加纳城市PM2.5气溶胶中黑碳与元素组成：浓度特征、相关性及健康风险评估

《Discover Public Health》：Black carbon and elemental composition of PM2.5 aerosol in Ghana: concentrations, correlation and health risk assessment in urban neighbourhoods

本研究针对加纳沿海城市因交通排放和木材燃烧导致的PM2.5污染问题，系统分析了Winneba高速公路交叉口(WHI)和Apam渔村空气中PM2.5及其负载的化学物种（包括黑碳(BC)和24种元素）。研究发现两个站点PM2.5年均浓度均超过WHO限值，Ni、Cr等元素浓度超标，且通过吸入、摄入和皮肤接触途径对居民（尤其是儿童）构成显著的致癌和非致癌风险。研究结果为制定区域空气污染控制策略和公共健康保护提供了重要科学依据。

　　

在加纳快速城市化和经济发展的背景下，由人口增长、密集的汽车交通和经济活动导致的颗粒物污染问题日益严峻。特别是在沿海城镇，商业鱼类熏制活动中木材的不完全燃烧以及繁忙公路交叉口的车辆排放，共同加剧了环境空气中细颗粒物（PM_2.5，空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物）的污染水平。PM_2.5由于其微小尺寸，具有很强的吸附有毒元素物种的能力，对人体健康构成严重威胁，可能增加心血管疾病、呼吸系统疾病乃至肺癌的风险。然而，在撒哈拉以南非洲地区，特别是加纳，关于PM_2.5化学组分及其相关健康风险的系统研究仍然缺乏。为了填补这一知识空白，Francis Attiogbe及其合作者在《Discover Public Health》上发表了一项重要研究，旨在深入探究加纳两个典型城市区域——以木材燃烧为特征的Apam和Winneba高速公路交叉口(WHI)——大气PM_2.5中元素和黑碳(BC)的浓度水平、来源及其健康风险。

为了准确评估空气质量，研究人员在2022年7月至2023年6月期间，每周三次、每次连续24小时使用配备Gast泵和叠滤膜装置的Gent采样器在上述两个地点收集了PM_2.5样品，总计194个样本。采集的颗粒物样品随后进行了精密分析：使用银靶X射线管光谱仪(EXP-1)测定24种元素（如Si, Fe, Al, Na, Ca, Cl, K, S, Ti, Zn, Cu, Ni, Mg, Co, Mn, Cr, Br, P, Sr, Pb, Sc, V, Rb, As）的浓度；同时，采用烟渍反射仪通过测量滤膜反射率的变化来计算黑碳(BC)的浓度。基于这些化学数据，研究团队运用富集因子模型来区分元素的自然源和人为源，并采用美国环境保护署的健康风险评价模型，分别计算了儿童和成人通过吸入、摄入和皮肤接触三种途径暴露于PM_2.5中主要有毒元素（如砷、铬、镍、铅等）所带来的致癌风险和非致癌风险。

3.1 PM_2.5质量浓度和黑碳浓度

研究发现，WHI和Apam的24小时平均PM_2.5质量浓度分别为15.94 μg/m3和20.27 μg/m3，均超过了世界卫生组织的建议限值。Apam较高的浓度主要归因于鱼类熏制产生的大量生物质燃烧排放，而WHI则主要受交通排放影响。黑碳浓度的月际变化显示，其峰值出现在鱼类丰收期（Apam的9月）和大学毕业典礼期间车辆密集时期（WHI的8月），表明人类活动对BC水平的显著影响。此外，BC与PM_2.5浓度之间存在中度至强的正相关性，说明BC是PM_2.5污染的重要贡献者。

3.2 环境空气中的元素浓度

对24种元素的分析表明，地壳源元素在PM_2.5的元素组成中占主导地位。在WHI，元素平均浓度从高到低依次为Si > Fe > Na > Al > K > Cl > S > Ca > Zn > Cu > Ni > Cr > Mg > P > Mn > Br > Ti > Sr > Pb > Co > V > Sc > Rb > As。而在Apam，顺序则为Si > Al > Na > Fe > K > Cl > S > Ni > Ca > Cr > Mg > Ti > Cu > Zn > P > Br > Mn > Sr > Pb > V > Sc > Co > Rb > As。值得注意的是，WHI的Co和As平均浓度约为Apam的7倍，而Mn、Cu、V、Sr、Br和Pb的浓度约为Apam的2倍，这反映了不同地点污染源的差异。

3.3 化学物种的潜在来源

通过富集因子和皮尔逊相关性分析对污染源进行了解析。富集因子结果显示，S、Cl、Cr、Ni、Zn、Cu、Pb和Br等元素在两地均呈现高度富集，表明它们主要来源于人为活动。相关性分析进一步揭示，地壳元素（Mg, Al, Fe, Ti, Si, Ca）之间高度相关，指示其共同的土壤/扬尘来源。在WHI，黑碳与Cu、Ni、Pb、Fe、Mn、Ca、K、S、Al和Mg显著相关，结合S与Mn、Fe、Ni、Cu、K和Ca的相关性，强烈提示交通排放是这些元素和BC的重要来源。此外，黑碳与钾在两地均表现出强相关性，表明生物质燃烧是共同的贡献源。Na、Cl、K、Mg和Ca之间的相关性则揭示了海盐源的影响。

3.4 暴露于PM_2.5颗粒物的健康风险影响

健康风险评价是本研究的核心。非致癌风险方面，通过吸入途径暴露于所研究的有毒元素对成人和儿童的风险指数均低于安全限值。然而，通过摄入和皮肤接触途径，特别是对于儿童，多种元素（如Cr(VI)和Mn）的非致癌风险指数超过了安全阈值，表明存在潜在的非致癌健康效应。致癌风险评价结果更为严峻。虽然通过吸入途径暴露于As、Ni和Pb的致癌风险在可接受范围内，但通过摄入和皮肤接触途径暴露于Cr(VI)对儿童构成了较高的致癌风险。总体而言，PM_2.5所负载的化学物种通过多种暴露途径，对居民，尤其是儿童，构成了不可忽视的癌症和非癌症健康风险。

本研究系统评估了加纳两个典型城市环境（交通枢纽和生物质燃烧区）中PM_2.5的化学特征、来源及健康风险。研究结论明确指出，监测区域的PM_2.5污染水平已对公众健康构成威胁。元素来源解析成功识别了交通排放、生物质燃烧、土壤扬尘和海盐等主要贡献源。尤为重要的是，健康风险模型量化了通过不同途径暴露于有毒元素的危害，揭示出尤其是对儿童群体，经由摄入和皮肤接触途径的致癌和非致癌风险显著。这些发现为加纳乃至西非地区制定针对性的空气质量管理策略提供了关键的科学证据，强调了控制交通和生物质燃烧排放、保护脆弱人群（如儿童）的紧迫性。为了实现可持续发展目标中关于环境质量和健康的目标，推动使用清洁燃料、发展生态友好型交通以及改进传统的鱼类熏制 practices 至关重要。该研究不仅增进了对城市空气污染复杂性的理解，也为评估和减轻颗粒物污染对公共健康的影响提供了可推广的方法学框架。