大气可吸入颗粒物的研究进展
摘要： 阐述了国内、外关于大气可吸入颗粒物的研究现状，重点介绍了可吸入颗粒物的矿物学特性及其对人体健康的危害，提出了我国迫切需要开展大气可吸入颗粒物对室内空气质量影响的研究工作。
关键词： 可吸入颗粒物 人体健康 室内环境
1.引言
可吸入颗粒物是指空气动力学直径小于 10um的悬浮于大气中的颗粒物，通常用PM10表示。它不仅可以造成一系列的环境问题，还是对人体健康产生危害的主要大气污染物。大气中的悬浮颗粒物因会对人体健康产生直接的负面影响，而受到各国政府及有关研究部门的高度重视。近年来，人们又进一步认识到大气悬浮颗粒中的细颗粒物对人体健康的危害远比粗颗粒大，而且是引起城市大气能见度降低的主要因素，因此美国国家环保局于1985年将原始颗粒物质指示物总悬浮颗粒物（TSP）项目修改为PM10。随着认识发展，美国环保局在1997年又提议修改美国国家大气质量标准，规定了PM2.5的最高限制值，以降低这些细颗粒物对人体健康和能见度的影响。细颗粒污染物（PM10和PM2.5）的研究正越来越受到人们的重视。
2.可吸入颗粒物的矿物学研究
2.1 国外研究的状况
20世纪90年代初，国外有关学者对可吸入颗粒物的矿物组分进行研究。1992年，日本名古屋大学水圈科学研究所对飘到日本的黄沙进行了详细的研究，发现组成黄沙的矿物主要是石英、长石、伊利石、绿泥石、高岭石、方解石、石膏、硫酸氨等，矿物颗粒的粒径范围在 1.0～30um，矿物颗粒之间相互凝聚[1]。英国地质学会及英国矿物学会也专门从矿物学角度对大气颗粒物进行调查，认为颗粒物的矿物组成特征在大气颗粒物的研究中不容忽视。Dentener[2]等人利用对流层三维模型模拟了对流层的光化学氧化物、氮化物、硫化物的循环过程，认为气溶胶中的矿物颗粒物在大气化学过程中作为非均相反应的界面，可以加速二氧化硫向硫酸盐的转化； Zhuang则认为矿物颗粒物经过几千公里的搬运能够为大洋表层带去
可供生物吸收的营养元素铁，使某些海区的生产力大幅上升[3]。还有一些学者专门探讨如何利用 XRD对大气颗粒物进行研究，井在大气颗粒物中识别出硅酸盐、硫酸盐、氧化物、硫化物等。
以上有代表性研究的成果说明，国际上非常重视可吸入颗粒物中矿物组分的研究工作，大气化学界正迸行着矿物颗粒物研究的热潮。
2.2国内研究的状况
国内学者，90年代中后期开始研究PM10的成分和来源。在90年代末期开始研究PM2.5及其对能见度的影响并对大气颗粒物的有机化学习性作了研究，取得了大量有益的成果。但对气溶胶中单颗粒的研究并不多且主要集中在颗粒的物理化学性质等方面。刘咸德等对青岛大气颗粒物进行了研究；汪安噗对北京大气气溶胶中粗粒中的物相进行了初步研究[4]；张代洲对北京的沙尘粒子作了成分和形态分析[5]，时宗波和邵龙义利用扫描电镜及能谱和 X射线衍射对颗粒物的微观类型进行了初步分类，井尝试用X射线衍射鉴别气溶胶中的矿物颗粒[6]。
由于PM2.5和PM10颗粒粒径较小，样品处理方法复杂和采样技术要求严格、仪器分辨率低等原因，总体上对可吸入颗粒物中矿物组分的成果还不多见。
3.可吸入颗粒对人体健康的危害
3.1 大气可吸入颗粒物对人体健康的影响机理
大气可吸入颗粒物在空气中的迁移特性及其最终进入人体的部位都取决于粒径。大颗粒由于惯性较大，一般沉积在鼻黏膜和上呼吸道地区，而较小的颗粒可以随着气流一直到达呼吸道末端并在扩散作用下沉积下来。颗粒的化学组成与健康影响的关系非常大，决定了呼吸道或人体可能出现何种不良反应。有些大颗粒还是吸附性化学物质或气体的载体，容易诱发各种疾病。
目前，关于颗粒物对人体健康影响的资料主要是从流行病学研究获得，总的影响是诱发心肺功能障碍，导致发病率增加，包括呼吸道系统疾病、哮喘病发作、肺炎、支气管炎和顽固性肺病。颗粒物对人体健康影响的生物学机理还不十分清楚，其中一种被广泛接受的观点是氧化性损伤假说，该假说提出，颗粒物表面的生物可利用的过渡金属离子会产生自由基，这些自由基对关键细胞可能造成氧化性损伤．有研究表明，氧化性损伤是形成组织器官纤维化的重要原因，例如吸烟引起的肺病，如慢性阻塞性肺病，特别是肺气肿。此外，Adamson等人指出大气颗粒物中的可溶锌是产生肺细胞损伤的活性成分。此外，其他的生物可利用的金属元素，特别是铁被认为同颗粒物的氧化性损伤有因果关系．
国内的一些学者也对不同类型的颗粒物的毒理学性质进行了研究。例如利用DNA合成法对柴油机车尾气颗粒物对DNA的损伤作用进行了研究．也有些学者使用单细胞凝胶电泳法测量了大气颗粒物对DNA的损伤，这些研究均得出颗粒物具有细胞毒性的结论。
3.2可吸入颗粒对室内空气质量的影响
随着目前室外大气污染日益加剧，室内空气污染的防治也将面临巨大挑战。颗粒物是室内空气中重要的污染物，也一直是国内外考察室内空气质量的一个重要因子。研究表明受污染的室内空气中存在着30余种致癌污染物，其中主要有多环芳烃及其衍生物、重金属、石棉和放射性物质如氛等。其中大多数是附着在颗粒物上。其中粒径小于10um的可吸人颗粒物能够深人到人体肺部，其危害也更加显著。研究可吸人颗粒物的分布和来源更具有现实意义。
一般来讲，室内环境中的颗粒主要由气溶胶的形式存在，可分为燃烧型气溶胶、矿物质气溶胶、生物气溶胶和有机气溶胶四种类型。居民烹调、取暖所用燃料的燃烧产物和环境中的烟草烟雾是燃烧型气溶胶的重要污染源；矿物质气溶胶主要是室外污染源，经居室门窗和通风、空调等设施进入室内；生物气溶胶包括植物性气溶胶和动物性气溶胶；有机气溶胶主要由烹调油烟、喷雾剂等形成的。不同的污染源所产生的颗粒物的主要粒径范围也有所区别。对于办公室来说，主要的室内污染源在于吸烟和个人活动。吸烟的颗粒物主要集中在﹤1um范围内，个人活动主要集中在0.1－10um。所以应该充分认识到控制吸烟对人体健康具有十分重要的意义。同时，不同的室内环境条件，如刚刚建成或装修完毕的房间内，建筑材料等也产生一定的颗粒物污染，应该具体分析，有效地控制污染源。
室内颗粒物分布特性表现在时间、粒度分布和化学组成上。其中，颗粒尺寸是表征可吸入颗粒物行为最重要的参数，颗粒物的全部性质都与粒度有关，而某些性质则非常强烈地依赖颗粒尺寸，因此粒度分布成为近几年最基本的研究课题。国外有关学者用不同的方法研究了各污染源对室内颗粒粒度分布的影响，发现室内活动主要产生极细颗粒和粗颗粒，而积聚态颗粒（0.1~1微米）则主要来自于室外空气。室内颗粒浓度随室外颗粒浓度变化而变化，但在时间上存在一定程度的滞后。在颗粒化学组成方面，没有取得一致结论，但是对元素碳、硫酸盐和硝酸盐的关注较多。
由于室内环境中的PM10和PM2.5与人体健康的关系似乎更为密切，目前许多国家建立的PM10以及PM2.5环境监测网络大都停留在室内。但是，对室内空气质量进行监测既费时间又花费较高，因而通过数学模拟预测大气可吸入颗粒物对室内空气质量的影响具有很大的现实意义。已有的数学模拟研究主要有两类：机械式研究和现象学研究。机械式研究主要在条件受控的实验舱或某栋房屋中进行详细的测试，通过改变内外压差、温差、隙缝大小和换气量等影响因素，研究不同条件下不同粒径颗粒通过建筑围护结构的穿透效率；现象学研究一般测试一栋或一系列房屋的室内和室外浓度，将实验数据按照测试时间段、污染源类别、居住者行为特性等进行统计分类，计算室内外各粒度颗粒浓度比值或通过线性拟合研究其相关性。这类研究有助于认识室内各粒度颗粒的主要来源及影响因素，但其简单模型简单，适用面较狭窄。
4.讨论
目前，我国已将大气可吸入颗粒物及其对人体健康影响作为重点研究对象。但是，关于大气颗粒污染物对室内空气质量影响的研究仍然非常有限，还不能很好地为室内颗粒物浓度预测和室内空气质量控制提供科学的理论依据。
鉴于我国的空气污染现状，迫切需要开展大气可吸入颗粒物对室内空气质量影响的研究工作，尤其是PM2.5对室内空气质量的影响。此外，依据大气颗粒分布、气象条件、建筑结构等特征建立有效的数学模型，用来防控可吸入颗粒物的室内污染是将来研究和发展的方向。
参考文献
[1] 名古屋大学水圈科学研究所，黄沙[M].北京:中国建筑工业出版社，1995.
[2] Dentener FJ,Carlllichael GR,Zhang Y etal.Role of mineral aerosol asa reactive surface in the global troposphere[J].J.GeoPbys.Res,l996,101(17):22869-22875.
[3] Zhuang,Guoshun;et al.Link between iron and sulfur cycles suggested by detection of iron(Ⅱ)in remote marine aerosols[J]. Nature(London),1992,355(6):360-369.
[4] 汪安璞，杨淑兰，沙 因.北京大气气溶胶单个颗粒的化学表征[J].环境化学.1996，15(6):488-495.
[5] 张代洲.沙尘粒子的成分和形态分析[J].环境科学学报，1998，18(5):450-455.
[6] 时宗波，邵龙义，李 红等.北京市西北城区取暖期环境大气中PM10的物理化学.
Recent Study of Particulate Matter in the Air
Yang Yuncheng Jang Guohua Long Fei Peng Guangxia
Department of Environmental Science and Engineering
China University of Mining & Technology (Beijing), 100083
Abstract
The present research situation about particulate matter in air will be expounded, and the mineralogical characteristics of particulate matter and its effect on human health will be mainly described. In the end, a suggestion is put forward.
Key word: Particulate Matter Human Health Indoor Environment
杨云程：男，1981年出生，硕士研究生。专业：环境工程。
