基于PMF的土壤多环芳烃致癌风险定量源解析方法研究：以太原市为例

作者：栗钰洁,王贝贝,曹素珍,高菲,张力文,段小丽

第一作者：栗钰洁

通讯作者：段小丽

单位：北京科技大学

论文DOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2022.05.06 

成果简介

为实现土壤PAHs (多环芳烃)来源致癌风险的定量化，研究选取太原市城乡土壤为研究对象，收集38个土壤样本，分析PAHs污染水平并建立含量成分谱，利用PMF (正定矩阵因子分解)模型识别污染源，采用蒙特卡罗模拟进行健康风险评估，并联合PMF模型和健康风险模型量化PAHs污染源的健康风险，比较了不同污染源对土壤PAHs含量和对致癌风险贡献的差异.研究显示，规避交通排放源是降低PAHs致癌风险的关键，建议将基于健康风险的定量源解析技术应用到土壤风险管控中，以期更为有效地降低健康风险，保护人体健康。

引言

多环芳烃(PAHs)是环境中普遍存在的一类持久性有机污染物，主要来源于化石燃料燃烧、煤炭燃烧等过程，具有污染来源广、残留时间长、致癌性等特点，对人类健康造成潜在威胁。土壤是PAHs的重要储存库，残留了环境中近90%的多环芳烃，是研究PAHs环境污染和人群暴露风险的关键介质。因此，科学评估土壤中多环芳烃的来源及人群暴露风险十分重要。

正定矩阵因子分解(PMF)模型是美国环境保护局推荐的定量源解析模型，具有无需事先掌握因子成分谱、能对解析结果进行非负约束、量化污染源以及反映数据不确定性等特点，近年来在土壤源解析领域受到了广泛应用。目前，源解析研究多将对浓度贡献最大的污染源确定为优控污染源。然而，因来源活动、土地利用、初始成分及各污染物本身毒性的不同，不同源中污染物的构成及风险水平不同，仅基于浓度源解析结果来管控污染源，可能会忽视对人群健康威胁更大的污染源。因此，量化不同来源PAHs的致癌风险十分必要。此外，现有风险评估多依赖于传统的确定性评估，然而污染物浓度和个体水平存在差异，仅使用确定性参数可能会造成风险的高估或低估。蒙特卡罗模拟已被证明是概率风险分析的有用方法之一，它可以辨别并量化风险评价过程中的不确定性，得到更为合理的风险评估结果。鉴于此，该研究构建了基于蒙特卡罗模拟和PMF模型的多环芳烃风险定量源解析方法，并将其应用于典型PAHs污染的工业城市—太原市，以期从健康风险角度为管控PAHs排放源提供科学依据。

图文导读

1. 样品采集与分布

本研究在太原市采集了36个土壤样品，其中城市地区26个，农村地区10个。为保证土壤样品的代表性，采样点根据太原市各辖区人群暴露频次和时间及人群密度来确定。 采用“五点法”采集0~20cm表层土壤，选取10m×10m的正方形地块，在地块中心和4角分别等量取样后充分混匀，取1kg土壤作为该取样点的待测样品. 土样风干后过100目筛，于-4℃下储存在250mL的棕色玻璃瓶中待测，该研究中共分析了16种EPA优先控制的PAHs。

图1  太原市多环芳烃采样点分布

2. 太原市土壤PAHs污染特征

农村和城市地区PAHs总含量(∑16PAHs)范围分别为124.6~3448.1和138.7~23947.7 ng/g，中位数分别为1007.3和4205.7ng/g。根据Maliszewska提出的分类标准，太原市农村和城市地区均处于重污染水平(>1000 ng/g)，其中城市地区的∑16PAHs中值是农村地区的4.2倍。

城市和农村土壤中PAHs构成存在差异.农村地区以低环PAHs为主，占比为48.7%；城市地区以中高环PAHs为主，占比为66.7%. 该差异一方面与不同区域消耗的能源类型不同有关，农村地区做饭和取暖以煤炭和生物质燃料为主，城市地区则以天然气、煤炭和汽油为主，而生物质燃烧常产生低环PAHs，煤炭燃烧往往伴随着低中环多环芳烃的大量排放，汽油燃烧与高环PAHs的排放相关联；另一方面，该结果也可能与PAHs的“城市分馏”现象相关，高环PAHs的蒸气压低，容易与颗粒结合，因此只能进行短距离运输；而低环PAHs的蒸气压较大，能随大气进行远距离迁移。

图2 太原市土壤多环芳烃环数组成

3. 太原市土壤PAHs致癌风险评估

采用BaP毒性当量法，利用蒙特卡罗模拟对3种途径下不同年龄人群暴露于16种优控PAHs的致癌风险进行了评估，结果如图3所示. 农村地区成年男性、成年女性、儿童(3~6)、儿童(6~12)和儿童(12~<18)的tcr平均值分别为3.16e-07、3.33e-07、1.28e-06、1.08e-06和8.50e-07，超过可接受阈值(1e-06)的概率在10-50%之间；城市地区几乎100%的人群存在致癌风险，tcr值分别为2.51e-06、2.63e-06、9.45e-06、9.01e-06和7.55e-06，比农村地区高2~10倍。无论对于城市还是农村，不同年龄段的风险值排序均为儿童(3~6)>儿童(6~12)>儿童(12~<18)>成年女性>成年男性，表明儿童是PAHs暴露的敏感人群，且敏感度随年龄的降低而增大。

图3 PAHs致癌风险概率累积情况

4. 太原市土壤PAHsPMF源解析

利用PMF5.0模型提取出城市地区的最佳因子数为5，农村地区的最佳因子数为4，分别得到各因子的源成分和源贡献谱，通过源成分谱进一步得到各因子对总源的平均贡献.通过对谱图中各多环芳烃载荷的分析，确认每种因子对应的PAHs来源。基于PMF的结果表明，城市土壤中 PAHs主要来自燃煤交通混合源 (41.5%)、燃煤源 (26.0%)、石油源 (16.2%)、焦炉排放源 (8.2%)和交通排放源 (8.1%)，农村土壤 PAHs主要来自燃煤源 (43.3%)、生物质燃烧源 (22.3%)、交通排放源 (22.7%)和焦炉排放源(11.7%) 。

图4 基于PMF模型的PAHs源组成情况

5. 致癌风险定量源解析

将基于PMF模型得到的单个PAH对不同源的相对贡献与健康风险评估模型相结合，探究不同来源下的致癌风险及其贡献。由图可见，在城市地区，燃煤交通混合源构成的致癌风险最高，占总风险源的53.7%左右，各年龄段人群的风险值分别为1.35E-06、1.41E-06、5.06E-06、4.83E-06和4.05E-06，高出可接受阈值1~5倍。煤炭燃烧、交通排放、石油源对致癌风险的贡献率分别为15.1%、13.0%、14.6%，对儿童产生了一定的致癌风险。焦炉排放引发的致癌风险不足4%，对人群构成的致癌威胁可以忽略不计。综上，城市地区煤炭燃烧、交通排放、石油源应引起关注，尤其是煤炭燃烧和交通排放。在农村地区，致癌风险由交通排放和煤炭燃烧两种来源主导，贡献率分别为46.3%和45.6%，两来源风险之和接近或大于阈值，因此应重点对这两种来源加以管控。

此外，研究发现太原市地区不同来源对PAHs浓度和风险的贡献存在一定差异。其中，农村地区燃煤交通混合源、燃煤源差异较大，贡献率从对浓度源的41.5%、26.0%变为对风险源的53.7%和14.6%。也就是说，燃煤交通混合源对风险的贡献更大，燃煤源对浓度的贡献更大；同时，交通源对风险的贡献(13.0%)高于其对浓度的贡献(8.1%). 因此，交通燃煤混合源中引起致癌风险上升的主要是交通排放. 因此，从风险源角度来看，交通源管制对城市地区更为重要。

这一差异在农村地区表现得更为明显. 其中，生物质燃烧源的贡献差异最大。这种来源占到PAHs总含量的22.3%，但仅解释了总风险的5.8%。研究表明，生物质燃烧源是农村地区多环芳烃的重要排放源，控制生物质燃烧对于环境改善和健康提升十分重要。但从源风险的角度来看，仅基于浓度管控生物质燃烧可能会造成管理的过严。此外，交通源对浓度和风险的贡献差异也十分明显，从浓度贡献的22.7%上升为风险贡献的46.3%，贡献率相差一倍之余。由此可见，交通源虽不是农村地区多环芳烃排放的最大来源，但其对风险管理十分重要。

图5 太原市PAHs致癌风险源贡献率

小结

本研究从太原市城乡采集38个土壤样本，分析了土壤污染特征并建立含量成分谱，进而利用PMF (正定矩阵因子分解)模型识别污染源，采用蒙特卡罗模拟进行健康风险评估。在此基础上，联合PMF模型和健康风险模型量化了各PAHs污染源的健康风险。研究发现，不同来源对PAHs浓度和风险的贡献PAHs含量和风险的贡献存在差异，浓度较低的污染源也可能产生较高的健康风险. 因此，以风险定量源解析结果来管控PAHs更为合理，在制定保护人类健康的控制策略时，应考虑特定来源的PAHs健康风险，而不仅仅是污染物的总量。