中国多行业稀土元素纳米颗粒的大气释放特征与健康风险

《Environment International》：Atmosphere profiles and spatial distributions of rare earth element-containing nanoparticles released from multiple industries in China

本研究针对工业源稀土元素纳米颗粒（REE-containing NPs）排放数据缺乏的问题，通过系统分析中国13类工业源的132个样品，首次量化了稀土纳米颗粒的粒径分布与颗粒数浓度（PNCs）。研究发现燃煤电厂（CFPP）是Ce/La-NPs的主要排放源，其排放使大气稳态浓度显著升高（La: 105particles/m3；Ce: 106particles/m3），成人日均暴露剂量达105–106particles/(kg·day)。该研究为基于颗粒数浓度的稀土纳米颗粒风险评价提供了关键数据支撑。

　　

在当今高科技时代，稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）因其独特的化学和电子性质被誉为"工业维生素"，广泛应用于新能源、电子信息、国防军工等领域。然而，这些看似遥远的元素其实与我们的日常生活和健康息息相关。许多稀土元素具有毒性，可通过环境暴露导致癌症、呼吸系统疾病、神经发育异常等多种健康问题。传统研究多关注稀土元素的质量浓度，但越来越多的毒理学和流行病学证据表明，纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）的毒性更取决于其粒径大小和颗粒数浓度（Particle Number Concentrations, PNCs），而非单纯的质量浓度。遗憾的是，目前对工业源稀土元素纳米颗粒（REE-containing NPs）的排放特征，特别是基于颗粒数浓度的研究仍十分缺乏。

针对这一知识空白，浙江师范大学的研究团队在《Environment International》上发表了题为"中国多行业稀土元素纳米颗粒的大气释放特征与空间分布"的研究论文。该研究通过对中国13类工业源的132个颗粒物样品进行系统分析，首次从颗粒数浓度角度量化了稀土纳米颗粒的排放特征，为准确评估其环境和健康风险提供了科学依据。

本研究主要采用了单颗粒电感耦合等离子体飞行时间质谱（SP-ICP-TOF-MS）技术对工业颗粒物样品中的稀土纳米颗粒进行定量分析，结合排放因子法和大气扩散模型，估算了不同工业源的排放量及其对大气浓度和人群暴露的影响。样品来源于全国范围内的132个工业生产设施，覆盖了燃煤发电、钢铁冶炼、水泥生产、废物焚烧等主要工业部门。

3.1. 工业活动中REE-containing NPs的粒径贡献和颗粒数浓度

研究人员发现，不同稀土元素的颗粒数浓度存在明显差异，其中铈（Ce）和镧（La）是工业源中最丰富的元素。在13个工业部门中，稀土纳米颗粒的颗粒数浓度存在3-4个数量级的变化。燃煤电厂（CFPP）在大多数情况下表现出最高的颗粒数浓度，其中Ce-containing NPs的平均值达到1.9×10¹⁰particles/g。通过SP-ICP-TOF-MS对Ce-containing NPs（假设主要以CeO₂形式存在）的粒径分布表征显示，不同工业部门的Ce-containing NPs具有相似的粒径分布特征，大部分颗粒集中在20-40纳米范围内。

3.2. 工业活动中REE-containing NPs的排放因子和大气排放

研究计算了各工业部门的排放因子（Emission Factors, EF），发现每太瓦时（TWh）燃煤发电约释放1.9×10¹⁶个Ce-containing NPs。中国13个工业源每年向大气排放的La-和Ce-containing NPs分别达到约2.5×10²²个和1.0×10²³个，其中燃煤电厂是最大的贡献者，分别占总排放量的94.6%和97.5%。全球范围内，中国、印度、美国、日本和南非是La-和Ce-containing NPs排放量最大的五个国家，其中中国独自贡献了全球约53%的排放。

4.1. 可持续发展和REE-containing NPs减排的工业源优先序

排放空间分析显示，山东、内蒙古、江苏、广东、新疆、山西、河北、安徽和河南是La-和Ce-containing NPs排放量最高的九个省份，其排放量占全国总排放量的约60%。东部地区由于工业化程度高、经济发达，排放贡献最大；西部地区则主要因其丰富的矿产资源而排放量较高。燃煤电厂和水泥窑是这些高排放省份中最主要的贡献源，应是政策制定的重点关注对象。

4.2. 工业活动排放的REE-containing NPs暴露评估

由于多个工业活动的排放，上海和天津大气中La-和Ce-containing NPs的稳态浓度显著增加，分别达到约10⁵particles/m³和10⁶particles/m³。因此，这两个地区成人和儿童的终身平均日暴露剂量（Lifetime Average Daily Dose, LADD）最高，成人对La-和Ce-containing NPs的暴露水平分别达到2.0×10⁵和8.1×10⁵particles/(kg·day)，儿童则分别为4.2×10⁵和1.7×10⁶particles/(kg·day)。儿童暴露水平约为成人的两倍，需要特别关注。

该研究的结论部分强调，这项大规模、基于颗粒数浓度的工业源稀土纳米颗粒排放特征研究，弥补了传统质量浓度评估的局限性。结果表明，Ce-和La-containing NPs在工业热过程中普遍排放，且存在明显的源特异性差异。燃煤电厂被确定为最主要的贡献源，而水泥窑、焦化生产和钢铁冶炼也是重要的排放源，这些排放共同提高了区域和全球范围内大气中稀土纳米颗粒的水平。这些纳米颗粒的增加通过吸入和皮肤途径增强了人体暴露，凸显了仅凭质量浓度评估稀土相关风险的不足。总体而言，这项工作将稀土纳米颗粒确定为与工业活动相关的新兴环境和暴露问题，并强调了将基于颗粒数的指标纳入排放清单、暴露评估和监管框架的必要性，以支持有效的风险管理和可持续工业发展。

这项研究的意义在于首次系统量化了工业源稀土纳米颗粒的排放特征，建立了基于颗粒数浓度的风险评估方法，为制定针对性的污染控制策略和保障人群健康提供了科学依据。特别是在中国作为全球稀土生产和消费大国的背景下，该研究对促进中国乃至全球的可持续工业发展具有重要指导意义。