研究论文 正式出版 版本 2 Vol 9 (5) : 521-526 2018.
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宝鸡市中小学校园室内外灰尘铅暴露及评价
Exposure assessment of environment lead of indoor and outdoor dust in primary and high schools of Baoji
: 2018 - 09 - 13
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摘要&关键词
摘要:城市街道灰尘中重金属铅是血铅的一个重要的潜在污染源,由于校园学生过于集中,校园室内外灰尘的重金属铅含量对学生身体健康胁迫显得尤为重要。本文选择宝鸡市代表性区域的中小学校园,包括市区、郊区城镇、农村及铅锌冶炼厂区域室内外灰尘为研究对象,在对灰尘中铅含量测试的基础上,采用潜在生态危害指数法和地积累指数法对灰尘中铅污染进行对比评价。研究结果表明,宝鸡市中小学校园室内外灰尘重金属铅含量总体均较高,铅含量显著高于国内外城市灰尘中铅的含量,是陕西省表层土壤铅背景值(21.4mg/kg)的10-154倍。除农村灰尘铅含量稍微低一些,其他地区灰尘铅含量均达到陕西表层土壤背景值的30倍以上。市区灰尘的铅含量比十年前的研究数据408.41mg/kg增加了约40%。铅锌冶炼厂周围的灰尘铅含量和前人的研究数据基本持平。两种评价方法显示宝鸡市中小学校园室内外灰尘中Pb污染程度和潜 在生态风险均达到严重水平。该研究结果可为区域环境保护、治理及居民健康防护提供科学依据。
关键词:铅暴露;室内外;灰尘;中小学
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Heavy metal lead in urban street dust is an important potential source of blood lead. The primary and high school students are susceptible to lead pollution, so, the heavy metal lead content in indoor and outdoor dust of primary and high schools is very important to students' health. Materials and methods The indoor and outdoor dust in the urban and rural areas of Baoji City, including the urban, suburban towns, rural and lead-zinc smelters, was collected. The Pb content of the dust was analyzed by ICP-MS after microwave digestion. Based on the lead content, the ecological hazards was assessed using the potential ecological hazard index and the accumulation of lead methods. Results The lead content was 627.18mg/kg and 679.39 mg/kg in indoor and outdoor school of the city centre area, respectively. The average content of lead was 593.61mg/kg and 635.46 mg/kg in indoor and outdoor school of the urban area, respectively. The lead content in the rural area was lower than city centre area and the urban area, the results were 217.33mg/kg and 268.57 mg/kg. The lead content in lead and zinc smelters area was highest than other area, the results were reached 2717.62mg/kg and 3296.27mg/kg. Discussion Due to the rapid development of modern industry, the main reason that the Lead content in indoor and outdoor school dust of Baoji city was higher than domestic and foreign cities was the industrial production emissions, especially lead and zinc smelter emissions. Coupled with the special characteristics topography of Baoji city. The pollution degree of the dust was increased. Conclusions The lead content of heavy metals in indoor and outdoor school dust of Baoji City was higher than that in domestic and foreign cities. Excluded rural area, the lead content of other area was more than 30 times of Shaanxi surface soil values. Pb pollution level and potential ecological risk in Baoji City had reached a serious level base on two kinds of evaluation methods. Recommendations and perspectives The results are expected to provide important scientific basis for regional environmental protection, environmental pollution controlling, management and health protection of Baoji city.
Keywords: Exposure; lead; indoor and outdoor; dust; primary and high schools
灰尘是人们生活中经常接触到的一种环境介质,由于工业、交通,特别是有色金属冶炼等人类活动的影响,导致灰尘中累积了大量有毒有害物质,灰尘中的有害物质可通过人的呼吸作用、皮肤吸收及灰尘颗粒物直接摄入等途径进入人体危害健康,尤其是儿童(Gulson et al., 2017; Lima et al., 2017; Von Lindern et al., 2016)。国内外研究结果表明,城市街道灰尘中重金属铅是儿童血铅的一个重要的潜在污染源,灰尘对儿童血铅的影响远远大于大气铅和土壤铅, 特别是对有“手口癖”的儿童(Marcotte et al., 2017; Laidlaw et al., 2017; Kumar et al., 2016; 王金达等, 2003; 王利军等, 2013;闫慧等,2016)。而我国城市儿童铅中毒的流行率大约为51.6%。现在已经超过40个国家已把灰尘列为儿童血铅最主要的铅暴露源。宝鸡市曾经爆发过严重的儿童血铅事件 (任春辉等,2012;李小平等,2015),而由于校园学生过于集中,校园室内外灰尘的重金属铅含量对学生身体健康胁迫显得尤为重要(Menezes et al., 2016; Safruk et al., 2017),因此对宝鸡市内中小学校园室内外灰尘的重金属Pb污染研究具有重要的现实意义和科学意义。
本文选择宝鸡市代表性区域的中小学校园,包括市区、郊区城镇、农村及铅锌冶炼厂区域室内外灰尘为研究对象,在对灰尘中铅含量测试的基础上,评价了灰尘中铅的污染状况,旨在为当地环境改善及居民健康防护提供科学实验观测数据。
1   材料与方法
1.1   仪器和试剂
电感耦合等离子体质谱(ICP-MS):美国安捷伦科技有限公司(7700X型)。
酸纯化系统:美国Savillex DST-1000亚沸蒸馏系统。
超纯水系统:密理博MIlli-Q 超纯水仪。
硝酸:电子纯,苏州晶瑞化学股份有限公司;氢氟酸:电子纯,苏州晶瑞化学股份有限公司;
铅标准储备溶液:1000 μg/mL,国家标准物质中心;铅标准工作溶液:上述储备溶液用2%硝酸配置成10μg/mL、50μg/mL、100μg/mL和200μg/mL标准溶液。
微波消解系统:意大利Milestone UltraCLAVE 超级微波化学系统。
1.2   样品采集
选择宝鸡市代表性区域的中小学校园。包括市区、郊区城镇、农村及铅锌冶炼厂区域。在晴朗干燥的天气情况下采集室内外灰尘。室内选择校园内建筑物的楼梯,室内地面, 室内窗台,室内柜子;室外选择校园道路、操场等。在每个采样点用塑料刷和塑料板清扫灰尘样品,并在同一点位采集5-7个样品,混合灰尘样,共采集了50个灰尘样品(铅锌冶炼厂周边15个),每个样品重约500g,然后密封在自封的聚乙烯塑料样品袋中。
1.3   样品处理
首先是样品的预处理。所采样品用不锈钢镊子除去一些毛发 、香烟头、大的石头等杂物,于阴凉处室温风干。风干后灰尘样品过0.99 mm的不锈钢筛, 然后用振动研磨机研磨,使灰尘粒径小于 0.075 mm,研磨后的灰尘样品密封在聚乙烯样品袋中。
1.4   样品消解
称取过筛后的样品0.5g于聚四氟乙烯的消解罐中,用水润湿,按照硝酸∶氢氟酸 = 5∶1的比例加入试剂,混匀。采用意大利Milestone的UltraCLAVE超级微波进行消解。消解完成后,冷却至室温,转移到25mL离心管中,定容,待测。每批样品同时做试剂空白和标准土壤样品 。
1.5   样品测定
将上述标准溶液、样品及空白溶液等,在仪器的最佳工作参数条件下,按仪器操作规程,进行标准曲线的绘制、空白及样品测定。获得测定结果。
2   结果与讨论
2.1   宝鸡市中小学校园室内外灰尘重金属铅含量
图一是宝鸡市中小学校园室内外灰尘铅含量,结果表明,宝鸡市校园灰尘在不同程度上受到了重金属Pb的污染。由图1可知,市区中小学附近街道铅含量平均值是679.39mg/kg,市区中小学校园室内铅含量是627.18mg/kg;城镇中小学附件街道铅含量平均值是635.46mg/kg,城镇中小学校园室内铅含量是593.61mg/kg;农村中小学附件街道铅含量平均值是268.57mg/kg,农村中小学校园室内铅含量是217.33mg/kg;而铅锌冶炼厂周围中小学附近街道铅含量平均值是3296.27mg/kg,铅锌冶炼厂周围中小学校园室内铅含量是2717.62mg/kg。


图1   宝鸡市中小学校园室内外灰尘铅含量
Fig.1 the Lead content of indoor and outdoor dust in primary and high schools of Baoji city
2.2   宝鸡市中小学校园室内外灰尘重金属铅污染状况
宝鸡中小学校园室内外灰尘重金属铅含量总体较高,是陕西省表层土壤铅背景值(21.4mg/kg)的10-154倍(邓文博等,2015)。除农村灰尘铅含量稍微低一些,其他地区灰尘铅含量均达到陕西表层土壤背景值的30倍以上。市区灰尘的铅含量比十年前的研究数据408.41mg/kg增加了约40%(王利军等, 2013)。铅锌冶炼厂周围的灰尘铅含量和前人的研究数据基本持平(任春辉等2012)。宝鸡市中小学校园室内外的铅含量和国内外报道部分城市灰尘中铅含量对比,其铅含量显著高于国内外城市灰尘中铅的含量。比中国典型城市北京(69.56mg/kg)、 西安(230.52mg/kg)、贵阳(259mg/kg)、上海市(264mg/kg)和沈阳市(199.72mg/kg)均高数倍(游志校等,2010;张菊等,2006;林啸等2007;Zhao et al., 2015)。
宝鸡市不同地区校园室内外灰尘重金属Pb含量有明显差异。首先表现在,铅锌冶炼厂周围灰尘Pb含量远远高于其他地区,达到3296.27mg/kg,比其他市区、城镇和农村要高十余倍,这表明工业的废气、废水、废渣对校园灰尘的Pb共享较大,灰尘中如此高的铅含量,将会严重影响学生的身体健康,需要引起相关部门的注意。相比铅锌冶炼厂较高的Pb含量,宝鸡市市区和城镇要低很多。市区和城镇校园室内外灰尘重金属Pb的含量相差不大, 其原因可能是其铅的来源主要来自降尘,而大气气溶胶变化差别比较小。但是对比十年前的铅数据,这十年Pb的含量增加了约40%。是什么原因导致宝鸡市市区和城镇的Pb含量增加呢?近年已经对机动车辆汽油Pb排放进行了严格控制,最大的可能是相关的化工企业的排放,但是这还需要更多先进的技术手段,比如Pb同位素技术进行检测佐证。农村校园室内外灰尘重金属Pb含量虽然比市区、城镇和铅锌冶炼厂都要低,但是也高达217.33mg/kg,说明农村室内灰尘已经受到了铅污染,并且污染程度与其他大城市环境相当。而所采样的农村周边均无明显的人为污染源,其环境铅来源应该有别于城市,但是具体要确定有哪些来源及哪些污染源占主导地位还需进一步数据证明(李国辉 等,2016;赵淑雨等,2016;张婷等,2017)。
2.3   宝鸡市中小学校园室内外重金属铅污染与其他城市校园铅污染对比
贺彬等人(贺彬等,2016)对沈阳市大学校园室内外灰尘铅含量进行了研究。沈阳市校园室内外灰尘铅含量平均值虽低于100mg/kg,也超过辽宁土壤背景值(22.15mg/kg)的数倍,且冬季采暖时期Pb含量要比非采暖季节要高。本研究中,未有对采暖时期进行采样,仅对比非采暖季节,宝鸡市校园灰尘Pb含量比沈阳市要高很多,平均值均超过了500mg/kg。这从侧面说明宝鸡市灰尘的Pb污染已经很严重,应引起相关部门的重视。另外,从数据可以发现,无论宝鸡市,还是沈阳市,校园室内灰尘的Pb含量均比室外的要低,这与室内经常打扫可能相关。
2.4   宝鸡市中小学校园室内外灰尘中铅污染评价
目前,国内外尚无统一的对于城市街道灰尘中重金属污染评价的标准和方法。常用的方法主要是借鉴评价沉积物重金属污染的方法,较为常用的有积累指数法、污染负荷指数法、 回归过量分析法、 潜在生态危害指数法等(Kristensen et al., 2015; )。本文采用潜在生态危害指数法和地积累指数法对宝鸡市中小学校园室内外灰尘中铅污染进行对比评价。
2.4.1   潜在生态危害指数法
单个重金属污染系数(Cif ):Cif =Ci/Cni
单个重金属的潜在生态危害系数(Eri ):Eri = Tri Cif
式中:Ci为重金属浓度实测值;Cni 为计算所需的参比值,选择陕西省土壤环境背景值作为参比值。按照Hakanson制定的标准化重金属毒性系数为评价依据,Pb的Tri 值为5。
重金属单项污染系数分级标准参照前人总结,重金属污染生态危害分级标准列于表1。
表1   Eri与污染程度的关系
Eri污染程度 Pollution level
Eri <40轻微生态危害(Ⅰ级) Minor ecological hazard
40≤Eri <80中等生态危害(Ⅱ级) Medium ecological hazard
80≤Eri <160强生态危害(Ⅲ级) Strong ecological hazard
160≤Eri <320很强生态危害(Ⅳ级) More strong ecological hazard
Eri >320极强生态危害(Ⅴ级) Extreme ecological hazard
根据上式计算宝鸡市中小学校园室内外灰尘中Pb的平均潜在生态危害系数Eri ,根据表1的分级标准得出的Eri 所对应的生态风险程度分级(表2)。
表2   宝鸡校园室内外灰尘重金属Pb潜在生态风险程度分级
Eri 分级 Level
市区 City城镇 Town农村 Village铅锌冶炼厂 Lead and zinc smeltery
室内 IndoorⅢ级Ⅲ级Ⅱ级Ⅴ级
室外 OutdoorⅢ级Ⅲ级Ⅱ级Ⅴ级
从表2的数据可以看出,宝鸡市中小学校园室内外灰尘中铅除了农村,均达到了强生态危害,说明灰尘Pb的潜在生态危害贡献很大。
2.4.2   地积累指数法
地积累指数Igeo 的计算公式为:
Igeo =log2 [ Cn/(1.5×Bn)]
式中, Cn为灰尘中铅的实测值 , Bn为陕西省土壤重金属铅的环境背景值,为21.4mg/kg。Müller 污染指数分级见表3。
表3   Müller 污染指数分级
污染指数(Igeo ) Pollution index分级
Level
污染程度
Pollution degree
10-56严重污染 Serious pollution
4-55重污染 Heavy pollution
3-44偏重污染 More heavy pollution
2-33中度污染 Medium pollution
1-22偏中度污染 Less medium pollution
0-11轻度污染 Light pollution
≤00无污染 None pollution
根据地积累指数Igeo 的计算公式和Müller 污染指数分级,对宝鸡市中小学校园室内外灰尘中铅的污染指数进行计算,计算结果见表4。从表4的结果可以看出,宝鸡市中小学校园室内外灰尘中Pb均为严重污染程度。
表4   宝鸡校园室内外灰尘重金属Pb的污染指数
Pb的污染指数 Pollution index
市区 City城镇 Town农村 Village铅锌冶炼厂Lead and zinc smeltery
室内 Indoor重污染
Heavy pollution
重污染
Heavy pollution
中度污染
Medium pollution
严重污染
Serious pollution
室外
Outdoor
重污染
Heavy pollution
重污染
Heavy pollution
中度污染
Medium pollution
严重污染
Serious pollution
3   结论
(1)宝鸡市中小学校园室内外灰尘重金属铅含量总体均较高,铅含量显著高于国内外城市灰尘中铅的含量。是陕西省表层土壤铅背景值(21.4mg/kg)的10-154倍。除农村灰尘铅含量稍微低一些,其他地区灰尘铅含量均达到陕西表层土壤背景值的30倍以上。市区灰尘的铅含量比十年前的研究数据408.41mg/kg增加了约40%。铅锌冶炼厂周围的灰尘铅含量和前人的研究数据基本持平。
(2)采用潜在生态危害指数法和地积累指数法对宝鸡市中小学校园室内外灰尘中铅污染进行对比评价。两种评价方法均显示宝鸡市中小学校园室内外灰尘中Pb达到严重污染程度。
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稿件与作者信息
李子夏1*
Li Zi-xia1*
李子夏, E-mail: zxlixiyi@163.com
谢娜1
Xie Na1
杨芳2
Yang Fang2
西安医学院博士科研启动基金项目(2016DOC18);陕西省教育厅配套项目(2016PT37)
出版历史
出版时间: 2018年9月13日 (版本2
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地球环境学报
Journal of Earth Environment