中瑞两国城市居住区大气汞的变异特征及人体暴露剂量估算

发布时间：2020-08-27 12:11

【摘要】： 汞是一种高毒性的非必需元素，对人类和生命有机体具有潜在危害。自二十世纪50年代日本发生震惊世界的水俣病以来，对环境汞污染控制与研究受到世人的关注。由于其特殊的物理化学性质和长距离传输特性，汞能够经大气扩散而成为全球性的污染物，并能够在远离污染源的地方沉降。研究表明，燃煤汞排放是主要的人为大气汞排放源，而燃煤也是酸沉降的主要污染源。一般来说，酸沉降严重的地区，汞污染也相当严重，酸沉降与汞的沉降之间有着某种程度的同源性和伴生性，酸沉降危害的同时，也加剧了汞污染对环境的危害。因而，选择在酸沉降严重的地区研究汞污染问题具有重大意义。瑞典是遭受酸沉降严重危害的国家，而重庆市是中国酸沉降危害最严重的区域。燃煤是造成重庆市酸沉降危害的主要原因，而瑞典的酸沉降主要是由其它发达国家产生的污染物经长距离输送所致，所以，两个地方汞污染状况有较大的差异。城市大气汞浓度的变化，也会引起城市居住区室内外汞浓度表现出大的差异，居住区汞环境质量对于人群来说非常重要，从而引起人体对汞暴露风险的差异。在这种情况下，研究这两个区域城市居住区室内外大气汞浓度的变异特征，具有较高的价值和对比性。基于以上原因，本文以瑞典哥德堡市和中国重庆市为研究区，采取实地调查研究和收集资料的方式，对瑞典哥德堡市和中国重庆市居住区室内外大气汞进行详细监测，运用后推气流轨迹模型研究大气汞的起源，利用箱模型估算室内汞源的释放强度；同时研究了室内外气象条件、污染物变化以及室内人员变动时对居室内外大气汞的影响，估算公众在低浓度大气汞环境下暴露的剂量，为进一步研究汞暴露对人体的健康风险提供依据。主要研究结果如下：瑞典哥德堡市(Nordstan，商业交通居民混合区)气态元素汞(GEM)、活性气态汞(RGM)和颗粒汞(Hg-P)的平均浓度分别在1.96±0.38ng.m~(-3)、2.53±4.09pg.m~(-3)和12.50±5.88pg.m~(-3)之间。大气中各形态汞大小顺序以及所占的比例为：气态元素汞(99.17％)＞颗粒汞(0.67％)＞活性气态汞(0.16％)。气态元素汞和颗粒汞的浓度较背景值和一些文献都有所升高。但是，活性气态汞与前人的研究相比，其值较低。城区居室内外气态总汞的总体水平为：瑞典哥德堡市室外气态总汞平均为2.89±1.43 ng.m~(-3)，室内平均为7.57±5.23 ng.m~(-3)；中国重庆市夏季室外气态总汞平均为13±18 ng.m~(-3)，室内平均为32±87 ng.m~(-3)；冬季室外气态总汞平均为9±5 ng.m~(-3)，室内平均为62±354 ng.m~(-3)。各采样点室外气态总汞高于本研究在R(?)rvik的汞背景值和Nordstan的气态总汞浓度，也高于北半球汞背景值，说明哥德堡市和重庆市居住区大气受到了一定程度的汞污染。室内气态总汞的浓度低于Carpi等在美国纽约测定的室内汞浓度度范围50～69 ng.m~(-3)，也远低于美国毒物和疾病登记署(ATSDR)公布的吸入汞的最低风险水平(MRL，200 ng.m~(-3))以及我国国家工业企业设计卫生标准(TJ36-79)中居住区大气中有害物质的最高容许浓度(300 ng.m~(-3))。但是，夏季渝北区的儿童房(1293 ng.m~(-3))和冬季北碚区东阳镇的主卧室(3494 ng.m~(-3))气态总汞远高于这些标准。由于受室外高汞背景、室内汞源、室内人员动态变化以及气象条件和大气污染物等的影响，室内气态总汞远高于室外浓度。同时也显示出重庆市的汞污染比瑞典哥德堡市更严重。哥德堡市各形态汞在随时间的变异特征表现为：GEM波动较小，而RGM和Hg-P波动较大。这是因为，RGM和Hg-P比GEM受当地汞排放源和当地环境化学条件的更大影响，能以干湿沉降的方式很快从大气中清除。三种形态汞都出现了一些高浓度的峰值事件，GEM的三次大的峰值事件表明哥德堡市受到汞长距离迁移、地方汞源和自然源等的影响，GEM 3天的后推气流轨迹显示，抬高的GEM来自于南方工业化高度发达的国家。在RGM和Hg-P的峰值事件中，也同时观测到GEM浓度上升，显示出在0-45°风向上，存在当地人为汞排放源。哥德堡市室外气态总汞的时间变化表现为城郊波动最大，其次为农村地区，而城区气态总汞在时间上的变化较小，几乎成直线；室内气态总汞都成多峰型变化，主卧室、儿童房和客厅总体上表现出较为相似的共同变化的特征。而重庆市各点室内外气态总汞都成多峰型变化，并具有相似的共变性，显示出各点室内外受到较为相似的汞源和相似的气象因素以及其它污染因素的影响。瑞典哥德堡市城郊和农村地区室外气态总汞可能受中长距离迁移、本地源和自然源的影响，而城区主要受本地源和自然源的影响。在中国重庆市，各采样点室外平均风速都很低(＜1 m.s~(-1))，低风速限制了中长距离汞的迁移，因而影响重庆市各采样点的汞源主要为本地人为源和自然源等。在瑞典Nordstan采样期间，风速＜1.5 m.s~(-1)时，气态元素汞和活性气态汞的平均浓度分别为2.39ng.m~(-3)和2.96 pg.m~(-3)，风速≥1.5 m.s~(-1)时，它们的平均浓度分别为1.93 ng.m~(-3)和2.49 pg.m~(-3)。风速＜1.5m.s~(-1)时，增加的气态元素汞和活性气态汞表明存在当地人为汞源，特别是燃油排放汞的影响以及自然源的释放，在低风速，较浅的逆温层下，导致了高浓度的汞。同时，存在氧化路径，使得气态元素汞向活性气态汞转化。风速≥1.5 m.s~(-1)时，从135~0-180~0方位(2.20 ng.m~(-3))和315°-360°方位(2.15ng.m~(-3))上的风带来较高的气态元素汞。而较高活性气态汞的则来自0°-45°和135°-180°风向上，分别为3.28 pg.m~(-3)和2.44 pg.m~(-3)。同时，在135°-180°风向上，存在本地区生物质燃料燃烧排放的影响，但在180°-225°风向上，本地源主要是燃煤，还显示出气象要素的影响。在0°-45°风向上，活性气态汞是所有风向中浓度最高的风向，显示出本地源的影响。在清洁风向上(45°-90°)，汞源主要来自自然源的释放，同时受气象条件的影响。在其它风向上，主要受哥德堡地区排放源的贡献。哥德堡市气态元素汞的昼夜分布模式显示：在夜间浓度出现最大值(2.13 mg.m~(-3))，而伴随着气态元素汞浓度的降低，活性气态汞的浓度在早上和上午出现最大值(4.39 pg.m~(-3))，预示着可能存在活性气态汞与气态元素汞的相互转化过程。各居住区室外气态总汞也表现为夜间出现最大值，而最小值发生在白天。影响各采样点气态元素汞、气态总汞(95％以上为气态元素汞)和活性气态汞昼夜变化的主要因素是夜间较强的逆温以及很少的垂直混合，相对湿度增加，大气中氧化物因湿气而被粘附，降低了气态元素汞向活性气态汞的氧化过程，同时，活性气态汞被溶解到水气中而以湿沉降的方式去除，使得从人为污染源以及自然源释放的气态元素汞在低的混合层中难以稀释扩散而导致气态元素汞浓度增加，而白天暖气流使得边界层厚度增加，气态元素汞因稀释而浓度降低，以及光化学氧化使气态元素汞向活性气态汞转化而降低，也引起白天活性气态汞浓度增加。哥德堡市室内气态总汞显示出夜间汞浓度大于白天的汞浓度。而重庆市室内汞表现出相反的变化趋势。这主要受室外汞污染源、室内静态汞源、室内人员活动、开关门窗以及室外气象条件和大气污染物等变化的影响。开关门窗时，会引入新鲜空气，使得室内外汞浓度具有共同变化的趋势。室内人员活动，特别是牙中汞齐补牙或体内富集汞量较高的人出现在房中时，室内气态总汞浓度会显著增加，在哥德堡市，差值最大达到6.66 ng.m~(-3)，在重庆市，夏季差值最大的是渝北区的儿童房，达到564 ng.m~(-3)，是无人在房内时的8.5倍；冬季差值最大的是北碚区东阳镇的主卧室，达到2590ng.m~(-3)，是无人在房内时的67倍。当居住套室内，其他房间有人存在时(无论是否填充汞齐)仍然可以影响该居室内气态总汞的变化。对于较为清洁的房间以及进出房间的人员体内富集汞量较低时，人员的进出对室内气态总汞浓度的影响较小。人员高度集中时的附加试验表明，在哥德堡市，7名与会者(都为牙中镶有汞齐的人)在1 h左右就使室内汞浓度从背景浓度的2.7-3.09 ng.m~(-3)增加到7.67ng.m~(-3)，约增加了2.5倍左右。而在重庆市，两次最大值分别达到26 ng.m~(-3)和50 ng.m~(-3)，分别为室外浓度的6～8倍和2倍，显示出人员活动的较大影响。室内潜在汞源也是影响室内气态总汞的重要因素，其源强可用对数方程拟合：y=3.7693+1.9815lnx(x为累积释放时间)。采用类似简单箱模型，并且假定室内释放的汞充分混合时，从哥德堡市一砖混结构公寓内表面释放汞的平均速率大约为250ng.m~(-2).h~(-1)。室内汞源释放的净浓度为5.5 ng.m~(-3)，与该点出现1人汞齐补牙的影响(0.01 ng.m~(-3))相比，远远高于汞齐补牙的影响，但小于Mell点儿童房出现2人汞齐补牙时的影响(6.66 ng.m~(-3))。同时，可以推测，室内汞源的释放强度就是该房间内气态总汞平均值与室外气态总汞平均值之差。除哥德堡市For2和Axga两点室内汞受室外气象条件影响外，各采样点室外气象条件对室内气态总汞的影响较小。在季节变异上，重庆市室外气态总汞表现为夏季波动较大，冬季波动较小；夏季气态总汞浓度大于冬季，而室内气态总汞则表现为冬季大于夏季。这主要是由于夏季较高的温度和太阳辐射强度以及低的相对湿度的影响。空间分布上，哥德堡市室外气态表现出城郊(4.27ng.m~(-3))＞农村地区(2.73 ng.m~(-3))＞城区(1.89ng.m~(-3))，室内气态总汞表现为城区(7.99ng.m~(-3))＞城郊(5.54 ng.m~(-3))＞农村地区(4.03 ng.m~(-3))。这是由于城郊Mell点位于两条交通枢纽的交叉点，且靠近波罗的海海岸线，受到海洋条件的影响也较大，而城区因低风速(＜1.5 m.s~(-1))、人为污染源较少而浓度较低。重庆市室外气态总汞夏季表现为特定工业区(43 ng.m~(-3))＞商业交通居民混合区(21 ng.m~(-3))＞城市居住区(9.4 ng.m~(-3))＞文化区(9 ng.m~(-3))＞对照区(4 ng.m~(-3))；而冬季为城市居住区中的大渡口区(15 ng.m~(-3))＞特定工业区(14ng.m~(-3))＞商业交通居民混合区(9ng.m~(-3))≈城市其它居住区(9ng.m~(-3))≈对照区(9ng.m~(-3))＞文化区(6ng.m~(-3))。造成夏季和冬季室外汞区域差异的原因与气象条件和人为活动有关，大渡口区有很多大型污染企业，在冬季逆温和低风速下，使得排放出来的污染物不易稀释扩散而导致较高的气态总汞，而在冬季采样期间，对照区采样点室内外正在进行建筑施工，使其浓度明显增加，超过了文化区的气态总汞浓度。对于室内气态总汞，夏季表现为城市居住区中的渝北区(187 ng.m~(-3))＞特定工业区(49 ng.m~(-3))＞商业交通居民混合区(23 ng.m~(-3))＞城市其它居生区(15 ng.m~(-3))＞文化区(12 ng.m~(-3))＞对照区(7 ng.m~(-3))；冬季为特定工业区(662 ng.m~(-3))＞商业交通居民混合区(14 ng.m~(-3))＞城市居住区(11 ng.m~(-3))＞对照区(8 ng.m~(-3))＞文化区(6 ng.m~(-3))。在哥德堡市，成年妇女通过大气呼吸暴露的汞量为49.4～197 ng.day~(-1)，成年男子暴露的汞量为66.4～265.0 ng.day~(-1)，0～2岁的小孩将暴露19.7～119ng.day~(-1)。在重庆市，成年妇女呼吸暴露的汞量为49.4～543 ng.day~(-1)，成年男子暴露的汞量为66.4～730 ng.day~(-1)，0～2岁的小孩将暴露19.7～327 ng.day~(-1)。在本实验研究的最高浓度下，成年妇女暴露的汞量可达12656 ng.day~(-1)，0～2岁的小孩将暴露也高达7611 ng.day~(-1)。室内汞的暴露将超过鱼的消费(2900-3270 ng.day~(-1))而成为重庆城区人群汞的最大暴露源。同时，在中国重庆市室内外气态总汞远高于瑞典哥德堡市，具有更大的健康风险。因而，对于我国汞的大气呼吸暴露及其健康风险评估需要引起人们的广泛关注。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X51
【图文】：

工业革命,通量

西南大学博士学位论文旦旦旦绝里里绝里里里里里里里里巴里里里里里里里里里里里里里里里里里里里里里里里里绝口里绝绝绝绝绝绝绝口旦里里里里旦旦旦旦大气中汞的循环量!”，77，207，’08]，从而广泛引起了陆域土壤和水体沉积物的污染〔’7，’80，209一川}。很明显，工业化之前的排放量要比现如今少得多。从全球范围内来看，在过去的100年里，汞的流量增加了大约5倍，大气的负担也增加了3倍1202，2’2]，然而，海洋表面和温跃层却分别增加了1.9倍和1.2倍[z02]。然而，在人类所有汞排放源中止后，海洋和大气中的人为排放负荷要经历15到20年的时间才能完全消除【‘7]。而在水生生态系统中，水体和自然沉积物表面的汞污染要达到安全的水平可能要经历几个世纪的时间[2’3，“’4]。Pre一indUStrialAtmosPhere

采样区,位图,哥德堡,大气汞

图2中瑞两国采样区位图Fig.2Sehematiedi叫犷aJ旧ofregionalloeationsofsamPling2.3研究目标通过对瑞典哥德堡市大气汞形态的变异特征以及中瑞两国居住区室内外气态总汞的时空变化的

分布图,哥德堡,采样点,分布图

第3章实验材料与方法3.1采样点概述本研究涉及到两个国家的两个地区，一是瑞典哥德堡市，设9个采样点(见图3)，另一个是中国重庆市主城区，设13个采样点(见图4)，现分述如下:瑞典哥德堡市的采样点选择:采样点1(Nordstan)位于哥德堡市的商业交通居民混合区，用来分析、监测大气环境中Hg的赋存形态及其动态变化。对城市居住区室内外气态总汞的监测设在站点2一7，分为城区居住区、郊区居住区和农村地区，其中，站点6(Foreningsgatanl，For)和站点7(ForeningsgatanZ

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