利比里亚工业、矿区与贫民窟区域大气重金属的分布、来源解析与吸入暴露健康风险评估

《Atmospheric Environment: X》：Atmospheric distribution and exposure implications of heavy metals around industrial, mining, and slum areas in Liberia

为评估利比里亚不同类型功能区大气重金属污染特征及其人群健康风险，本研究系统采集了工业区、矿区及城市贫民窟共计81份大气总悬浮颗粒物（TSP）样本。研究测定了砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）的浓度，并应用PMF模型与蒙特卡洛模拟进行来源解析与不确定性评估。结果表明，矿区金属浓度最高，且浓度随距离增加显著降低，在≥100米处可下降55-80%。非致癌与致癌风险评估（基于USEPA框架）显示，当前暴露水平下风险可接受（HQ < 1， CR < 1×10-4），但儿童更易感，且长期无控排放可能带来潜在健康问题。研究为利比里亚制定空气质量标准与缓冲区政策提供了关键基线数据。

　　

在快速工业化、矿业开采和无序城市扩张的浪潮下，重金属污染早已成为全球性的环境与公共卫生难题。特别是砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）和汞（Hg）这类“顽固分子”，它们难以降解，能在大气中借助颗粒物进行远距离“旅行”，最终被我们吸入体内。虽然全球对此关注已久，但在西非，尤其是经历了多年战乱后正经历快速发展的利比里亚，关于空气中重金属污染的系统性实证数据却几乎是一片空白。那里的工业区、手工采矿点和拥挤的贫民窟常常比邻而居，居民长期暴露在未知的污染风险中。人们不禁要问：这些不同区域上空的重金属到底有多少？它们从哪里来？随着风吹散，浓度会如何变化？更重要的是，长期呼吸这样的空气，会对当地居民，尤其是儿童的健康构成多大威胁？为了回答这些紧迫的问题，一项聚焦利比里亚的研究应运而生，其成果最终发表在环境科学领域期刊《Atmospheric Environment: X》上。

为了全面探明情况，研究人员精心设计了一套“从现场到实验室”的完整技术路线。首先，他们在利比里亚选取了三个典型区域作为“观测站”：代表制造业排放的蒙罗维亚工业区、代表采矿活动的博米山矿区，以及代表密集生活源的佩恩斯维尔红灯社区贫民窟。在每个区域，研究者以主要污染源为中心，沿着放射状样带，在污染源点、100米和500米处分别设置采样点，总共收集了81份大气总悬浮颗粒物（TSP）样本，以期捕捉重金属随距离扩散的规律。样本采集使用低流量空气采样器，模拟人体呼吸高度（1.5米）。在实验室里，滤膜样本经过精密的酸消解处理后，其中的As、Pb、Cd、Hg四种目标重金属的浓度通过原子吸收分光光度法（AAS）这把“尺子”被精准测定。为了确保数据的可靠性，研究全程执行了严格的质量控制（QA/QC），包括使用标准参考物质验证和加标回收实验。获得浓度数据后，研究团队动用了多种“数据解码器”：相关性分析和主成分分析（PCA）用于探寻金属之间的“同伴关系”；层次聚类分析（HCA）对样本进行自动分组；而正定矩阵因子分解（PMF）模型则被用来追根溯源，解析出主要的污染贡献源。最后，也是与公众健康最直接相关的一环，是健康风险评估。研究人员依据美国环境保护署（USEPA）的权威框架，计算了吸入暴露的平均日剂量（ADD）、非致癌风险的危险商（HQ）和危险指数（HI），以及致癌风险（CR）。为了更真实地反映暴露的不确定性，研究还引入了蒙特卡洛模拟（MCS），对上万种可能的情景进行概率计算，让风险评估结果更加稳健。

3.1. 大气中重金属浓度分布

研究结果显示，重金属浓度呈现出清晰的空间和距离规律。在所有区域，矿区都“拔得头筹”，记录了最高的As（0.102 mg/m³）、Pb（1.002 mg/m³）、Cd（0.016 mg/m³）和Hg（0.008 mg/m³）浓度，凸显了采矿活动巨大的排放强度。一个令人鼓舞的发现是，所有金属的浓度都随着与污染源距离的增加而显著下降，尤其是在100米之后，浓度相对于源点降低了55%至80%，表明大气稀释和扩散作用明显。其中，砷的稀释效应最强（85-90%），而铅相对较弱，这可能与它们结合的颗粒物粒径大小不同有关。

3.2. 采样点空气中重金属的相关性

有趣的是，无论采样点是在工厂旁、矿坑边还是贫民窟里，四种重金属之间的相关性模式都惊人地一致。铅与其他三种金属（Cd、Hg、As）均呈显著正相关，镉与铅和砷也紧密相关。这种跨越不同污染源的高度一致性暗示，一旦进入大气，这些重金属的命运更多地受共同的大气传输和扩散机制支配，而非各自独立的排放源。

3.3. 不同研究区域大气重金属浓度的比较分析

虽然矿区在数值上“领跑”，但统计分析（ANOVA）表明，工业区、矿区和贫民窟三个区域之间的重金属浓度差异并未达到统计学上的显著性。这意味着，虽然源头排放强度不同，但区域尺度的大气混合相当充分，导致了相对均质的环境污染背景。这提醒我们，污染的影响范围可能远超预想，即使不在工厂或矿场隔壁，也可能受到波及。

3.4. 主成分分析

主成分分析进一步确认了上述发现。分析提取出的两个主成分共同解释了超过96%的数据变异。重金属向量紧密聚集，再次证实了它们之间的强相关性。同时，“源点距离”变量与重金属向量方向接近，而“500米距离”则方向相反，直观地展示了“近源高、远源低”的浓度梯度。

3.5. 大气重金属健康风险评估

这是本研究的核心关切。非致癌风险评估显示，无论是成人还是儿童，所有重金属的危险商（HQ）值均小于1，表明在当前监测的浓度水平下，不会引起明显的非致癌性健康影响。然而，风险并非均等：儿童群体的HQ值普遍高于成人，显示出更高的脆弱性；在金属中，铅带来的非致癌风险相对最高；在地点上，风险排序为矿区 > 工业区 > 贫民窟。

致癌风险评估因数据所限，仅计算了砷。结果表明，所有区域、所有人群的致癌风险（CR）值均远低于10^-4的可接受阈值，意味着终生患癌的增量风险极低，处于可接受范围。与直觉不同，成人的CR值略高于儿童，这主要归因于模型中成人更长的假设暴露年限。蒙特卡洛模拟为风险评估增添了“概率视角”。在考虑了关键暴露参数（如呼吸速率、暴露频率）的变异性后，模拟结果显示，大多数金属的癌症风险仍在安全范围内。但模拟也提示，在更为极端（如95百分位）的暴露情景下，镉和砷可能带来更高的潜在致癌风险，且风险排序变为工业区 > 矿区 > 贫民窟。这揭示了一个关键点：最终的健康风险不仅取决于污染浓度，还与人群暴露的时长、密度和活动强度密切相关。高浓度的矿区，若人口密度或暴露时长不及工业区，其综合风险可能反而较低。

这项研究为利比里亚乃至类似发展中国家的空气质量管理提供了宝贵且具有操作性的科学依据。它清晰地指出，采矿活动是大气重金属污染的“重灾区”，必须作为监管的重中之重。同时，研究证实了建立缓冲区（如≥100米）对于显著降低近距离暴露风险的有效性，这为制定土地利用规划和防护距离政策提供了直接支持。尽管当前评估认为风险总体可控，但研究也发出了明确的警示：儿童是更脆弱的群体，且如果排放持续不受控制，长期累积的暴露可能带来不可忽视的健康隐忧。因此，报告强烈建议在利比里亚开展定期的空气质量监测，强制执行采矿和工业区周边的缓冲区规定，并面向社区进行健康宣教。此外，研究也指出了自身的局限，例如仅分析了总悬浮颗粒物（TSP），未来需要进一步开展针对更易深入肺部的细颗粒物（PM_2.5）的研究。这项研究如同一份细致的“体检报告”，不仅诊断了利比里亚大气重金属污染的“病情”，还开出了“药方”，为这个西非国家在发展中守护公众呼吸健康点亮了一盏科学的探照灯。