安徽省农村室内灰尘重金属生物可给性及健康风险评估

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室内灰尘是室内掉落累积的碎屑及室外经空气传播进入室内的细颗粒物质(≤100μm),是来源复杂的混合细颗粒物,能够反映有毒有害物质被人体吸收并不断累积的重要指标。室内灰尘中重金属含量明显高于周边室外灰尘和土壤中的重金属含量。手-口途径是人体对室内灰尘重金属暴露的主要途径,对人体(特别是儿童)产生的健康风险具有重要影响。本文选取安徽省农村室内灰尘作为研究对象,一方面,通过对室内灰尘重金属含量研究,增强对室内灰尘中有毒有害重金属的了解,为控制、减少重金属污染提供数据支持和科学指导;另一方面,利用胃肠模拟实验评估室内灰尘中重金属经手-口摄入灰尘中重金属的吸收效率(即对人体产生的生物可给性),分析室内灰尘中重金属的形态对生物可给性的影响,准确客观的评估灰尘中重金属对人体产生的健康风险,为制定“防治灰尘重金属中毒”的相关标准和法规提供科学依据。  本文在安徽省9个地级市(亳州、阜阳、宿州、淮南、安庆、六安、蚌埠、马鞍山、合肥)的农村地区采集室内灰尘样品,测定室内灰尘中 Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的含量,分析室内灰尘中重金属的赋存形态分布特征,并利用体外胃肠模拟实验(In-vitro法),模拟人体消化环境,提取并测定模拟胃、肠阶段能被人体吸收的重金属含量,分析安徽省不同城市农村地区室内灰尘中重金属的生物可给性。最后结合 CDI模型,评估安徽省室内灰尘对人体产生的健康风险。主要结论如下:  (1)安徽省农村室内灰尘中重金属元素 Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的平均含量分别为2.66mg?kg-1、78.38mg?kg-1、73.96mg?kg-1、924.45mg?kg-1、52.33 mg?kg-1、124.34mg?kg-1、396.97mg?kg-1,均高于安徽省土壤背景值,各元素的超标率为 Cd(100%)>Cu(93.42%)>Zn(92.21%)>Mn(87.67%)>Pb(82.05%)>Cr(66.67%)>Ni(59.74%),超标严重。与其它国家或地区相比,安徽省农村室内灰尘中重金属的污染总体水平较轻。安徽省室内灰尘中重金属元素的变异系数分布为Zn(236.55%)>Pb(192.36%)>Mn(165.17%)>Ni(158.15%)>Cu(87.49%)>Cd(78.03%)>Cr(69.98%),表明安徽省农村室内灰尘中重金属分布的区域差异性及非均质性。淮南市农村地区室内灰尘中的Cd、Cr平均含量高于其他地区,Cu、Ni最高平均值则出现在马鞍山的农村地区,交通污染现象明显的蚌埠市的Pb累积最明显,平均含量达347.88mg?kg-1,亳州市的农村地区室内灰尘中Mn含量最高,为1310.68mg?kg-1。  (2)安徽省农村室内灰尘中Cd赋存形态以残渣态为主;Cu主要以残渣态和有机结合态形式存在,两者分别占形态和的45.56%和39.27%;Cr主要以残渣态为主,平均含量为41.81mg?kg-1,占到5种形态和的53.31%,其次为铁锰氧化物结合态,平均含量为24.80mg?kg-1,约占31.62%;Mn的形态总体分布:可交换态(38.07%)>铁锰氧化物结合态(26.60%)>残渣态(21.35%)>碳酸盐结合态(11.81%)>有机结合态(2.18%);Ni的形态分布:残渣态(42.57%)>铁锰氧化物结合态(36.06%)>有机结合态(7.75%)>可交换态(7.61%)>碳酸盐结合态(6.01%),以残渣态为主;铁、锰的含水氧化物对灰尘中Pb离子具有较强的吸附作用,Pb离子进入含水氧化物形成配位键结合于基质表面,使得灰尘中Pb主要以铁锰氧化物结合态的形式存在,约占55%;Zn在安徽省农村室内灰尘中铁锰氧化物结合态平均含量为146.68mg?kg-1,约占形态和的37%,其次为碳酸盐结合态(102.95 mg?kg-1)占26%,有机结合态(84.82mg?kg-1)占21%,而残渣态(13%)和可交换态(3%)所占比重较少。  (3)安徽省农村室内灰尘中重金属的平均生物可给量(PBET法的提取量)分布为Mn(398.11mg?kg-1)>Zn(135.46mg?kg-1)>Cu(40.17mg?kg-1)>Pb(34.23mg?kg-1)>Ni(18.73mg?kg-1)>Cr(14.72mg?kg-1)>Cd(1.11mg?kg-1),变异系数分布为 Ni(185.99%)>Pb(167.59%)>Cu(85.58%)>Zn(80.86%)>Cr(65.58%)>Cd(61.58%)>Mn(45.95%)。安徽省农村室内灰尘中重金属的平均生物可给性分布为Cu(63.28%)>Mn(61.77%)>Zn(59.60%)>Cd(51.65%)>Ni(45.52%)>Pb(35.00%)>Cr(20.93%),变异系数分别为 Pb(56.20%)>Cr(55.64)>Ni(54.12%)>Cd(45.75%)>Mn(43.93%)>Cu(38.97%)>Zn(38.87%)。不同重金属元素在胃阶段和肠阶段的可给量、可给性水平差异显著,Cd、Mn、Pb、Zn在胃阶段的生物可给量及生物可给性大于肠阶段,这些元素主要受到模拟液pH值的影响;Cr、Cu、Ni在肠阶段的生物可给量及生物可给性高于胃阶段,这些元素受到灰尘基质特征(如分子结构、价态、矿物相等)的影响要大于模拟液pH值的影响。  (4)结合重金属生物可给量与重金属形态进行相关性分析发现:安徽省农村室内灰尘中Cd的生物可给量主要取决于灰尘中Cd的含量及可交换态、碳酸盐结合态及铁锰氧化物结合态Cd的比重。Cr的生物可给量与灰尘中Cr的含量及各有效态Cr(可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态Cr)的含量呈极显著正相关关系。Cu的生物可给量会随着室内灰尘中重金属Cu的全量及可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态Cu含量的增加而增加。碳酸盐结合态Mn与有机结合态Mn的增加会提高Mn的生物可给量。灰尘中Ni的含量及铁锰氧化物结合态Ni对生物可给量的影响较显著。生物可给态Pb则与可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态及残渣态Pb均呈极显著地正相关关系,特别是铁锰氧化物结合态Pb(R2=0.865)。Zn任何形态的的变化都可能会引起Zn在胃肠道中溶解量的增加,其中形态比重较大的铁锰氧化物结合态Zn对Zn的生物可给量变化影响最大。  (5)室内灰尘中重金属元素对人体产生的非致癌风险顺序为Pb>Mn>Cr>Cd>Ni>Cu>Zn,均小于1,对人体均无明显非致癌风险;Cd产生的致癌风险高于Cr,但均在癌症风险阈值(10-6~10-4),即在人体可承受范围。经手-口摄入的安徽省农村室内灰尘中多种重金属元素对儿童和成人产生的总的非致癌风险(HI)及总致癌风险均在人体可耐受范围,对人体无明显健康危害,但对人体,特别是儿童的潜在危害不容忽视。地区分布上,Cd产生的致癌与非致癌风险最高值出现在安庆,Cr出现在阜阳,Cu、Ni对人体产生的非致癌风险最高值均出现在马鞍山,Mn出现在合肥,Pb出现在蚌埠,Zn则出现在阜阳市的农村地区。安徽省农村室内灰尘中多种重金属对人体产生的总非致癌风险(HI)为蚌埠>安庆>淮南>马鞍山>六安>亳州>阜阳>合肥>宿州,这与安徽省农村室内灰尘中重金属累积程度存在较高的一致性。致癌风险系数分布为安庆>马鞍山>淮南>六安>阜阳>亳州>蚌埠>合肥>宿州。
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