广州市学龄儿童在校期间PM2.5暴露水平评价

柯钊跃,王 佳,郑君瑜,赖森潮,张颖仪 (华南理工大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006)

广州市学龄儿童在校期间PM2.5暴露水平评价

柯钊跃,王 佳,郑君瑜*,赖森潮,张颖仪 (华南理工大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006)

采用便携式大气颗粒物采样器(MiniVol)和便携式颗粒物检测仪(pDR-1500)在2010年3月底至4月初对广州市某小学的室内外细颗粒物(PM2.5)浓度进行了监测,并对学龄儿童在校期间活动模式进行了跟踪调查,评价了学龄儿童在校期间PM2.5暴露水平.结果显示该小学室内外日均PM2.5浓度范围为25.1～145.9µg/m3,室内PM2.5浓度略低于室外,两者呈明显的正相关关系(R2=0.65);室内实时PM2.5浓度结果表明非假期与假期存在差异.使用离子色谱分析了 PM2.5的阴离子成分,其中 NO3-和 SO42-占阴离子成分总量的 73%～95%.研究显示道路交通源是采样地点

近年来,珠江三角洲地区的细颗粒物(PM2.5)污染较为严重[1-3].长期暴露于细颗粒物中会严重影响人体健康,造成体内DNA、细胞、组织、器官等的损伤,并与各种心肺疾病发病率上升以及死亡率上升等密切相关[4-6].因此,开展不同地区PM2.5的污染特征以及不同人群暴露水平的评价研究具有重要意义.学龄儿童免疫力低,颗粒物污染对其造成的危害也更为严重[7-8].国外学者暴露研究开展较多,重点放在了城市尺度颗粒物浓度监测、学龄儿童和不同职业类型工人的暴露评价[9-12],而目前国内对学龄儿童的细颗粒物暴露水平的研究仍较少,已有研究尚未采用体重、年龄和吸入速率等数据全面分析学龄儿童PM2.5的暴露水平[9-10].因而,目前亟需尽快开展相关研究工作以了解细颗粒物污染对人体健康的影响.

本研究通过实地监测小学室内外PM2.5浓度水平及其阴离子成分,初步探明细颗粒物的主要来源,同时结合行为活动模式调查和呼吸生理数据,开展了学龄儿童在校期间 PM2.5的暴露水平评价.

1 研究方法

1.1 样品采集

选择广州市天河区某小学为研究地点,该小学临近3条交通干道,周边无其他工业污染源.

同时进行室内外 PM2.5采样.室外采样点设置在校园操场,采样时间为2010年3月25日至2010年4月1日,24h连续采集,采样仪器为两台带 PM2.5切割头的便携式大气颗粒物采样器(MiniVol, AirMetrics, US),采样滤膜为Teflon滤膜(φ47mm,Whatman,UK)和石英滤膜(φ47mm, Whatman,UK).室内采样点选择在该校 1楼某教室内,除与室外同步采样外,室内继续采样至4月5日.样品 24h连续采集,室内采样器为一台带PM2.5切割头的便携式颗粒物检测仪(pDR-1500, Thermo,US),采样滤膜为石英滤膜(φ37mm, Whatman, UK),该仪器可实时记录PM2.5浓度数据,数据记录间隔为20s,并且获得滤膜样品.共采集36个有效样品(室内外同步样品24个、现场/实验室空白 12个).采样同时使用空气质量监测仪(ETL2000,Thermo,US)测量室外NOx实时浓度变化(2010年3月25日至2010年4月1日);使用小型无线气象站(Vantage Pro2 Plus, Davis Instuments,US),实时记录温度、湿度、风速、风向、大气压、降雨量等各种气象数据.

室内采样的班级共有50名学龄儿童,教室面积为 56m2,高度 3.15m,教室共有两扇门,四套窗户.门开面积约为 3.8m2,学生在校期间开启,窗户开启面积为6.4m2,全天开启.

1.2 浓度与成分分析

1.2.1 浓度分析 采用称重法[11]计算室内外PM2.5浓度.采样前后采用百万分之一天平 MX5 (Mettler-Toledo,CH)对滤膜进行称量.称量后将滤膜放入Petri Slide密封保存在4℃冰箱待采样或分析.

1.2.2 离子色谱分析 所采集样品使用高纯去离子水进行超声波辅助萃取.萃取液用ICS-1000离子色谱仪(Dionex,US)进行阴离子分析.分析使用阴离子分析柱(AS14,Dionex,US)和抑制器(ASRS-II, Dionex,US),以Na2CO3/NaHCO3混合液为淋洗液,浓度为Na2CO33.5mmol/L/NaHCO31.0mmol/L,流速1.2mL/min.

1.2.3 质量保证与质量控制 室内采样器pDR-1500实时读数的原理是光散射,受湿度影响较大,机器读数会偏高,因此参考滤膜采样-称重法需进行浓度校正[12].将MiniVol与pDR-1500置于室内同一测点,同一高度进行平行采样 7d.采样结果显示两者 PM2.5浓度显著相关,获得校正公式如下:

CMiniVol=CpDR-1500×0.601+9.120(R2=0.985) (1)式中:CMiniVol为 PM2.5日均值;CpDR-1500为实时PM2.5浓度的日统计均值.

采样前,石英滤膜在马弗炉中 700℃高温灼烧3～4h以避免有机杂质的影响.

样品分析过程中,分析空白滤膜和现场空白,获得滤膜背景值.

1.3 问卷调查与暴露水平分析方法

该小学学龄儿童人数共有1101人,年龄从6周岁到 12周岁.从六个年级的各个班级中随机选取529名学生进行健康调查.再于被调查学生中随机选取220名进行连续一周校内活动的跟踪调查.

健康调查表主要记录学龄儿童的身高、体重、年龄等数据.校内活动记录表记录监测期间连续一周被调查学生的校内活动情况,包括上课及各课间时间学龄儿童室内外的活动情况.

结合学龄儿童主要活动场所教室、操场PM2.5的监测结果、校内时间-活动模式和儿童平均吸入速率,对单位体重的儿童校内 PM2.5暴露水平进行计算:

式中:Exp-W为儿童单位体重校内PM2.5的日均潜在暴露水平,µg/(kg⋅d); CIndoor, COutdoor分别为教室和操场的PM2.5浓度, µg/m3; TIndoorSleep, TIndoorSit, TIndoorWalk, TIndoorSport分别为平均每天儿童在教室休息、坐、行走、运动的时间, TOutdoorSit, TOutdoorWalk, TOutdoorSport分别为平均每天儿童在操场坐、行走、运动的时间,min;IRSleep,IRSedentary,IRLight,IRModerate, IRHigh分别为儿童在休息、坐、轻微、中度、重体力活动状态下单位体重的平均吸入速率, m3/(min⋅kg).另外,儿童室内外运动的强度是有差异的,参考美国环境保护局《暴露参数手册》[13]和《儿童暴露参数手册》[14]中针对学龄儿童平均吸入速率值的分级说明(如小孩的玩耍为中度体力活动, 快跑等为重体力活动),并结合本研究实际行为模式问卷调查和对儿童在校行为及运动强度的观察,假设儿童在教室内的运动均属于中度体力活动;在操场的运动有 80%的时间属于中度体力活动,20%的时间属于重体力活动.

进一步结合被调查儿童的体重数据,可计算儿童个体校内日均PM2.5的潜在暴露水平:

Exp-I= Exp-W×BW (3)

式中:Exp-I为儿童个体校内的 PM2.5日均潜在暴露水平, µg/d; Exp-W为儿童单位体重校内的PM2.5日均潜在暴露水平, µg/(kg⋅d); BW为学龄儿童个体体重, kg.

2 结果与讨论

2.1 室内外细颗粒物浓度水平讨论

2.1.1 采样期间室内外 PM2.5浓度水平 同步采样期间(3月25日至4月1日),室外PM2.5质量浓度在 25.1～145.9µg/m3之间,平均值为76.7µg/m3;室内 PM2.5的质量浓度在 42.2～108.3µg/m3之间,平均值为 63.2µg/m3.室内外PM2.5的日平均浓度值如图1所示.

与Guo等(2010)[15]、Fromme等(2008)[16]和Crist等(2008)[17]的研究结果对比见表 1.由表 1可见,本研究的室内 PM2.5浓度为其他研究结果的 1.7～9.4倍,室外 PM2.5浓度为其他研究的4.5～6.6倍,对比结果表明其他城市校园室内外PM2.5监测浓度远小于本研究,广州学龄儿童在校期间暴露于较高浓度的PM2.5中.

图1 采样期间室内外细颗粒物浓度日均值Fig.1 Daily average of indoor and outdoor PM2.5 concentration

表1 不同城市小学室内外PM2.5浓度的比较Table 1 Comparison of indoor/outdoor PM2.5 concentrations at primary schools in different cities

2.1.2 室内PM2.5实时浓度变化 3月31日～4月5日的室内实时PM2.5数据如图2所示.采样期间,3月31日～4月2日为正常上课时间;4月3～5日为清明节假期,无学生活动.

数据显示非假期与假期PM2.5浓度变化存在明显差异,这被认为与假期和非假期人们出行时段的不同和清明假期祭拜活动有关,因而推测研究地点PM2.5浓度变化主要受到交通污染源、祭拜香火和当时气象因素有关.数据显示,非假日期间(3月31～4月2日)PM2.5日变化趋势呈现双峰分布现象,PM2.5每日浓度值高峰分别出现在08:00～09:00、17:00～21:00两个交通繁忙时段.假日期间的4月3～4日,PM2.5浓度均呈现单峰分布,每日浓度值高峰从14:00出现至17:00～20:00期间达到当日最高值.峰值出现时间段与假期交通拥堵时段相对应.而4月5日,PM2.5浓度变化趋势则完全不同于之前两天,PM2.5峰值在凌晨出现,之后浓度急剧下降.凌晨时分出现的峰值可能与该段时间大气垂直扩散能力的减弱有关,导致空气中颗粒物逐渐积累.而4月5日凌晨的降雨则与之后 PM2.5浓度的下降关系密切.这表明湿沉降对PM2.5的去除作用明显.降水对PM2.5浓度影响也表现在4月2日的观测中.4月2日全天PM2.5浓度仅在 40.0µg/m3上下.气象数据统计显示在凌晨出现多次短时强降雨,降雨速率为98.4～274.2mm/h,之后全天降雨速率维持在1.2～7.8mm/h.

图2 采样期间室内细颗粒物浓度实时变化Fig.2 Time series of indoor concentration during the sampling period

2.2 室内外PM2.5浓度相关性分析

图3 室内外PM2.5浓度相关性分析Fig.3 Correlation between indoor and outdoor PM2.5

采样期间,PM2.5浓度 I/O比值从 0.66～2.22,室内PM2.5浓度8d中有6d小于室外浓度,这与室内无污染来源和通风条件良好有关.图2显示假期室内浓度相对非假期较高.

根据最小二乘法拟合回归分析,采样期间室内外 PM2.5呈现显著相关(图 3,R2=0.65,P＜0.01).这表明室内PM2.5来源于室外渗透,室内外PM2.5具有同源性.

2.3 学龄儿童PM2.5的暴露水平评价

2.3.1 评价参数 本研究主要通过考察非假期(3月25～4月1日)PM2.5浓度水平、学龄儿童的体重、吸入速率和在校活动模式等数据,进行学龄儿童在校期间 PM2.5暴露水平的评价(方法见1.3节).表 2列出了本次调查不同年龄儿童的体重数据.数值与国内大规模调查结果接近[18],略低于美国环境保护局(U.S.EPA)《暴露参数手册》

[13]中的数据.

目前,我国还没有暴露参数方面的相关标准或手册,因而本研究采用 U.S.EPA《儿童暴露参数手册》[14]重点推荐的、加入体重校正后的单位体重平均吸入速率数据(表3).

通过对 220名学龄儿童连续一周的校内时间-活动模式追踪,得到216份有效《学生校内活动记录表》(7d)数据.本研究中被调查学生平均在校时间为(467.5±66.7)min.男女学生在校期间日室内外各活动所用平均时间接近,性别差异小,这与该校作息时间模式有关,也反映了该年龄段男女活动情况差异小.图4所示为该校学生在校活动模式时间比例.其中室内坐的时间最长,其次为室内午休时间;再者为室外运动.

2.3.2 学龄儿童校内 PM2.5潜在暴露水平 根据式(1)和式(2),计算每位儿童单位体重的校内PM2.5日均潜在暴露水平和个体校内 PM2.5日均潜在暴露水平.结果显示平均单位体重校内日均潜在暴露水平为7.6µg/(kg⋅d),平均个体校内日均潜在暴露水平为246.8µg/d(表4).图5显示低年级学生单位体重的校内PM2.5日均潜在暴露水平高于高年级学生;这是与低年级儿童单位体重的平均吸入速率高于高年级儿童有关,且本调查中低年级学生平均校内停留时间多于高年级学生.而在加入儿童个体体重因子后,两者的校内 PM2.5日均潜在暴露水平接近.

表2 不同年龄儿童的体重Table 2 Body weight of children at different ages

表3 学龄儿童单位体重的平均吸入速率[m3/(min⋅kg)]Table 3 Average inhalation rates for school children per unit of body weight [m3/(min⋅kg)]

图4 学生在校期间不同活动模式下的时间比例Fig.4 Percentage of daily-averaged time spent under different activity patterns by pupils during school time

表4 学龄儿童校内PM2.5的日均潜在暴露水平Table 4 Daily average potential exposure levels of PM2.5 for school children

2.4 PM2.5阴离子成分与来源讨论

本研究显示 PM2.5的主要阴离子成分是SO42-、NO3-和Cl-,其中SO42-所占百分比最多,其次为NO3-,再次为Cl-,该3种离子成分质量浓度占所有阴离子总和的 93%～98%,其他离子成分(F-、Br-、NO2-)含量较少(图6),这与Lai等(2007)[19]研究结果一致.阴离子浓度占 PM2.5质量浓度的11.1%～22.3%.

图5 各年级学生校内PM2.5的日均潜在暴露水平Fig.5 Daily average PM2.5 potential exposure level for school children in every Grade

图6 室内外阴离子成分百分比Fig.6 Percentage of indoor and outdoor PM2.5 anionic component

图7 室外NOx浓度与室内外细颗粒物浓度比较Fig.7 Temporal variations of outdoor NOX , indoor and outdoor PM2.5

NOx主要由交通污染源排放产生的,尤其是公共汽车和重型卡车[20].监测结果表明NOx日均值与PM2.5日均值变化趋势相似(图7),此外NOx也与NO3-日均值变化趋势一致.非假期的NOx浓度高峰值出现在早晨和傍晚两个交通高峰时期,与PM2.5实时监测数据一致,这表明该小学PM2.5的浓度变化受到交通污染的影响.

3 结论

3.1 监测期间室外 PM2.5质量浓度平均值为76.7µg/m3,室内 PM2.5质量浓度平均值为63.2µg/m3,室内外浓度具有良好的相关性.

3.2 室内 PM2.5实时监测数据显示,交通高峰时段存在浓度高峰;PM2.5中阴离子主要成分为SO42-、NO3-和 Cl-,SO42-占 45%～64%,NO3-占28%～31%;PM2.5质量浓度、样品中 NO3-浓度与NOx监测数据变化趋势一致,表明交通污染源是该小学室内外PM2.5的来源之一.

3.3 学龄儿童在校期间平均单位体重的日均潜在暴露水平为7.6µg/(kg⋅d),平均个体校内日均潜在暴露水平为246.8µg/d.

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PM2.5exposure assessment of school children at a primary school in Guangzhou, China.

KE Zhao-yue, WANG Jia, ZHENG Jun-yu*, LAI Sen-chao, ZHANG Ying-yi (College of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1618～1624

To assess PM2.5exposure level of school children during school time, we collected indoor and outdoor PM2.5samples at a primary school in Guangzhou City from 2010-03-25 to 2010-04-05 by atmospheric particle sampler (MiniVol) and portable particle detector (pDR-1500), and investigated the activity patterns of pupils during the sampling period. The indoor and outdoor daily averages of PM2.5ranged from 25.1 to 145.9µg/m3. Indoor and outdoor PM2.5was well correlated (R2=0.65). Real-time measurement of indoor PM2.5was monitored and different diurnal variations were observed between weekdays and holidays. Anionic species were analyzed by ion chromatography. It was found that NO3-and SO42-accounted for the major part of anionic species (73%～95%). The results showed that vehicle source was one of the major sources of PM2.5at the sampling site. The exposure of pupils to PM2.5during school time was estimated using the indoor/outdoor PM2.5, the activity pattern and the inhalation rates of pupils. The results showed that the daily potential exposure level of PM2.5was 246.8µg/d and the daily potential exposure level of PM2.5per unit of body weight was 7.6µg/(kg⋅d) for school children.

school children；fine particulate matter；activity pattern；exposure assessment

PM2.5主要来源之一.学龄儿童在校期间单位体重PM2.5日均潜在暴露水平为7.6µg/(kg⋅d),个体日均潜在暴露水平为246.8µg/d.关键词：学龄儿童；细颗粒物；活动模式；暴露评价

X503.1

A

1000-6923(2011)10-1618-07

2011-01-21

教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0208),粤港联合科技创新平台(2009B050900005)

* 责任作者, 教授, zheng.junyu@gmail.com

致谢：本研究现场采样与调查得到该小学师生及工作人员的支持与帮助,现场采样和实验室分析工作得到华南理工大学环境科学与工程学院LARES课题组等成员的协助,在此一并表示感谢.

柯钊跃(1985-),男,广东南澳人,华南理工大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事大气细颗粒物组分特征和暴露评价研究.