黎志豪 刘建龙 邹引引 刘丽 梁兴露

1 湖南工业大学土木工程学院

2 湖南工业大学城市与环境学院

重金属是指比重大于5 g/cm3的金属，包括金、银、铜、铁、汞、铅、镉等，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒。重金属难以被生物降解，在人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。重金属主要附着在PM2.5 颗粒物上以气溶胶的形态进入住宅室内空气中，通过呼吸系统影响在室人员的身体健康。由于人们在住宅室内停留时间较长，对住宅室内PM2.5 颗粒物的重金属元素研究以及其健康风险评价显得尤为重要，本文选取长沙市典型住宅室内进行PM2.5 检测，成份分析和重金属元素的健康风险评价。

1 典型住宅室内PM2.5 浓度检测与成份的分析

长沙市居民一天中有一半以上的时间是在住宅室内度过[1]。居民在住宅中的停留时间主要在卧室和客厅活动。通过对住宅不同功能房间进行PM2.5 的现场检测，发现住宅中厨房和客厅的PM2.5 浓度相对较高。故客厅PM2.5 浓度对人体的健康影响值得深入研究，本文选取住宅典型功能房间客厅进行PM2.5 检测与模拟研究。现场检测发现室内PM2.5 颗粒物中含有大量对人体有害的重金属元素。美国环境保护局（EPA）在对PM2.5 进行成分分析中发现含有As（砷）、Cd（镉）、Cr（铬）、Co（钴）、Hg（汞）、Mn（锰）、Ni（镍）、Pb（铅）、Sb（锑）和Se（硒）等10 余种有毒重金属，分为致癌金属元素和非致癌金属元素[2]。其中As，Cd，Cr 和Ni四种重金属元素通过呼吸途径暴露导致人群年均超额危险度较高，存在致癌风险，属致癌金属元素[3]。因此本文在充分考虑不确定性因素的基础上主要分析住宅室内PM2.5 中的As，Cd，Cr 和Ni 等四种元素对人体的致癌风险水平。本实验采用青岛崂应公司的智能型PM2.5 中流量采样器，对室内空气中的PM2.5 细颗粒物进行样品采集。在进行室内PM2.5 浓度采集时每组实验均设置平行样和空白样进行对照，对所收集的PM2.5 浓度样品均在24 h 内完成测定，实验所用的称重仪器为精度为十万分之一的精密天平，滤膜均在恒温恒湿的空调房间进行称重。通过检测与成份分析可知Cr、Ni、As、Cd 等四种重金属元素的有效浓度值如表1 所示。

表1 客厅空气中PM2.5 中四种致癌重金属元素浓度（μg/m3）检测数据

2 住宅室内健康风险模拟

2.1 蒙特卡罗方法

蒙特卡罗模拟方法能较好地处理健康风险评价中的不确定性问题[4]。美国国家科学委员会和美国环境保护署极力促使评价人员使用蒙特卡罗模拟方法以及其概率分析工具，作为不确定性风险评价和定量分析的使用工具[5]。蒙特卡罗模拟计算方法[6-7]是使用实验变量和实验参数的已知概率分布来进行重复计算得到概率分布的计算结果。Crystall ball 仿真软件结合Excel 表格来实现，模拟分析结果详细[8]。蒙特卡罗模拟计算方法迅速成为一种计算暴露和风险概率分布的计算方法[9-10]。

2.2 典型住宅室内风险模型

健康风险评价模型采用的计算公式分别为式（1）和式（2）所示：

式中：LADD 为表示客厅中污染物质的平均日吸入量，mg/(kg·d)；IR 为表示呼吸速率，m3/d，男性呼吸速率为15.6 m3/d，女性呼吸速率为10.8 m3/d；ET 为暴露时间，经过调查问卷得到男性停留时间在[1，6]h 范围内，平均值为3.6 h，标准差为1.6 h。女性停留时间在[1.5，13]h 范围内，平均值为5.1 h，标准差为3.3 h；CA为PM2.5 中致癌金属元素As、Cd、Cr 和Ni 的浓度水平，mg/m3；EF 为暴露频率，d/a，在模型输入变量时取值为365 d/a；BW 为体重，kg，通过调查问卷可以得到男性体重范围为[40，60]kg，平均值为60 kg，标准差为20 kg，女性体重范围为[35，80]kg，平均值为55 kg，标准差为20 kg；LT 为平均暴露的寿命周期，a，本文主要探讨寿命周期内的致癌风险率，取70 a 作为一个寿命周期；PF 为PM2.5 中致癌金属元素As、Cd、Cr 和Ni的潜在致癌因子，mg/(kg·d)，经过查阅文献[11-12]可知：Cr 取42 mg/(kg·d)，Ni 取0.84 mg/(kg·d)，As 取20.7 mg/(kg·d)，Cd 取6.3 mg/(kg·d)；LCP 为表示致癌风险水平。

主要探讨男性和女性分别在PM2.5 中As、Cd、Cr和Ni 等四种致癌重金属元素的致癌风险水平。采用蒙特卡罗模拟，设定模拟次数为5000 次[13-15]计算其致癌风险。

3 典型住宅室内致癌风险模拟分析

3.1 男性致癌风险分析

图1、图2、图3、图4 分别是室内客厅环境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四种重金属元素的致癌风险图，表2 为四种重金属元素的致癌风险汇总表。根据美国环境保护署提出的细颗粒物癌症风险可接受的安全范围为10-6～10-4，分别对男性Cr、Ni、As、Cd 致癌风险进行分析。

表2 男性室内健康风险模拟结果汇总表

图1 男性Cr 致癌风险图

图2 男性Ni 致癌风险图

图3 男性As 致癌风险图

图4 男性Cd 致癌风险图

从图1 可知，重金属Cr 的95%致癌风险率为4.32×10-4，是平均致癌风险率的2 倍，明显超出元素致癌风险的安全范围，存在较大的致癌风险性。从图2可知，重金属Ni 的95%致癌风险率为4.9×10-6，是平均致癌风险的2.26 倍，但没有超过重金属Ni 致癌风险的安全范围。从图3 可知，重金属As 的95%发生的致癌风险率为1.87×10-4，超过了重金属As 的致癌风险的安全范围，存在较大致癌风险。男性重金属As 的95%致癌风险率为平均致癌风险的2.13 倍。从图4 可知，重金属Cd 的95%致癌风险率约等于1×10-4，是致癌平均值的1.99 倍，存在一定的致癌风险性。

3.2 女性致癌风险分析

图5、图6、图7、图8 分别是室内客厅环境中男性受PM2.5 中Cr、Ni、As、Cd 等四种重金属的致癌风险图，表3 为女性室内健康风险模拟结果汇总表。

图5 女性Cr 致癌风险图

图6 女性Ni 致癌风险图

图7 女性As 致癌风险图

图8 女性Cd 致癌风险图

表3 女性室内健康风险模拟结果汇总表

从图5 可知，重金属Cr 的95%致癌风险为2.85×10-4，是平均值的2.23 倍，致癌风险率超过了Cr 的致癌风险的安全范围，存在较大的致癌风险。从图6 可知，重金属Ni 的95%致癌风险为6.32×10-6，是致癌风险平均值的2.47 倍，致癌风险率在致癌风险的安全范围之内。从图7 可知，重金属As 的95%致癌风险为2.38×10-4，是平均值风险率的2.33 倍，超过了As 的致癌风险的安全范围，存在较大的致癌风险。从图8 可知，重金属Cd 的95%致癌风险率为1.25×10-4，是致癌平均值的2.12 倍，超过了Cd 的致癌风险的安全范围，存在较大的致癌风险性。

3.3 健康风险模型参数灵敏度分析

利用蒙特卡罗模拟方法进行健康风险模拟研究时，对模型参数进行灵敏度分析可以明确试验中的不确定性因素，检查每种不确定性因素对实验结果的影响程度大小。

图9 表示男性Cr、Ni、As、Cd 灵敏度分析计算图。从图9 可知，男性健康风险灵敏度分析计算中，重金属元素Cr、Ni、As、Cd 四种致癌元素中，不确定性因素浓度CA 的贡献值最大，其次是暴露时间ET，体重BW的贡献值相对较小。男性Cr 致癌风险中，相关系数CA 为0.71，ET 为0.6，BW 为-0.28。Ni 致癌风险中，相关系数贡献值CA 为0.77，ET 为0.56，BW 为-0.21。As 致癌风险中，相关系数贡献值CA 为0.7，ET 为0.63，BW 为-0.23。Cd 致癌风险中，相关系数贡献值CA 为0.83，ET 为0.42，BW 为-0.3。即四种重金属元素的致癌风险灵敏度贡献值大小为CA＞ET＞BW。

图9 男性致癌风险不确定性因素灵敏度分析

图10 表示女性Cr、Ni、As、Cd 灵敏度分析计算图。从图10 可知，与男性灵敏度风险计算分析相同的是，四种致癌重金属元素Cr、Ni、As、Cd 中，致癌风险贡献值均是污染物浓度CA 最大，停留时间ET 次之，体重BW 的贡献值相对较小。其中，女性Cr 致癌风险中CA 的贡献值相关系数为0.78，ET 为0.5，BW 为-0.28。Ni 元素致癌风险中，灵敏度分析贡献值相关系数CA 为0.66，ET 为0.65，BW 为-0.2。As 元素致癌风险中，灵敏度分析相关系数CA 为0.7，ET 为0.61，BW为-0.23。Cd 元素致癌风险中，灵敏度分析贡献值相关系数CA 为0.87，ET 为0.35，BW 为-0.3。因此四种致癌重金属元素中灵敏度分析贡献值的大小为CA＞ET＞BW。

图10 女性致癌风险不确定性因素灵敏度分析

4 结论

通过分析可知四种致癌重金属元素95%致癌风险中Cr、As、Cd 三种元素均超过了美国环境保护署规定的致癌风险安全范围，存在较大致癌风险。无论是男性还是女性，95%致癌风险率是致癌风险平均值的2 倍多。研究发现，室内环境中PM2.5 中四种致癌重金属元素的致癌风险大小排列为Cr＞As＞Cd＞Ni。通过对实验的主要不确定性因素进行灵敏度分析发现，无论是男性还是女性，四种致癌重金属元素Cr、Ni、As、Cd的致癌风险贡献值大小为CA＞ET＞BW，由于住宅内空气中的致癌风险水平较高，因此有必要降低住宅室内PM2.5 浓度水平。