我國PM2.5主要組分及健康危害特征研究進展

孫廣權(quán) 楊慧妮 劉小春 陶 蕓 程佳惠

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽 550025)

我國PM2.5主要組分及健康危害特征研究進展

孫廣權(quán) 楊慧妮 劉小春 陶 蕓 程佳惠

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽 550025)

介紹我國大氣PM2.5中的無機元素、水溶性無機離子以及含碳組分的污染特征，對近年來PM2.5與人群健康危害之間關(guān)系的研究進行了總結(jié)，并對PM2.5污染的健康風(fēng)險評價進行了綜述。

PM2.5；組分；健康風(fēng)險

PM2.5是指大氣中空氣動力學(xué)直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物，可對人體的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生危害，增加呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等發(fā)病的概率，甚至引發(fā)死亡[1-2]。2006年WHO推薦的PM2.5年均值為10 μg/m3，日均值為25 μg/m[3]。2012年，我國在GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中首次規(guī)定了PM2.5濃度限值，一類區(qū)年均值為15 μg/m3，日均值為35 μg/m3，二類區(qū)年均值為35 μg/m3，日均值75為μg/m3。2013年我國74個城市的監(jiān)測結(jié)果顯示，PM2.5年均濃度為72 μg/m3，達(dá)標(biāo)城市比例僅為4.1%[4]，針對我國細(xì)顆粒物污染比較嚴(yán)重的現(xiàn)狀，GB 3095—2012標(biāo)準(zhǔn)將逐步在我國各城市實施?，F(xiàn)對國內(nèi)大氣中PM2.5的主要組分以及對人群健康危害特征綜述，以期為完善PM2.5污染的防治工作提供一定的參考。

1 我國PM2.5組成成分特點

PM2.5的化學(xué)組分可達(dá)上千種，主要成分有水溶性無機鹽、無機元素、元素碳以及有機碳等，因地域因素、能源結(jié)構(gòu)、氣象因素、季節(jié)不同，化學(xué)組分有較大差異。

1.1 無機元素

PM2.5中的無機元素幾乎可以涉及到所有的金屬元素、非金屬元素和過渡性元素，這些元素又被分為地殼元素和污染元素兩大類，包括一些對健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響的有毒元素，如Pb、Cd、As、Hg、Mn、Ni、Cr等。PM2.5的來源及其無機元素的富集程度可使用富集因子法進行判斷[5]，地殼元素主要包括Ca、Mg、Fe、Mn等，主要來源于地面揚塵和生物質(zhì)燃燒，富集因子較小，但隨著當(dāng)前我國工業(yè)化及城市化進程的加快，Ca和Fe分別作為地面揚塵和鋼鐵塵的標(biāo)示元素，其富集因子要高于Mn和Mg以及其它地殼元素[6]。污染元素是指經(jīng)人為活動排放的對人體健康有較大影響的元素，重金屬污染元素主要富集在細(xì)顆粒物中，北京地區(qū)主要重金屬污染元素是Hg、Cd、As、Pb、Se，其中Hg在PM2.5中的濃度比可吸入顆粒物中的Hg濃度高出約80.3%[7-8]；成都地區(qū)的Cd、As、Se、Pb等元素在PM2.5中的富集程度更高，富集因子數(shù)達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千[9]；武漢地區(qū)Cd、Pb、Zn、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn等重金屬在PM2.5中的富集程度遠(yuǎn)高于PM10[10]；沈陽地區(qū)As、Pb、Zn、Ba、Sr等元素也主要富集在細(xì)顆粒物上[11]，可見國內(nèi)不同地區(qū)PM2.5中主要重金屬污染元素基本一致。元素來源分析顯示，PM2.5中的重金屬元素主要來自機動車尾氣排放、燃煤及工業(yè)排放，其中，Zn、Cu、Cd主要來源于燃煤、工業(yè)生產(chǎn)活動和垃圾焚燒等[12-13]；Hg和Pb主要來自汽車尾氣[14-15]，由于我國從2000年開始車用汽油的無鉛化，現(xiàn)PM2.5中的Pb主要來自煤、石油燃料的燃燒。此外，無機元素對生態(tài)、健康的危害與其化學(xué)形態(tài)有關(guān)，化學(xué)形態(tài)會對其遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生一定影響。杭州地區(qū)PM2.5中金屬元素形態(tài)分析顯示，Mn、Cu、Mo、Cd元素具有較高的生物可利用性系數(shù)，最容易被生物體吸收，對人體健康危害較大[16]。此外，長沙地區(qū)的PM2.5中金屬元素形態(tài)分析也顯示，Cd，Cu，Pb，Zn容易被人體吸收，對生態(tài)環(huán)境的潛在風(fēng)險較大[17]。

1.2 水溶性無機離子

1.3 含碳組分

碳是PM2.5的重要組成部分，所占比例約10%～80%，主要包含OC、EC以及CC，OC通常指脂肪族、芳香族、酸類等多種有機化合物，如POC、PAHs、有機酸以及POC通過光化學(xué)反應(yīng)生成的SOC等[30-31]。EC是黑色、高聚合、難氧化物質(zhì)，其來源主要是生物質(zhì)和化石燃料的不充分燃燒，CC在碳質(zhì)氣溶膠中的含量非常低，在氣溶膠細(xì)粒子研究時常常忽略不計[32]。OC/EC的值用來判斷是否有二次污染的產(chǎn)生，對于控制氣溶膠中的有機污染具有重要的意義，若OC/EC大于2，則說明有二次污染發(fā)生。PM2.5中含碳組分的OC/EC的比值因地區(qū)、來源的不同而有所差異，如來源于木材燃燒的OC/EC的比值在16.8～40.0之間，大于住宅區(qū)煤煙、廚房排煙、生物燃燒以及機動車尾氣中的OC/EC比值[33]。研究顯示，碳組分含量與溫度和相對濕度分別成正相關(guān)關(guān)系和反相關(guān)關(guān)系[34]。對京津冀地區(qū)的監(jiān)測結(jié)果顯示，含碳組分含量最高的季節(jié)是冬季，這可能與這些地區(qū)冬季集中供暖以及冬季相對濕度較低有關(guān)[35]。從研究區(qū)域來說，太原[36]、石家莊[37]等內(nèi)陸城市的碳組分含量要高于寧波[38]、上海[39]等沿海城市，可能是因為上海、寧波兩地的相對濕度較低。SOC/OC指標(biāo)可用來表征大氣中二次污染的程度，其值越高說明二次污染程度越重[40]，且SOC中含有PAHs和二噁英等上百種致突變或致癌有機物，PAHs的主要來源有石油泄漏、能源消耗、垃圾焚燒、煉焦、石油精煉等，我國不同地區(qū)對PAHs的研究顯示，多環(huán)芳烴在細(xì)顆粒物上的富集比例高達(dá)70%[41]，烏魯木齊、濟南、北京、邯鄲、廣州地區(qū)的多環(huán)芳烴的季節(jié)分布為冬季>秋季>春季>夏季[42-43]，重慶[44]、南京地區(qū)[45]為冬季>春季>秋季>夏季。區(qū)域分布上，北京>西安>廈門>廣州>香港，說明冬季供暖對多環(huán)芳烴的產(chǎn)生有很重要的影響[46]，此外，同一城市的PAHs組成成分在市區(qū)、市郊以及城鄉(xiāng)結(jié)合地帶也存在一定的差異[47]。

2 PM2.5的健康危害特征

2.1 對人群死亡率和發(fā)病率的影響

現(xiàn)階段，我國對PM2.5與人群死亡率、發(fā)病率相關(guān)關(guān)系的研究多集中在心血管疾病、腦血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病。在北京地區(qū)，PM2.5每升高10 μg/m3，所關(guān)聯(lián)的總循環(huán)系統(tǒng)疾病、心血管疾病、腦血管疾病死亡的超額危險度分別為0.78%、0.85%和0.75%，非意外死亡率、呼吸死亡率、循環(huán)系統(tǒng)死亡率分別上升0.65%、0.63%和1.38%[48-49]。石家莊地區(qū)大氣顆粒物的日均濃度與肺炎疾病住院率之間存在正相關(guān)關(guān)系，PM2.5濃度每增加10 μg/m3，肺炎住院率增加1.1%，且在男性、小于60歲、無基礎(chǔ)疾病和無慢性肺臟疾病的人群中比較明顯[50]，而北京市、上海市、廣州市三地居民肺癌發(fā)病率與PM2.5的絕對關(guān)聯(lián)度則分別為0.530 5、0.529 8和0.519 3[51]。蘭州地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)PM2.5對呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病的最佳滯后天數(shù)分別為0和5～7 d，PM2.5濃度每升高10 μg/m3或10粒子數(shù)/m3，入院率就會增加0.697%，說明PM2.5對心腦血管病發(fā)病影響較明顯[52]。2009—2011年哈爾濱市第二醫(yī)院采暖期呼吸內(nèi)科門診就診率均高于非采暖期，PM2.5日均濃度分別增加44、35、60 μg/m3時，呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)分別增加11.6%、18.9%、35.8%[53]。2012年12月～2013年1月，大連霧霾(本質(zhì)上是細(xì)顆粒物污染)期間約有19.5%和21.7%的居民有咽部刺激感和咳嗽癥狀，有9.7%和8.6%的居民曾因心腦血管病服藥治療和去醫(yī)院治療[54]。由此可見，居民發(fā)病受PM2.5的影響較大，且地區(qū)差異不明顯。

2.2 PM2.5個體暴露量的評估

目前，關(guān)于國內(nèi)PM2.5個體暴露量的研究較少。哈爾濱地區(qū)通過檢測從市區(qū)和郊區(qū)抽取的50對新生兒臍靜脈血清中Pb、Mn、Cd水平及胰島素樣生長因子1(IGF-1)、IGF-2水平發(fā)現(xiàn)孕期PM2.5暴露可能通過抑制新生兒體內(nèi)IGF-1、IGF-2水平，從而抑制新生兒的身長[55]。北京地區(qū)采取單人逐日跟蹤的方式記錄了多名個體(學(xué)生、職員、主婦)對大氣細(xì)顆粒物的日均暴露水平中值為54 μg/m3，明顯低于2007年7月至2008年8月對北京市某社區(qū)60名有心血管既往病史的老年人的日均暴露量的研究水平[56-57]，可能原因除了不同時間日均質(zhì)量濃度不同外，還可能與研究方法差異有關(guān)。廣州通過對大學(xué)生活動的微環(huán)境的監(jiān)測和問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大學(xué)城學(xué)生個體潛在暴露劑量和日均暴露濃度分別是15.9±3.4 μg/Kg·d， 882.3±241.1 μg/d和102.8±8.0 μg/m3，暴露水平相對芬蘭較高[58-59]，且受體重、性別、年齡、暴露程度、工作日等因素影響嚴(yán)重。天津市老年人夏冬季個體暴露濃度分別為124.2±75.2 μg/m3、170.8±126.6 μg/m3，這可能與冬季天氣寒冷室內(nèi)燃煤取暖以及導(dǎo)致的室內(nèi)顆粒物濃度升高有關(guān)[60]。個體污染物暴露評價是細(xì)顆粒污染物健康評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此有必要完善國內(nèi)人群尤其是老年人、新生兒以及學(xué)生的生理參數(shù)，對PM2.5個體暴露量進行準(zhǔn)確評估，以便對PM2.5進行健康風(fēng)險評價。

2.3 健康風(fēng)險評價

目前，國內(nèi)對于大氣PM2.5所引起的健康風(fēng)險評價主要集中在多環(huán)芳烴及重金屬元素等有害成分上面。濟南地區(qū)對超市、辦公室和餐廳環(huán)境大氣PM2.5中的PAHs暴露進行了致癌風(fēng)險評價，發(fā)現(xiàn)PAHs暴露致終身肺癌風(fēng)險度分別為0.6×10-3、0.9×10-3、6.5×10-5，都超過了世界衛(wèi)生組織的建議值10-5，其中，超市和辦公室的終身致癌健康風(fēng)險高于美國最高法院規(guī)定的10-3的顯著水平，表明生活在超市和辦公室的人群致癌風(fēng)險較高[61]，此外，多環(huán)芳烴對成人和兒童的終身致癌超額危險度分別為4.06×10-6、1.77×10-6[62]，濟南其它研究發(fā)現(xiàn)PM2.5的致癌風(fēng)險水平具有冬季>秋季>春季>夏季的明顯的季節(jié)變化特征，且霧霾天的致癌風(fēng)險水平較晴天顯著[43]。上海通過終生致癌風(fēng)險模型對不同性別、年齡人群的呼吸和皮膚接觸暴露PAHs造成的潛在健康風(fēng)險進行了評估，發(fā)現(xiàn)成人要高于兒童和青年，女性高于男性，且所有年齡段的指數(shù)均高于10×10-6，存在一定的健康風(fēng)險[63]。蘭州地區(qū)的健康風(fēng)險值范圍為8.00×10-7～5.92×10-6，未超過美國國家環(huán)保局規(guī)定的1×10-6～1×10-4可接受范圍，但是該研究沒有分析顆粒物的負(fù)載物質(zhì)，存在低估大氣污染物健康危害的可能性，因此未來研究將著重分析顆粒物負(fù)載組分的潛在危害[64]。深圳市大氣PM2.5中金屬元素暴露健康風(fēng)險評價結(jié)果顯示，Zn、Pb、Mn和Cu是PM2.5中的主要污染物，其中As、Cd、Cr和Ni通過呼吸途徑暴露成年男性人群的年均超額危險度較高，存在致癌風(fēng)險，且是成年女性和兒童風(fēng)險的1.15倍和1.5倍，而非致癌物質(zhì)Pb、Hg、Zn、Cu和Mn對兒童的健康風(fēng)險分別是成年男性和成年女性的1.11和1.28倍[65]。鑒于PM2.5暴露于多環(huán)芳烴及金屬元素存在不同程度的健康風(fēng)險，應(yīng)加強對不同地區(qū)、不同PM2.5組分的健康風(fēng)險評價以及細(xì)顆粒物污染防治工作。

2.4 PM2.5與健康的其他方面研究

烏魯木齊地區(qū)使用DNA法對PM2.5對質(zhì)粒DNA的損傷進行了研究，發(fā)現(xiàn)全樣和水樣部分氧化能力的季節(jié)差異較大，對質(zhì)粒DNA的損傷具有冬季最大，春夏次之，秋季最低的特點[66]。北京對DNA的氧化性損傷規(guī)律研究則發(fā)現(xiàn)顆粒物氧化損傷能力主要來自于水溶性部分，且損傷率表現(xiàn)出在50、100、150、200 μg/mL劑量水平下依次增加的規(guī)律[67]。對急性暴露對運動即刻及24h恢復(fù)后大鼠TNF-ahs-CRP/CC16的影響研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度PM2.5染毒大鼠運動后即刻血清TNF-a和hs-CRP水平升高，而CC16水平則即刻降低，24 h之后恢復(fù)水平與染毒濃度有劑量關(guān)系[68]。通過對大鼠氣管內(nèi)滴注不同濃度的顆粒物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)大鼠系統(tǒng)會產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，對糖尿病大鼠心血管系統(tǒng)的損害程度更大，可能加速糖尿病的進程[69]。此外，近年來有地區(qū)開始評估暴露的急性健康損害風(fēng)險，北京地區(qū)采用環(huán)境價值評估方法估算人群健康損害的經(jīng)濟損失，結(jié)果顯示相關(guān)經(jīng)濟損失高達(dá)4.89億元，主要損失表現(xiàn)在早逝、急性支氣管炎和哮喘[70]。

3 結(jié)束語

本文對國內(nèi)大氣細(xì)顆粒物的暴露特征及其對人群的健康效應(yīng)研究進展進行了總結(jié)。大氣細(xì)顆粒物的組分受地理因素、能源結(jié)構(gòu)、氣象因素、時間的影響差異較大。在人群健康效應(yīng)方面，大氣細(xì)顆粒物對我國不同地區(qū)、年齡、職業(yè)等人群的腦血管疾病、心血管疾病與呼吸系統(tǒng)疾病等的發(fā)病率和與死亡率的研究成果存在一定的差異，可能在于研究方法、不同地區(qū)的人群身體狀況及細(xì)顆粒物的組成成分存在差異。目前，對于國內(nèi)人群細(xì)顆粒物的人群暴露評價及健康風(fēng)險評價及其暴露所引起的健康經(jīng)濟損失研究鮮有報道，隨著我國環(huán)境PM2.5的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法律法規(guī)的實施，主要城市大氣細(xì)顆粒物監(jiān)測網(wǎng)的建立和建全，以上研究將會逐步完善。

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PM2.5in China: chemical compositions and health effects

Sun Guangquan, Yang Huini, Liu Xiaochun, Tao Yun, Cheng Jiahui

(College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

this paper introduced pollution characteristics of inorganic element, water-soluble inorganic ions and carbon compounds in PM2.5， summarized research on the health effects of PM2.5, and reviewed health risk assessment of PM2.5pollution.

PM2.5; chemical compositions; health risk

2014-10-08；2014-10-23修回

孫廣權(quán)，男， 1989年生，碩士研究生，研究方向：環(huán)境化學(xué)與生物地球化學(xué)研究。E-mail: sunguangquan0625@163.com.

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