识别典型工业城市重新悬浮的地表灰尘中潜在有毒元素风险控制的优先因素

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Identification of priority factors for risk control of potentially toxic elements in re-suspended surface dust of a typical industrial city

道路悬浮表面尘中潜在毒性元素污染特征及健康风险评估 PMF；MCS；邢台；重金属污染；生态健康风险

　　本研究围绕工业城市中重新悬浮表层尘土（Re-suspended surface dust, RSD）中潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）的污染特征及其生态健康风险展开。RSD作为一种城市环境中污染物的主要载体，能够从多种人类活动如交通、工业和建筑施工中累积污染物，包括PTEs、有机污染物和病原体等。这些污染物的积累反映了城市环境的质量和污染程度，而RSD的悬浮和再悬浮过程则可能对空气质量造成影响，特别是在交通密集的区域，细颗粒物容易被吸入，从而引发呼吸系统疾病和其他健康问题。因此，深入研究RSD的污染特征和风险，对于改善城市环境质量、保护公众健康具有重要意义。

在当前的工业城市中，PTEs污染问题尤为突出。由于其独特的物理化学性质，PTEs一旦进入环境或生态系统，就难以被降解，可能在环境中积累或长期存在，并参与物质循环过程。这种持久性与生物累积性使得PTEs污染问题更加复杂和严重。研究表明，大多数城市中RSD中的PTEs浓度显著高于土壤背景值，长期暴露于这些污染颗粒可能导致神经系统、呼吸系统和免疫系统的功能异常，进而引发慢性健康问题。此外，人类可能通过多种途径接触到高浓度PTEs的尘土，如吸入、摄入和皮肤接触等，这使得PTEs污染对公众健康构成了直接威胁。

在研究方法上，本研究采用正矩阵因子分析（Positive Matrix Factorization, PMF）模型对RSD中的PTEs来源进行定量归因分析，同时结合蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation, MCS）方法对PTEs的生态健康风险进行评估。PMF模型被广泛应用于空气污染物来源分析，能够有效识别和量化污染源。MCS则通过多次随机抽样模拟污染物浓度的不确定性，从而评估污染水平和健康风险的概率分布。这两种方法的结合不仅提高了对PTEs污染来源和风险的识别精度，也为城市污染治理提供了科学依据。

研究选取了河北省邢台市作为典型工业城市案例。邢台市位于河北省南部，是京津冀城市群的重要节点城市，也是华北地区典型的工业基地。该城市以钢铁、煤炭和化工产业为主，拥有大量钢铁厂、焦化厂和化工企业，以及供暖中心，工业排放和能源消耗强度较高。这些高强度的工业活动导致大气中PTEs（如Pb、Cd、As等重金属）和多环芳烃（PAHs）浓度显著增加。此外，冬季燃煤供暖和区域交通污染进一步加剧了邢台市的环境问题。邢台市人口约为695万，其“重工业主导、工业与城市高度融合”的发展模式为研究快速工业化中小城市PTEs污染特征提供了典型样本。

研究共采集了39个RSD样本，覆盖邢台市环城路区域，即城市的核心区域，人口约150万。样本来自工业区、居民区、商业区、文化教育区以及高、低交通密度区域。通过便携式全球定位系统（GPS）确定了采样点的地理位置，以确保样本的准确性和代表性。每个采样点采集约500克尘土，并在连续晴朗天气一周后通过扫除收集。尘土样品被密封于聚乙烯袋中，并在实验室条件下自然干燥，避免光照，直到达到恒定重量。随后，尘土样品经过100微米尼龙筛分，去除杂质后保留100克作为RSD样本。对RSD样本进行分析，主要关注9种PTEs（V、Cu、Cr、Zn、Mn、Co、Ni、Pb和Ba）的含量及其空间分布特征。

分析结果显示，所有PTEs的平均含量均高于邢台市土壤背景值。其中，Co、Zn和Pb在89.92%、81.84%和100%的样本中表现出中等到极高的富集程度。这表明这些PTEs在RSD中积累较为显著，对环境和健康构成较大风险。研究进一步通过PMF模型识别出三种主要的PTEs污染源：交通源、建筑源以及自然与工业混合源，分别占总PTEs浓度的38.04%、26.87%和35.08%。这表明交通源在PTEs污染中占据主导地位，而建筑源和自然与工业混合源也对污染有重要贡献。

从空间分布特征来看，PTEs在邢台市RSD中的分布存在显著差异。例如，V和Mn的高浓度区域主要集中在城市北部和南部，而Co的高浓度区域则分布在城市中心和西南部。这些区域通常与工业设施、交通主干道和建筑密集区相关。此外，Zn和Pb的高浓度区域主要位于城市南部，而低浓度区域则在北部，表明这些元素可能受到交通和工业活动的双重影响。同时，不同PTEs的变异系数（CV）表现出显著差异，其中Zn和PTEs的CV值最高，说明其受人类活动影响较大，而V的CV值最低，可能主要来源于自然来源。

通过MCS方法对PTEs的污染水平和生态健康风险进行评估，结果显示所有PTEs在RSD中的富集程度均高于土壤背景值，其中Co的富集程度最高，达到了100%的样本。这意味着Co在RSD中积累程度显著，对生态系统的潜在危害不容忽视。生态风险评估结果进一步表明，RSD中的PTEs对生态环境构成了严重威胁，特别是在交通源的影响下，Pb和Cr对生态系统的风险尤为突出。此外，针对儿童群体的健康风险评估显示，PTEs对儿童的非致癌风险不可忽视，尤其是Pb和Cr，可能通过多种暴露途径（如吸入、摄入和皮肤接触）对儿童健康产生影响。

在健康风险评估方面，研究发现，尽管成年人的非致癌风险总体上处于可接受范围内，但儿童群体的健康风险显著较高，尤其是学龄儿童。研究采用不同的年龄组（婴儿、学龄前儿童和学龄儿童）对儿童的健康风险进行了详细分析，并发现交通源是导致儿童非致癌和致癌风险的主要来源。其中，Ni和Cr是交通源中对健康风险影响最大的两种PTEs。Ni和Cr在交通源中的贡献率分别达到64.7%和32.2%，表明这两种元素对儿童健康构成较大威胁。Ni的长期暴露可能导致癌症和非癌症疾病，如神经损伤、免疫系统功能下降、皮肤刺激、肝肾损伤等，而Cr的高浓度则可能引发接触性皮炎和发育与生殖毒性。

研究进一步指出，儿童的健康风险主要来源于其较长的户外活动时间、手口接触行为以及较高的呼吸区暴露浓度。由于儿童的代谢能力较弱，且在交通高峰期频繁接触高浓度污染物，因此其健康风险远高于成年人。为此，研究建议采取针对性措施，如减少儿童在交通密集区域的暴露时间、培养良好的卫生习惯、避免在户外活动后直接进食等，以降低PTEs的摄入风险。

总体而言，本研究通过结合PMF和MCS方法，系统分析了邢台市RSD中PTEs的污染来源及其对生态和健康的影响。研究发现，交通源是PTEs污染的主要来源，而Ni和Cr则是对健康风险影响最大的两种元素。这些结果为邢台市及类似工业城市的PTEs污染控制、环境治理和居民健康保护提供了重要的科学依据。未来研究可以进一步探讨其他高毒性的PTEs（如Cd、As、Sb和Hg）的污染特征及其生物可利用性，以更全面地评估城市环境中PTEs的潜在危害。同时，加强交通污染的监管与控制，如推广低磨损刹车片、环保轮胎和智能交通系统，以及增加城市道路的清洁频率，将有助于有效降低PTEs的污染水平和健康风险。