尼日利亚某工业区PM10和PM2.5中所含金属的化学成分、来源及其健康风险评估

《Environmental Science: Atmospheres》：Chemical composition, sources, and health risks assessment of PM10 and PM2.5-bound metals at an industrial site in Nigeria

本研究分析了尼日利亚工业枢纽的PM2.5和PM10的化学组成，发现干季浓度显著超过WHO标准，主要源于金属回收工厂排放的重金属和硫酸盐等无机离子。健康风险评估显示非致癌风险可控，但铅对儿童暴露风险接近阈值，需加强监管以降低污染。

　　这项研究聚焦于尼日利亚金属回收工厂（MRFs）对环境和公共健康的影响，特别是在颗粒物（PM2.5和PM10）的化学组成及由此引发的健康风险。随着城市化进程的加快，金属废弃物的产生和处理需求也在增加，这导致了MRFs的迅速扩张。然而，由于这些工厂往往位于居民区附近，且缺乏有效的环境管理措施，其排放的污染物对周边居民的健康构成了潜在威胁。研究选择了一个以MRFs为主的工业区作为调查对象，分析了在雨季和旱季采集的PM2.5和PM10颗粒物的化学成分，以及这些颗粒物对居民健康可能带来的风险。

研究发现，在旱季，PM2.5的平均浓度达到27±8 μg/m3，PM10的平均浓度则高达109±38 μg/m3，均超过了世界卫生组织（WHO）设定的空气质量标准。这表明，该地区的空气污染问题在旱季尤为严重，需要引起高度重视。PM2.5和PM10的浓度在雨季相对较低，但仍然高于某些地区的标准，说明金属回收工厂的排放对空气质量的影响具有显著的季节性特征。这些颗粒物中检测到多种水溶性无机离子，如氯离子（Cl?）、硝酸根（NO??）、硫酸根（SO?2?）、钠离子（Na?）、钙离子（Ca2?）和钾离子（K?），其中氯离子、硝酸根和硫酸根的浓度较高，而铵离子（NH??）、草酸根（C?O?2?）和镁离子（Mg2?）则相对较低。这些离子的高浓度主要来源于工业燃烧活动，尤其是MRFs的排放。此外，研究还发现，颗粒物中含有一定量的有机物，如木糖醇（Levoglucosan）和甘露糖（Mannosan），这些物质通常与生物质燃烧有关，可能进一步加剧空气污染的复杂性。

研究通过主成分分析（PCA）和相关性分析，揭示了PM中元素的主要来源。结果显示，地壳来源的物质和人为排放（如MRFs和水泥厂的排放）是PM中元素的主要贡献者。对于痕量金属如铬（Cr）、铜（Cu）、钼（Mo）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn），其富集程度较高，尤其是铅（Pb）和锌（Zn），这些金属的浓度与MRFs的排放活动密切相关。尽管大多数金属的非致癌风险在可接受范围内（<1.0），但铅的危险商（HQ）和危险指数（HI）接近阈值，尤其对儿童而言，表明铅污染可能对健康造成潜在威胁。这一发现强调了需要加强对MRFs排放的监管，以减少铅等有毒元素对当地居民的健康风险。

从化学成分来看，PM2.5和PM10的离子组成在雨季和旱季存在显著差异。在雨季，PM2.5中硝酸根、硫酸根和氯离子的浓度较高，而PM10中钠、钙和钾的浓度也较为突出。在旱季，PM2.5和PM10的浓度普遍升高，其中PM10的浓度达到峰值，这可能与低风速和干燥地表导致的粉尘再悬浮有关。此外，研究还发现，PM2.5中铅的浓度显著高于其他季节，这可能与工业活动的强度和环境条件的变化有关。

在健康风险评估方面，研究使用了美国能源部（USDOE）和美国环境保护署（USEPA）的模型，对铅、铬、镍、铜、锌等金属的非致癌和致癌风险进行了分析。非致癌风险主要通过危险商（HQ）和危险指数（HI）进行评估，而致癌风险则通过致癌危险（CR）进行衡量。结果显示，这些金属的非致癌风险在大多数情况下均低于可接受水平，但铅的风险接近临界值，特别是在儿童群体中。这表明，尽管整体上非致癌风险较低，但铅的长期暴露仍可能对儿童健康产生不利影响，因此需要采取措施加以控制。

进一步的分析表明，PM2.5和PM10中的金属元素与雨季和旱季的环境条件密切相关。例如，在雨季，由于降水对颗粒物的冲刷作用，PM10的浓度较低，而在旱季，颗粒物更容易在空气中悬浮，导致PM2.5和PM10的浓度升高。此外，颗粒物中的铅、锌等金属与工业排放和生物质燃烧密切相关，表明MRFs的活动对空气污染的贡献不可忽视。同时，地壳来源的元素如钙、钠和钾在PM中也较为丰富，这可能与当地土壤的性质和工业活动的尘埃排放有关。

为了更全面地了解PM中元素的来源，研究采用了PCA分析，将金属元素分为不同的主成分。结果显示，PM10中的主成分主要与地壳来源和工业活动有关，而PM2.5中的主成分则更多地与工业燃烧活动相关。这表明，不同粒径的颗粒物可能来自不同的来源，且其对健康的影响也有所不同。例如，PM2.5由于粒径较小，更容易进入人体肺部甚至血液，从而对健康造成更大的影响。

研究还发现，某些金属元素如铅（Pb）和锌（Zn）在PM中的富集程度极高，其富集因子（EF）表明这些元素主要来源于人为活动。相比之下，钙（Ca）、钾（K）和钠（Na）等元素的富集因子较低，说明它们可能更多地来源于地壳物质的再悬浮。这一发现对于理解当地污染源和制定相应的治理措施具有重要意义。

在健康风险评估方面，研究对儿童和成人的暴露路径进行了分析，包括摄入、吸入和皮肤接触。结果显示，铅在所有暴露路径中均表现出较高的危险商，特别是在儿童群体中，其危险指数接近可接受的上限。这提示我们，铅的长期暴露可能对儿童的健康产生不利影响，尤其是在MRFs密集的区域。因此，需要加强对铅污染的监测和控制，以减少其对居民健康的潜在危害。

此外，研究还探讨了颗粒物中有机碳和生物质燃烧标志物的来源，这些物质的存在进一步表明了工业活动和自然过程对空气污染的共同影响。通过比较不同季节的PM浓度和成分，研究揭示了空气污染的季节性变化及其背后的原因，这对于制定针对性的环境管理策略至关重要。

总体而言，这项研究不仅提供了对尼日利亚金属回收工厂区域空气污染的深入分析，还首次对这一地区PM污染带来的健康风险进行了系统评估。研究结果表明，尽管大多数金属的健康风险处于可接受范围内，但铅的高浓度和接近临界值的危险指数提示我们，需要采取更严格的环境监管措施，以减少PM污染及其对健康的影响。此外，研究还建议通过实施粉尘控制措施，如对工业区域进行定期洒水，来减少颗粒物的扩散，从而改善当地空气质量。这些发现对于政策制定者和环境管理者来说具有重要的参考价值，有助于制定更加科学和有效的环境治理方案。