2021, Vol. 41
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伴随城市化率的上升和城市人口密度的增加, 城市生活垃圾的管理问题日趋严重(Madhwal et al., 2020).与焚烧、堆肥等技术相比, 填埋技术具有操作简单、运行成本低以及管理方便等优点, 被广泛运用于垃圾处理中(罗虹霖等, 2018；Luo et al., 2019).生活垃圾中含有大量病原微生物, 其中的有机物质可作为营养来源, 为微生物的生长和增殖提供条件(Carducci et al., 2013；Liu et al., 2021).附着在垃圾表面的细菌随着垃圾卸载、运输等过程进入到大气中形成细菌气溶胶, 使得垃圾填埋场内细菌气溶胶浓度大幅度增加(Kalwasińska et al., 2014；Akpeimeh et al., 2019).长期暴露于细菌气溶胶可对垃圾填埋场员工的健康造成危害, 研究表明, 职业性接触细菌气溶胶可导致一系列呼吸道疾病, 如过敏性肺炎和支气管哮喘等(Madhwal et al., 2020).
近年来, 生活垃圾填埋场细菌气溶胶的研究备受关注.Buczyńska等(2006)发现垃圾卸载、平整和压实填埋的过程中, 细菌气溶胶浓度最高.马嘉伟等(2019)研究分析垃圾填埋场细菌气溶胶的粒径分布, 结果表明作业区和覆盖区细菌气溶胶主要分布在2.1~4.7 μm和0.65~2.1 μm.此外, 生活垃圾填埋场内细菌气溶胶分布随季节、地点和作业活动而变化, 温度较高、距离垃圾填埋区较近以及填埋作业活动较活跃的地点细菌气溶胶浓度较高(Cyprowski et al., 2019).然而, 目前有关生活垃圾填埋场细菌气溶胶职业暴露风险评估方面的研究比较缺乏, 为探究生活垃圾填埋场员工的健康风险, 风险评估工作有必要进行.
细菌气溶胶主要通过呼吸吸入途径进入人体, 从而对人们的健康造成一定的危害, 现有研究中建立了相应方法来评估暴露于细菌气溶胶所造成的健康风险.风险商值法是基于美国环境保护署(U.S. EPA)提出的日暴露计量模型而建立的健康风险评估方法, 已广泛应用于细菌气溶胶暴露风险评估的研究中(Yang et al., 2019a).Yang等(2019b)和邱雄辉等(2012)采用风险商法分别评估了成年男性、成年女性和儿童暴露于污水厂细菌气溶胶导致的健康风险.温暖家(2013)也采用此方法对学生群体暴露于校园环境细菌气溶胶导致的健康风险进行评估.此外, 现有研究多数采用传统平板计数法来分析细菌气溶胶浓度, 忽略了有活性但不可培养状态(viable but non-culturable, VBNC)的细菌气溶胶.VBNC细菌无法培养, 但保留了代谢活性和毒性, 对人体健康仍具有一定威胁(Alleron et al., 2013).针对这一现状, 本文采取流式细胞术(Flow cytometry, FCM)与染色剂结合的方法, 对细胞总数和活性进行分析(Zhang et al., 2020), 得到空气中具有活性的细菌浓度.空气中具有活性的细菌包括可培养细菌和VBNC状态细菌, 故将具有活性的细菌与可培养细菌的浓度进行对比, 分析垃圾填埋场中VBNC状态细菌气溶胶的浓度.
本研究使用安德森六级空气采样器和BioSampler采样器对西安市某生活垃圾填埋场春季、夏季、秋季和冬季细菌气溶胶进行采样, 分析其浓度和粒径分布特征, 基于流式细胞术分析冬季细菌活性特征, 并结合U.S. EPA风险商值法评估了垃圾填埋场员工暴露于细菌气溶胶的健康风险, 目的是为垃圾填埋场职业暴露风险评估以及控制策略提供一定的参考依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 采样点选取本研究选取西安市某生活垃圾填埋场为研究场所, 根据不同功能作业区, 设置6个采样点, 分别为渗滤液收集区、垃圾堆放区、填埋未成熟区、填埋成熟区、渗滤液处理区和生活办公区, 如图 1所示.该生活垃圾填埋场占地面积约135000 m2, 设计使用年限12年, 设计容量1770200 m3, 日处理生活垃圾300 t.生活垃圾采用卫生填埋处理工艺, 垃圾渗滤液处理单元采用膜生物反应器处理工艺.采样时间为2020年6月—2021年4月, 分为夏季(6月、7月和8月)、秋季(9月、10月和11月)、冬季(12月和次年1月)和春季(次年3月和4月).每月采样1 d, 采样时间为10:00—15:00, 每个采样点每次采集3组平行样品.采样过程中使用温湿度计(深圳市聚茂源科技有限公司, GM1362)测定各采样点的温度和湿度.
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| 图 1 采样点分布图 Fig. 1 Distribution of the sampling points |
本研究使用安德森六级空气采样器(陕西鑫昌实验设备有限公司, FA-I型)采集细菌气溶胶样品.该采样器模拟人体呼吸道结构和空气动力学特征, 利用惯性撞击原理将细菌气溶胶捕捉到固体培养基表面.依据孔径大小, 该采样器共分为6级, 各级参数如表 1所示.采样高度参考成人呼吸高度, 设置为1.5 m, 采样泵流量为28.3 L · min-1, 采样时间为5 min, 每次采样前后用75%的酒精对采样器表面擦拭消毒.
| 表 1 安德森六级空气采样器各级特征参数 Table 1 Characteristics parameters of the 6-stage Andersen impactor |
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使用90 mm塑料培养皿采集细菌气溶胶样品, 在无菌条件下, 加入约20 mL的营养琼脂培养基.采样结束后, 逐级取出培养皿, 将平板倒置于37 ℃恒温培养箱中, 培养24 h后(张崇淼等, 2020), 计数平板上的菌落数.
2.2.2 BioSampler空气采样器本研究采用BioSampler液体撞击式采样器(SKC BioSampler 225-9595), 使用PBS缓冲液为采样介质, 体积为20 mL, 采样流量设置为12.5 L · min-1, 采样高度为1.5 m, 采样时间为10 min.采样结束后迅速将样品转移至实验室, 以进行后续细菌活性分析.
2.3 细菌气溶胶浓度和粒径的分析方法安德森六级空气采样器采集的细菌气溶胶样品培养结束后, 对各级平板进行菌落计数.为避免培养皿上菌粒重叠产生的影响, 采用Positive-hole法(Andersen, 1958)对菌落数进行校正, 如式(1)所示.
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(1) |
式中, Pri为校正后的细菌菌落数(CFU), N为各级筛板孔数(N=400), ri为实测菌落数, i为采样级数.
得到校正后的细菌菌落数后, 根据采样空气流量和采样时间, 计算各级细菌气溶胶浓度, 如式(2)所示.
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(2) |
式中, ci为各级细菌气溶胶浓度(CFU · m-3), Q为采样空气流量(L · min-1), t为采样时间(min).
将各级的细菌菌落数相加, 计算出第1~6级的总菌落数.按照式(3)计算各级细菌所占比例.
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(3) |
式中, Pr为第1~6级总菌落数(CFU), Ki为各级细菌占比(%).统计各级细菌的累计百分比, 得出各级有效截留粒径与累计百分比之间的直线回归方程, 累计百分比为50%对应的粒径即为该采样点细菌气溶胶粒子的中值粒径(许鹏程等, 2017).
2.4 细菌气溶胶活性检测本研究采用Propidium Iodide(PI)和SYBR Green I两种染料相结合的方法来表征细菌膜的通透性, 从而分析细菌的活性特征.使用二甲基亚砜将SYBR Green I稀释100倍制成SYBR Green I储备液后, 将PI(30 mmol · L-1)和SYBR Green I储备液以1 ∶ 100的比例混合制成染料, 于-20 ℃环境下避光保存(Xu et al., 2018).取0.5 mL的细菌气溶胶液体样品加入5 μL的染料, 于30 ℃避光染色15 min后, 使用BD Accuri C6®流式细胞仪(BD Accuri cytometers, 美国)测定0.55 mL样品中的50 μL细菌状态.流式细胞仪光源为488 nm气冷氩离子激光, 其中FL-1通道((530±30) nm)收集SYBR Green I染色细胞的绿色荧光, FL-3通道(>630 nm)收集PI染色膜受损细胞的红色荧光.
2.5 职业暴露风险评估本文基于美国环境保护署(U.S. EPA)建议的平均日剂量率(ADD)模型和非致癌风险商法对垃圾填埋场职业暴露风险进行计算.采用平均日剂量率(ADD)模型计算细菌气溶胶经呼吸吸入途径进入人体的剂量(邱雄辉等, 2012), 如式(4)所示.
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(4) |
式中, ADDinhalation为经呼吸吸入途径的细菌气溶胶日平均暴露剂量(CFU · kg-1 · d-1)；c为安德森采样器采集到的可培养细菌气溶胶浓度(CFU · m-3)；IR为呼吸速率(m3 · d-1)；EF为暴露频率(d · a-1)；EDinhalation为暴露年限(a)；BW为职业暴露人群的平均体重(kg)；AT为职业暴露人群的平均预期寿命(d).根据我国出版的《中国人群暴露参数手册(成人卷)》(段小丽等, 2013)确定上述公式中各参数因子, 如表 2所示.
| 表 2 暴露剂量计算参数 Table 2 Calculating parameters of exposurer |
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垃圾填埋场中的细菌气溶胶中只有少数菌种具有致癌风险且浓度极低, 因此认为细菌气溶胶整体为非致癌物.采用非致癌风险商法进行健康风险评价, 将暴露剂量ADD与参考剂量RfD相比较, 计算职业暴露人群的非致癌风险商HQ(hazard quotient) (邱雄辉等, 2012), 如式(5)所示.
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(5) |
式中, HQ为细菌气溶胶的非致癌风险商；RfD为细菌气溶胶的参考剂量(CFU · kg-1 · d-1), 代表最大每日可接受剂量.我国发布的《室内空气质量标准》建议细菌的暴露浓度限值为2500 CFU · m-3, 故作为本研究的参考依据(国家质量监督检疫总局等, 2003).风险评估标准为：当HQ < 1, 风险较小, 可以忽略；当HQ>1时, 风险较高(邱雄辉等, 2012).
2.6 数据统计分析使用SPSS Version 23.0软件, 对垃圾填埋场内各采样点的细菌气溶胶浓度的差异性进行t检验分析.使用Microsoft Excel 2010和Origin 2018进行数据分析和图表绘制.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 细菌气溶胶的浓度分布特征生活垃圾填埋场各采样点细菌气溶胶浓度如图 2所示.细菌气溶胶浓度随着垃圾处理流程依次降低, 各采样点平均浓度从高到低依次为渗滤液收集区((5381±3875) CFU · m-3)、垃圾堆放区((4103±2839) CFU · m-3)、填埋未成熟区((2986±1420) CFU · m-3)、填埋成熟区((2271±601) CFU · m-3)、渗滤液处理区((1453±374) CFU · m-3)和生活办公区((1227±204) CFU · m-3), 对不同采样点细菌气溶胶浓度的差异性进行t检验, 结果表明, 渗滤液收集区与其余采样点之间均有显著性差异(p < 0.05).不同季节下, 各采样点细菌气溶胶浓度均表现为夏季>秋季>冬季>春季, 其中, 渗滤液收集区、垃圾堆放区和填埋未成熟区的夏季细菌气溶胶浓度与其余季节均有显著性差异(p < 0.05).
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| 图 2 各采样点细菌气溶胶的浓度分布 Fig. 2 Concentration distributions of bacterial aerosols at different sampling sites |
不同采样点细菌气溶胶浓度的差异主要是由于不同采样点与污染源的距离差异和不同功能区的运行方式差异而造成.生活垃圾渗滤液和生活垃圾是垃圾填埋场的主要污染源.生活垃圾渗滤液中含有较高浓度的细菌(Wen et al., 2021), 其与大气直接接触, 细菌可以附着在液滴上形成细菌气溶胶并在风力作用下进行扩散(马嘉伟等, 2019), 这是导致渗滤液收集区细菌气溶胶浓度最高的主要原因.垃圾堆放区的生活垃圾多暴露于空气中, 随着垃圾运送车辆、作业机器的扰动, 使得垃圾中的细菌气溶胶向大气传播, 导致细菌气溶胶浓度较高.王莹等(2020)对卫生填埋场各功能区细菌气溶胶的浓度水平进行监测, 发现垃圾堆放区是垃圾填埋场细菌气溶胶的主要逸散源之一.使用黏土对垃圾进行覆盖并压实能够有效阻止垃圾中的细菌向大气扩散(纪思思等, 2009), 其中填埋成熟区固体垃圾降解程度高, 且表面会有少许植被覆盖, 能进一步防止细菌气溶胶的逸散, 故填埋成熟区细菌气溶胶浓度低于填埋未成熟区.渗滤液处理区和生活办公区位于场区上风向且远离生活垃圾和垃圾渗滤液等污染源, 细菌气溶胶浓度最低.渗滤液处理过程在封闭车间内进行, 仍会有少许细菌气溶胶能够扩散到车间外的大气中, 故渗滤液处理区的细菌气溶胶浓度略高于生活办公区.气象因素(如温度和湿度)是影响不同季节细菌气溶胶的浓度差异的主要原因.夏季垃圾填埋场的温度和湿度分别为30.1 ℃和59.8%, 明显高于春季(18.3 ℃和34.1%)、秋季(22.6 ℃和41.1%)和冬季(12.5 ℃和43.9%), 研究表明, 较高的温度和相对湿度有利于细菌在空气中生存(Niazi et al., 2015；Han et al., 2020), 夏季高温高湿的环境下, 细菌利用垃圾中的有机物大量繁殖, 导致细菌气溶胶浓度较高.
3.2 细菌气溶胶的粒径分布特征生活垃圾填埋场各采样点细菌气溶胶粒径分布如图 3所示.各采样点粒径平均浓度最低值均出现在第6级(0.65~1.1 μm).渗滤液收集区细菌气溶胶主要分布在第4~5级(1.1~3.3 μm), 在总细菌气溶胶中占比为40%.垃圾堆放区约49%的细菌气溶胶分布在第1~2级(>4.7 μm).填埋未成熟区、填埋成熟区、渗滤液处理区和生活办公区粒径分布相似, 位于第1级(>7.0 μm)和第4级(2.1~3.3 μm)的细菌气溶胶占比较高.不同采样点细菌气溶胶粒径的差异主要是由于不同采样点细菌气溶胶的来源方式不同.由于人工机械对垃圾的搅动和翻动, 垃圾堆放区的细菌微生物主要附着在细小颗粒物和灰尘上形成气溶胶(张婧等, 2009), 粒径较大, 故垃圾堆放区的细菌气溶胶粒径大于其余采样点.渗滤液收集区的细菌气溶胶主要是由细菌附着在小液滴上形成, 且随风扩散的过程中, 由于液滴的蒸发损失, 细菌气溶胶粒径变小(张婧等, 2009), 故渗滤液收集区的细菌气溶胶粒径分布主要以小粒径为主.
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| 图 3 各采样点细菌气溶胶粒径分布百分比图 Fig. 3 Percentage diagram of bacterial aerosol particle size distribution at different sampling sites |
不同季节下细菌气溶胶粒径浓度最低值均位于第6级(0.65~1.1 μm), 春、夏季垃圾填埋场细菌气溶胶位于第1级(>7.0 μm)的细菌气溶胶浓度最高, 占比分别为32%和21%, 秋、冬季细菌气溶胶粒径浓度峰值均位于第4级(2.1~3.3 μm), 占比分别为20%和27%.春季、夏季、秋季和冬季大于4.7 μm的细菌气溶胶占比分别为：56%、42%、37%和34%, 而位于1.1~3.3 μm的细菌气溶胶占比分别为：22%、32%、33%和44%, 故随着季节变化, 垃圾填埋场内小粒径细菌气溶胶比重逐渐增大.不同季节细菌气溶胶的粒径分布差异主要受环境因素的影响.春季采样过程中主要受沙尘天气影响, 细菌附着在空气中的浮尘上形成细菌气溶胶, 导致大粒径细菌气溶胶比重较大.气象因素对气溶胶的粒径分布有非常重要的作用(李圆圆等, 2020).夏季到冬季的变化过程中, 太阳辐射和湿度的降低是导致垃圾填埋场内小粒径细菌气溶胶比重逐渐增大的主要原因.粗颗粒物可以为细菌提供良好的庇护环境, 减少其受紫外线辐射的影响, 有利于细菌微生物的存活, 故太阳辐射对于大粒径细菌气溶胶的影响较小, 而对小粒径细菌气溶胶的存活有一定的抑制作用(Lighthart et al., 1991).在较高的湿度环境下, 悬浮的细菌气溶胶颗粒能够吸收周围空气中的水分, 从而增加颗粒尺寸(Zhen et al., 2017).此外, 冬季采样过程中受雾霾天气影响, 较高浓度的PM2.5和PM10等细颗粒物为空气中的细菌提供了更多的载体, 导致小粒径细菌气溶胶的比重增大.Dong等(2016)研究表明, 小粒径细菌气溶胶浓度的增加可能与PM2.5和PM10浓度较高有关, 二者与小粒径细菌气溶胶浓度呈正相关.
生活垃圾填埋场细菌气溶胶的中值粒径如表 3所示.各采样点细菌气溶胶平均中值粒径大小依次为：垃圾堆放区>渗滤液处理区>填埋未成熟区>填埋成熟区>生活办公区>渗滤液收集区.其中垃圾堆放区的细菌气溶胶平均中值粒径位于第2级(4.7~7.0 μm), 其余采样点均位于第3级(3.3~4.7 μm).不同季节下, 春季垃圾填埋场内各采样点细菌气溶胶的中值粒径均为最大值.
| 表 3 各采样点细菌气溶胶的中值粒径 Table 3 Median diameters of bacteria aerosols at different sampling sites |
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研究表明, 不同空气动力直径的细菌气溶胶会沉积在呼吸系统的不同位置, 从而引发呼吸系统疾病(Li et al., 2013).空气动力学直径小于5.0 μm的粒子, 可进入肺泡, 导致过敏性肺泡炎等疾病(Pastuszka et al., 2000).颗粒粒径越小, 能够进入人体呼吸系统的部位就越深, 且越不易排出.垃圾填埋场内细菌气溶胶的平均中值粒径均小于5.0 μm, 因此, 场区内员工的职业暴露风险需多加关注.
3.3 冬季细菌气溶胶活性特征图 4为冬季生活垃圾填埋场细菌气溶胶FL1~FL3二维散点图, 活细菌出现在P2区域, 死细菌出现在P1区域.对2020年11月—2021年1月生活垃圾填埋场各采样点的细菌气溶胶活性的检测结果进行分析, 如表 4所示.各采样点细菌气溶胶中活菌占比为74%~83%, 死菌占比为17%~26%.各采样点活菌占比由高到低依次为渗滤液处理区>生活办公区>填埋成熟区>填埋未成熟区>渗滤液收集区>垃圾堆放区.
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| 图 4 细菌气溶胶FL1~FL3二维散点图 (a. 渗滤液收集区; b. 垃圾堆放区; c. 填埋未成熟区; d. 填埋成熟区; e. 渗滤液处理区; f. 生活办公区) Fig. 4 FL1~FL3 two-dimensional scatter plot of bacterial aerosols |
| 表 4 垃圾填埋场细菌气溶胶活性测定结果 Table 4 Determination of bacterial aerosol viability in sanitary landfill site |
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结合PI和SYBR Green I两种染料, 流式细胞术测定的垃圾填埋场中细菌气溶胶的总浓度和活菌占比如表 4所示.由细菌总浓度和活菌占比可以计算得出具有活性的细菌气溶胶浓度, 与传统平板计数法测定的可培养细菌气溶胶浓度相比, 空气中具有活性的细菌数目比可培养细菌数目高约2~3个数量级.由此可见, 垃圾填埋场细菌气溶胶中存在相当数量的VBNC状态的细菌.在适宜的环境中, VBNC状态细菌可以重新复苏, 仍可能对场区员工的健康造成危害.
3.4 细菌气溶胶职业暴露风险评估生活垃圾填埋场细菌气溶胶职业暴露风险商如图 5所示.场区员工暴露于细菌气溶胶产生的健康风险均小于1.各采样点细菌气溶胶暴露风险商大小依次为：渗滤液收集区>垃圾堆放区>填埋未成熟区>填埋成熟区>渗滤液处理区>生活办公区.不同季节垃圾填埋场职业暴露风险表现为夏季>秋季>冬季>春季.不同性别暴露人群的风险商有所差异, 成年男性的职业暴露风险大于成年女性.夏季垃圾填埋场细菌气溶胶浓度高于其他季节, 从而导致较高的健康风险, 其中, 渗滤液收集区暴露人群的健康风险最高, 故此处员工应多加注意健康防范.
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| 图 5 生活垃圾填埋场员工细菌气溶胶暴露风险商 Fig. 5 HQ of bacterial aerosols for workers at sanitary landfill site |
1) 生活垃圾填埋场细菌气溶胶浓度随着垃圾处理流程依次降低, 最高和最低值分别为渗滤液收集区和生活办公区, 不同季节细菌气溶胶浓度表现为夏季>秋季>冬季>春季.
2) 渗滤液收集区细菌气溶胶主要分布在1.1~3.3 μm, 垃圾堆放区49%的细菌气溶胶粒径大于4.7 μm, 各采样点位于0.65~1.1 μm的细菌气溶胶浓度最低, 小粒径细菌气溶胶比重由春季到冬季逐渐增大.
3) 流式细胞术分析结果显示, 冬季生活垃圾填埋场细菌气溶胶活菌占比为74%~83%, 垃圾堆放区的活菌占比最低, 为74%.
4) 生活垃圾填埋场细菌气溶胶职业暴露风险商均小于1.暴露风险最高处为渗滤液收集区, 不同季节暴露风险大小为夏季>秋季>冬季>春季.成年男性的职业暴露风险大于成年女性.
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