背 景值。 张菊等的研究表明上海市街道灰尘中铅含量是背景值的 9.3 倍， 同样远高于当地土壤背景值[6]。 北京市不同重金属灰尘和土壤中的含量对比如图 2 所示。由图 2 可以看出不同功能区内，灰尘中的重 金属含量均远高于土壤。 灰尘中的 Cu 含量高的原因可能是由于汽车金属部件的磨损， 产生的含 Cu 金属粉 末附着于大气中的颗粒物上，沉积下来导致地表灰尘中 Cu 含量偏高。Pb 主要来源于汽车燃料的燃烧、轮 胎、防冻剂以及建筑材料[14]，其次还来自于城区周边工业的污染排放，汽车活动和工业活动是造成 Pb 在 灰尘中的含量比土壤要高的原因。Zn 是轮胎硬化剂的材料，灰尘中高含量的 Zn 极有可能是源于高温下轮 胎的磨损[15]，即同样是由于汽车活动造成的污染。国内外对灰尘中重金属来源也进行了一定的研究，郭广 慧等的研究表明机动车辆直接排放的颗粒物及车辆行驶引起的二次扬尘，是公路灰尘和土壤中重金属含量 增加的重要因素[16]。Banerjee 在对印度德里地表灰尘中 Pb 含量的研究中表明 Pb 的重点来源为汽车尾气排 放、废物燃烧和工业生产中污染物的排放[17]。
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(1)来自百度文库
式(1)中，Pi 为土壤中 i 元素的污染指数，Si 为城市土壤重金属 i 的环境背景值(mg/kg)；Wi 为重金属 i 在土壤中的实测值(mg/kg)。2）Nemerrow 综合指数分析 P=
1 2
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2
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灰尘
Fig. 2 Box plots of heavy metal concentrations in urban soil and dusts in different land use areas of Beijing(A Cu, B Pb, C Zn)
2.2.2 不同功能区之间土壤和灰尘中重金属污染比较 北京市不同功能区的土壤和灰尘中三种重金属的含量对比如图 2 所示。土壤中 Cu 在商业区的含量远 远高于其他三个区的含量，原因在于商业区的采样地点位于王府井步行街、南锣鼓巷等古建筑密集处。而 由古代建筑在建造以及维护过程中大量使用含 Cu 染料，导致土壤中 Cu 的含量较高；Pb 的含量依次是公 园广场>大学校区>居民区>商业区；Zn 的含量在商业区最高，大学校区最低。灰尘中重金属 Cu 的含量依 次是大学校区>公园广场>居民区>商业区；而 Pb 的含量则是公园广场最高，其他三个地区的含量值相差不 大；Zn 在商业区的含量最高，而后依次是大学校区、公园广场和居民区。WAhlin 等[18]研究发现，仅因刹 车磨损排放的重金属就有 Cr、Fe、Cu、Zn、Mo、Sn、Sb、Ba、Pb．后面提到的 Pb 和 Zn 的元素含量之间 的相似性(如图 2 所示)以及在市区交通繁忙路段附近元素的高含量似乎也说明这一组合主要来源于交通污 染。 2.2 北京市土壤和灰尘的重金属污染程度评价 北京市不同功能区地表土壤和灰尘重金属的单因子和 Nemerrow 综合污染指数如表 1 所示。
式(5)中：R 非致癌：所有非致癌化学物质(i)导致的人体健康终生风险，量纲 1；Ii：非致癌化学物质(i)的 日摄入量，mg•kg-1•d-1；RfDi：非致癌化学物质(i)的参考剂量，mg•kg-1•d-1。 若非致癌风险指数小于 1，则表明通过呼吸途径引起居民人体健康非致癌风险较低；若风险指数大于 1，则表明其非致癌风险较高。 1.5 数据处理 利用 Excel2010 和 SPSS18.0 对实验数据进行分析处理。
图 1 北京中心城区表土和灰尘采样点 Fig. 1 Soil and dusts sample of Central Area of Beijing
1.3 土壤与灰尘中重金属含量分析 采用 HClO4-HNO3 开放式湿消解， 定容后的上清液用原子吸收分光光度计(日本， 岛津 AA6300)测定金 属含量。 1.4 重金属污染评价 1.4.1 污染程度评价 重金属污染程度评价采用单因子污染指数法和 Nemerrow 综合指数法[9]。 1）重金属单因子污染指数计算 ������������ = ������ ������
城市土壤与灰尘中重金属的健康风险评价
目前土壤污染特别是重金属污染已经成为城市土壤环境的一个通病。对于城市土壤和灰尘的重金属而 言，其进入人体的主要途径是非食物链途径。空气扬尘中的重金属会通过“手-口”和“呼吸道-消化道”的途 径无意识进入人体。现有研究表明仅仅通过无意识“手-口”途径，儿童每天摄入的土壤和灰尘量可以达到 50-200 mg 甚至是更高[1,2]，因此土壤和灰尘中的重金属浓度增加的同时也就大大的增加了人体健康风险。 目前，国内外针对城市土壤和灰尘的重金属污染已经展开了一定的研究。1999-2004 年，美国对室内 地表灰尘中的铅展开了调查[3]；苏格兰亚伯丁城区土壤铅富集明显[4]；长春市城市土壤铜、铅污染较为严 重[5]；上海城区地表灰尘中 Zn、Pb、Cu 和 Cd 平均值分别为上海市土壤背景值的 6~8 倍[6]；北京土壤重 金属污染已经开始凸显， 道路两侧灰尘中金属含量也有所升高[7]； 北京中心城公园土壤 Pb 含量平均值已经 达到 66.2mg/kg[8]， 这些研究在一定程度上反应了城市土壤和灰尘重金属不断积累的严重性， 并已经引起了 广泛的重视。 北京作为一个人口密集的国际大都市，无论是政治经济还是环境质量都应走在世界前列。已有的针对 北京灰尘重金属研究主要是针对交通繁忙的道路和街道，并没有针对人类生活的不同功能区进行分类，本 课题针对北京城区的公园广场、大学校区、居民区和商业区四个人口密集区域分别研究，对土壤和灰尘中 重金属含量进行分析并进行人体健康风险评价，为人们的出行和活动提供参考，也为进一步的北京城区土 壤重金属治理提供依据。
由表 1 可以看出，4 个研究区域的地表灰尘中，不同重金属的污染程度有所差异。在公园广场，重金 属 Cu、Pb 和 Zn 在土壤中的污染指数分别为 1.60、2.00 和 1.92，皆处于中度污染水平；灰尘中金属 Cu、 Pb、Zn 的污染指数分别是 5.48、7.44、5.35，皆处于重度污染水平。从 Nemerrow 综合污染指数来看，公 园广场的土壤中的重金属污染处于轻污染水平，而地表灰尘中重金属污染处于重度污染水平；大学校区除 灰尘中重金属 Cu、Zn 处于重度污染水平外，其他重金属污染水平皆处于轻度污染水平；商业区除灰尘中 重金属 Pb 污染指数小于 1， 处于无污染水平外， 其他重金属污染水平皆处于中度污染到重度污染水平之间； 居民区土壤中的重金属皆处于轻度污染水平，而灰尘中的全部达到重度污染。 结合单因子和 Nemerrow 综合评价方法可以看出，北京市不同功能区的土壤重金属的污染介于中度污 染到重度污染水平，污染程度依次为商业区>公园广场>居民区>大学校区。而灰尘中重金属污染水平全部 处于重度污染水平，污染程度依次为大学校区>商业区>公园广场>居民区。并且，灰尘中重金属污染程度 普遍高于土壤，而功能区相比较而言商业区的污染状况最为严重。 2.3 土壤和灰尘中重金属的人体健康风险评价 2.3.1 呼吸日摄入量分析 在计算北京市居民摄入相关化学物质时，采用了国内文献中常用的参数，一般认为人们一年在风险评 价的相关环境中暴露 330d，而人的非致癌活动暴露时间为 58a。每天暴露时间算 5h。在我国各标准中均采 用成年人体重 60kg，此处呼吸率采用了平均值。计算出北京市不同功能区通过呼吸途径日摄入的重金属元 素量如表 2 所示。