在受有色金属冶炼影响的城市中，高层建筑窗台灰尘中重金属的垂直和水平分布

《Environmental Pollution》：Vertical and horizontal distribution of heavy metals in high-rise building windowsill dusts in a nonferrous metal smelting affected city

窗户台灰尘中重金属的垂直与水平分布及健康风险评估研究。在冶炼厂周边6个高层住宅社区采集189份灰尘样本，分析发现距厂区较近的A组Cd(38.5 mg/kg)和Pb(1380 mg/kg)浓度显著高于其他组，且各金属浓度普遍随楼层升高而递减，Cd和Pb的垂直浓度梯度分别为-1.33%和-1.81%/楼层。主成分分析表明远距离社区重金属来源复杂，近距离社区Cd和Pb受冶炼厂影响更显著，建议结合同位素技术进行污染源解析。

　　

赵青|邢伟琴|詹姆斯·A·伊波利托|邵双双|徐宁宁|王亚莉|李丽萍

河南工业大学土木工程学院，中国郑州450001

摘要

住宅窗台灰尘中重金属的垂直和水平分布对人类健康构成威胁。从距离有色金属冶炼厂4至10公里的六个住宅社区的1层至31层收集了共计189份灰尘样本，并对其进行了重金属含量分析。靠近冶炼厂的两个社区（A组）由于历史污染时间较长，表现出最高的镉（Cd）和铅（Pb）浓度（分别为38.5 mg kg^-1和1380 mg kg^-1）。在大多数社区中，镉、铜（Cu）、铅和锌（Zn）的浓度随着高度的增加而降低。计算出的镉、铜、铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅和锌的垂直浓度梯度分别为-1.33%、-0.876%、2.06%、0.145%、0.436%、-1.81%和-0.163%（每层）。相关分析和主成分分析（PCA）结果表明，远离有色金属冶炼厂的四个社区（B组）的灰尘来源多样。当根据高度对样本进行分组时，PCA结果显示，随着高度的降低，B组样本中铅和镉的变化受冶炼厂的影响减小，这表明该区域较低楼层的铅和镉来源更为复杂。在大多数社区中，计算出的生态风险随着高度的增加而降低。本研究的结果对于评估和管理此类地区及类似地区高层住宅建筑居民的健康风险具有重要意义。

引言

重金属存在于气溶胶、灰尘、土壤、沉积物等环境介质中，可能通过摄入、吸入或皮肤接触进入生物体，从而对健康构成潜在风险。地表灰尘中的重金属浓度通常高于当地土壤（Han等人，2020年；Kang等人，2021年；Rahman等人，2021年）。大气、土壤和地表灰尘中的重金属浓度在水平和垂直方向上均存在空间差异。由于与污染源的距离不同，环境中的重金属分布不均匀，污染源附近的浓度通常更高（Xing等人，2019a年；Li等人，2020b年；Liu等人，2023年）。

由于样本收集的难度，颗粒物或灰尘中重金属的垂直分布研究不如水平分布广泛。在以往的研究中，人们使用从电视塔（Valiulis等人，2002年）或高层建筑（Tripathi等人，2004年；Xing等人，2020b年；Zhao等人，2023年）收集的不同高度的灰尘样本来进行重金属浓度分布分析。大多数研究中，重金属的采样高度从地面到地面以上数十米不等。例如，Li和Zhang（2015年）、Qian等人（2015年）、Xing等人（2020年）和Zhao等人（2023年）的采样高度约为20米，Tripathi等人（2004年）和Wang等人（2021b年）约为30米，Song等人（2022年）和Nikolaeva等人（2022年）约为50米；只有少数研究在地面以上约100米处采集样本（例如，Valiulis等人，2002年）；这些研究中最常用的采样设备是空气采样器。此外，关于窗台灰尘中重金属浓度的研究主要集中在低层住宅（Xing等人，2020b年；Han等人，2021年；Kang等人，2021年），而高层建筑窗台灰尘中的重金属积累则较少被研究。在中国城市中，约100米高的住宅建筑很常见。因此，不同高度处重金属的垂直分布对于评估居住在不同楼层的居民的健康风险非常重要。

在大多数情况下，从较高高度采集的气溶胶样本中的重金属浓度低于从较低高度采集的样本（Valiulis等人，2002年），但也有研究观察到较高高度的重金属浓度与较低高度相当或更高（Tripathi等人，2004年；Song等人，2022年）。此外，一些研究显示了特定元素的分布趋势，某些金属在较高高度浓度较高，而其他金属在较低高度浓度较高，或者浓度不受高度影响（Li和Zhang，2015年；Wang等人，2021b年；Nikolaeva等人，2022年）。

有色金属冶炼厂排放的重金属被认为是环境中重金属积累的主要来源之一，因为各种重金属（如镉、铜、铅、锌）共存于冶炼矿石中。有色金属冶炼常常导致环境中多种重金属的污染，尤其是镉、铅、铜和锌（Stafilov等人，2010年；Li等人，2011年；Soto-Jiménez等人，2021年；Xu等人，2021年；Yang等人，2023年）。在有色金属冶炼区，土壤中的镉、铅和锌浓度比背景水平高出数十倍（Stafilov等人，2010年；Kang等人，2021年；Qin等人，2021年）。为了减少设施附近的污染，冶炼企业通常建造高耸的烟囱，以便含有重金属的颗粒物能够传播得更远。这些烟囱的高度通常超过50米（Wong等人，2006年；Van Pelt等人，2020年）。与大气颗粒物采样不同，窗台灰尘更容易收集，为化学分析提供了足够的材料。尽管窗台灰尘可能受到大气沉降的影响，但其中的重金属可能显著影响室内空气质量，尤其是在窗户密封不良的情况下（Chu等人，2023年）。因此，量化重金属浓度对于识别居民的健康风险非常重要。

本研究选择了六个距离有色金属冶炼厂不同距离的高层住宅建筑社区，收集了189份不同楼层的窗台灰尘样本。研究目的包括：i）调查有色金属冶炼区高层建筑窗台灰尘中重金属的垂直和水平分布；ii）评估高层住宅建筑中不同高度灰尘暴露于重金属的健康风险；iii）探索不同高度灰尘的铅同位素特性，以确定其来源。

研究区域和高层住宅建筑

在中国河南省济源市的六个住宅社区收集了窗台灰尘样本（图S1，表S1）。有关研究区域的更多详细信息，请参见补充材料。

样本收集与处理

在每个社区，从第一层到顶层（例如1层、4层、7层等，某些情况下达到31层），每个单元的四个窗户台收集了灰尘样本。每个社区收集的样本数量因建筑而异

灰尘中重金属浓度及水平分布

不同社区窗台灰尘中重金属浓度的描述性统计数据显示在表1和图S2中。所有七种金属在窗台灰尘中的平均浓度均超过了当地土壤背景值（Cheng等人，2014年；Han等人，2021年），表明窗台灰尘中的重金属浓度受到人为因素的影响。不同金属的PI平均值范围为1.16-297，不同重金属的PI值排序如下

结论

从距离有色金属冶炼厂不同距离的六个不同社区的不同楼层收集了窗台灰尘样本。窗台灰尘中镉（Cd）、铜（Cu）、铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）的平均浓度分别为19.0 mg kg^-1、228 mg kg^-1、241 mg kg^-1、645 mg kg^-1、162 mg kg^-1和796 mg kg^-1。所有七种金属在不同社区之间的浓度存在显著差异。靠近有色金属冶炼厂且污染历史较长的社区中，镉和铅的浓度更高

作者贡献声明

王亚莉：研究工作。李丽萍：软件开发、方法论设计、概念构思。徐宁宁：研究工作。詹姆斯·A·伊波利托：写作、审稿与编辑。邵双双：写作、审稿与数据管理。赵青：初稿撰写、研究工作、数据管理。邢伟琴：监督、软件支持

未引用的参考文献

Li等人，2020年；Madadi等人，2022年；Soto-Jiménez和Flegal，2021年；Xing等人，2018年；Xing等人，2020a年。

数据可用性

如需获取本文的数据，可向通讯作者提出合理请求。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了河南省自然科学基金（编号252300420281和252300421834）和国家自然科学基金（编号42407381）的支持。