《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Multivariate Statistical Analysis of PAHs: Application of Principal Component Analysis (PCA) for Environmental Monitoring and Data Reduction
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本研究针对尼日利亚奥贡和翁多州水泥工业带大气粉尘中多环芳烃（PAHs）污染展开分析，通过GC-MS检测25种PAHs并运用主成分分析（PCA）揭示污染源。结果显示，苯并[a]芘和二苯[a,l]芘浓度高达4.25 μg/g和5.66 μg/g，远超海洋沉积物及工业环境水平，长期吸入致癌风险达2.06×10^-4，接近美国EPA安全阈值。PCA分析表明，主成分1（61.2%方差）反映燃烧源及交通排放，主成分2（38.8%）显示混合工业排放，首次建立非洲水泥走廊PAHs污染指纹库。
阿蒂努克·巴格贝（Atinuke Bagbe）| 奥卢瓦托因·凯欣德·奥贡巴米克（Oluwatoyin Kehinde Ogunbamike）| 奥楚科·文森特·阿克波吉维特（Ochuko Vincen Akpojivit）| 以撒·奥拉吉德·阿雷奥（Isaac Olajide AREO）| 莉迪亚·莫伊尼努瓦·阿德拉贾（Lydia Moyinoluwa Adelaja）| 汤普森·法拉第·埃迪阿格博尼亚（Thompson Faraday Ediagbonya）
尼日利亚翁多州奥基蒂普帕（Okitipupa）奥卢塞贡·阿加古（Olusegun Agagu）科学技术大学统计系
摘要
本研究揭示了西非工业景观中隐藏的威胁，分析了尼日利亚奥贡州（Ogun）和翁多州（Ondo）主要水泥生产地区大气尘埃中多环芳烃（PAHs）的复杂成分。通过分析25种PAH化合物，我们发现其中致癌物质的浓度异常高，包括苯并(a)芘（Benzo(a)pyrene，最高达4.25 μg/g）和二苯并(a,l)芘（Dibenzo(a,l)pyrene，最高达5.66 μg/g），这些浓度超过了海洋沉积物和类似工业环境中的水平，对当地社区的健康构成了严重威胁。利用主成分分析（PCA）这一强大的统计方法，我们取得了显著突破：仅两个成分就解释了99.96%的数据变化，这在环境研究中极为罕见。第一个成分（占61.2%）富含高分子量PAHs，反映了窑炉燃烧和交通活动的影响；第二个成分（占38.8%）则表明存在混合的工业排放。这是首次对非洲水泥生产走廊中的PAHs来源进行高分辨率的划分，表明吸入是重要的暴露途径，尤其是对成年人而言，估计通过吸入导致的终生癌症风险高达2.06 × 10^-4，接近或超过了美国环境保护署（USEPA）设定的1 × 10^-4的基准值。我们的发现不仅仅是数据，更是对紧急控制排放、改善工业卫生和加强长期健康监测的强烈呼吁，尤其是在世界上发展最快的工业区之一。
引言
多环芳烃（PAHs）是一类持久的有机污染物，主要由化石燃料的不完全燃烧、工业过程、车辆排放和生物质燃烧产生（Wu等人，2024年；Huang等人，2025年）。由于PAHs具有疏水性、在环境中的持久性以及对颗粒物的强烈亲和力，它们广泛分布在空气、土壤、沉积物和生物体中，对生态和人类健康构成重大风险（Krzyszczak & Czech，2021年；Campisi等人，2023年）。大量研究表明，长期暴露于PAHs与致癌性、致突变性、内分泌干扰和呼吸系统疾病有关，因此对其监测和来源识别是全球环境优先事项（Ambade等人，2021年；Chokor & Ediagbonya，2024年）。
在撒哈拉以南非洲快速工业化的地区，水泥生产是大气中PAHs的一个重要但尚未充分研究的来源。基础设施和工业发展通过增加排放和土地使用压力，对当地空气质量及环境可持续性产生了显著影响（Saedi等人，2024年）。水泥制造涉及高温燃烧过程、大量物料处理和重型车辆交通，这些都导致了颗粒态PAHs向周围环境的排放。水泥厂产生的粉尘可作为PAHs的有效载体，促进其在附近社区的传播和沉积（Ediagbonya等人，2025a）。虽然中国、欧洲和中东部分地区的研究已经记录了与交通、煤炭燃烧和工业活动相关的PAH浓度升高（Huang等人，2025年；B?ke ?zko? & Ar?man，2023年），但非洲以水泥为主的工业走廊仍缺乏详细研究。
在尼日利亚，现有的研究主要集中在拉各斯（Lagos）和伊巴丹（Ibadan）等大城市的城市粉尘、沉积物、地下水和生物体中的PAHs，通常强调车辆排放、露天废物燃烧和混合工业排放（Ediagbonya等人，2022年；Ediagbonya等人，2023年；Chokor & Ediagbonya，2024年）。然而，奥贡州（Ogun）和翁多州（Ondo）的水泥生产区虽然工业活动密集且靠近农村和半城市人口，却鲜有科学研究。这一空白至关重要，因为水泥窑及相关过程的排放可能具有与以交通为主的城市中心不同的成分特征和暴露途径。
PAHs的环境监测因其混合物的复杂性、低分子量和高分子量化合物的共存以及单一环境矩阵中多种排放源的重叠而变得更加复杂。全面的环境影响评估日益被视为评估可持续发展背景下污染压力的重要工具（Parvin等人，2024年）。这种复杂性往往限制了传统单变量方法的解释能力，需要应用多变量统计技术来进行可靠的来源划分（Ayoubi等人，2020年；Khalili等人，2025年）。其中，由皮尔逊（Pearson）于1901年首次提出的主成分分析（PCA）已成为环境污染研究中广泛使用的降维和来源识别工具（Taghipour等人，2011年）。PCA能够从大型数据集中提取主导模式，帮助研究人员推断出传统分析可能无法发现的潜在排放源和污染物之间的关系（Arora & Keshari，2021年；Ar?man等人，2024年）。
最近的研究成功应用PCA区分了不同环境中的PAH来源，如车辆尾气、工业燃烧和岩石生成物（Yang等人，2021年；Zhang等人，2022年）。虽然中国和欧洲的研究详细记录了与交通和煤炭燃烧相关的PAH来源（Liu等人，2023年；Wu等人，2024年），但本研究首次为非洲水泥生产走廊提供了基于PCA的高分辨率来源划分。鉴于发展中国家水泥生产的燃料类型、燃烧效率和监管环境的差异，这种区分尤为重要。
本研究采用了稳健的现场采样策略，结合气相色谱-质谱（GC-MS）定量分析以及严格的质量保证和质量控制（QA/QC）程序，并利用包括PCA在内的多变量统计技术进行数据解释。详细的方法描述见“材料与方法”部分。
本研究的新颖之处在于其对尼日利亚奥贡州和翁多州水泥生产相关的大气PAHs进行了专门评估，结合了浓度分析、诊断比率和多变量统计方法来阐明排放源和暴露途径。通过将研究结果置于国家和全球背景下，为了解水泥主导环境中的PAH行为提供了新的见解，并加强了西非工业污染监测的有限证据基础。
本研究的目标是：（i）量化尼日利亚奥贡州和翁多州水泥相关环境中大气尘埃中25种PAHs的浓度和空间分布；（ii）应用主成分分析确定影响PAH分布的主要排放源；（iii）通过将估计风险与国际基准进行比较，评估吸入PAHs的潜在健康风险。
研究区域
研究区域
本研究在尼日利亚西南部的奥贡州（Ogun State）和翁多州（Ondo State）的水泥相关工业区进行。选择这些地区是因为那里有大量的水泥生产厂、储存设施和分销中心，这些设施是多环芳烃（PAHs）颗粒物排放的主要来源。奥贡州与拉各斯州（Lagos State）接壤，并与奥约州（Oyo State）和奥孙州（Osun State）接壤。
PAH浓度和空间分布
表1显示了四个采样点（A、B、C、D）中24种多环芳烃（PAHs）的平均浓度。观察到显著的空间变异性，反映了排放源和环境的多样性。
萘（Naphthalene）是一种低分子量（LMW）PAH，在采样点A的浓度最高（6.21 ± 0.26 μg/g），而在采样点B几乎检测不到（0.09 ± 0.02 μg/g）。这种显著差异表明采样点A受到更强的影响。
结论
本研究明确表明，尼日利亚水泥工业区的大气尘埃是有毒和致癌PAHs的重要储存库，这些PAHs主要来源于熟料生产过程中的高温燃烧和车辆排放。PCA的卓越表现尤为突出，两个成分解释了几乎所有的（>99%）数据变异，显示出该地区普遍存在的污染特征。PC1解释了61.2%的变异。
作者贡献声明
文森特·阿克波吉维特（Ochuko Vincent）：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写。以撒·奥拉吉德·阿雷奥（Isaac Olajide AREO）：资源获取，调查。阿蒂努克·巴格贝（Atinuke Bagbe）：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，概念构思。奥卢瓦托因·凯欣德·奥贡巴米克（Oluwatoyin Kehinde Ogunbamike）：写作——审稿与编辑，正式分析，数据管理。莉迪亚·莫伊尼努瓦·阿德拉贾（Adelaja Lydia Moyinoluwa）：资源获取，调查。汤普森·法拉第·埃迪阿格博尼亚（Thompson Faraday EDIAGBONYA）：原始草稿撰写，监督。
未引用参考文献
Huang等人，2021年；Zhang等人，2022年。
利益冲突声明
作者声明他们所知的任何财务利益或个人关系都不会对本研究的结果产生影响。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
汤普森·法拉第·埃迪阿格博尼亚（Thompson Faraday EDIAGBONYA）教授报告称，奥卢塞贡·阿加古（Olusegun Agagu）科学技术大学提供了行政支持、设备、药品或物资，并进行了统计分析。汤普森·法拉第·埃迪阿格博尼亚教授与奥卢塞贡·阿加古科学技术大学存在关系，包括董事会成员资格和就业。
