基于室內(nèi)環(huán)境濃度監(jiān)測(cè)的大學(xué)生PM2.5暴露評(píng)估*

張鈺婕 孫丹一 劉建偉 陳艷嬌 曹紅斌

(北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

城市環(huán)境中PM2.5是主要的大氣污染物類型[1]，已成為威脅人們生活的一大健康殺手[2]。根據(jù)流行病學(xué)報(bào)告，PM2.5粒徑小、比表面積大、活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)(如重金屬、多環(huán)芳烴類、微生物等)，可直接進(jìn)入肺泡，影響支氣管、細(xì)支氣管及肺泡的換氣功能，危害人體的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)[3]。

與其他國(guó)家相比，我國(guó)環(huán)境污染狀況較嚴(yán)重[4-6]，以PM2.5為主要污染物的區(qū)域大范圍霧霾事件仍有發(fā)生。北京市霧霾事件嚴(yán)重時(shí)，環(huán)境中的PM2.5可達(dá)到數(shù)百μg/m3，部分地區(qū)污染物峰值數(shù)據(jù)甚至突破700 μg/m3，遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的限值(25 μg/m3)[7]。由于個(gè)體暴露濃度與大氣PM2.5濃度具有一定的相關(guān)性[8-9]，因此對(duì)大氣PM2.5污染嚴(yán)重地區(qū)的人群暴露狀況進(jìn)行研究很有必要。已有工作的研究對(duì)象主要為兒童、女性群體、老年人、哮喘及心肺疾病患者等敏感人群[10-11]，對(duì)大學(xué)生的研究較少。然而，大學(xué)生群體生長(zhǎng)發(fā)育仍處于緩慢增長(zhǎng)階段，社會(huì)生活環(huán)境有其特殊性[12]。

已有研究顯示，大多數(shù)人80%～90%的時(shí)間待在室內(nèi)，室內(nèi)暴露量約占總體暴露量的75%[13-15]。然而，現(xiàn)有研究多采用大氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度來評(píng)估個(gè)體暴露[16-17]，從而導(dǎo)致與個(gè)體實(shí)際暴露量的偏差[18-19]。因此，為更好評(píng)估大學(xué)生的PM2.5暴露，本研究在宿舍、教室、圖書館等主要室內(nèi)場(chǎng)所進(jìn)行PM2.5監(jiān)測(cè)，并招募志愿者24 h佩戴個(gè)體采樣器進(jìn)行采樣，分采暖季和非采暖季對(duì)大學(xué)生的PM2.5個(gè)體暴露濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過問卷調(diào)查獲取不同行為模式人群在不同室內(nèi)場(chǎng)所的停留時(shí)間，結(jié)合相應(yīng)場(chǎng)所的PM2.5濃度，進(jìn)一步評(píng)估不同室內(nèi)場(chǎng)所對(duì)大學(xué)生PM2.5暴露量的貢獻(xiàn)及不同季節(jié)的暴露差異。

1 材料與方法

1.1 樣本采集及測(cè)定

1.1.1 室內(nèi)外PM2.5獲取

2016年7月至2018年7月，選取北京師范大學(xué)校內(nèi)大學(xué)生經(jīng)?；顒?dòng)的7個(gè)室內(nèi)場(chǎng)所(宿舍、教室、圖書館、食堂、機(jī)房、體育館、實(shí)驗(yàn)室)先后進(jìn)行PM2.5濃度監(jiān)測(cè)。使用OmniFT-mini PM2.5采樣器(美國(guó)BGI公司)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為每日8：00—20：00，采樣流量為1 m3/min。采用47 mm石英纖維濾膜(QFF)，且每次采樣前將QFF放置在馬弗爐中，在450 ℃下烘干6～12 h去除雜質(zhì)。QFF稱重前均放置在室內(nèi)同一避光干燥器中干燥處理48 h，再用1/1 000 000電子分析天平(Mettler Toledo-MX5)稱重3次取平均值。樣本采集同時(shí)，記錄研究區(qū)周圍最近且距離相似的西城官園、奧體中心和海淀萬柳3個(gè)室外監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)。

PM2.5質(zhì)量濃度(C，μg/m3)計(jì)算公式如下：

C=(M2-M1)/V

(1)

式中：M1、M2分別為采樣前、后的QFF質(zhì)量，μg；V為采樣空氣體積，m3。

1.1.2 個(gè)體暴露采樣及PM2.5測(cè)定

從北京師范大學(xué)不同學(xué)院、不同年級(jí)的學(xué)生中隨機(jī)選取志愿者，隨身佩戴HP2540 PM2.5個(gè)體采樣器(美國(guó)BGI公司)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)志愿者的PM2.5暴露濃度。采樣時(shí)間為每日8：00至次日8：00，采樣流量為4 L/min。QFF處理、稱重及PM2.5濃度計(jì)算同1.1.1節(jié)，同時(shí)記錄志愿者一日內(nèi)在不同室內(nèi)場(chǎng)所的停留時(shí)間。

1.2 人群行為模式調(diào)查

在北京師范大學(xué)校內(nèi)進(jìn)行問卷調(diào)查，隨機(jī)選取本科生和研究生為調(diào)查對(duì)象，獲得人群在采暖季和非采暖季日常行為活動(dòng)模式，即不同對(duì)象在室內(nèi)各場(chǎng)所停留的時(shí)間。共回收有效調(diào)查問卷351份，其中非采暖季、采暖季分別為175、176份。

1.3 基于行為模式的暴露量計(jì)算

PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度(CE，μg/m3)計(jì)算公式如下：

(2)

式中：t為總停留時(shí)間，h；Ei為個(gè)體在場(chǎng)所i的PM2.5暴露量，h·μg/m3；Ci為場(chǎng)所i的PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；ti為個(gè)體在場(chǎng)所i的停留時(shí)間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5室內(nèi)外濃度

PM2.5室內(nèi)外質(zhì)量濃度見表1，并計(jì)算得到PM2.5室內(nèi)、外質(zhì)量濃度比(I/O)。采暖季室內(nèi)PM2.5為(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O為0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室內(nèi)場(chǎng)所。

非采暖季I/O排序?yàn)榻淌?宿舍>食堂>體育館>機(jī)房>實(shí)驗(yàn)室>圖書館。教室、宿舍和食堂的室內(nèi)PM2.5較高，可能與人口密度較大且空間較小有關(guān)[20]。

采暖季的I/O排序?yàn)槭程?宿舍>教室>體育館>圖書館>實(shí)驗(yàn)室>機(jī)房。除食堂的室內(nèi)PM2.5高于室外，其他場(chǎng)所的I/O均小于1，原因主要在于：采暖季時(shí)，室外大氣是主要污染源，因?yàn)槭彝鈿鉁氐?，采暖季開窗通風(fēng)次數(shù)較少，室內(nèi)與室外氣體交換少，利于室內(nèi)環(huán)境保持較低的污染物濃度。食堂PM2.5高于室外，主要是由于食堂內(nèi)的明火燃燒和油煙產(chǎn)生室內(nèi)的PM2.5污染源[21]。

表1 PM2.5室內(nèi)外質(zhì)量濃度

表2 大學(xué)生群體行為模式調(diào)查結(jié)果

2.2 大學(xué)生群體行為模式調(diào)查

根據(jù)獲得的351份有效調(diào)查問卷，針對(duì)本科生和研究生在工作日和非工作日的行為模式，對(duì)不同場(chǎng)所的停留時(shí)間進(jìn)行整合，結(jié)果見表2。大學(xué)生群體停留時(shí)間最長(zhǎng)的室內(nèi)場(chǎng)所是宿舍，其次是教室和圖書館。

2.3 志愿者個(gè)體暴露濃度的模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

從35個(gè)24 h監(jiān)測(cè)的個(gè)體暴露樣本中，選取未被損壞、行為活動(dòng)模式記錄較準(zhǔn)確的29個(gè)樣本(采暖季、非采暖季分別為17、12個(gè))，測(cè)定PM2.5個(gè)體暴露濃度。由于個(gè)體暴露及室內(nèi)各場(chǎng)所監(jiān)測(cè)的非同步性，需由PM2.5室外濃度及I/O計(jì)算個(gè)體采樣同期的各場(chǎng)所PM2.5個(gè)體暴露濃度模擬值。采暖季、非采暖季PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度模擬值為(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于實(shí)測(cè)值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)。對(duì)PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值及模擬值進(jìn)行擬合，經(jīng)相關(guān)性分析，兩者具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.903 1，p<0.05)。

采暖季、非采暖季室外PM2.5分別為(67.04±28.62)、(54.60±25.88) μg/m3。PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與室外質(zhì)量濃度比(E/O)隨室外質(zhì)量濃度的變化見圖1。經(jīng)相關(guān)性分析，E/O與室外濃度呈顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.05)，即當(dāng)PM2.5室外濃度較低時(shí)，PM2.5個(gè)體暴露濃度實(shí)測(cè)值普遍高于室外濃度；當(dāng)PM2.5室外濃度升高時(shí)，PM2.5個(gè)體暴露濃度實(shí)測(cè)值接近或低于室外濃度。該結(jié)果與孫慶華等[22]的研究成果一致。這主要是由于個(gè)體所處的室內(nèi)環(huán)境和行為模式對(duì)個(gè)體暴露濃度有一定的影響導(dǎo)致，當(dāng)PM2.5室外濃度較低時(shí)，PM2.5室內(nèi)濃度為主導(dǎo)因素；當(dāng)PM2.5室外濃度較高時(shí)，PM2.5個(gè)體暴露濃度與室外濃度相關(guān)性較高[23-25]。因此，PM2.5個(gè)體暴露濃度與室外濃度雖然存在一致性，但PM2.5室外濃度并不能很好代表個(gè)體暴露濃度。

注：已剔除部分離散值，圖2同。

PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值之比(E/S)隨室外質(zhì)量濃度的變化見圖2。盡管PM2.5室外濃度與個(gè)體暴露濃度實(shí)測(cè)值之間存在較大差異，但PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值接近，且E/S隨室外濃度變化的波動(dòng)較小。當(dāng)PM2.5室外濃度較低時(shí)，個(gè)體暴露濃度模擬值略低于實(shí)測(cè)值；隨PM2.5室外濃度增大，E/S穩(wěn)定在1附近，這說明基于I/O和行為模式調(diào)查結(jié)果計(jì)算得到的PM2.5個(gè)體暴露濃度模擬值比室外濃度能更好地反映大學(xué)生群體的實(shí)際暴露濃度。由于數(shù)據(jù)的有限性，計(jì)算過程也存在一些不確定因素，主要體現(xiàn)在：本研究中校園環(huán)境的PM2.5室外濃度直接取自最近的3個(gè)室外監(jiān)測(cè)站點(diǎn)平均值，未在校園內(nèi)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，可能與實(shí)際的室外濃度有一些偏差；采樣時(shí)間均為白天，未考慮夜間的PM2.5及日變化。

圖2 E/S隨室外PM2.5質(zhì)量濃度的變化

2.4 大學(xué)生人群PM2.5暴露特征及不同場(chǎng)所貢獻(xiàn)率

結(jié)合PM2.5室外濃度、不同室內(nèi)場(chǎng)所在采暖季和非采暖季的I/O、大學(xué)生群體行為模式的351份調(diào)查結(jié)果，計(jì)算大學(xué)生群體在不同場(chǎng)所的PM2.5暴露量和貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表3和表4。

對(duì)大學(xué)生群體PM2.5暴露量貢獻(xiàn)最高的是宿舍，停留時(shí)間較長(zhǎng)；室內(nèi)場(chǎng)所中教室的暴露量貢獻(xiàn)僅次于宿舍，由于課業(yè)或愛好不同，每個(gè)人在教室停留的時(shí)間長(zhǎng)短不一，導(dǎo)致人群在教室的PM2.5暴露量變化較大(142.39～251.11 h·μg/m3)；盡管食堂內(nèi)的油煙等污染源可能增加室內(nèi)PM2.5，但由于大學(xué)生人群總體在食堂的停留時(shí)間較短(<1.5 h)，所以人群在食堂的PM2.5暴露量并不高。本科生和研究生群體的PM2.5暴露濃度無明顯差異，宿舍和教室對(duì)大學(xué)生群體PM2.5暴露量的貢獻(xiàn)率之和高于50%。

表3 PM2.5暴露量及暴露質(zhì)量濃度

表4 不同場(chǎng)所對(duì)PM2.5個(gè)體暴露的貢獻(xiàn)率

3 結(jié) 論

(1) 采暖季室內(nèi)PM2.5為(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O為0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室內(nèi)場(chǎng)所。

(2) 采暖季、非采暖季PM2.5個(gè)體暴露質(zhì)量濃度模擬值為(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于實(shí)測(cè)值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)，基于I/O和行為模式調(diào)查結(jié)果計(jì)算得到的PM2.5個(gè)體暴露濃度模擬值比室外濃度能更好地反映大學(xué)生群體的實(shí)際暴露濃度。

(3) 本科生和研究生群體的PM2.5暴露濃度無明顯差異，宿舍和教室對(duì)大學(xué)生群體PM2.5暴露量的貢獻(xiàn)率之和高于50%。