东非五国被动空气监测网络多环芳烃（PAHs）与金属的首次观测结果

《Environmental Pollution》：First Results from a Passive Air Monitoring Network across Five East African Countries for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)and Metals

　　

研究人员在五个东非国家的10个站点部署了被动空气采样器，用于测量多环芳烃（PAHs）和金属。PAHs和金属在不同站点之间差异显著，即使在邻近的跨境站点之间也是如此。跨境站点共享气团，因此其差异主要由当地排放驱动。富集因子（EFs）和主成分分析（PCA）表明存在燃烧、扬尘和交通混合来源。在大多数站点，二苯并[a,h]蒽（DBahA）、二苯并[a,l]芘（DBalP）以及六价铬（Cr(VI)）情景共同驱动了估算的癌症风险。

论文解读文章

研究背景与问题

空气污染是非洲面临的重大公共卫生挑战，尤其在人口快速增长和城市化加速的背景下。东非是非洲大陆增长最快的地区之一，2021年，非洲联盟范围内因环境空气污染和家庭空气污染暴露导致的过早死亡约达120万例，其中东非约占29.4万例。尽管空气污染负担沉重，非洲仍是全球空气质量监测最稀疏的地区之一，东非及撒哈拉以南非洲大部分地区尤为缺乏观测数据。参考级空气质量监测仪器价格昂贵，需要持续供电、定期校准、专业技术支持和大量维护，限制了其在非洲许多地区的可用性。非洲监测密度估计约为每百万人0.03个站点，而高收入国家每百万人超过3个站点。这一监测缺口制约了对长期空气质量趋势和人群暴露的表征，限制了暴露评估、流行病学研究、源识别以及有效空气质量管理措施的制定与评估。

近年来，低成本传感器已在非洲多个城市部署，但其存在数据准确性限制、寿命较短等问题。卫星遥感和机器学习虽被用于估算空气污染浓度，但由于验证网络不足以及非洲独特的排放源和地形，地面污染物浓度估算常被低估或高估。因此，非洲缺乏可靠的地基化学数据，现有研究多集中于细颗粒物（PM_2.5）和粗颗粒物（PM₁₀）的总体浓度，而非化学和生物组分。这一区分十分重要，因为颗粒物（PM）的健康效应不仅取决于质量浓度，还取决于其化学组成，包括多环芳烃（PAHs）、金属、无机组分和生物气溶胶等，这些组分即使在极低浓度下也是不良健康效应的已知驱动因素。

为填补东非空气质量监测的持续空白，研究人员在布隆迪、刚果民主共和国、肯尼亚、卢旺达和坦桑尼亚五国的10个站点部署了聚氨酯泡沫被动空气采样器（PUF-PASs），采样约30天，其中包括多个跨境站点。据研究人员所知，这是非洲首次开展多国PUF-PAS部署，同时表征环境空气中的PAHs和痕量金属（包括总金属和水溶性金属组分）。PUF-PAS特别适合资源有限的监测环境：成本低、无需电力、部署简单，可提供数周至数月的时间积分测量，使其在常规主动监测难以维持的偏远、城郊和城市环境中具有重要价值。

关键技术方法

研究人员采用聚氨酯泡沫被动空气采样器（PUF-PASs；TE-200-PAS，Tisch Environmental）在10个站点进行约30天的部署采样。采样器由水平安装于两个不锈钢穹顶之间的PUF圆盘组成，可同时收集气相和颗粒相结合污染物，无需电力或常规维护。采样点覆盖城市、跨境、乡村和沿海环境，包括卢旺达5个站点、刚果民主共和国2个站点，以及布隆迪、肯尼亚和坦桑尼亚各1个站点。部署在2024年旱季（6–7月）同时进行，其中卢旺达和刚果民主共和国的4个站点还在雨季（3–4月）进行了配对采样。样品运至加拿大环境与气候变化部（ECCC）多伦多危险空气污染物实验室处理，PUF圆盘分为四等份，分别用于PAH分析、酸消解（总）金属、水溶性金属以及空气微生物群落分析。PAHs采用气相色谱–质谱联用（GC–MS）分析23种化合物，金属采用电感耦合等离子体串联质谱（ICP-QQQ-MS）分析24种元素。空气浓度采用4 m³ day^-1的名义采样速率计算。源表征综合运用元素源标记和富集因子（EFs）、PAH诊断比率、HYSPLIT气团后向轨迹、Spearman秩相关分析和主成分分析（PCA）等多条独立证据线。致癌风险评估基于美国环保署综合风险信息系统（IRIS）的吸入单位风险（IUR）值，采用情景式筛选方法。

研究结果

3.1 PM_2.5、PAHs和金属的空间分布

污染物浓度在10个采样点间差异很大。ΣPAHs浓度范围为鲁巴武（Rubavu）的23.7 ng m^-3至尼亚加塔雷（Nyagatare）的385 ng m^-3，鲁西西（Rusizi）、布卡武（Bukavu）、基塔比（Kitabi）和戈马（Goma）也较高。总金属浓度差异更大，从鲁巴武的4,550 ng m^-3到布卡武的465,000 ng m^-3。水溶性金属范围为基塔比的89.4 ng m^-3至内罗毕（Nairobi）的401 ng m^-3。PAHs负荷并不局限于大城市，大湖区农村、森林和跨境站点浓度最高。跨境站点间差异尤为显著：戈马ΣPAHs约为邻近鲁巴武的9倍，总金属超过20倍；布卡武总金属约为鲁西西的17倍，而两站点ΣPAHs浓度相近。这些对比表明，当地排放而非共享的区域气团主导了邻近地点的浓度。

3.2 PAH组成和分子量分布

菲（Phe）为网络中平均浓度最高的PAH（59.6 ± 48.8 ng m^-3），其次为二苯并[a,h]蒽（DBahA）、萘（Nap）、芴（Flu）、蒽（Ant）、芘（Pyr）和二苯并[a,l]芘（DBalP）。苯并[a]芘（BaP）浓度持续偏低（0.011–0.049 ng m^-3）。二苯并芘类化合物（尤其是DBalP）在戈马、布琼布拉和布卡武的频繁检出值得关注，因为这些化合物在非洲空气中极少被报道，却是效力最强的致癌PAHs之一。环类组成呈现显著异质性：2环PAHs在布卡武、戈马和鲁巴武贡献显著，3环PAHs在尼亚布戈戈、尼亚加塔雷、鲁西西和基塔比占主导，4环PAHs在内罗毕和鲁巴武最为突出，5环PAHs在布琼布拉、达累斯萨拉姆、尼亚加塔雷、鲁西西和基塔比占较大份额，6环PAHs在布琼布拉和戈马最为明显。

3.3 PAHs的源表征

诊断比率总体指示燃烧源，但各站点间分类存在差异。Flu/(Flu+Pyr)在所有站点均超过0.50（0.51–0.67），与草、木或煤燃烧一致。IcdP/(IcdP+BghiP)在7个站点超过0.50，但在内罗毕落入液体化石燃料燃烧范围，在尼亚布戈戈和鲁巴武低于0.20。综合来看，这些比率指向燃烧源占主导，农村站点生物质或固体燃料燃烧最为明显，部分交通和城市站点存在混合化石燃料影响。戈马4–6环PAHs（包括DBalP）约占ΣPAHs的一半，而鲁巴武以4环PAHs为最大组分（51%）。戈马位于尼拉贡戈火山以南约15公里处，研究期间火山活动持续，但交通、燃料和垃圾燃烧及再悬浮物质同样可能是贡献来源，火山影响无法从现有化学数据中确认。总体而言，PAH证据指向混合燃烧源，结合了交通和液体化石燃料与生物质和固体燃料，其相对重要性因站点而异。

3.4 金属分布和富集因子

铝（Al）和铁（Fe）在每个站点的总金属负荷中占主导，合计约占88–96%，与GAPS-Megacities网络一致。东非站点的Al、Fe、Mn和Ti浓度高于欧洲、北美、亚洲和拉丁美洲的比较数据。铬（Cr）、钒（V）和铍（Be）也数倍于所有比较区域，铅（Pb）超过欧洲、亚洲和拉丁美洲平均值。布卡武的Cr、Ni、V、As和Cd浓度最高；内罗毕和布卡武的Mn最高；达累斯萨拉姆的Pb和Zn最高。水溶性组分仅占总金属负荷的一小部分，整体水溶性/酸消解（WS/AD）比值范围为布卡武的0.08%至鲁巴武的3.5%。地壳元素特别不溶，而锶（Sr）、硒（Se）、钼（Mo）、锑（Sb）、锰（Mn）、锌（Zn）和砷（As）的溶解性明显更高。内罗毕高浓度的可溶性Mn（274 ng m^-3）解释了其水溶性金属浓度最高但总负荷中等的原因。富集因子（EFs）在金属和站点间差异显著，Co、Ag、Zn、Sb、Se、Cd和Cu的中位EFs最高，富集不仅限于交通和城市站点。

3.5 多元关系和主成分分析

分组PCA解释了总方差的85.5%，PC1和PC2分别占53.4%和32.1%。PC1代表总体污染物负荷，PC2将PAH主导的剖面与金属丰富、更可溶的剖面分开。尼亚加塔雷、基塔比和鲁西西位于PAH主导一侧，内罗毕、尼亚布戈戈和达累斯萨拉姆与金属丰富一侧对齐，布卡武和戈马结合了高总体负荷和中间组成。该结构在留一法分析中稳健。化合物级PCA解释了66.4%的方差，大多数金属沿负PC1紧密聚集，靠近Flu、Pyr、Nap、Cry、BbF、BkF和BaA；包含Phe、Ant、Acy、Ace、Fle、IcdP、BghiP、DBahA和DBalP的独立组与Co、Se和BaP在负PC2上强载荷，对应PAH丰富的农村剖面。PAHs与金属的相关性因化合物而异，Pyr与Sb、Cr、Fe和Al呈最强正相关，但经Benjamini–Hochberg校正后无关联保持显著。综合证据表明，燃烧是PAHs的主要来源，矿物尘和土壤再悬浮控制了大部分金属质量，富集的人为金属（如Zn、Sb、Cu和Cd）在多个站点增加了非地壳组分。

3.6 干湿季对比

在4个配对站点，ΣPAHs、总金属和水溶性金属在雨季均低于旱季。旱季总金属浓度超过雨季的倍数范围为基塔比的1.2倍至鲁西西的8.9倍，布卡武绝对差异最大（约330,000 ng m^-3）。水溶性金属在旱季高1.7–4.4倍，ΣPAHs高2.6–8.5倍，基塔比和鲁西西降幅最大。这些模式与雨季更强的湿清除以及生物质燃烧和扬尘再悬浮减少一致。气候变化下预测的更长旱季可能加剧暴露。

3.7 致癌风险评估

ΣBaP_eq由DBahA（效力等效因子PEF 5）和DBalP（PEF 10）主导，两者合计占大多数站点ΣBaP_eq的90%以上。ΣBaP_eq范围为鲁巴武、内罗毕和尼亚布戈戈的4.84–10.7 ng m^-3至尼亚加塔雷的638 ng m^-3。与BaP为主要贡献者的研究不同，这里的致癌效力由DBahA和DBalP决定，证实混合物组成而非总PAH质量或BaP本身决定了致癌效力。基于美国环保署IRIS吸入单位风险的情景式PAH超额癌症风险（ECR）约为每百万人5至640例。金属致癌风险主要由Cr驱动，布卡武最高（约每百万人1,250例），其次为尼亚布戈戈（约270例）。Cr(VI)情景（估计为总Cr的七分之一）在大多数站点贡献了大部分金属风险。探索性综合估计显示布卡武最高（约每百万人1,640例），主要由金属组分驱动；PAHs在尼亚加塔雷、基塔比、鲁西西和戈马贡献较大份额；鲁巴武和内罗毕的综合估计最低。

结论

这项研究通过在东非五国10个站点部署PUF-PAS，首次提供了该区域多环芳烃和痕量金属（包括总和水溶性组分）的空间分布、时间积分化学测量数据。研究揭示污染物浓度在站点间差异显著，跨境站点共享气团但浓度差异巨大，表明当地排放的主导作用。源解析证据指向燃烧（交通和生物质/固体燃料）与矿物尘/土壤再悬浮的混合来源，富集的人为金属在多个站点增加了非地壳组分。干季浓度普遍高于雨季。致癌风险评估显示，DBahA和DBalP主导了PAH致癌效力，Cr(VI)情景驱动了金属风险，多个站点的情景式风险估计超过筛选参考水平。该数据集填补了区域关键证据空白，为非洲未来的空气质量监测、健康风险评估、源表征和政策制定建立了基准，在该区域排放量大且常规监测基础设施有限的背景下具有重要的科学和政策意义。