美国环境中环氧乙烷混合比例的分析

《ACS ES&T Air》：Analysis of Ambient Ethylene Oxide Mixing Ratios in the United States

本研究分析了2018-2024年全国乙烯氧化物（EtO）浓度数据，发现年度均值从2019年的185 ppt降至2024年的65 ppt，季节性差异显著（夏季平均90 ppt，冬季53 ppt），近源高排放区浓度最高（190 ppt），农村最低（61 ppt）。EtO与温度正相关（r2平均0.23），臭氧浓度升高时EtO浓度也增加，但与相对湿度无关。野火影响的days中EtO浓度更高，但 weekdays与weekend无显著差异。研究指出EtO背景浓度普遍超标（61-190 ppt），对应癌症风险超过500/百万，需加强监测与机制研究。

　　### 乙烷氧的环境影响与监测分析解读

乙烷氧（Ethylene Oxide，简称EtO）是一种被广泛认为具有高度致癌风险的有害空气污染物。尽管其在工业和医疗领域的应用不可或缺，但其在环境中的存在及其对公共健康的潜在威胁仍然引起了科学家和政策制定者的高度关注。近年来，随着对EtO环境浓度变化及其影响因素的深入研究，科学家们发现EtO在不同时间和空间维度上表现出显著的变异性和复杂的行为特征。这些发现不仅揭示了EtO的环境行为模式，还强调了持续监测和深入研究的重要性。

#### 乙烷氧的背景与风险评估

乙烷氧是一种挥发性有机化合物（VOC），其化学式为C?H?O，分子量为44.05 g/mol，CAS编号为75-21-8。作为一种重要的工业化学品，乙烷氧在石油化学制造中被广泛使用，并且是医疗设备和食品灭菌过程中不可或缺的试剂。据全球数据，乙烷氧的年产量超过3000万吨，其市场价值在2022年已达到400亿美元。然而，这种化学品的环境释放和其在空气中的浓度变化，尤其是在远离工业源的区域，却鲜有明确的研究结果。

乙烷氧被美国环境保护署（EPA）列为有害空气污染物（HAP），并且具有明确的致癌效应，特别是与乳腺癌和淋巴瘤相关。EPA的吸入单位风险（IUR）评估表明，乙烷氧的IUR值在2016年被修订为5 × 10?3每微克/立方米，比之前修订的8.8 × 10??增加了超过50倍。这一更新使得乙烷氧成为最具有致癌潜力的HAP之一。根据这一IUR值，年均浓度为0.02 μg/m3或约11 ppt（十亿分之一）时，对应的癌症风险估计为每一百万人中有100例额外病例。然而，即使是最低的背景浓度，如美国农村地区的61 ppt，也意味着每一百万人中存在超过500例的额外癌症风险，这表明即使远离工业源，乙烷氧的环境浓度仍然可能对公共健康构成重大威胁。

#### 环境监测与数据来源

为了更好地了解乙烷氧在大气中的浓度分布及其变化趋势，EPA自2018年起启动了一项全国性的监测计划，涵盖从城市到农村的多种环境设置。该计划主要依赖于“国家空气有毒物趋势站”（NATTS）和“城市空气有毒物监测计划”（UATMP）等监测网络，收集了2018年至2024年的数据。数据主要通过24小时集成气罐采样和气相色谱-质谱联用（GC–MS）技术进行采集和分析。这些数据被上传至EPA的“空气质量系统”（AQS），成为本研究的基础。

在分析过程中，研究人员对数据集进行了严格的筛选，以排除可能影响结果的测量偏差。例如，某些数据点由于气罐采样过程中可能发生的乙烷氧增长（EtO growth）而被标记为“LJ”或“LK”，这些数据点被排除在最终分析之外。此外，部分数据因未检测到乙烷氧（ND）或低于检测限（MDL）而被剔除，因为它们可能无法准确反映实际的环境浓度。尽管如此，这些数据仍被用于敏感性分析，以验证其对结果的影响程度。

#### 时间与空间变化趋势

本研究发现，乙烷氧的年均浓度从2019年的185 ppt下降至2024年的65 ppt，表明全国范围内乙烷氧的环境负担有所减轻。然而，这种下降并非均匀分布于所有地区，而是伴随着显著的区域差异。例如，靠近高排放源的监测站点，如“近源高排放”类别，其乙烷氧浓度明显高于其他类别。在这些站点中，乙烷氧的平均浓度为190 ppt，而“近源低排放”站点的平均浓度为83 ppt，“中距离”站点为76 ppt，“城市”站点为70 ppt，“郊区”站点为66 ppt，而“农村”站点的平均浓度最低，仅为61 ppt。值得注意的是，即使在最低的平均浓度下，乙烷氧的癌症风险仍远高于EPA设定的可接受上限（100-in-1 million）。

季节性变化是乙烷氧浓度的一个显著特征。夏季的乙烷氧浓度明显高于冬季，这一趋势在大多数监测站点中都得到了验证。例如，夏季的平均浓度为90 ppt，而冬季为52 ppt，表明夏季的乙烷氧浓度是冬季的约1.7倍。这一季节性变化与传统工业污染物的季节性行为相反，后者通常在冬季浓度较高。这种差异可能源于乙烷氧的二次生成途径或其在不同季节的排放模式变化。例如，夏季的高温度和强日照可能促进了某些化学反应，导致乙烷氧的生成或转化。此外，乙烷氧的挥发性和大气寿命也可能影响其在不同季节的分布。

#### 与环境变量的相关性

乙烷氧浓度与多个环境变量存在显著的相关性。其中，温度与乙烷氧浓度之间的正相关关系最为明显。在多个站点的分析中，乙烷氧浓度随温度升高而增加，且在夏季达到峰值。这种相关性可能源于温度对化学反应速率的影响，尤其是在涉及氧化反应的过程中。然而，乙烷氧与相对湿度（RH）之间的关系则不显著，这可能与其在大气中的扩散特性有关。此外，乙烷氧与臭氧（O?）之间也存在正相关，这可能暗示了乙烷氧的形成与臭氧的生成过程存在某种联系，尽管这种联系的具体机制尚不明确。

在某些情况下，乙烷氧的浓度在烟雾影响的日期中有所增加。例如，在控制温度因素后，烟雾天的乙烷氧浓度比非烟雾天高出一定幅度。这一发现可能表明，野火燃烧过程中释放的乙烷氧对环境浓度有显著贡献。然而，由于烟雾天的乙烷氧浓度变化可能受到多种因素的影响，如温度、湿度和臭氧水平，因此需要进一步的研究来明确其具体贡献。

#### 站点间的比较与异质性

不同监测站点之间的乙烷氧浓度表现出高度的异质性。例如，某些站点之间的乙烷氧浓度高度相关，而另一些站点则几乎无相关性。这种差异可能与站点的位置、距离排放源的距离以及排放源的类型有关。例如，两个距离仅1公里的“近源高排放”站点之间的乙烷氧浓度相关性较低，这可能与局部烟羽的影响有关。相反，两个相距28公里的“城市-农村”站点之间的相关性较高，这可能表明乙烷氧在大气中具有较长的传输距离。

此外，某些站点的乙烷氧浓度在不同季节间表现出较大的波动，而另一些站点则较为稳定。这种差异可能反映了不同地区在排放源、气象条件和大气化学过程上的不同特征。例如，在靠近高排放源的站点，乙烷氧浓度可能受局部排放和气象条件的强烈影响，而在远离排放源的站点，浓度则更多地受到大气混合和长距离传输的影响。

#### 测量偏差与数据可靠性

尽管本研究采用了严格的筛选方法，但乙烷氧的测量仍面临一定的挑战。例如，气罐采样技术可能会导致测量偏差，尤其是在高温或高湿度条件下。这些偏差可能包括气罐内部乙烷氧的生成（EtO growth）或其他化学干扰。为了减少这些偏差的影响，研究者在分析中采用了非参数统计方法，如Theil-Sen回归和Wilcoxon秩和检验，以确保结果的稳健性。

此外，由于部分数据点低于检测限或未检测到乙烷氧，研究者在分析中对这些数据进行了敏感性测试，以评估其对结果的影响。结果显示，这些数据对整体趋势的贡献较小，但它们的存在可能会影响某些统计量的准确性。因此，在解释数据时，需要谨慎对待这些数据点，尤其是在评估绝对浓度时。

#### 公共健康风险与未来研究方向

本研究的发现表明，乙烷氧在大气中的浓度仍然较高，尤其是在远离工业源的地区。这种浓度水平对应的癌症风险远高于EPA设定的可接受范围，提示需要进一步关注其在环境中的长期影响。尽管工业排放是乙烷氧的主要来源之一，但非工业源（如野火燃烧、植物代谢等）可能在某些地区发挥重要作用。

为了更好地理解和管理乙烷氧的环境风险，未来的研究需要关注以下几个方面：首先，应开展反应室实验，以评估乙烷氧在不同温度和氧化剂条件下的行为；其次，应将相关反应机制纳入光化学网格模型中，以提高公共健康风险评估的准确性；第三，应在南半球进行全年监测，以验证乙烷氧的季节性变化是否具有全球性；最后，应在远离工业源的地区（如高海拔或非北美地区）进行乙烷氧浓度的测量，并与北美农村站点的数据进行比较，以确定乙烷氧的全球背景浓度水平。

#### 结论

乙烷氧作为一种重要的工业化学品，其在大气中的浓度变化和环境影响值得进一步关注。尽管工业排放是其主要来源，但其在环境中的存在可能受到多种因素的影响，包括二次生成途径、气象条件和非工业源的贡献。本研究的发现表明，乙烷氧在不同时间和空间维度上表现出显著的变异性和复杂的行为模式，这些模式可能与大气化学过程和环境条件密切相关。因此，持续的监测和深入的科学研究对于更好地理解和管理乙烷氧的环境风险至关重要。