尼日利亚伊洛林PM2.5中潜在有毒金属的季节性污染特征、来源解析及健康风险评估

《Scientific Reports》：Potentially toxic metals, source apportionment, meteorological impacts and health risks assessment of fine particulate matter (PM2.5) over Ilorin, Nigeria

本研究针对尼日利亚伊洛林PM2.5中潜在有毒金属(PTMs)的污染特征及健康风险展开系统分析。研究人员通过SPARTAN网络获取2019年PM5数据，结合正矩阵分解(PMF)模型、富集因子(EF)分析和蒙特卡罗模拟(MCS)等技术，揭示了PTMs的季节变化规律、主要来源贡献及其健康风险。研究发现干季PM2.5及PTMs浓度显著升高，主要来源包括地壳尘(36.87%)、工业排放(15.47%)、二次无机气溶胶(27.71%)和生物质燃烧(19.95%)。健康风险评估显示，铁(Fe)和锌(Zn)的非致癌风险最高(HI=99.12)，铬(Cr)和砷(As)的致癌风险最为突出。该研究为西非城市空气质量管理和公共卫生政策制定提供了重要科学依据。

　　

在快速城市化的浪潮中，空气污染已成为全球性的健康威胁，而细颗粒物PM_2.5因其能够携带有毒物质深入人体呼吸系统而备受关注。在尼日利亚伊洛林这样的发展中城市，工业化进程和季节性气候变化的双重压力下，空气中潜在有毒金属(PTMs)的污染状况及其健康影响尚不明确。这正是Samuel Nwabachili团队在《Scientific Reports》上发表的研究致力于解决的问题。

为了全面揭示伊洛林地区PM_2.5中PTMs的污染特征，研究人员开展了一项系统性的观测研究。他们利用SPARTAN(全球地表颗粒物监测网络)在伊洛林大学设立的站点，收集了2019年全年的PM_2.5样品。通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术分析了11种PTMs(V、Mn、Cd、Cr、Fe、Zn、Ni、As、Co、Cu、Pb)的含量，并运用正矩阵分解(PMF)模型进行来源解析，富集因子(EF)分析判断金属来源，同时结合蒙特卡罗模拟(MCS)进行健康风险评估，全面评估了这些污染物通过吸入和皮肤接触途径对居民造成的健康风险。

主要技术方法

本研究采用SPARTAN标准方法采集和分析PM_2.5样品，使用ICP-MS定量分析11种PTMs。通过PMF受体模型进行来源解析，运用EF区分自然源和人为源。健康风险评估采用美国环保署(US EPA)推荐方法，非致癌风险采用危害商数(HQ)和危害指数(HI)评估，致癌风险(CR)采用蒙特卡罗模拟进行概率评估，考虑吸入和皮肤接触两种暴露途径。

3.1. 月粒度浓度与季节性变化

研究发现PM_2.5浓度呈现明显的季节性变化，10月浓度最低(6.91μg/m³)，12月达到峰值(51.14μg/m³)，年均浓度约为17.83μg/m³。5-10月湿季浓度较低，11-12月干季浓度显著升高，这与哈麦丹风带来的沙尘传输和当地排放增加有关。

3.2. 潜在有毒金属的季节性变化与比较分析

PTMs浓度在干季(11-12月)显著升高，特别是Fe、Zn、Cr、Pb和Co。Fe浓度最高，范围为0.0428μg/m³(8月)至1.6474μg/m³(12月)。Cd在8月、Cu在9月出现异常峰值，可能与特定的工业活动或局部事件相关。

3.3. 季节性风场和轨迹分析结果

风玫瑰图分析显示，湿季主要受西南方向海洋气流影响，干季则受东北方向哈麦丹风控制，携带富含金属的气溶胶从撒赫勒地区传输而来。

HYSPLIT后向轨迹分析进一步证实了空气团来源的季节性变化，湿季主要为海洋性气团，干季则为撒哈拉沙漠和撒赫勒地区的大陆性气团。

3.4. 富集因子分析结果

EF分析显示，Cr、Mn、Co、V和Ni的EF值小于10，主要来自地壳源；Cu、As和Pb的EF值在10-100之间，为中度富集，来源为自然和人为混合源；Zn和Cd的EF值大于100(分别为217.87和953.27)，表现为极强富集，主要来自工业活动等人为源。

3.5. PMF分析结果

PMF模型解析出四个主要来源：地壳源(贡献率36.87%)，以Al、Si、Ca、Fe和Ti为特征；工业排放(15.47%)，富含Zn、Pb、Cu、Ni和Cd等元素；二次无机气溶胶(27.71%)，以SO₄^2-、NO₃^-和NH₄⁺为主；生物质燃烧(19.95%)，以Cl^-、NO₃^-和K⁺为示踪物。

3.7. 非致癌健康风险评估

非致癌风险评估显示，吸入途径的危害指数(HI)为99.12，远超过安全阈值(1)，其中Fe和Zn是主要贡献者(HQ分别为66.48和31.76)。皮肤接触途径的HI为0.176，低于安全阈值，表明通过该途径的非致癌风险可忽略。

3.6. 蒙特卡罗概率风险评估结果

致癌风险评估表明，通过吸入途径，Cr的平均致癌风险最高(7.06×10^-5)，其次为As(2.84×10^-6)和Cd(2.63×10^-6)。通过皮肤接触途径，Ni的风险最高(3.20×10^-5)。所有金属的致癌风险均处于可接受范围内(10^-6-10^-4)。

研究结论与意义

本研究系统评估了伊洛林地区PM_2.5中PTMs的污染特征、来源及健康风险。结果表明，Fe、Zn和Pb是含量最丰富的金属元素，浓度在干季显著升高，主要受哈麦丹风和本地排放的影响。来源解析显示，地壳尘、工业排放、二次无机气溶胶和生物质燃烧是PM_2.5的四个主要来源。健康风险评估指出，Fe和Zn通过吸入途径造成的非致癌风险最为显著，而Cr通过吸入途径的致癌风险最高。

该研究的创新之处在于首次对伊洛林地区PM_2.5中多种PTMs进行了全面的季节性变化分析、来源解析和健康风险评估，并采用蒙特卡罗模拟处理评估中的不确定性。研究结果不仅为西非城市空气质量管理提供了重要基线数据，也为相关公共卫生政策的制定提供了科学依据。未来需要加强工业排放控制，建立实时监测网络，并在干季实施有效的扬尘抑制措施，以降低居民的健康风险。