基于PM2.5、CO 排放特征的灸用艾絨燃燒實驗研究

何芙蓉，馬遠帆，陳 劍，黃 劍，林岷瑜，鄭美鳳*

（1.福建中醫(yī)藥大學(xué)針灸學(xué)院，福建 福州350122；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州350002；3.福建省康復(fù)技術(shù)重點實驗室，福建 福州350003；4.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院，北京100078；5.北京中醫(yī)藥大學(xué)國際學(xué)院，北京100029）

艾灸是傳統(tǒng)中醫(yī)療法之一，為人類的健康做出了巨大的貢獻。 艾絨燃燒刺激穴位是針灸科治療疾病的常規(guī)操作，艾煙作為在灸療臨床應(yīng)用中的必然產(chǎn)物，勢必導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降，可能對患者尤其是長期從事艾灸工作的醫(yī)生帶來健康威脅。 有研究分別選取了暴露于艾煙環(huán)境下的針灸科醫(yī)生和工作于無煙醫(yī)院環(huán)境中的醫(yī)生作為研究對象，發(fā)現(xiàn)艾灸煙霧可以使針灸醫(yī)生患慢性咽喉炎的發(fā)病率上升［1］。艾煙的安全性除了與診室環(huán)境的通風(fēng)、排煙條件有關(guān)外，還與臨床使用的灸用艾絨質(zhì)量密切相關(guān)。 艾煙成分復(fù)雜，有研究顯示艾煙主要為揮發(fā)性成分和煙氣粒相物的混合體，含有焦油、苯甲醛、苯酚、綠花白千層醇等芳香烴物和諸如酚類等有害性物質(zhì)，對暴露其中的人群存在潛在健康威脅［2-3］。 而細(xì)顆粒物（fine particulate matter，PM2.5）會對人體健康產(chǎn)生危害，誘發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)疾?。?-5］。 另外，低濃度CO 的持續(xù)暴露，對人體的心血管系統(tǒng)、腎功能、空腹血糖和血脂代謝有明顯的影響［6］。 許多學(xué)者對艾灸診室的空氣進行了相關(guān)研究，而灸用艾絨作為施灸燃燒的主要材料仍有待于深入研究，以便規(guī)范化使用。 本研究基于灸用艾絨PM2.5、CO 的排放因子和排放特征，對10 個來自福建省臨床常用的艾條樣本進行了采樣，并采用生物質(zhì)燃燒分析系統(tǒng)監(jiān)測艾絨燃燒排放PM2.5、CO 的排放因子和排放特征，以期為灸用艾絨的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和艾灸的臨床安全使用提供相關(guān)參考，具體研究如下。

1 實驗材料

1.1 儀器 采用福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院郭福濤等設(shè)計的生物質(zhì)燃燒裝置［7-10］，裝置規(guī)格為100 cm×80 cm×130 cm，以艾絨臨床使用一致的陰燃（即沒有火焰的緩慢燃燒）方式進行模擬燃燒試驗，燃燒裝置由加熱爐、燃燒槽、溫度控制器、濕度控制器、變壓器、煙氣分析儀、顆粒物分析儀和采樣器、排氣扇等部分組成，如圖1 所示。

1.2 樣本 2018 年12 月—2019 年6 月于福建省開展艾灸臨床診治的各級醫(yī)院采集臨床常用的艾條樣本，選取使用率最高的10 個不同來源的灸用艾絨（艾條去除包裹的棉紙）作為研究對象，采用分析天平稱重15.000 g ／ 樣（精度：0.001 g），并盡可能保持原來的形態(tài)，在自然條件下用塑料袋密封分裝并貼好標(biāo)簽保存，以備檢測，艾條基本信息見表1。

圖1 燃燒裝置示意圖

表1 福建省臨床常用艾條基本信息

2 實驗方法

2.1 模擬燃燒試驗 采用生物質(zhì)燃燒裝置（見圖1）進行灸用艾絨的模擬燃燒試驗，以1 L ／ min 的速率向燃燒槽內(nèi)泵入氧氣，模擬與臨床艾灸一致的陰燃模式，即沒有火焰的緩慢燃燒。 本試驗通過調(diào)節(jié)燃燒箱溫度，從而滿足燃燒條件，并通過校正燃燒效率（modified combution efficiency，MCE）來表征燃燒狀態(tài)。 燃燒狀態(tài)通過CO2與CO 和CO2變化量的比值界定，用MCE 公式計算：

其中：ΔCO2、ΔCO 分別代表CO2、CO 在燃燒過程的濃度變化量。

一般 認(rèn) 為MCE 在0.65～0.85 為陰 燃 狀 態(tài)［11］，由于艾絨在實際診室應(yīng)用以無火焰的陰燃狀態(tài)使用，故本實驗通過多次預(yù)實驗顯示：200 ℃為艾絨陰燃燃點溫度。 當(dāng)燃燒箱達到燃燒狀態(tài)的設(shè)定溫度后，將其調(diào)至恒溫狀態(tài)并預(yù)熱5 min 后，按照艾絨在診室中燃燒的真實情況，將樣本以條狀的形態(tài)擺放在燃燒裝置的燃燒槽內(nèi)（見圖1），并迅速關(guān)閉箱門。 為防止交叉污染，每次模擬燃燒完一種樣本后迅速排氣通風(fēng)，待煙氣分析儀顯示無污染性氣體和顆粒物時，繼續(xù)開展后續(xù)實驗。 為保證充分燃燒，每個樣本燃燒過程持續(xù)約50 min。 每個樣本取3 個樣進行重復(fù)實驗。 相同實驗條件下進行5 次平行實驗。

2.2 PM2.5和CO 排放的測定

2.2.1 PM2.5排放的測定 應(yīng)用顆粒物分析儀（美國，TSI8533）對灸用艾絨燃燒排放的PM2.5進行實時監(jiān)測，儀器基于分光紅外原理，在線監(jiān)測煙氣中的顆粒物濃度。 儀器每次測試試驗前需要校零。 試驗測試時，調(diào)試正常，記錄數(shù)據(jù)，記錄間隔為5 s。 儀器靈敏 度為0.001 mg ／ m3。

2.2.2 CO 排放的測定 運用德圖升級型煙氣分析儀（德國，Testo350）對灸用艾絨燃燒排放的CO 進行分析。 儀器每次測試試驗前需用標(biāo)準(zhǔn)氣體進行校準(zhǔn)。 試驗測試時，將儀器與電腦連接，調(diào)試正常，記錄數(shù)據(jù)，記錄間隔為10 s，CO 儀器靈敏度為1 ppm［12］。

2.3 排放因子計算 采用碳平衡法來計算氣態(tài)物質(zhì)排放因子。 該方法的基本原理是燃燒碳的質(zhì)量等于氣態(tài)CO2、CO、NOx、CxHy（總碳?xì)洌┖皖w粒物形態(tài)碳的質(zhì)量。 根據(jù)元素守恒定律，計算各類凋落物燃燒釋放的主要物質(zhì)排放因子。 碳守恒計算法過程直接快捷，結(jié)果精確，同時可以避免其他因子的干擾。

設(shè)定一個不完全燃燒系數(shù)PIC：

式中，CC-CO、CC-THC、CC-PM和CC-CO2分別表示CO、THC、顆粒物和CO2的碳排放。

則，CO2的排放因子可利用公式（2）計算：

式中，EFCO2、Cf、Ca、fCO2分別代表CO2排放因子、燃料碳質(zhì)量、灰分碳質(zhì)量、CO2中碳和CO2的轉(zhuǎn)換因子（即44 ／ 12＝3.67），M 代表燃料質(zhì)量。

目標(biāo)化合物的排放因子，可以通過目標(biāo)化合物濃度和CO2濃度之比與CO2排放因子相乘得到，即公式（3）：

式中，EFi、Ci、CCO2、EFCO2分別代表目標(biāo)化合物排放因子、目標(biāo)化合物濃度、CO2濃度和CO2排放因子。

2.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)用（±s）表示，組間比較采用單因素方差分析。

3 結(jié) 果

3.1 灸用艾絨樣本PM2.5、CO 排放因子比較 見表2、3。

表2 不同生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的灸用艾絨樣本PM2.5、CO 排放因子比較（±s）g ／ kg

表2 不同生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的灸用艾絨樣本PM2.5、CO 排放因子比較（±s）g ／ kg

注：與國家標(biāo)準(zhǔn)組比較，1） P＜0.05。

組別國家標(biāo)準(zhǔn)組企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組n 4 6 PM2.5 0.714±0.345 0.262±0.1581）CO 268.447±29.114 299.335±116.270

表3 不同儲存年份的灸用艾絨樣本PM2.5、CO 排放因子比較（±s）g ／ kg

表3 不同儲存年份的灸用艾絨樣本PM2.5、CO 排放因子比較（±s）g ／ kg

注：與未描述儲存年份組比較，1） P＜0.05。

組別未描述儲存年份儲存3 年儲存5 年n 4 2 4 PM2.5 0.714±0.345 0.268±0.2121）0.256±0.8941）CO 268.447±29.114 279.212±155.188 319.458±61.097

3.2 不同灸用艾絨樣的PM2.5排放特征 見圖2。

圖2 不同灸用艾絨樣本PM2.5 排放特征

3.3 不同灸用艾絨樣本的CO 排放特征 見圖3。

4 討 論

艾灸產(chǎn)生的艾煙雖然具有一定的抗菌、消毒作用［13-14］，但由于其厚重的氣味及其對人體的潛在健康風(fēng)險，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，早在1993 年Gordon Peck 與同事接觸艾煙時出現(xiàn)咽鼓管疼痛、嗜睡、胸中煩熱、淋巴結(jié)腫大等癥狀，認(rèn)為艾煙引起的癥狀與枯草熱類似［15］。 李鴻儒［16］對成都地區(qū)28 家醫(yī)院568 名醫(yī)護人員抽樣，將長期暴露于艾煙環(huán)境中的醫(yī)護人員及未暴露于艾煙環(huán)境中的醫(yī)護人員按1∶1 的比例進行問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長期吸入艾煙的醫(yī)護人員疲勞感增強。 而艾煙的產(chǎn)生源于灸用艾絨的燃燒，從灸用艾絨燃燒生成物的角度規(guī)范其生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，在某種程度上為艾灸的安全使用提供更安全的參考。

圖3 不同灸用艾絨樣本CO 排放特征

我國目前所采用的清艾絨和清艾條生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)主要參照中國人民共和國衛(wèi)生部藥典委員會頒布的 “清艾絨”“清艾條” 標(biāo)準(zhǔn)［17］，該標(biāo)準(zhǔn)主要對艾絨本身的性狀、顯微特征、薄層色譜鑒別提出了要求；武娟等［18］在此基礎(chǔ)上，還提出總黃酮和揮發(fā)油等主要化學(xué)成分的含量差異也應(yīng)作為艾絨質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容之一。 從本實驗采集的10 個樣本來看，4 個樣本在包裝盒上未見儲存年份的標(biāo)識，所有樣本均未注明艾絨的加工比例，6 個樣本均執(zhí)行各地企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行生產(chǎn)，且有2 個樣本為非密封性包裝；另外，從樣本長度、直徑和質(zhì)量的規(guī)格來看，艾條的緊實度可能也存在一定的差異，這些因素都有可能在不同程度上影響著灸用艾絨的燃燒生成物的成分及其所占比例。

孫昱等［19］在清艾條質(zhì)量控制方面，不僅提出艾葉的產(chǎn)地、采收期、儲存年限、制成比例、艾絨及清艾條的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究思路，還把艾煙的藥理毒理作用作為清艾條質(zhì)量控制的一個方面。 生物質(zhì)的燃燒，包括艾絨的燃燒都會產(chǎn)生不同大小粒徑的顆粒物。 顆粒物的形狀和大小決定其最終進入人體的部位，顆粒物的粒徑與其在呼吸道內(nèi)滯留、沉積和清除有關(guān)。 不同粒徑大小的顆粒物可沉積于呼吸道氣管、支氣管、細(xì)支氣管和肺泡等不同的部位。PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑≤2.5 μm 的顆粒物，PM2.5是燃燒造成空氣污染的一個公認(rèn)的組成部分。 顆粒物粒徑越小、比表面積越大，其吸濕性越大，表面吸附形成很強的凝聚核，導(dǎo)致其吸附性越強。 PM2.5表面富含的鐵、銅、鋅、錳等過渡金屬及多環(huán)芳烴和脂多糖等，可增加肺臟自由基的生成，同時消耗抗氧化物成分而引發(fā)氧化應(yīng)激［20］。PM2.5可在空氣中長時間停留，能夠直接深入到細(xì)支氣管和肺泡，滲入肺部毛細(xì)血管中，使攜帶的有害物質(zhì)進入人體循環(huán)系統(tǒng)，從而對健康產(chǎn)生危害［21］。 在上海開展的一項研究顯示，PM2.5濃度每增加36.5 μg ／ m3，每日急診量增加0.57%［22］。 研究證實PM2.5與心血管疾病的病死率、呼吸道疾病的發(fā)展均密切相關(guān)［23-24］。 另外，艾絨作為一種生物質(zhì)，必然會因燃燒的充分性的因素產(chǎn)生CO，CO 經(jīng)呼吸道吸入與血液中的血紅蛋白（Hb）結(jié)合形成碳氧血紅蛋白（COHb），從而降低Hb輸送氧的能力；CO 還有抑制呼吸酶的作用，CO 與血液中的血紅素作用生成羧基血紅素，心腦組織對羧基血紅素造成的缺氧較為敏感。 有學(xué)者對燃?xì)庾鳂I(yè)工人進行了健康狀況調(diào)查， 發(fā)現(xiàn)長期慢性低濃度的CO接觸對工人的心血管系統(tǒng)、腎功能、空腹血糖和血脂代謝有明顯的影響［6］；亦有學(xué)者對低濃度CO 作業(yè)的工人健康狀況進行了調(diào)查，CO 濃度達到36.2～41.2 mg ／ m3時，神經(jīng)衰弱綜合征的發(fā)病率顯著升高［25］。 灸用艾絨在燃燒過程中，PM2.5和CO 作為直接對人體呼吸系統(tǒng)有危害的指標(biāo)，研究艾絨燃燒過程中釋放的PM2.5和CO 排放因子，為討論艾煙對醫(yī)護人員健康的影響有重要參考意義。 本研究顯示10 個樣本的PM2.5和CO 排放因子跨度很大；按國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的與按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的灸用艾絨樣本，其PM2.5的排放因子組間比較統(tǒng)計學(xué)有顯著性差異（P＜0.05），而CO 的排放因子組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（見表2）。 儲存3 年的、儲存5 年的與未描述儲存年份的灸用艾絨樣本，其PM2.5的排放因子組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），而CO 的排放因子組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（見表3）。 可見，臨床灸用艾絨的質(zhì)量還有待于進一步規(guī)范化，以提高使用的安全性。

古代文獻關(guān)于 “灸用艾絨” 的記載，明代李時珍在《本草綱目》如是描述：“揀去凈葉，揚去塵屑，入石臼內(nèi)木杵搗熟，羅去渣滓，取白者再搗，至柔爛如綿為度”。 關(guān)于艾絨的儲存年限，在《孟子·離婁上》里記載 “七年之病，求三年之艾”，認(rèn)為艾絨以陳為佳；《本草綱目》中也有相關(guān)論述：“凡用艾葉，須用陳久者，治令細(xì)軟，謂之熟艾，若生艾灸之，則易傷人肌脈”。 可見古代并未見關(guān)于艾絨加工比例的文獻記載，而今市售的部分艾絨常追求加工的精細(xì)度。那么，是否加工越精細(xì)，灸用艾絨燃燒排放的顆粒物危害就越小呢？ 是否存儲時間越久，反而增加了艾煙顆粒物的排放呢？ 本研究還顯示：按國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的灸用艾絨較之按各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的灸用艾絨PM2.5排放因子范圍較大。 LU 等［26］在密閉的針灸診室模擬艾灸治療，采用陳艾絨替代新艾絨施灸，可導(dǎo)致PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度分別提高75%、94%，陳艾絨燃燒生成的PM2.5和PM10分別是新艾絨的1.94 倍和1.75 倍。研究指出可能是因為在新艾條的生產(chǎn)過程中加入了碳酸鈣、氯化鈉等化合物以提高其燃燒效率，進而增加了不完全燃燒。 有研究認(rèn)為隨著艾條儲存年份增高，產(chǎn)生的PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度有增大的趨勢；隨著艾條加工比例增高，產(chǎn)生的PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度有增大的趨勢，且PM2.5占PM10中的比例越高［27-28］；也提示艾絨的儲存年份、加工比例可能對其燃燒產(chǎn)生的顆粒物物理化學(xué)特征影響顯著，并認(rèn)為從顆粒物角度區(qū)分不同儲存年份與不同加工比例的灸用艾絨質(zhì)量的優(yōu)劣，可能具有重要的參考價值。 這些都有待于進一步開展相關(guān)實驗深入研究。 為更安全地使用灸用艾絨，應(yīng)進一步規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)，可考慮將灸用艾絨的燃燒生成物如PM2.5作為國家安全標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)之一。

燃燒爐模擬實驗還顯示了PM2.5、CO 排放的濃度趨勢特征。 PM2.5排放的濃度在燃燒的前10 min有先升高后下降的趨勢，10 min 之后趨于基線水平。而CO 排放的濃度特征基本成拋物線趨勢，緩慢升高后，緩慢下降，這和KWON 等［29］的研究結(jié)果類似，但該學(xué)者并未描述前10 min 的濃度趨勢。 如圖2 可見，部分灸用艾絨樣本（樣本8 和9）在短時間內(nèi)PM2.5高達1 500 μg／m3以上，艾絨的產(chǎn)地來源、加工比例、密封與否以及各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等在某種程度上可能影響了PM2.5的排放，足見灸用艾絨樣本質(zhì)量的參差不齊，故規(guī)范灸用艾絨的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)十分必要。 另外，灸用艾絨樣本在燃燒初期PM2.5濃度迅速升高并達到高峰，這提示醫(yī)務(wù)工作者在操作的前期應(yīng)盡量避免垂直吸入高濃度的PM2.5，以免造成健康威脅。

中醫(yī)藥既要繼承，也要創(chuàng)新。 至今我國尚未出臺艾灸診室的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，艾煙的安全性問題必定要求艾灸療法接受時代的挑戰(zhàn)，才能更好地用于防治疾病。 從艾煙的成分，尤其是從艾煙顆粒物的粒徑分布及其具體組分等角度深入探討不同儲存年份和加工比例生產(chǎn)的灸用艾絨的安全性，將為灸用艾絨的規(guī)范化使用、控制艾灸場所的空氣質(zhì)量提供重要參考。