中国广西来宾冬季PM2.5载带重金属的来源解析与健康风险评估

《Toxics》：Source Apportionment and Health Risk Assessment of PM2.5-Bound Heavy Metals in Wintertime Laibin, Guangxi, China

　　

PM_2.5载带重金属因其持久性、毒性以及吸入相关的致癌和非致癌效应而受到关注。研究人员于2025年在中国广西来宾开展了一项为期42天的冬季观测，研究了这些污染物的浓度、排放来源和吸入健康风险。观测期间PM_2.5平均浓度为47.6 μg/m³，夜间水平略高，与较低风速和较浅的夜间边界层有关。所测九种重金属（Zn、Cr、Ni、Pb、V、Cu、Sb、Cd和Co）的总浓度平均为363.0 ng/m³，以Zn、Cr和Ni为主。富集因子（enrichment factor, EF）表明Cd严重富集，Ni显著富集，V、Cu、Cr、Pb和Zn中度富集，提示人为影响，尤其是Cd和Ni。正定矩阵因子分解（positive matrix factorization, PMF）分析在日间运行中初步解析出三个主要来源：混合有色金属冶炼与燃煤源（43%）、交通源（23%）和工业燃烧源（34%）。在白天和夜间的单独运行中，工业燃烧源在两个时段均为最大来源，而交通源在夜间增加。所有人群的非致癌危害指数（hazard index, HI）均低于1（儿童 > 成年男性 > 成年女性），冬季暴露情景下的致癌风险（carcinogenic risk, CR）略超过1 × 10^?4，Cr为主要贡献者。这些结果仅提供了冬季基线；建议在冬季污染事件中采取预防性Cr控制措施，并需要进行多季节监测以制定全面的空气质量策略。

大气细颗粒物PM_2.5（空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒物）因可吸附多种有毒物质而受到广泛关注。重金属作为PM_2.5的重要组分，具有难降解、易累积和毒性强等特点，可通过呼吸道摄入、食物摄入和皮肤吸收进入人体，引发不良健康效应。不同地区的排放源、经济结构和气象条件差异显著，导致PM_2.5中重金属的来源特征呈明显空间异质性，因此源解析结果难以直接跨区域套用。已有研究多集中于广州、北京、天津等大城市，而对中小城市关注不足。来宾市地处广西中部，有“中国糖都”之称，且富含煤炭、锰等矿产资源，工业厂矿众多，但该市PM_2.5载带重金属的来源与健康风险尚不清楚，制约了区域大气污染防控策略的精准制定。为此，研究人员于2025年冬季开展了为期42天的观测，旨在阐明来宾市冬季PM_2.5及其重金属组分的浓度水平和时间变化，利用富集因子和PMF受体模型识别主要排放源，并量化致癌和非致癌风险，为季节性污染减排提供科学依据。

研究人员在来宾市兴宾区人民政府（109.18°E，23.73°N）设置采样点，周边分布有砖窑、燃煤电厂、化肥厂、造纸厂、金属冶炼厂、糖厂及垃圾焚烧厂等潜在污染源。采样使用L16空气采样器（平均流量971 L/h），每天分为白天（06:00–18:00）和夜间（18:00–06:00）两个约11.3 h的时段，共获得80个有效PM_2.5滤膜样品（昼/夜各40个）。采用重量法测定PM_2.5质量浓度；微波消解后利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Sb、Pb、Mn等元素浓度（Mn仅作为富集因子计算中的参比元素）。通过富集因子评估人为源贡献，采用PMF 5.0模型进行源解析，并依据美国环境保护署（U.S. EPA）健康风险评估框架，针对儿童、成年男性、成年女性三组人群，以吸入途径为主计算非致癌危险商（HQ）和致癌风险（CR）。

3.1 PM_2.5质量浓度及其与环境因子的关系：观测期间PM_2.5日均浓度为6.8–142.5 μg/m³，平均47.6 μg/m³，高于世界卫生组织2021年24小时指导值（15 μg/m³）、美国EPA 24小时标准（35 μg/m³）和欧盟2030年24小时限值（25 μg/m³），但低于重庆、黄石、福州、苏州和南宁等国内城市冬季水平。夜间平均浓度（49.8 μg/m³）略高于白天（45.3 μg/m³），但差异未达统计显著。相关分析显示，PM_2.5浓度与气温正相关，与相对湿度、气压和风速负相关；夜间PM_2.5主要受风速控制，表明停滞气象条件促进了污染物累积。

3.2 PM_2.5载带重金属浓度：九种重金属总浓度均值为363.0 ng/m³，日平均浓度顺序为Zn（124.9 ng/m³）> Cr（70.6 ng/m³）> Ni（64.5 ng/m³）> Pb（37.2 ng/m³）> V（32.1 ng/m³）> Cu（27.8 ng/m³）> Sb（3.7 ng/m³）> Cd（1.6 ng/m³）> Co（0.7 ng/m³）。与国内南方城市冬季数据相比，来宾Cr和Ni浓度始终偏高，提示可能存在冶金、合金生产等高温工业过程贡献。时间变化上，九种金属总体积浓度夜间较白天上升31%（411.8 vs 314.3 ng/m³），但按PM_2.5质量归一化后，所有金属昼夜差异均不显著；Cu/PM_2.5比值昼间几乎相同，说明夜间Cu体积浓度的升高主要来自PM_2.5质量累积，而非刹车磨损颗粒的额外输入。

3.3 富集因子分析：以Mn为参比元素、广西表层土壤背景值为基准，计算各元素的富集因子（EF）。Co和Sb的EF平均值低于1，无富集；V、Cu、Cr、Pb和Zn的EF在1–10之间，中度富集；Ni的EF为14.2（白天）和16.1（夜间），显著富集；Cd的EF为51.1（白天）和68.4（夜间），严重富集，表明Cd和Ni主要受人为活动影响，可能与来宾市工业及矿业活动有关。

3.4 来源解析：PMF模型共解析出三个因子。因子1以Ni（79%）和Pb（46%）为主，贡献总方差的43%，结合区域排放背景识别为混合有色金属冶炼和燃煤源；因子2以Cd（74%）和Sb（53%）为主，贡献23%，识别为交通源，其中Cd可能来自柴油/燃油燃烧和润滑油高温挥发，Sb是刹车磨损的可靠示踪物；因子3以Co（56%）、V（56%）、Cu（53%）和Cr（52%）为主，贡献34%，识别为工业燃烧源。昼夜分时段运行显示，工业燃烧源在白天（45%）和夜间（40%）均为最大贡献源；交通源夜间贡献（31%）高于白天（23%）；混合有色金属冶炼和燃煤源昼夜贡献基本稳定（白天32%，夜间29%）。Cr主要来自工业燃烧源及混合有色金属冶炼和燃煤源。

3.5 健康风险评估：非致癌危害指数（HI）在儿童、成年男性、成年女性中分别为2.36 × 10^?1、1.39 × 10^?1和1.28 × 10^?1，均低于阈值1，其中Cr的危险商最高。致癌风险（CR）方面，所有人群的平均CR均略高于1 × 10^?4，超出可接受水平，且Cr为最大贡献者，表明Cr是研究区最主要的致癌风险因子，需优先控制其排放。

讨论部分指出，来宾市PM_2.5质量浓度虽低于部分国内城市，但Cr和Ni浓度偏高，可能与该区域工业活动有关。由于观测数据仅来自冬季，健康风险估算结果属于保守筛查值，不能直接代表年均暴露水平，未来需开展多季节观测以全面评估季节变化和来源动态。研究结论部分总结为：（1）九种目标重金属平均浓度为363.0 ng/m³，以Zn、Cr、Ni为主，夜间体积累积明显；PM_2.5质量归一化后各金属昼夜无显著差异，EF表明Cd和Ni受人为影响强烈。（2）PMF解析出三个主要来源：日间运行中混合有色金属冶炼和燃煤占43%、交通占23%、工业燃烧占34%；分昼夜运行时，工业燃烧源在两个时段均为最大贡献源，交通源夜间增加，混合源昼夜稳定；Cr主要来自工业燃烧源和混合有色金属冶炼和燃煤源。（3）非致癌风险HI均低于1，致癌风险CR略超1 × 10^?4，Cr在两类风险中均为主要贡献者。建议在冬季污染事件中优先实施Cr排放控制，尤其是针对工业燃烧和混合冶炼燃煤设施，同时需要多季节监测以完善空气质量管控策略。