煤矿区城市大气PM10毒性预测模型研究

目前国内尚缺乏对城市大气PM10毒性预测模型的研究，本项目拟采用质粒DNA评价法和数学模型方法，定量评价和预测煤矿区城市PM10的毒性。采集河南省煤矿区城市义马、平顶山和永城三个不同成煤地质环境下的矿区城市大气PM10样品，利用带能谱的场发射扫描电镜（FESEM/EDX）、图像分析技术（IA）、电感耦合等离子质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等技术研究煤矿区城市大气PM10的物理化学特征，并利用质粒DNA损伤评价法分析大气PM10的致毒效应。通过大量实验，利用颗粒物中金属元素浓度和TD50值（使50%DNA产生损伤）之间的关系建立数学模型，并找出大气颗粒物中的主要致毒元素。利用人工配制微量致毒元素水溶液的DNA损伤结果和其它矿区城市颗粒物的DNA损伤结果2种方法对模型的有效性进行检验。从而利用此模型，根据PM10中金属元素浓度就可以定量预测和评价煤矿区城市大气颗粒物的毒性。

PM10健康效应近几年受到很大关注，本文研究了2012-2014煤矿区城市平顶山以及非煤矿区城市郑州市大气PM10的污染特征。质量浓度分析结果表明煤矿区城市PM10质量浓度明显高于非煤矿区城市，主要是由于煤炭工业活动，如燃煤、矸石山风化等因素所致。XRD分析结果显示煤矿区城市PM10中明显富集铵石膏、硫酸铵，而非煤矿区城市富集石膏、硬石膏，这说明前者S的富集程度明显比后者高，主要是煤矿区城市较大的燃煤量所致；煤矿区城市较非煤矿区城市明显富集地壳矿物（高岭石、石英等），主要是矸石山风化所致。煤矿区和非煤矿区城市PM10颗粒组成基本一致，前者在数量上明显高于后者，主要包括烟尘集合体、燃煤飞灰、地壳矿物、二次颗粒以及超细颗粒等。ICP-MS分析结果表明，煤矿区城市PM10中Cr、Ge、W、Ni、Cu、Zn、As、Sn、Sb、Pb、Tl、Bi、Mo以及In的富集程度和水溶与全溶比例明显高于非煤矿区城市，这表明这些元素主要与煤炭工业活动有关，其中，Ge、W、Mo、In、Tl、Pb以及Bi主要来源于矸石山风化，Ni、Cu以及Zn主要来源于燃煤活动，Cr、As、Sn以及Sb可能与其它煤炭工业活动有关。质粒DNA实验结果表明煤矿区和非煤矿区PM10毒性主要由两部分组成：水溶部分和难溶部分的毒性。煤矿区城市PM10毒性明显高于非煤矿区城市，其中前者难溶部分毒性明显高于后者，主要是矸石山风化导致其PM10中地壳来源颗粒质量浓度增大所致。对水溶部分TD50值与水溶样中微量元素含量进行相关性分析，结果表明主要致毒元素为富集程度较大的11个元素，包括Ni、Cu、Zn、As、Sn、Sb、Pb、Tl、Bi、Mo以及In；对水溶部分TD50值与水溶样中微量元素含量进行多元线性回归分析建立PM10毒理预测数学模型。依据模型中致毒元素的标准系数，可以判断出致毒能力由大到小依次为：Pb>In>Bi>Ni>Zn>Sb>Cu>Mo>As>Sn>Tl，排列在前的元素对排列在后的元素具有一定的拮抗作用。