机械工厂中PM2.5相关金属的吸入暴露与健康风险：概率评估及口罩防护标准

《Atmospheric Pollution Research》：Inhalation exposure and health risks of PM2.5-associated metals in a machinery plant: Probabilistic assessment and mask protection limits

　　

马建超|刘帆|罗丹婷|郑小红|冷素军|周年勇|李炳源|钱华

中国常州市常州大学城市建设学院

摘要

在工业环境中，职业暴露于PM_2.5会带来严重的健康问题，但现有的控制策略往往忽视了特定颗粒物成分的毒性。本研究评估了中国马鞍山市一家典型机械制造厂工人吸入PM_2.5中含有的有毒金属的健康风险，以及佩戴口罩在降低这些风险方面的效果。根据美国环境保护署（USEPA）的指南，计算了非致癌危害指数（HI）和总致癌风险（Rt），并通过蒙特卡洛（MC）模拟解决了不确定性问题。研究还定量分析了佩戴口罩在减轻风险方面的有效性。结果显示，几乎所有工作区域的Rt都超过了可接受阈值（Rt范围：9.26×10^?7 < Rt < 3.1×10^?5）。铸造车间的平均PM_2.5浓度大约是精加工车间的7倍，其HI也高出约92倍。非致癌风险主要由锰（Mn）引起，占HI的93.3%–100%；铬（Cr）和镉（Cd）共同占总致癌风险Rt的69.9%–97.1%。这些发现表明，尽管PM_2.5的质量浓度相似，但由于金属成分的不同，可能对健康的影响也不同。虽然佩戴口罩可以减少暴露，但在高暴露区域可能不足以将风险降至可接受水平。本研究强调了在工业环境中需要针对特定有毒金属来源（如Mn、Cr和Cd）制定以健康为导向的控制策略。

引言

PM_2.5对全球环境健康问题有重大影响，每年导致数百万人过早死亡（Murray等人，2020年；Oberschelp等人，2019年）。工业活动是PM_2.5的主要人为来源，由于工人靠近排放点，他们面临的暴露水平异常高（Crippa等人，2016年；Zheng等人，2018年）。作为回应，主要经济体实施了严格的空气质量标准和排放控制策略，成功降低了工业环境中的PM_2.5总质量浓度（ChinaM.o.I.a.I.T.o.t.P.s.R.o.，2021年；Crippa等人，2016年；Shapiro和Walker，2018年）。然而，越来越多的证据表明，仅针对质量的规定可能无法充分解决PM_2.5的健康风险，因为这些风险更多地取决于化学成分和毒性，而不仅仅是总质量（欧盟，2008年；GB/T18883-2022，2022年；Li等人，2019年；Wang等人，2024年；世界卫生组织，2021年）。

PM_2.5的浓度和化学成分都会影响其健康影响，其中化学成分尤为重要（Li等人，2019年；Ma等人，2024年；Wu等人，2023年）。由于不同行业的原材料、生产过程和排放控制措施不同，PM_2.5的成分在工业环境中存在显著差异（Chen等人，2020年；Zhang等人，2022年）。重金属是有毒成分中的主要部分。尽管它们只占PM_2.5总质量的一小部分，但可以引发氧化应激并促进活性氧（ROS）的生成（Charrier等人，2016年；Chen等人，2020年；Ma等人，2024年；Yao等人，2023年），从而导致严重的非致癌和致癌健康危害（Charrier和Anastasio，2012年；Costa和Dreher，1997年；Guo等人，2022年；Saffari等人，2014年）。因此，健康风险评估必须考虑这些特定的有毒成分，以准确评估不同工业环境中的危害。然而，许多工业环境中关键的有毒金属种类及其对健康风险的定量贡献仍不明确（Khamraev等人，2021年；Wu等人，2023年），这限制了有针对性的健康控制措施的实施。正如Onjia等人（2022年）的综述所强调的，最近的发展越来越多地将化学计量工具（包括正矩阵分解和蒙特卡洛模拟）应用于微量污染物的健康风险评估，特别是在来源分配和综合风险指数方面。

虽然广泛采用口罩等呼吸保护措施来减少颗粒物暴露（Hossaini等人，2022年；Hu等人，2023年；Pan等人，2021年；Shen等人，2021年），但很少有研究定量评估口罩在降低长期健康风险方面的有效性，尤其是那些由职业PM_2.5中的有毒金属引起的风险。这一空白使得难以评估仅靠佩戴口罩是否能在高暴露的工业环境中将风险可靠地降至可接受水平。

为了解决这些研究空白，本研究在中国马鞍山市的一家代表性机械制造厂进行了实地评估。有必要明确本研究与我们之前的研究（Ma等人，2024年）的新颖之处。尽管两项研究采用了相同的PM_2.5采样方法，但Ma等人（2024年）关注的是氧化潜力（DTT测定）。相比之下，本研究应用了美国环境保护署（USEPA）的指南（USEPA，2005a，USEPA，2005b）进行了概率健康风险评估，并使用蒙特卡洛模拟评估了佩戴外科口罩和N95口罩的潜在健康益处——这些内容在我们之前的研究中均未涉及。研究结果旨在确定对健康风险贡献最大的金属种类，为针对特定来源的控制措施提供科学依据，并指导工业设施内的空气质量管理实践设计。

章节摘录

样品采集

最初的PM_2.5采样工作已在其他地方记录（Ma等人，2024年），当时的重点是氧化潜力。本研究使用相同的样本集，但研究问题不同——健康风险评估和口罩防护——因此在此总结采样细节以确保完整性，并提供了额外的质量控制信息。PM_2.5采样于2021年11月4日至14日在一家机械制造厂进行

PM₂.₅质量浓度

图2显示了工厂不同工作区域测得的平均PM₂.₅质量浓度。铸造车间的浓度高于精加工车间、会议室和室外。这种差异可能是因为大多数涉及原材料和熔铁的操作都在铸造车间进行。某些步骤，如原材料熔化和铁浇注，会产生大量颗粒物。

PM_2.5质量水平与相应健康风险的空间分离

我们的现场测量发现PM₂.₅质量水平与相应的健康风险之间存在空间分离。尽管冶炼区的PM₂.₅浓度很高，但其健康风险低于其他区域。相比之下，球化/铸造区的粉尘水平虽然有所变化，但其致癌风险高达可接受限值的31倍（1×10^?6）。这种分离表明，高颗粒质量浓度并不一定意味着相应的健康风险也会成比例增加

结论

本研究评估了机械厂工人吸入PM₂.₅中含有的金属的暴露和健康风险，分析了每种金属的贡献，并测量了口罩在降低风险方面的效果。

不同工作区域的PM₂.₅质量浓度差异很大：铸造车间为182.1–1093.6 μg/m³，而精加工车间为65.6–104.8 μg/m³

在铸造车间的每个区域，非致癌

CRediT作者贡献声明

马建超：概念构思、研究设计、方法论、项目管理、软件开发、初稿撰写。刘帆：数据整理、研究、初稿撰写。罗丹婷：概念构思。郑小红：资源协调、监督。冷素军：研究。周年勇：资源协调、监督。李炳源：研究。钱华：概念构思、监督、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了江苏省高等教育机构基础科学（自然科学）研究项目（项目编号：25KJB560001）和常州大学2024年优秀本科生论文（项目）培养项目基金（项目编号：QZX25020032）的支持。