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多环芳烃（polycyclic aronatic hydrocarbons 简称PAHs）是大气中广泛存在的有机污染物，以稠环方式相连，具有“致癌、致畸、致突变”特性[1-3]，对人体健康危害极大。大气中多环芳烃主要来自石油挥发、石油燃烧、化石燃料、垃圾燃烧等人类活动及一些自然过程[4-5]，并以气相和颗粒相的形式存在。颗粒相可吸附在固体颗粒物表面，颗粒的粒径越小，呈现的比表面积越大，吸附PAHs的能力越强[6-8]。
近年来，许多国内外学者对颗粒物中多环芳烃进行了特征分析、来源解析以及风险评估。陈瑞等[9]利用高效液相色谱法对兰州市社区大气细颗粒物PM2.5中多环芳烃(PAHs)进行质量浓度及其组成特征分析，运用毒性当量浓度及终身超额致癌风险(ILCR)进行毒性评价。严宙宁等[10]对深圳市南山区和龙岗区进行大气采样，使用高效液相色谱仪定量分析样品PM2.5中PAHs含量；张艺璇等[11]采集长春市秋季大气中的PM2.5样品，使用气相色谱质谱仪(GC-MS)分析了样品中17种多环芳烃的浓度和组成特征，运用主成分分析法和比值法确定PAHs的污染来源；Kim等[12]在Environment International (EI)发表了PAHs对人体健康的影响。
开封市地处中原地区，地势较低，不利于污染物的扩散。每逢夏、秋季大量游客前来参观，庞大的交通流量给当地天气质量状况带来重要影响。自2017年，全国各省雾霾现象日益严重，河南省的天气状况同样不容乐观。根据调查，2018年，开封市空气质量达标天数仅占全年54.12%，超标天数比例高达45.88%。2019年，一年中空气污染严重时PM2.5含量最大值达278 μg·m−3，PM10的含量高达286 μg·m−3。大气中颗粒物含量维持在高水平，增大了多环芳烃对人体危害的可能性，因此对于可吸入颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5中PAHs的研究一直是近年来的热点话题。
开封市金明大道与郑开大道交界处，每天有交警执勤指挥，长期暴露于环境中，且采样点周围有金明广场等娱乐场所，经常有老人孩子前往健身娱乐。因此，本文选取交界处作为研究对象，采集第三季度（7—9月）的大气样品，使用GC-MS对TSP、PM10、PM2.5等3种颗粒物中的多环芳烃的浓度和组成特征进行分析，并通过计算苯并芘等效致癌浓度和终身致癌超额危险度进行健康风险评估。
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本研究在开封市金明大道与郑开大道交界处设置采样点，依据《环境空气PM10和PM2.5的测量重量法》（HJ618-2011）使用中流量大气采样器采集大气颗粒物。采集时间自7月至9月，每周采样1次，每月共计采样3次，设置平行样，每日采样周期均为当日8:00至18:00。TSP、PM10、PM2.5有效样各18个，采样体积标准状况下约为65 m3。采样同时记录采样时间、气压、实时温度、平均温度、相对湿度等气象参数。雨后48 h内不采样。
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采用快速溶剂萃取法提取颗粒物中有机物。将滤膜和环膜剪碎，同硅藻土交叉放入萃取池中，萃取溶剂为正己烷和丙酮（体积比为3∶1）的混合溶液，经过润洗、预热、注液、静态萃取、冲洗、气体吹扫，最终提取有机物多环芳烃。氮吹浓缩法进行浓缩定容。提取液转移至浓缩瓶中，并用正己烷润洗收集瓶，使用多功能氮吹仪于45 ℃下进行氮吹浓缩，将提取液浓缩至5.0 mL以下时，再加入正己烷，继续浓缩，使溶剂完全转化为正己烷，浓缩至1.0 mL以下。制备的样品在4 ℃下冷藏保存，等待上机。
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气相色谱质谱仪测定PAHs 含量：利用气相色谱-质谱联用仪，配备石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 µm)，进样口温度为250 ℃，分流比60∶1，升温程序为在70 ℃条件下保持2 min再以10 ℃·min−1的速度升温至320 ℃保持5.5 min，离子源温度为230 ℃，离子化能量为70 eV，传输线温度为280 ℃，进样量为2 µL，对净化后的样品进行定量分析。
实验仪器及实验分析方法如表1所示。
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实验在称量过程进行质量控制、称量前后对天平进行校准，每次称量使用同一台天平，多次称量，结果的误差不大于15 μg。实验过程中利用空白实验、平行实验进行质量控制，外标法定量，同时使用无目标物的基质进行回收实验。多环芳烃标准品购置于美国AccuStandardInc，16种多环芳烃标准曲线R2维持在0. 999以上，加标回收率在68%—87. 0%之间，方法检出限在0. 01—0. 20 ng·m−3之间，平行样的相对误差均在12%以内。
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通常开封市夏秋季相对春冬季，空气质量好，能见度高，雾霾天气出现较少。交通要道附近空气中不同粒级颗粒物浓度如图1所示。
由图1可知，8月份天气质量状况最佳，TSP、PM10、PM2.5三类颗粒物均符合《环境空气质量标准》（GB3095-2012）一级标准，7月次之，三类颗粒物均符合二级标准；9月最差，TSP含量接近180 µg·m−3。查阅真气网，开封市2019年7、8、9月份空气质量达标率在60%左右，轻度污染约占38.9%，中度污染约占1.1%；首要污染物均为O3，这是夏季高温、高湿、高紫外线气象条件的结果。
PM2.5和PM10主要来自工业生产、机动车尾气等，SO2、NO2、CH化合物等气态污染物参与光化学反应也可产生PM2.5[13-14]，沙尘、建筑扬尘、交通扬尘等各类扬尘源可产生PM10[15]。利用细颗粒物在PM10中的占比，可判断二次PM的贡献率。
$\; {\rho }_{{\rm{PM}}_{2.5}} $ /$ \;{\rho }_{{\rm{PM}}_{10}} $ 越大，二次PM的贡献率越大，相反，扬尘源的贡献率越大[16]。开封市夏秋季$\; {\rho }_{{\rm{PM}}_{2.5}} $ /$\; {\rho }_{{\rm{PM}}_{10}} $ 比值分别为58.3354%、59.7166%、59.736%，说明该交通干道处8、9月份的空气中二次PM贡献率较大。 -
开封市夏秋季交通要道大气颗粒物样品中多环芳烃的16种单体浓度均有检出，分布范围如图2所示。Ant、BaP质量浓度较低，Acl、Phe、Chr、Bbf、Bkf、DBahA质量浓度较高。TSP、PM10、PM2.5中∑PAHs质量浓度范围分别为7.64—19.42、5.171—9.40、2.520—4.787 ng·m−3，单体平均浓度范围分别为0.466—1.488、0.177—0.934、0.087—0.493 ng·m−3，多环芳烃主要分布在可吸入颗粒物中。与同季节其他城市颗粒物PM2.5中PAHs质量浓度相比，开封市PM2.5中的PAHS明显低于南昌市[17]（17.95 ng·m−3，2013年）、伊宁市[18]（17.95 ng·m−3，2016年）、长春市[11]（15.69 ng·m−3，2017年）。
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图3为PAHs在颗粒物上的环数分布,自下而上分别是2环（Nap）、3环（Acl、Ace、Flu、Phe、Ant）、4环（Flt、Pyr、BaA、Chr）、5环（BbF、BkF、BaP）、6环（IDP、DBahA、BghiP）。其中2、3环是低环数，5、6环是高环数。通过分析TSP100-10、PM10-2.5、PM2.5颗粒物中的PAHs环数分布情况发现，低环数>高环数，以3、4环为主；采集的样品PM2.5中不同环数PAHs所占比例为3环（41.6%）>4环（23.7%）>5环（16.1%）>6环（13.4%）>2环（5.2%）。
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依据特征比值法对开封市交通干道细颗粒物PM2.5中的PAHs进行源解析。表2是项目所设采样点处和文献已报道的PAHs来源解析特征比值[19-20]。由表2得到，研究对象ρBaP/ ρBghiP比值结果为0.64，处于柴油燃烧源范围内，ρPhe/ρAnt、ρBaA/ρBaA+Chr、ρIDP /ρIDP+ BghiP，比值结果分别为6.47、0.505、0.482，处于汽油燃烧排放源范围内，利用ρFlu /ρFlu + Pyr进行比值，结果处于燃煤源界定范围内。由此证明开封市主干道PAHs源于汽油、柴油燃烧、燃煤过程，且汽油的燃烧起主要贡献，此结果与杨旭曙等[21]探究的南京中山北路交通干道处大气颗粒物中PAHs的来源一致。
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PM2.5是细小颗粒物，巨大的比表面积可吸附大量有机物，通过呼吸进入肺泡，并随人体血液到达全身各处，对人体健康产生重大影响。通过计算Nisbet等[22]确立的以Bap为参照物的16种优控PAHs的TEF，用来计算毒性等效浓度（TEQ），从而评价PAHs对人体健康的影响。TEF 越小，致癌性越弱，TEF 越接近于1，致癌性越强[23]。《环境空气质量标准》规定空气BaP 24小时平均浓度标准限值为2.5 ng·m−3。16种多环芳烃的毒性当量因子见表3。
式中，TEQ为PAHs毒性等效浓度，ng·m−3；Ci：组分浓度，ng·m−3；TEFi：毒性当量因子。
呼吸引起的超额终生致癌风险（ILCR）计算公式为:
经计算，开封市PM2. 5中PAHs的TEQ 为0.395 ng·m−3，低于徐州市[24]（2016年，0.415 ng·m−3），略高于北京市昌平区[25]（2015年，0.354 ng·m−3），参考表4人体呼吸暴露参数，计算通过呼吸暴露途径对成人和儿童造成的超额终生致癌风险，分别为1.62×10−7和7.75×10−8。根据美国环境保护署规，ILCR<10－6，说明对人体健康风险不明显。
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（1）开封市7—9月交通干道交界处颗粒物质量浓度符合《环境空气质量标准》二级标准，8月天气质量状况最佳，9月最差，在此研究季节中二次PM贡献率较大。
（2）开封市大气 PM2.5中∑PAHs 质量浓度平均为（3.49±0. 097 ）ng·m−3，低于全国其他城市和地区，多环芳烃主要分布在可吸入颗粒物中。
（3）颗粒物中多环芳烃以3—4环低环为主，且根据多环芳烃特征比值分析，研究对象主要受石油燃烧源的影响，可间接反映使用清洁能源的汽车以及控制交通量的必要性。
（4）开封市PM2.5中PAHs通过呼吸暴露途径对人体造成的超额终生致癌风险小于美国环境保护署规的10−6风险阈值，证明对人体健康风险不明显。
开封市夏秋季交通干道颗粒物中多环芳烃特征分析及健康风险评估
Characteristics and health risk assessment of PAHs in particulate matter of mainroads in Kaifeng in summer and autumn
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摘要: 为了解开封市夏、秋季交通干道大气颗粒物中多环芳烃浓度情况，判断对人体的危害程度，于2019年7月至9月采集开封市金明大道和郑开大道交界处的大气颗粒物样品，使用GC-MS定量分析不同样品中的16种多环芳烃的质量浓度，采用环境健康风险评价方法，开展开封市夏秋季交通干道颗粒物中PAHs的健康风险评价研究。结果表明，开封市夏秋季TSP、PM10、PM2.5浓度整体上低于《环境空气质量标准》(GB3095-2012)二级标准限值，二次PM贡献率大；TSP、PM10、PM2.5中∑PAHs质量浓度范围分别为7.64—19.42、5.171—9.40、2.52—4.79 ng·m−3，单体平均浓度范围分别为0.466—1.488、0.177—0.934、0.087—0.493 ng·m−3，PAHs主要分布于可吸入颗粒物中；以BaP为基准，计算等效毒性因子以及通过呼吸暴露途径对成人和儿童造成的超额终生致癌风险，分别为 1.62×10−7和7.75×10−8，对人体健康风险不明显。Abstract: In order to understand the concentration and determine the degree of harm to humans of polycyclic aromatic hydrocarbons in the particles of the main roads in summer and autumn in Kaifeng City, the particulate matter samples were collected at the junction of Jinming Avenue and Zhengkai Avenue in Kaifeng City from July to September 2019. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to determine 16 kinds of PAHs in different samples. And then, the method of environment health risk assessment proposed by Nisbet was adopted to assess the health risks of PAHs in particulate matter of mainroads in Kaifeng in summer and autumn.The results showed that: The concentration of TSP, PM10, and PM2.5 were generally lower than the limit values for the class 2 according to the National Ambient Air Quality Standard (GB 3095—2012), and the secondary PM contribution rate was large; the total concentration of PAHs in TSP, PM10, and PM2.5 were 7.64—19.42, 5.171—9.40 and 2.52—4.79 ng·m−3, and the mean monomer concentration were 0.466—1.488, 0.177—0.934 and 0.087—0.493 ng·m−3, respectively; PAHs were mainly distributed in inhalable particles. Based on BaP, calculating the toxic equivalent factor and the incremental lifetime cancer risks to adults and children through respiratory exposure routes, which were 1.62×10−7 and 7.75×10−8, respectively, which were not obvious risk to human health.
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Key words:
- PAHs /
- traffic arterial road /
- GC-MS /
- risk assessment /
- Kaifeng
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图 1 2019年7—9月份采样点大气颗粒物浓度对比图
Figure 1. Comparison of atmospheric particulate concentration at sampling points from July to September 2019
图 2 ∑PAHs在TSP、PM10和PM2.5中的质量浓度
Figure 2. The concentration of ∑PAHs in TSP, PM10 and PM2.5
表 1 实验仪器及分析方法
Table 1. Experimental instruments and analysis methods
实验项目
Experimental projects仪器名称
Instrument name仪器规格及型号
Instrument specifications and models滤膜前处理 环膜 石英纤维(直径Φ75 mm) 滤膜 石英纤维(直径Φ90 mm) 分析天平 马弗炉 颗粒物采集 智能中流量采样器总悬浮微粒采样器
组合式多功能切割器TH-150A型 颗粒物质量浓度的测定 分析天平 多环芳烃浓度的测定 气相色谱-质谱联用仪 5975C/890N 型（美国安捷伦） 全自动固相萃取仪 Preval SPE 304 型（北京普立泰科） 多功能氮吹仪 HN200 
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表 2 大气颗粒物中各PAHs 含量的特征比值
Table 2. The characteristic ratio of PAHs content in atmospheric particles
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表 3 各化合物毒性当量因子记录表
Table 3. The record table of toxicity equivalent factors for each compound
化合物 Compound name TEFi 化合物 Compound name TEFi Nap 0.001 BaA 0.1 Acl 0.0001 Chr 0.01 Ace 0.0001 BbF 0.1 Flu 0.0001 BkF 0.1 Phe 0.0001 BaP 1 Ant 0.1 IDP 0.1 Flt 0.001 DBahA 1 Pyr 0.0001 BghiP 0.01
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