2. 北京市怀柔区疾病预防控制中心
, 空气污染已成为我国目前面临严峻的环境问题，首要污染物主要为细颗粒物(PM2.5)，其对健康的影响和危害已引起广泛的关注，在我国PM2.5是排名第4位的健康危险因素[1]。PM2.5对人体的危害不仅与其自身的毒性和粒径大小有关，还与其所吸附的有毒化学成分有关，其富集和吸附的各种重金属污染物，多为致癌物质和基因毒性诱变物质，极易进入人体肺部和血液中，对人体危害极大[2]，大量流行病学和毒理学的研究已证实PM2.5污染与人群死亡率、呼吸系统及心血管发病率等显著相关。
怀柔区地处北京东北部，近年来承办了APEC、“一带一路”国际合作高峰论坛等大型活动，逐渐成为北京市国际交往中心，每年承办各类国际会议数百场，迎接国外友人数万人，但目前空气污染逐渐成为怀柔区快速发展的绊脚石，为科学评判空气污染问题及来源，制定实施长期有效的政策计划降低PM2.5中重金属污染及危害提供依据，同时更好的开展人群健康防护策略研究提供数据支持。特选取PM2.5中的镉(Cd)、六价铬(Cr)、镍(Ni)、锰(Mn)、铅(Pb)五种元素进行浓度特征分析，并讨论其健康风险。
1 材料与方法 1.1 样品采集 1.1.1采样地点的选采样点选择严格按照《空气污染对人群健康影响监测工作手册(2018版)》要求进行选择，设置在空气污染国控点2 km范围内的怀柔区疾控中心5楼的楼顶，离地面高度15 m左右，采样点周围为居民区，无明显的污染源和障碍物等，与交通主干道距离大于500 m。
1.1.2 样品的采集与保存使用低流量采样器(德国LECKEL)和石英纤维滤膜(直径47 mm，美国MTL)于2017年1月—12月每月10—16日每天采集23 h PM2.5样品，采样时记录温度、相对湿度、大气压力和风速等，采样完成后将滤膜放入滤膜夹, 在-20℃下保存备用。
1.2 样品测定使用石英滤膜采集获得的环境空气细颗粒物PM2.5样品送达第三方实验室华测检测认证集团北京有限公司，该公司每年均参加中国疾病预防控制中心组织的PM2.5滤膜成分检测能力考核，且结果均能达到要求。
到达实验室滤膜经预处理(5%HNO3超声浸提)后，浸提液经离心或过滤，合并澄清溶液并稀释定容，制备成测试样，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP/MS)测定测试样中各金属元素的含量。
1.3 数据处理使用EXCEL2007对数据进行处理，小于检出限的元素取值为检出限的1/2，Cd、Cr、Ni、Mn和Pb 5种元素的检出限分别为0.06、1.2、1.2、0.3和0.6 ng/m3，检出率均为100.0%；使用SPSS 23.0对数据进行统计分析，采用方差分析对四个季节PM2.5浓度及各金属浓度进行比较，P＜0.05认为差异有统计学意义。
1.4 健康风险评价重金属元素对人体危害主要通过3个途径，分别是经口摄食、呼吸吸入以及皮肤接触[3]。本研究选用美国环保署推荐的健康风险评价模型，计算PM2.5中Cd、Cr、Ni、Mn和Pb 5种元素通过吸入途径进入身体后的健康影响。暴露量的计算公式如下[4-5]：
| $ ADD/LADD = C \times IR \times EF \times ED/(BW \times AT) $ |
式中: ADD—非致癌物质日均暴露计量，mg/(kg·d);
LADD—致癌物日均暴露计量，mg/(kg·d)；
C—污染物长期日均暴露浓度，mg/m3；
IR—呼吸速率，m3/d；
EF—暴露频率，d/a；
ED—暴露持续时间，a；
BW—体重，kg；
AT—成人平均暴露时间，d。
为了使健康风险评价更符合中国人群的特性、结果更具科学性与推广性，暴露参数选用了中国人群暴露参数手册[6-7]的相关参数(表 1)。
| 项目 | 年龄段 | IR/(m3/d) | EF/(d/a) | ED/a | BW/kg | AT(致癌性)/d | AT(非致癌性)/d |
| 儿童 | 1~ | 6.0 | 1 | 12.4 | 74.8×365 | ED×365 | |
| 3~＜6岁 | 8.4 | 365 | 3 | 17.6 | |||
| 6~＜18岁 | 12.7 | 6 | 41.4 | ||||
| 成年男性 | 18~＜45岁 | 18.4 | 18 | 65.3 | 72.4×365 | ED×365 | |
| 45~＜60岁 | 18.3 | 365 | 45 | 66.0 | |||
| ≥60岁 | 14.3 | 60 | 62.4 | ||||
| 成年女性 | 18~＜45岁 | 14.6 | 18 | 55.6 | 77.4×365 | ED×365 | |
| 45~＜60岁 | 14.9 | 365 | 45 | 59.5 | |||
| ≥60岁 | 13.3 | 60 | 56.6 |
单一重金属元素的非致癌风险值(HQ)和致癌元素的致癌暴露风险值(ILCR)计算公式分别为：
| $ HQ = ADD/RfD;ILCR = LADD \times SF $ |
式中：RfD—参考剂量，mg/(kg·d)；
SF—致癌强度系数，(kg·d)/mg。
当HQ≤1时，非致癌健康风险基本可以忽略；HQ＞1时，存在非致癌风险。ILCR表示人群癌症发生的概率，若ILCR＜10-6，致癌风险可忽略；若ILCR在10-6~10-4之间，可认为有一定的致癌风险；当ILCR＞10-4时，存在较高的致癌风险[8]。查阅文献可知[9]，所研究的5种重金属元素都具有慢性的非致癌健康风险, 并且Cd、Cr、Ni同时具有致癌健康风险。故本研究针对5种重金属元素对人体的非致癌健康风险和Cd、Cr、Ni3种重金属元素的致癌健康风险进行评价；各元素的RfD和SF值见表 2。
2 结果 2.1 PM2.5质量浓度变化
表 3可以看出，怀柔区2017年PM2.5的质量浓度总体平均值为46.39 μg/m3，低于我国《环境空气质量二级标准》(GB 3095-2012)[13](75 μg/m3)，表明怀柔区空气质量整体处于良好；四季浓度变化为春季＞冬季＞夏季＞秋季，差异无统计学意义。
| (x±s, ng/m3) | ||||||
| 季节 | PM2.5质量浓度(μg/m3) | Cd | Cr | Ni | Pb | Mn |
| 春 | 58.43±38.35 | 0.49±0.47 | 6.35±15.22 | 1.97±1.59 | 21.69±19.23 | 21.51±14.38 |
| 夏 | 43.81±20.60 | 0.49±0.30 | 1.17±0.85 | 1.92±3.47 | 18.26±7.89 | 14.12±4.26 |
| 秋 | 32.19±25.01 | 0.52±0.48 | 1.00±0.91 | 2.94±8.13 | 21.06±18.63 | 12.63±8.90 |
| 冬 | 51.14±55.18 | 0.64±0.63 | 2.17±3.57 | 1.40±1.27 | 41.92±40.04*#▽ | 14.39±14.24 |
| 全年 | 46.39±37.90 | 0.53±0.48 | 2.67±8.00 | 2.06±4.49 | 25.73±25.77 | 15.66±11.58 |
| 注：“*”与春季相比，P=0.009＜0.05；“#”与夏季相比，P=0.002＜0.05；“▽”与秋季相比，P=0.007＜0.05 | ||||||
2.2 重金属浓度变化
表 3可以看出，5种重金属元素浓度高低依次为Pb＞Mn＞Cr＞Ni＞Cd，其中冬季Pb与其他季节相比均有统计学差异。
2.3 重金属的健康风险评价 2.3.1 非致癌风险分析从表 4可以看出，重金属非致癌风险值HQ均小于1，说明对人体健康影响较小，在安全范围内。不同重金属对于各类人群的非致癌风险均有HQ(儿童)＞HQ(成年男性)＞HQ(成年女性)，所有组别内均表现为年龄越大，非致癌风险值越低的变化趋势。
| 组别 | 年龄段/岁 | Cd | Cr | Ni | Pb | Mn |
| 儿童 | 1~＜3 | 2.58×10-4 | 4.31×10-4 | 4.83×10-5 | 3.54×10-3 | 5.41×10-5 |
| 3~＜6 | 2.54×10-4 | 4.25×10-4 | 4.77×10-5 | 3.49×10-3 | 5.34×10-5 | |
| 6~＜18 | 1.64×10-4 | 2.73×10-4 | 3.06×10-5 | 2.24×10-3 | 3.43×10-5 | |
| 成年男性 | 18~＜45 | 1.50×10-4 | 2.51×10-4 | 2.81×10-5 | 2.06×10-3 | 3.15×10-5 |
| 45~＜60 | 1.48×10-4 | 2.47×10-4 | 2.77×10-5 | 2.03×10-3 | 3.10×10-5 | |
| ≥60 | 1.22×10-4 | 2.04×10-4 | 2.29×10-5 | 1.68×10-3 | 2.56×10-5 | |
| 成年女性 | 18~＜45 | 1.40×10-4 | 2.34×10-4 | 2.62×10-5 | 1.92×10-3 | 2.94×10-5 |
| 45~＜60 | 1.34×10-4 | 2.23×10-4 | 2.50×10-5 | 1.83×10-3 | 2.80×10-5 | |
| ≥60 | 1.25×10-4 | 2.09×10-4 | 2.35×10-5 | 1.72×10-3 | 2.63×10-5 |
2.3.2 致癌风险分析
由表 5可知，3种重金属元素的致癌风险值ILCR由高到底依次为Ni＞Cd＞Cr，但均低于10-6，表明致癌风险可忽略。3种元素对于成年男性的致癌风险最大，其次是成年女性，对儿童的致癌风险相对最小。
| 组别 | 年龄段 | Cd | Cr | Ni |
| 儿童 | 1~＜3岁 | 3.45×10 -12 | 4.94×10 -13 | 2.74×10 -10 |
| 3~＜6岁 | 1.02×10 -11 | 1.46×10 -12 | 8.11×10 -10 | |
| 6~＜18岁 | 1.31×10 -11 | 1.88×10 -12 | 1.04×10 -9 | |
| 成年男性 | 18~＜45岁 | 3.74×10 -11 | 5.35×10 -12 | 2.97×10 -9 |
| 45~＜60岁 | 9.19×10 -11 | 1.32×10 -11 | 7.30×10 -9 | |
| ≥60岁 | 1.01×10 -10 | 1.45×10 -11 | 8.05×10 -9 | |
| 成年女性 | 18~＜45岁 | 3.26×10 -11 | 4.67×10 -12 | 2.59×10 -9 |
| 45~＜60岁 | 7.76×10 -11 | 1.11×10 -11 | 6.17×10 -9 | |
| ≥60岁 | 9.71×10 -11 | 1.39×10 -11 | 7.72×10 -9 |
3 讨论
非致癌污染物Mn和Pb质量浓度高于致癌污染物Cd、Cr、Ni质量浓度，这与深圳市[4]、沈阳[14]及银川[15]等地的污染特征类似；Pb质量浓度冬季高于春季，主要是由于冬季采暖期以燃煤为主，煤燃烧产生的工业废气中的铅已成为大气铅污染的一个重要来源[16]。
重金属元素非致癌风险值均表现为年龄越高风险值越低的变化趋势，说明PM2.5中高质量浓度重金属对儿童的健康影响最大，其他研究得到了相同结果[8, 17](即李友平以及李敏的研究中均提示PM2.5中重金属对儿童健康影响大于成年男性和成年女性)。以往研究表明，厦门市大气PM2.5中重金属对人群非致癌风险为Mn > Cr > Pb > Cd > Zn > Cu > Ni[18]，天津市为Pb>Mn>Sb>Se>Hg > Cr > Cd > As > Ni[19]，广州市为Pb＞Mn＞Zn＞Cu＞Hg。本研究显示的怀柔区大气PM2.5中重金属非致癌风险为Pb>Cr > Cd > Mn > Ni，虽然不同城市选用的人群呼吸速率、体重、暴露时间等暴露参数不同，选用的健康风险评价模型不同，但可发现各城市大气PM2.5中铅的非致癌风险指数均较高，且高于其他重金属。例如，与天津市研究比较，除了风险评价模型的不同，人群暴露参数也存在差异：IR为20 m3/d(成人)和12 m3 /d(儿童)，非致癌物ED为70，而本研究依据中国人群暴露参数手册确定儿童IR为6 m3/d，成人各参数又根据年龄、性别因素进行了细化，更符合实际暴露情况。同时，一项基于北京市大气PM2.5中9种元素的环境健康风险评价表明，成人和儿童在雾霾日和非雾霾日Pb暴露的致癌风险，均低于最大可接受风险水平1.00×10-6[20]，综合考虑应重点关注铅对儿童产生的非致癌健康影响。环境铅污染的主要来源一部分来源于含铅重工业和汽车尾气，而儿童身高与汽车尾气中重金属污染物的沉积高度相仿；另一部分来源包括含铅涂料和油漆以及儿童玩具等，婴幼儿经常接触该类含铅物质，且婴幼儿又有把手指头放入口中的习惯[21]。重金属元素致癌风险值表现为随着年龄的增加而增加，与深圳[4]研究一致(致癌污染物As、Cd、Cr和Ni对成年男性的致癌风险最大，对儿童的致癌风险最小), 可能男性接触该类污染物机会较多，有待继续深入研究。
重金属非致癌风险、致癌风险对人群健康影响排序不一致主要与不同人群的呼吸速率、体重和暴露时间等参数有关。由于健康风险评估需要多方面的信息与数据，众多复杂因素使评估过程中存在不确定性。本研究存在以下局限性：一是本研究中暴露参数虽然选取了国内最新数据，但基于每个人的年龄、体重及行为活动的不同加之本研究的暴露浓度仅考虑室外浓度，故健康风险评估只能在一定程度上估计风险的平均水平；二是本研究是直接将污染物的平均量作为计算暴露剂量的基础数据，而未考虑污染物在人体中的生物可利用性；三是对健康风险进行评估时只选取呼吸途径，但是空气中的有毒物质也可通过经口摄食、皮肤接触等方式进入人体，综合来看，可能评估结果会比实际值略低。
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