北师大田贺忠团队、清华大学郝吉明院士等ES&T：中国大气有害痕量元素暴露的健康风险及空间分布特征
第一作者：刘姝涵
通讯作者：田贺忠、张强、郝吉明
通讯单位：北京师范大学
论文DOI：10.1021/acs.est.1c01775
图片摘要 成果简介 近日，北京师范大学环境学院田贺忠团队与清华大学、复旦大学、Emory大学、纽约州立大学等国内外顶尖学者在国际环境领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》合作发表了题为“Significant but spatiotemporal–heterogeneous health risks caused by airborne exposure to multiple toxic trace elements in China”（DOI: 10.1021/acs.est.1c01775）的研究论文。研究利用修正后的CMAQ模型，耦合高分辨率排放清单，揭示了中国人为源11种大气有害痕量元素的暴露浓度水平；进一步实现了化学传输模型与有害痕量元素健康风险评估模型的成功对接，首次系统评估了2012年-2015年中国11种大气有害痕量元素暴露的健康风险及空间分布特征。 引言
由于有害痕量元素的毒性、累积性和致癌性，长期暴露在较高浓度有害痕量元素的大气环境中，会对人体的呼吸系统、心血管系统等构成严重威胁。此外，国际癌症研究机构（IARC）已将有害痕量元素砷（As）、镍（Ni）、镉（Cd）、六价铬（Cr（VI））、铅（Pb）、钴（Co）、锑（Sb）及其化合物认定为致癌物质。目前，大气中有害痕量元素暴露导致的相关健康风险受到了越来越多的关注。利用化学传输模型获取大气污染物的高分辨率暴露浓度，是目前暴露与健康风险研究领域较成熟且有效的研究手段。然而，传统的化学传输模型并不具备同时模拟11种（Cd、Co、Sb、As、Se、Ni、Cr、Cu、Mn、Pb和Zn）大气有害痕量元素的能力，又受限于我国有害痕量元素大气环境浓度有限的观测数据。目前我国大气中有害痕量元素的暴露浓度水平及相关健康风险尚不清楚。该研究旨在通过对传统的CMAQ化学传输模型做出适当修正，使其具备模拟11种（Cd、Co、Sb、As、Se、Ni、Cr、Cu、Mn、Pb和Zn）有害痕量元素大气质量浓度的能力。利用修正后的CMAQ化学传输模型，耦合高分辨率排放清单，获取大气有害痕量元素的高分辨率暴露浓度，并进一步系统评估中国11种大气有害痕量元素的公众健康风险。
图文导读 中国人为源大气有害痕量元素的排放变化特征 图1 2012年-2015年中国11种有害痕量元素排放量变化 如图1所示，研究发现从2012年到2015年，中国11种有害痕量元素排放量从79231吨降低至63024吨，降低了约20%。燃煤源的减排量占据主导地位，占有害痕量元素总减排量的80%以上。其中，工业燃煤部门、电力燃煤部门、其他燃煤部门和生活燃煤部门有害痕量元素的排放量分别减少了约18743吨、2874吨、2681吨和296吨，占全国总减排量的69.8%、10.7%、10.0%和1.1%。非燃煤源中，黑色金属冶炼、非金属矿物质制造、生物质燃烧、液体燃料燃烧源的有害痕量元素排放量减少了约45吨、394吨、313吨和290吨，分别占全国总减排量的12.0%、2.4%、1.9%和1.8%。而刹车片及轮胎磨损、有色金属冶炼和生活垃圾焚烧源的排放量分别增加了390吨、180吨和130吨。随着中国对燃煤发电等燃煤源的污染治理、快速城市化进程和道路交通的快速发展，近年来中国有害元素的大气排放来源及其部门行业构成已发生较大变化。截止2015年，燃煤源仍然是中国大气有害痕量元素的主要排放源，占比为52%。其中工业燃煤部门为最大排放源，占比高达28%。 中国大气有害痕量元素的暴露浓度空间分布及变化 图2 2015年全国有害痕量元素大气浓度空间分布（a-k）及2012-2015年全国人口加权平均浓度变化（l） 如图2（a-k）所示，研究发现全国11种有害痕量元素的年均模拟浓度具有明显且类似的空间分布特征。2015年，高浓度区域主要集中在中国东部、中部和西南部部分地区，尤其是山东、河北、河南、陕西、江苏、四川等省份。从图2（l）可以看出，2012-2015年全国11种大气有害痕量元素年均人口加权模拟浓度均呈下降趋势。元素Cd、Co、Sb、As、Se、Ni、Cr、Cu、Mn、Pb和Zn的年均人口加权模拟浓度分别下降了9.2%~35.6%，其中Co、Cr、Mn和Pb浓度下降较明显，下降率均超过20%。 尽管从2012-2015年，中国大气有害痕量元素浓度均有所下降，但2015年中国有害痕量元素污染依然比较严重。参照我国现行的环境空气质量标准（GB3095-2012）和欧盟推荐的空气质量标准限值，2015年中国约有55% ~70%的区域网格Cr（VI）浓度高于国家空气质量标准，最大值可达到标准限值的约190倍；中国东部地区约15%的区域网格As浓度超过国家空气质量标准；上海地区网格Ni浓度略高于国家空气质量标准。Cd、Pb和Mn元素网格浓度均低于国家空气质量标准。Co、Sb、Se、Cu和Zn元素尚未被纳入国家空气质量标准中。 中国大气有害痕量元素总致癌风险空间分布 图3 2012年和2015年中国有害痕量元素成人及儿童致癌风险空间分布 由图3所示，研究发现从2012年-2015年，全国有害痕量元素总致癌风险（CR）值有所下降。但尽管如此，在2015年，仍有多个地区CR值超过风险阈值（1×10-6），主要包括华北、华东、华中和华南部分地区。2015年华北和华东地区的网格CR值最高可达6.0×10-5，是有害痕量元素致癌风险阈值的60倍。 中国单个大气有害痕量元素致癌风险空间分布 图4 2015年5种有害痕量元素成人及儿童致癌风险空间分布图 暴露在有害痕量元素致癌风险超标环境中的人口 图5 中国各省2010年和2015年暴露在致癌风险超过风险阈值地区的人口数（a-c）及2012年-2015年中国人口数变化的空间分布（d） 小结 本研究揭示了中国11种大气有害痕量元素的排放及暴露水平，系统评估了2012年-2015年中国大气有害痕量元素暴露的健康风险。研究发现，中国大气有害痕量元素具有显著的致癌风险且空间分布差异明显。2015年，中国的东部和中部部分地区Cr(VI)、As和Ni元素的网格浓度超过了国家空气质量标准限值，导致了较为严重的致癌风险。从2012-2015年，全国11种有害痕量元素年均人口加权平均浓度分别下降了9.8−35.6%，这主要来自于煤炭燃烧源的减排。该研究的相关结果对未来大气有害痕量元素相关的流行病学和健康影响研究具有重要意义，同时也可为未来环保部门制（修）订相关污染控制标准及对策提供基础数据和科学依据。 主要作者介绍 田贺忠：教授/博导，北京师范大学大气环境研究中心主任，现任职于北京师范大学环境学院。主要从事能源利用与大气污染控制技术（除尘、脱硫、脱硝、脱汞）、中国典型大气污染物排放清单、区域大气环境质量模拟分析、有害重金属元素（汞、砷、硒、铅、镉、铬、镍、锑等）排放迁移转化及环境与健康影响等方面的研究工作。在ES&T、ACP、JGR、AE、JHM等环境科学与大气科学领域TOP学术刊物及美国化学学会(ACS)年会等国际会议上发表学术论文100余篇，SCI/ISTP/EI收录50余篇，其中在国际环境科学与大气环境领域顶级刊物ACP、ES&T、JGR等发表论文30余篇。 第一作者：刘姝涵，女，北京师范大学环境学院博士研究生，主要从事有害痕量元素大气排放清单构建、区域空气质量模拟分析、及有害元素大气污染暴露健康风险等方面的研究工作。以第一作者身份发表SCI论文4篇，共同作者合作发表SCI论文23篇。
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