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大气细颗粒物(PM2.5)及其中的水溶性离子和重金属元素的污染问题受到人们的广泛关注,因此研究其理化特征、来源解析及健康风险具有重要意义。本研究于2017年至2018年对天津市大气PM2.5进行采集,测定其中8种水溶性离子和16种重金属元素的浓度。根据实验所得数据,分析水溶性离子和重金属的质量浓度及季节分布特征,运用富集因子法、相关性分析和主成分分析探讨其来源,利用健康风险评价模型对PM2.5中的重金属元素进行健康风险评估。主要结论如下:(1)运用重量法对PM2.5的质量浓度进行测定与计算,结果显示:采样期间,天津市大气PM2.5质量浓度为66.67 μg·m-3,低于我国日均浓度二级标准限值。季节变化规律为:冬季>春季>秋季>夏季,其中最大值出现在春季3月,主要与春季风沙天气有关;冬季浓度平均值最高,与边界层稳定及燃煤贡献有关;夏秋季节较低,主要与气温高、降水多及贡献源减少有关。与国内外部分城市相比,天津大气PM2.5的平均质量浓度远大于国外很多城市,但高于国内南方城市,与部分北方城市相差不大。(2)运用离子色谱和离子光谱对PM2.5中水溶性离子进行测定,结果表明:水溶性离子总的平均浓度为35.63 μg·m-3,占PM2.5质量的53.44%。8重离子质量浓度由高到低排列为:NO3>SO42>Cl->Ca2+>Na+>K+>F>Mg2+,其中,NO3-、SO42-、Cl-和 Ca2+是水溶性离子中主要组分,共占比为92.90%;NO3-质量浓度的变化范围最大,SO42-次之,F-最小。8种水溶性离子质量浓度与占离子总量比重的季节分布均为:冬季>春季>夏季>秋季,浓度变化范围为:冬季>春季>秋季>夏季。同一季节,各水溶性离子的质量浓度水平、占离子总量比重和范围存在差异;同一水溶性离子质量浓度的季节分布特征也不同。(3)对PM2.5中水溶性离子进行相关性分析和主成分分析,表明天津大气PM2.5中F-、Cl-、NO3-、SO42-和K+主要来源于机动车、燃煤等人为活动影响,贡献率约为52%;Ca2+、Mg2+和Na+表主来自于土壤扬尘等自然源,贡献率约为36%;累积贡献率为88%。(4)运用ICP-MS对大气PM2.5中16种重金属元素进行测定,结果显示:各重金属的质量浓度从高到低依次为:Zn>V>Fe>As>Cr>Mn>Pb>Cu>Mo>Ni>Sb>Cd>Ag>Co>U>Th,其中,重金属Zn、V、Fe、As、Cr、Mn、Pb、Cu和Mo的含量占重金属总量的比重均高于1%,Zn、V、Fe、As、Cr、Mn的总浓度约占所测重金属总量的91%,Zn、V、Ni、Cr、Co、Cu、As、Mo、Pb和Cd的浓度变化范围较大。As的浓度超过二级浓度参考限值,说明天津大气PM2.5中As处于一个严重污染的水平。同时,16种重金属元素总的质量浓度的季节分布规律显著,均表现出冬季>秋季>春季>夏季的特点,与大气PM2.5的质量浓度呈现出不太一致的变化规律。不同重金属质量浓度、占重金属的比重及变化范围的季节变化规律并不一致。同一种重金属在不同季节的分布规律和浓度范围不相同,这与不同的气象条件、污染物来源的种类与强度均相关。(5)富集因子结果表明,重金属元素的总平均富集系数从大到小依次为:Fe>Cd>Ag>As>Mo>Sb>Zn>V>Cr>Pb>Cu>Ni>Co>U>Th。其中,Fe、Cd、Ag、As、Mo、Sb 和 Zn 的富集因子大于100,表明该元素严重富集,受人为活动影响明显;V、Cr、Pb、Cu和Ni的富集因子介于10和100之间,表明这些元素在PM2.5中轻微富集,受到一定程度的人为活动影响;Mn、Co、U和Th的富集因子均小于10,说明这些元素基本不富集,主要来源为自然源,受人为活动影响小;此外,采样期间重金属元素的富集因子呈现出季节性差异。相关性分析和主成分分析结果表明,天津市大气PM2.5中重金属主要有3个来源:燃煤源和机动车源等人为源的排放的贡献率约为40%,土壤扬尘源的贡献率约为26%,工业排放源的贡献率约为20%,累积贡献率约为86%。(6)利用美国环保署(USEPA)推荐的健康风险评价模型对重金属进行健康风险评估,结果表明:在非致癌健康风险评价中,儿童和成人经三种暴露途径风险系数(Hazard Quotient,HQ)由大到小依次为As>Cr>Pb>Cd>Mn>Zn>Cu>Ni>Co;各重金属的HQ均是儿童>成人:手口摄入途径高于皮肤接触,且远高于呼吸接触。值得注意的是,仅儿童通过手口摄入方式中As的HQ大于安全阈值1.0,存在潜在的非致癌风险。三种途径下,As的HI远高于其他元素,且表现为儿童>成年女性>成年男性;儿童的HI高于成人;成年女性稍高于成年男性。重金属的致癌风险评价结果显示,单个致癌重金属经呼吸途径的ILCR由高到低依次为:Cr>As>Cd>Co>Ni。同一种金属元素对男性的ILCR高于女性,这可能与成年男性户外活动的时间较长有关;无论是男性还是女性,5种重金属元素总的ILCR均小于10-6,低于致癌风险量级水平,不具有致癌风险,但接近风险阈值(10-6),应当加以注意。