俄勒冈州波特兰市的空气中的印刷电路板（PCB）浓度：波特兰港超级基金场地（Portland Harbor Superfund Site）的排放及其影响

《ACS ES&T Air》：Airborne PCB Concentrations in Portland, Oregon: Emissions and Contributions from the Portland Harbor Superfund Site

本研究通过社区合作，利用聚四氟乙烯泡沫被动空气采样器在波特兰港周边部署6周，测得 airborne PCBs 浓度范围为70-910 pg m?3，几何均值为330 pg m?3，显著低于其他已知污染区。通过AERMOD模型模拟港口水释放的PCB通量仅占总负荷的2%，表明存在其他未知污染源，且社区需持续关注污染治理效果。

　　在本研究中，我们探讨了波特兰港超级基金遗址（PHSS）附近的空气中多氯联苯（PCBs）的浓度。PHSS是一个具有历史和文化意义的地点，其污染问题长期以来受到关注。为了评估该地区空气中的PCB污染情况，我们与当地居民合作，使用聚氨酯泡沫被动空气采样器（PUF–PAS）在6周内采集空气样本。此外，我们还通过计算波特兰港（PH）水中PCB的排放通量，并结合美国环境保护署（U.S. EPA）报告的PCB浓度数据，利用大气扩散模型（AERMOD）预测空气中PCB的浓度。研究结果表明，尽管PHSS的水体是PCB的一个来源，但其对波特兰市空气中PCB污染的贡献比例仅为约2%，说明社区中还存在其他重要的PCB污染源。

### 研究背景与意义

多氯联苯是一类由人类活动产生的有机化合物，曾在工业生产中广泛使用，直到1979年在美国被禁用。由于其物理化学特性，PCBs能够通过空气、水和土壤传播，对环境和人类健康造成影响。在许多受污染的区域，例如五大湖、新 Bedford 港、哈德逊河以及国际上的印度和中国，PCBs从水体释放到空气中的过程已被广泛研究。波特兰港作为美国波特兰市附近受污染的水体之一，其污染情况同样引发了广泛关注。PHSS被美国环保署列为国家优先清单（NPL）中的污染地点，需要进行清理工作。波特兰市是拥有超过220万人口的大都市，PHSS的污染不仅影响当地生态环境，还可能对居民健康构成潜在威胁。

PHSS周围社区一直关心PCBs的污染情况，尤其是其对城市空气的影响。波特兰港社区联盟（PHCC）作为社区主导的组织，致力于推动该地区的环境修复与再开发，强调受影响的社区应主导并受益于清理工作。PHCC希望了解PHSS附近的空气污染水平、PCBs的扩散范围以及美国环保署过去对大气污染的评估是否准确。尽管已有研究报道了PHSS水体和沉积物中的PCB污染情况，但目前尚无关于该地区空气污染的直接数据。

2021年，美国环保署与相关责任方达成协议，启动了PHSS的最终清理计划，覆盖从河段1.9到11.8的区域。这一清理过程预计需要长达13年的时间，目前仍处于修复设计阶段。随着未来的清理行动，如计划于2027年进行的河道疏浚，社区担忧这些活动可能增加空气中PCB的浓度，进而对居民健康构成风险。因此，我们通过三项方法，对PHSS的PCB排放和扩散情况进行了系统研究：首先，基于水体中的PCB浓度计算其排放通量；其次，利用大气扩散模型评估PCB的扩散范围；最后，通过现场采样直接测量空气中PCB的浓度。通过对比预测值与实测值，我们希望评估PHSS作为PCB污染源的重要性，并为社区提供科学依据，以支持其在清理过程中做出更明智的决策。

### 研究方法与实施过程

为了确保研究的科学性和社区参与度，我们与波特兰港社区联盟（PHCC）及爱荷华州超级基金研究计划（ISRP）建立了紧密的合作关系。ISRP是一个专注于PCB研究的学术机构，致力于揭示这些污染物对环境和人类健康的影响。PHCC则代表社区居民，负责提出研究问题、选择采样地点，并参与整个研究过程，包括数据收集、结果沟通和决策制定。这种社区参与式研究方法不仅提升了研究的针对性，还增强了社区对环境问题的理解和应对能力。

我们选择的采样点位于波特兰港周围约5公里的范围内，这些地点均属于城市环境。采样器被安置在住宅区、树上、后院、露台、码头以及工业设施附近，如船只甲板、围栏、铁路旁、开放的田野和公园等。其中，有五个采样点被重复采集三份样本，以提高数据的可靠性。此外，我们还使用了五个现场空白样本，这些样本在采样过程中与实际样本一同暴露于环境条件，以评估采样和分析过程中可能的污染。

在采样完成后，我们对PUF–PAS进行了6周的暴露，随后在两天内收集了样本。为防止样本污染，我们使用铝箔和Ziploc袋对样本进行了独立包装，并通过冰袋运输至爱荷华大学实验室进行后续处理。在运输过程中，有三个采样点的样本被盗，另一个采样点的样本被干扰，因此最终仅获得了32个样本中的28个。这些样本在-23°C的低温条件下储存，直到提取和分析完成。

为了确定采样器的采样效率，我们使用了标记的替代标准化合物（DCs），这些化合物在环境中不存在，因此可以作为PCB的替代物，用于评估采样器的采样率。通过这种方法，我们能够更准确地计算出PCB的浓度，并排除因环境因素导致的误差。此外，我们还使用了PUF–PAS采样率模型（pufpasvolume.org）来预测采样效率，该模型考虑了采样器高度、经纬度以及部署时间等参数，同时结合了气象数据，如风速和温度。然而，由于实际采样点的微气象条件（如风速较低、空气流通不畅）与模型假设的条件存在差异，导致模型预测的采样效率可能高于实际值。因此，我们通过DCs方法对部分采样点进行了修正，以更准确地反映实际的采样效率。

在分析过程中，我们使用了高效液相萃取（Dionex ASE-350）技术，结合乙醚和乙醇的混合溶剂，在高温高压条件下提取样本中的PCB和DCs。提取后的样品经过玻璃柱中的硫酸硅胶净化，以去除杂质，然后浓缩至约0.5 mL。为了提高分析的准确性，我们向样品中加入了内部标准（PCB30-d5和PCB204），以便在后续的气相色谱-串联质谱（GC-MS/MS）分析中校正提取效率。分析使用了Agilent 7000型仪器，并在多反应监测（MRM）模式下进行，以确保对209种PCB同系物的精确检测。

为了确保数据的准确性和可靠性，我们采用了多种质量控制手段，包括实验室空白样本、现场空白样本、重复样本以及替代标准化合物的回收率分析。通过这些措施，我们能够评估实验过程中可能的误差，并确保最终结果的科学性。此外，我们还使用了统计学方法，如莫兰指数（Moran’s I）和皮尔逊相关系数（R2），来评估空间分布模型的准确性。这些分析帮助我们更好地理解PCB在空气中的扩散模式，并识别出哪些区域的污染水平较高。

### 研究结果与讨论

我们的实测数据显示，波特兰港附近的空气中PCB总浓度范围为70至910 pg/m3，几何平均值为330 pg/m3，中位数为320 pg/m3。大多数样本的浓度集中在70至750 pg/m3之间，仅有三个样本的浓度超过750 pg/m3。这一浓度范围与美国其他城市的空气中PCB浓度相比处于典型水平，但高于西雅图等其他美国城市。然而，由于不同研究采用的采样方法和报告的PCB同系物不同，直接比较这些数据具有一定的挑战性。

通过线性回归模型，我们将采样点的PCB浓度与距离水体的距离进行对比，发现距离越近的采样点，PCB浓度越高。这一趋势表明，PHSS的水体确实是PCB污染的一个重要来源。然而，我们发现，一些位于较近距离的采样点，其浓度却低于预期。例如，PH06和PH31两个采样点虽然距离PHSS仅约260米，但其PCB浓度却明显偏低。这可能与采样点的微气象条件有关，如风速较低、空气流通受限，导致PCB的扩散效率降低。通过DCs方法，我们对这两个采样点进行了修正，发现其实际采样效率远低于模型预测值，从而解释了为何其浓度较低。

在空间分布分析中，我们使用了克里金插值法（Kriging）来预测整个研究区域的PCB浓度分布。结果显示，总PCB浓度在空间上具有显著的自相关性（Moran’s I = 0.095，p = 0.007），并且预测值与实测值之间存在一定的相关性（R2 = 0.28，RMSE = 160 ng/m3）。然而，某些特定的PCB同系物（如PCB 11和PCB 68）并未表现出显著的空间结构，这可能意味着这些同系物的来源与PHSS的水体无关，而是来自其他未被识别的污染源。

我们还对空气中PCB同系物的分布进行了比较分析，发现其与商业Aroclor混合物（Aroclor 1016和Aroclor 1242）的相似度较高，表明这些同系物可能来源于PHSS附近的工业活动，如碳粉纸厂、石油储运设施、电力厂、电子产品制造商和造船厂。这些工业活动在历史上使用了含有Aroclor 1242的材料，因此其对空气中的PCB同系物分布具有显著影响。然而，水体中的PCB同系物分布却与空气中的不同，水体中主要含有非Aroclor来源的同系物，如硅橡胶制造产生的PCB 44 + 47 + 65、PCB 45 + 51和PCB 68。这表明，虽然PHSS的水体是PCB的一个来源，但其对空气污染的贡献相对较小，且空气中的PCB主要来源于其他本地污染源。

通过计算PHSS的PCB排放通量，我们发现其总排放量为450 ± 120 ng/m2·d。这一数值高于2018年在Lower Duwamish Waterway进行的类似研究（68 ng/m2·d），但低于其他高度污染的水体，如马萨诸塞州的新 Bedford 港。这一结果表明，PHSS的水体中溶解态PCB的浓度相对较低，因此其排放量也相应减少。尽管如此，我们仍然使用这一通量值作为输入，通过AERMOD模型预测空气中PCB的扩散情况。

AERMOD模型的预测结果表明，空气中PCB的浓度范围为1至124 pg/m3，与实测值相比普遍较低。这可能意味着，PHSS的水体排放对空气中的PCB污染贡献有限，而其他污染源（如工业排放、城市活动等）才是主要的贡献者。此外，模型预测的浓度分布与实际采样点的浓度趋势基本一致，表明AERMOD在模拟PCB的扩散过程中具有一定的准确性。然而，由于模型使用的通量值可能低估了实际排放，导致预测值与实测值之间存在差距。因此，我们推测，除了PHSS的水体排放外，可能还存在其他未被识别的PCB污染源。

### 研究意义与未来展望

本研究的发现对于PHSS的环境管理和社区健康具有重要意义。首先，通过直接测量空气中PCB的浓度，我们为PHCC提供了重要的科学数据，帮助他们更好地了解社区中的污染水平，并在清理过程中做出更明智的决策。其次，研究结果表明，尽管PHSS的水体是PCB的一个来源，但其对空气污染的贡献仅占约2%，说明社区中还存在其他重要的污染源。这一发现对于未来的环境管理具有指导意义，因为它提示我们不仅需要关注PHSS的清理工作，还应识别和控制其他潜在的PCB污染源。

此外，研究还揭示了PCB同系物在空气中的分布特征。空气中的PCB主要来源于工业活动，尤其是含有Aroclor 1242的材料，而水体中的PCB则主要来源于硅橡胶制造等其他工业过程。这一发现有助于我们更全面地理解PCB污染的来源，并为制定更有效的治理措施提供依据。例如，未来的清理工作，如河道疏浚，可能会将沉积物中的PCB释放到空气中，从而增加污染风险。因此，我们需要在这些清理行动中进行更详细的监测，以确保不会对社区健康造成新的威胁。

最后，本研究展示了社区参与式研究在环境科学中的重要性。通过与PHCC的合作，我们不仅获得了更准确的环境数据，还增强了社区对环境问题的理解和参与度。这种合作模式有助于建立科学与社区之间的桥梁，使科学研究能够更好地服务于公共健康和环境保护。未来，我们希望继续与社区合作，开展更多类似的环境研究，以促进科学与社会的互动，并推动环境治理的可持续发展。