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多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，简称PAHs）具有“三致”效应，对人体健康的影响很大[1]. PAHs与道路灰尘颗粒或大气颗粒物结合，最终通过干湿沉降的方式进入道路灰尘中[2]. 因此，道路灰尘是PAHs累积、迁移和危害人体健康的重要环境介质[3].
道路灰尘由粒径大小不同的颗粒物组成，而PAHs在不同灰尘粒径组分中的组成和分布存在差异[4]，受灰尘中的总有机碳、灰尘颗粒的表面积或污染物进入灰尘的方式等因素的影响[5]. 因此，粒径大小是影响道路灰尘环境行为的主要参数[4]，也是影响其与人体接触并进入人体消化系统的一个关键因素[6]. 道路灰尘主要通过经口摄入的方式进入人体内[7 − 8]，而不同粒径的灰尘进入人体内的概率不同. 与粗颗粒灰尘（粒径>250 μm）相比，细颗粒灰尘（粒径<63 μm）更容易黏附在人体皮肤上，从而更有可能通过手-口途径进入人体的消化系统[9 − 10]. 而且灰尘进入人体消化系统后，PAHs是否能被肠道吸收取决于其生物有效性[11]，与PAHs的性质、载体的性质以及消化系统的环境条件等因素有关[11 − 12]. 但随灰尘进入消化系统中PAHs并非都能被人体吸收，近年来，体外消化模型常被用来模拟研究污染物在人体消化系统中的释放和吸收率[13 − 14]，以准确测定人体消化系统中污染物的实际吸收率.
目前，对道路灰尘中PAHs的研究大多集中于原灰尘中PAHs的含量、来源以及人体健康风险评估等方面[7, 15]，而有关灰尘不同粒径组分中的PAHs在在消化系统中的行为特征及吸收率鲜有报道，对于道路灰尘中PAHs的健康风险评估仍有许多局限性. Lorenzi等通过人体平均每日摄入量评估了城市街道灰尘的6个粒径组分中PAHs的健康风险，认为细粒径灰尘对人体的危害最大[15]，但其研究结果是基于灰尘中PAHs总量，并没有考虑有效态PAHs含量. Zhang等在应用体外消化模型评估烟灰中PAHs的生物有效性研究中，利用硅胶片作为肠道中PAHs吸收的汇，通过硅胶片对PAHs吸附造成消化液与固相中PAHs的含量差来促进PAHs从固相残渣表面的解吸，模拟了PAHs在小肠中的被动分子扩散，并将消化液和硅胶片中的PAHs定义为生物有效态，据此计算PAHs生物可利用度（Bioaccessibility），这种研究方法更接近人体消化系统的实际情况[13]. 然而，利用体外消化模型并添加硅胶片的方法评估道路灰尘中PAHs生物可利用度的研究还鲜见报道.
因此，本研究将道路灰尘分成了3个粒径组分（>250 μm、250—53 μm和<53 μm），分析了不同粒径组分中PAHs的含量和组成，并通过体外消化模型研究了不同粒径灰尘中PAHs的生物可利用度和生物有效态PAHs毒性当量值的大小，研究结果有助于深入了解道路灰尘对人体的健康风险.
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灰尘样品采自福州市仓山区迎安路（26°01′53.68″N，119°18′46.88″E），在车流量较小的时间段，选取一个200 m路段，收集靠近两侧人行道的路面灰尘，带回实验室后，挑出大的碎石和植物碎屑以及其它杂物，过2 mm金属筛，冷冻干燥后保存备用.
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参照Ni等的研究中，用湿筛法分离出>250 μm与250—53 μm两个组分的灰尘，通过静置沉降方式分离出<53 μm的灰尘[16]，将分离出来的3种粒径组分的样品进行冷冻干燥后备用. 粒径分组后，灰尘的质量回收率为99.3%.
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灰尘的总碳和全氮含量采用元素分析仪（Elemetar Vario Max CN，Germany）测定，灰尘的比表面积采用多站扩展式全自动快速比表面与孔隙度分析仪（ASAP 2460）测定. 灰尘理化性质见表1.
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参照Zhang等[13]的方法对灰尘进行体外消化模型实验. 称取2.0 g灰尘原样或其粒径组分于50 mL带有聚四氟乙烯衬垫盖的高硼硅玻璃离心管中，再添加5.0 mL唾液（2.8 g·L−1的α-淀粉酶的0.02 mol磷酸盐缓冲液A），置于37 ℃恒温箱中，在60 r·min−1下避光振荡5 min. 然后，向各离心管中加入7.5 mL胃液（10.0 g·L−1胃蛋白酶的0.2 mol氯化钾溶液，HCl调节pH至1.0），再次置于37 ℃恒温箱中，在60 r·min−1下避光振荡2 h. 最后，向各离心管中加入2.0 g硅胶片和20.0 mL小肠液（含20.0 g·L−1的胰酶、3.0 g·L−1的脂肪酶和14.0 g·L−1的猪胆汁提取物的0.2 mol磷酸盐缓冲液，pH 7.8），置于37 ℃恒温箱中，在60 r·min−1下避光振荡4 h.
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将消化液中硅胶片取出，用去离子水冲洗干净后吸干水分，放入棕色瓶中. 向棕色瓶中加入10 mL乙腈，保证硅胶片完全被乙腈浸没，充分混旋后，置于超声波清洗仪（200 W，60 Hz）中超声2 h，超声后将乙腈溶液过0.22 μm PTFE滤膜后上机测定PAHs含量.
将硅胶片的冲洗液与消化后溶液混合，在20 ℃下以3000 r·min−1离心20 min，分离上清液和沉淀物. 沉淀物冻干后进行PAHs提取，依次用10 mL 丙酮、丙酮与二氯甲烷（体积比1∶1）、二氯甲烷和二氯甲烷超声提取，每次超声30 min，8000 r·min−1离心10 min，合并4次提取液，旋蒸浓缩，过C18小柱净化，用乙腈淋洗出PAHs，最后过0.22 μm滤膜，4 ℃冰箱保存，待测.
上清液中加入10 mL二氯甲烷，用分液漏斗进行液液萃取3次. 合并3次的二氯甲烷相，旋蒸浓缩后过C18柱净化，用乙腈洗脱后过0.22 μm滤膜，4 ℃冰箱保存，待测.
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利用超高效液相色谱系统（Waters ACQUITY UPLCTM）配 UPLC 荧光检测器进行测定，测定的15种PAHs为萘（Nap）、苊（Ace）、芴（Flu）、菲（Phe）、蒽（Ant）、荧蒽（FluA）、芘（Pyr）、苯并（a）蒽（BaA）、䓛（Chry）、苯并（b）荧蒽（BbF）、苯并（k）荧蒽（BkF）、苯并（a）芘（BaP）、二苯并（a,h）蒽（DBA）、苯并（g,h,i）苝（BghiP）和茚并（1,2,3-cd）芘（InP）. 由于二氢苊荧光效应较弱，未测定. 色谱条件和质量控制参见倪进治等[17]的研究.
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为了比较PAHs在各级粒径灰尘中的分配情况，按下式计算各粒径组分中PAHs的分配比例（即贡献率）[18]，即：
其中，P为各粒径组分中PAHs的分配比例，%；Mi为粒径组分i的质量百分比，%；ci为粒径组分i中PAHs总含量，μg·kg−1.
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在体外消化模型实验中，将消化液和硅胶片中的PAHs定义为生物有效态PAHs，各粒径灰尘中PAHs生物有效性的高低程度用生物可利用度表示：
其中，B为生物可利用度，%；Qf为消化液中PAHs含量，μg·kg−1；Qs为硅胶片吸附的PAHs含量，μg·kg−1；Qr为消化残渣中PAHs含量，μg·kg−1.
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由于BaP具有较强的致癌性，可用来反映环境中PAHs致癌潜能，因而计算了15种PAHs基于BaP的毒性当量浓度以进行毒性风险评估[19]，灰尘各粒径组分中生物有效态PAHs总毒性当量（TEQBaP）计算公式如下：
其中，TEQBaP为灰尘中PAHs总毒性当量，μg·kg−1；Ci为第i种PAHs单体含量，μg·kg−1；TEFi为15种PAHs单体（Nap、Ace、Flu、Phe、Ant、FluA、Pyr、BaA、Chry、BbF、BkF、BaP、DBA、BghiP、InP）相对于BaP的毒性当量因子，分别为0.001、0.001、0.001、0.001、0.010、0.001、0.001、0.100、0.010、0.100、0.100、1.000、1.000、0.010、0.100[20].
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用Microsoft Excel 2019对数据进行常规计算处理；采用Origin 2021进行数据统计与作图；采用SPSS Statistics 26中Tukey HSD进行方差分析，比较不同处理组之间的显著性差异（P<0.05），同时采用Pearson方法进行相关性分析.
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原灰尘及其粒径组分中15种PAHs含量见表2. 灰尘>250 μm、53—250 μm和<53 μm粒径组分中PAHs总量随粒径减小而增加，分别为0.597 mg·kg−1、1.235 mg·kg−1和3.931 mg·kg−1，这加剧了PAHs随细颗粒灰尘（粒径<53 μm）通过手-口和呼吸途径对人体健康的风险，其他研究也有类似的结果[21 − 23]. 细颗粒灰尘中PAHs含量较高与其具有较大的比表面积有关（表1）. 其他研究也表明，细颗粒灰尘比表面积和总有机碳含量较高，可以吸附更多的污染物[24 − 25].
灰尘中>250 μm、53—250 μm和<53 μm组分的质量百分比随粒径减小而递减，分别为62.5%、32.9%和4.6%（表1），说明灰尘中大部分为>250 μm组分，其他研究都有相似的结果[15, 21]. 根据公式（1）计算可得，>250 μm、53—250 μm和<53 μm粒径组分中PAHs的量对灰尘中PAHs总量的贡献率分别为38.8%、42.3%和18.9%，说明灰尘中的PAHs绝大多数分配在53—250 μm组分中.
图1是灰尘不同粒径组分中PAHs组成. 不同粒径组分以及原灰尘中的PAHs组成几乎一致，都为4环（57.8%—60.8%）>5环（21.1%—21.9%）>3环（12.2%—14.3%）>6环（3.7%—4.9%）>2环（1.8%—2.3%），说明灰尘中PAHs组成与灰尘的粒径大小无关. 研究城市道路灰尘中的不同粒径组分有类似的结果[15]. 另外，有研究表明，土壤中PAHs的环数以及性质不会影响其在各粒径土壤中的分配，各粒径土壤中PAHs的组成可能与其排放源有关[25]. 本研究中，PAHs在不同粒径灰尘中的组成基本相同，也可能与各粒径灰尘中PAHs来自相同排放源有关.
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图2是体外消化实验得到的不同粒径灰尘中PAHs生物有效态的含量和组成. 不同粒径灰尘中生物有效态PAHs总量以及3环和4环PAHs有效态含量都是随粒径的减小而显著升高（P<0.05），这与各粒径原灰尘中PAHs含量高低顺序一致（表2）. 并且，<53 μm组分中5环和6环PAHs有效态含量都显著高于53—250 μm和>250 μm（P<0.05），而53—250 μm和>250 μm之间没有显著性差异（P>0.05）. 各粒径灰尘中有效态PAHs的组成与消化前各粒径灰尘中PAHs的组成有所不同（图1），除<53 μm组分中的6环PAHs有效态含量高于2环外，都按4环、3环、5环、2环和6环的顺序递减. 以上结果说明了不同粒径灰尘中PAHs含量越高，其在体外消化模型实验中释放的有效态PAHs总量也就越多，但不同环数PAHs释放的比例会有所不同.
为了明晰不同粒径灰尘中有效态PAHs占其PAHs总量百分比的差异性，根据公式（2）计算了各粒径灰尘中PAHs的生物可利用度，结果见图3.
不同环数PAHs的生物可利用度在4.7%—71.2%的范围内，与张迪宇等[10]利用体外消化模型研究土壤中PAHs生物有效度校准后的范围5%—100%相一致. 粒径组分53—250 μm与<53 μm之间，各环数PAHs和总PAHs的生物可利度都无显著性差异 （P>0.05 ） ，但除6环PAHs外它们都显著低于>250 μm组分中相应PAHs的生物可利用度（P<0.05）（图3）. 说明粒径大的灰尘中，PAHs在消化液中更容易被溶出，也就更容易被消化吸收进入人体内. 这可能是因为粒径大的灰尘结构不稳定，更容易被消化液破碎从而释放PAHs，前人也报道过类似的研究结果[26]. 如果仅使用灰尘中PAHs总含量进行风险评估，可以得到细颗粒灰尘的风险更大. 然而，当考虑灰尘中PAHs生物可利用度时，粗颗粒灰尘可能会造成更大的健康威胁. 也有研究发现，虽然粗颗粒灰尘中有机污染物（如PAHs）具有较高的生物可利用度，但污染物含量通常较低，且粗颗粒灰尘被人体摄入量要少于细颗粒，故细颗粒灰尘中的PAHs在胃肠道的暴露风险高于粗颗粒灰尘[27]. 因此，在评估不同粒径灰尘对人体健康的风险时，不仅要考虑不同粒径灰尘中污染物的生物可利用度，还要考虑其中污染物含量以及灰尘实际被人体摄入量的多少. 由图3还可看出，在>250 μm粒径组分中，5环和6环PAHs的生物可利用度都显著低于2环、3环和4环（P<0.05）；在53—250 μm粒径组分中，5环PAHs生物可利用度最低，显著低于3环和4环PAHs（P<0.05）；在<53 μm粒径组分中，5环PAHs生物可利用度也最低，显著低于4环和6环PAHs（P<0.05）. 总体来看，低环PAHs（2环、3环和4环）生物可利用度要大于高环PAHs（5环和6环），可能是因为低环PAHs的水溶性相对较大，易于从灰尘中释放到消化液里；而高环PAHs水溶性小，不容易释放到消化液里，从而生物可利用度相对较低.
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灰尘中PAHs只有被溶出到消化液中才有可能被人体吸收产生毒性，因此根据公式（3）计算了各粒径灰尘中生物有效态PAHs的TEQBaP值，结果见图4. 不同粒径灰尘中总PAHs的TEQBaP值随粒径减小而增大，与各粒径灰尘中有效态PAHs总量之间存在极显著相关性（P<0.01）. Lee等的研究结果也表明，道路原灰尘中总PAHs的TEQBaP值随PAHs总量的增加而升高[28].
灰尘中各环数PAHs的TEQBaP值按5环>4环>6环>3环>2环的顺序减少，其中5环和4环PAHs的TEQBaP值极显著高于其他环数PAHs（P<0.01）（图4），这主要与PAHs单体化合物的毒性当量因子的大小有关，其他研究也有类似结果[21]. 虽然5环PAHs的TEQBaP值最大，但其生物可利用度最低（图3）；而4环PAHs的TEQBaP值很高，其生物可利用度也较大（图3），且4环在PAHs组成中百分比最高（图1）. 因此，综合来看，灰尘中4环PAHs的人体健康风险最大.
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（1）不同粒径灰尘中PAHs总量随粒径减小而增加，但PAHs组成基本相同，其中4环含量最高（58.5%±0.8%），2环含量最低（2.0%±0.3%）.
（2）不同粒径灰尘中有效态PAHs总量也随粒径减小而增加，但>250 μm组分中PAHs的生物可利用度显著高于250—53 μm和<53 μm组分. 总体上，低环（2环、3环和4环）PAHs生物可利用度要大于高环PAHs（5环和6环）.
（3）不同粒径灰尘中有效态PAHs的总TEQBaP值也随粒径减小而增大，其中4环和5环PAHs的TEQBaP值显著高于其他环数PAHs. 在PAHs组成中，4环百分比最高，且其具有较高的生物可利用度和TEQBaP值，因而在人体中潜在毒性风险最高.
福州市道路灰尘中多环芳烃粒径分布、生物可利用度及其毒性当量
Distribution, bioaccessability and toxicity equivalence of polycyclic aromatic hydrocarbons in different particle-size fractions of road dust in Fuzhou
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摘要: 以福州道路灰尘为研究对象，研究了不同粒径灰尘（>250 μm、250—53 μm和<53 μm）中多环芳烃（PAHs）的含量和组成，并利用体外消化模型结合固相萃取技术评估了不同粒径灰尘中PAHs的生物可利用度以及有效态PAHs的苯并(a)芘（BaP）毒性当量浓度（TEQBaP）. 结果表明，（1）不同粒径灰尘中PAHs总量随粒径减小而增加（>250 μm，0.597 mg·kg−1；250—53 μm，1.235 mg·kg−1；<53 μm，3.931 mg·kg−1）. 不同粒径灰尘中PAHs组成基本相同，都为4环（58.5%±0.8%）>5环（21.5%±0.4%）>3环（13.3%±0.9%）>6环（4.8%±0.2%）>2环（2.0%±0.3%）；（2）不同粒径灰尘中有效态PAHs总量随粒径减小而增加，但>250 μm粒径灰尘中PAHs的生物可利用度显著高于250—53 μm和<53 μm粒径灰尘 ( P<0.05 ) . 总体上，低环（2环、3环和4环）PAHs生物可利用度要大于高环（5环和6环）PAHs；（3）不同粒径灰尘中有效态PAHs的总TEQBaP值随粒径减小而增大，且不同粒径灰尘中4环和5环PAHs的TEQBaP值都显著高于其他环数PAHs ( P<0.05 ) . 由于不同粒径灰尘中4环PAHs含量都最高，且其具有较高的生物可利用度和TEQBaP值，因而在人体内潜在毒性风险最高.Abstract: The content and composition of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in different particle-size fractions (>250 μm, 250—53 μm and <53 μm) of the road dust from Fuzhou city were studied. Moreover, the bioaccessability of PAHs and the toxic equivalent concentration based on the toxicity of benzo(a)pyrene (BaP) (TEQBaP) of the bioavailable PAHs in different particle-size fractions of the dust were evaluated by an in vitro digestion model combined with solid phase extraction technique. The results showed that: (1) the total contents of PAHs in different particle-size fractions of the dust increased with the decrease of particle size (>250 μm, 0.597 mg·kg−1; 250—53 μm, 1.235 mg·kg−1; <53 μm, 3.931 mg·kg−1). The compositions of PAHs in different particle-size fractions of the dust were basically the same, all of which were in the sequence of 4-ring (58.5%±0.8%)> 5-ring (21.5%±0.4%)> 3-ring (13.3%±0.9%)> 6-ring (4.8%±0.2%)> 2-ring (2.0%±0.3%); (2) The total contents of the bioavailable PAHs in different particle-size fractions of the dust increased with the decrease of particle size, but the bioaccessability of PAHs was significantly higher in the >250 μm dust than in the 250—53 μm and <53 μm dust ( P<0.05). Overall, the bioaccessability of low-ring (2-, 3-, and 4-ring) PAHs was greater than that of high-ring (5-, 6-ring) PAHs; (3) The total TEQBaP value of the bioavailable PAHs in different particle-size fractions of the dust increased with the decrease of particle size, and the TEQBaP values of 4-ring and 5-ring PAHs in different particle-size fractions of the dust were significantly higher than those of other ring number PAHs ( P<0.05 ) . The 4-ring PAH content was the highest in different particle-size fractions of the dust and they also had high bioaccessability and TEQBaP values, thus their potentially toxic risk in human was the highest.
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图 1 原灰尘及其粒径组分中PAHs的组成
Figure 1. Composition of PAHs in the bulk dust and its particle-size fractions
图 2 不同粒径灰尘中生物有效态PAHs的含量和组成
Figure 2. Contents and composition of the bioavailable PAHs in different particle-size fractions of the dust
图 3 不同粒径灰尘PAHs的生物可利用度
Figure 3. Bioaccessability of PAHs in different particle-size fractions of the dust
图 4 各粒径灰尘中有效态PAHs的毒性当量浓度
Figure 4. Toxic equivalent concentration of bioavailable PAHs in different particle-size fractions of the dust
表 1 供试灰尘理化性质
Table 1. Physico-chemical properties of the tested dust samples
粒径/μm
Particle size总碳/（g·kg−1）
Total carbon全氮/（g·kg−1）
Total nitrogen碳氮比
C/N比表面积/（m²·g−1）
Specific surface area质量百分比/%
Mass percentage原灰尘 11.49 0.72 15.90 0.86 — >250 6.43 0.22 29.77 0.46 62.5 53—250 5.38 0.21 26.16 1.76 32.9 <53 5.61 0.35 15.99 12.01 4.6 注：“—”表示原灰尘中不存在质量百分比.
Note：“—”indicates not applicable for the bulk dust
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表 2 原灰尘及其粒径组分中15种PAHs含量（mg·kg−1）
Table 2. Contents of 15 PAHs in bulk dust and its particle-size fractions（mg·kg−1）
PAHs 环数
Number of rings原灰尘
Bulk dust粒径/μm
Particle size>250 53—250 <53 Nap 2 0.018 0.011 0.028 0.080 Ace 3 N.D. N.D. N.D. N.D. Flu 3 0.010 0.008 0.013 0.038 Phe 3 0.084 0.071 0.131 0.423 Ant 3 0.009 0.007 0.014 0.037 FluA 4 0.204 0.135 0.284 0.881 Pyr 4 0.148 0.102 0.212 0.652 BaA 4 0.129 0.086 0.176 0.659 Chry 4 0.033 0.023 0.046 0.144 BbF 5 0.101 0.067 0.162 0.521 BkF 5 0.029 0.022 0.042 0.134 BaP 5 0.043 0.034 0.061 0.167 DBA 5 0.005 0.004 0.005 0.016 BghiP 6 0.020 0.019 0.036 0.092 InP 6 0.012 0.010 0.024 0.087 ∑PAH15 0.844 0.597 1.235 3.931 注：N.D.代表未检出.Note：N.D.stands for not detected.
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