矿区道路灰尘中潜在毒性元素的源导向健康风险评估及缓解措施综合评价的混合方法研究

《Environment International》：A hybrid approach for assessing source-oriented health risk and evaluating mitigation measures of potential toxic elements in road dust from mining areas

本研究针对矿区道路灰尘中潜在毒性元素(PTEs)健康风险评估存在低估或高估的问题，创新性地结合生物可给性测定、正矩阵分解(PMF)、交通排放与扩散模型及蒙特卡洛模拟(MCS)等混合方法，系统评估了源导向健康风险及缓解措施效果。结果表明矿区来源贡献了86.7%的PTEs，吸入暴露是主要途径，儿童平均危害指数(HI)仍超过阈值。研究提出通过控制路面淤泥负荷(sL)和重型车辆通行时长等有效措施可将风险降至可接受水平，为矿区环境污染风险管理提供了科学依据。

　　

在矿产资源开发活跃的地区，矿区道路灰尘作为环境污染的重要载体，因其易受风力及交通扰动再悬浮的特性，成为周边居民暴露于采矿相关潜在毒性元素(Potentially Toxic Elements, PTEs)的关键途径。然而，传统健康风险评估模型往往基于污染物的总浓度和固定参数，未能充分考虑PTEs在人体内的实际生物可利用性、暴露参数的个体差异以及环境条件的空间异质性，导致风险评估结果可能存在偏差。尤其值得注意的是，针对土壤开发的颗粒物排放因子(Particulate Emission Factor, PEF)直接应用于道路灰尘场景，可能会显著低估经由吸入途径带来的健康风险。此外，矿区来源的颗粒物其矿物学和物理化学性质复杂，不同PTEs之间可能存在吸收位点竞争，使得基于单一金属离子或简单纳米颗粒的毒代动力学数据难以准确预测其在真实环境颗粒物中的归趋和健康效应。因此，发展一种能够整合多维度信息、更精确评估矿区道路灰尘PTEs健康风险及其关键影响因素的方法显得尤为迫切。

为应对上述挑战，发表在《Environment International》上的研究论文提出了一种综合性的混合评估框架。该研究以全球最大的稀土元素矿床——中国内蒙古白云鄂博矿区及对应的尾矿坝区（精晃地区）为研究区域，采集了不同功能分区（工业区与居民区）的道路灰尘样本。研究人员重点关注了小于250微米(RD250，用于评估经口和皮肤暴露)和小于10微米(RD10，用于评估吸入暴露)的颗粒物组分。研究核心技术方法包括：运用地累积指数(I_geo)评价污染程度；采用正矩阵分解(Positive Matrix Factorization, PMF)模型进行源解析；通过体外模拟实验（SBRC-g法评估口服生物可给性，人工溶酶体流体ALF和Gamble溶液GS评估吸入生物可给性）测定PTEs的生物可及性；结合AP-42交通排放模型和高斯扩散模型动态模拟道路灰尘再悬浮导致的空气中RD10浓度；利用蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation, MCS)进行概率性健康风险评估和敏感性分析；并通过小鼠体内实验（气管内滴注暴露）探究采矿源细颗粒物中PTEs的器官分布规律。

研究结果揭示了矿区道路灰尘严重的PTEs污染。地累积指数评估表明，Ba、Pb、Cd、Mn和Zn的污染水平最高，在多个粒径组分中达到中度至极强污染程度。PMF源解析结果显示，矿区关联源是PTEs的主要贡献者，占总量的86.7%，其中对Ba、Mn和Pb的贡献率分别高达99.2%、79.0%和46.9%。生物可给性测试发现，PTEs在模拟肺液ALF中的溶解度远高于中性GS，且细颗粒物(RD10)中的PTEs生物可给性通常高于粗颗粒物(RD250)。值得注意的是，源自矿区的灰尘其PTEs生物可给性普遍低于城市化程度较高的对比点样本，这可能与矿区灰尘的碱性和所含矿物难溶性有关。

健康风险评估结果指出，即使考虑了PTEs的生物可给性，仍有相当比例的人群（约26%的成人和45%的儿童）面临不可忽视的非致癌风险（危害指数HI > 1）。敏感性分析识别出影响健康风险的关键因素包括：RD10中的Mn浓度、道路上的平均车辆重量(VW)、路面淤泥负荷(sL)以及通勤时间(ET1)。进一步的分析表明，吸入暴露是成人（贡献率94.5%）和儿童（贡献率79.3%）非致癌风险的主要途径，这与许多以往认为经口摄入是主要途径的研究结论不同，凸显了采用动态模型评估吸入暴露的重要性。对风险源的贡献分析显示，Mn是导致非致癌风险的最主要元素（贡献率超78%），而矿区关联源是HI的主要贡献者（成人72.4%，儿童70.7%）。致癌风险(Total Carcinogenic Risk, TCR)则处于可接受水平。

动物实验结果表明，经气管吸入暴露于矿区细颗粒物(RED < 10 μm)后，PTEs可在肺中长期滞留，并能转移并蓄积于脾脏、肝脏、肾脏、骨骼和心脏等多个器官。这证实了吸入的矿区灰尘颗粒及其释放的PTEs具有在体内多器官分布的潜力，提示其对肺、肾、心等器官健康的潜在威胁。

基于关键风险因素，研究评估了不同缓解措施的效果。模拟分析发现，健康风险随道路接触时间、sL和VW的增加而显著上升。对于长时间在路边活动的人群（如成人每日8小时，儿童每日4小时），其非致癌风险可升高数倍。研究表明，将路面淤泥负荷控制在“清洁”水平(0.5 g/m²)或“中等”水平(5 g/m²)并配合限制重型车辆（如仅允许夜间通行，使VW降至2吨左右）等措施，可有效将健康风险降低至可接受水平。

综上所述，该研究通过构建一种整合了生物可给性、源解析、动态暴露模拟、概率性风险评估和体内验证的混合方法框架，深刻揭示了矿区道路灰尘作为PTEs暴露热点的潜在健康风险，明确了吸入为关键暴露途径，并量化了矿区来源的主导贡献。研究成果不仅为精确评估类似环境介质健康风险提供了方法论借鉴，而且为制定有针对性的风险管控策略（如控制扬尘源头和优化交通管理）提供了直接的科学依据，对保障矿区周边居民健康、推动绿色矿业发展具有重要的现实意义。