大气颗粒物污染对人体健康和气候变化的影响

姚晨婷，耿红，董川*

（山西大学环境科学与工程研究中心，太原 030006）

摘 要：随着工业发展、城市扩张和机动车数量的增加，人为源排放的颗粒物大幅度增加，由此引起的污染使空气质量下降、人体健康受损，如引起呼吸系统、心血管系统、神经系统、生殖系统、免疫系统等产生病变，甚至诱发癌症和基因突变。同时，大气颗粒物污染对气候变化也产生影响。从保护人体健康和维持全球气候稳定的角度出发，制定严格的颗粒物污染控制措施、实现细颗粒物的有效减排是我国当前面临的重要任务。

关键词：大气颗粒物污染 人体健康 气候变化

大气是由各种固体或液体微粒均匀散布在空气中形成的一个庞大分散体系，颗粒物是其中的重要组分。大气颗粒物不仅能吸附有毒物质进入体内而危害人体健康，而且与许多全球性的环境问题如臭氧层破坏、酸雨形成和全球气候变化也有关系，世界各国都非常重视对大气颗粒物污染的研究。

二、大气颗粒物种类与化学组成

大气颗粒物种类很多、化学组成各异。按形成机制，可分为一次颗粒物（直接由排放源排放、未发生化学转化的颗粒物）和二次颗粒物（颗粒物与颗粒物之间、或颗粒物中某些组分与大气其它成分之间发生反应而产生的颗粒物）；按照存在范围，可分为室内颗粒物和室外颗粒物，虽然二者联系紧密，但医疗卫生部门更多地关注室内颗粒物的浓度和成分，关注其对居民健康和生活的影响，而环境保护部门更多地注重室外颗粒物是否超标，关注其对大气环境质量的影响，我们平时所说的大气颗粒物即是指室外颗粒物；按照组成成分，可以分为无机颗粒物和有机颗粒物，但在日常环境中，无机颗粒物上常常吸附一些重金属（如Mn、Ni、Pb、Sb、Ti、V、Zn等）和有机物质（如多环芳烃等），而有机颗粒物中也可能包含少量的无机成分；按空气动力学直径（Dp）分类，可分为总悬浮颗粒物（TSP，Dp≤100微米）、可吸入颗粒物（PM10，Dp≤10微米）、细颗粒物（PM2.5，Dp≤2.5微米）和超细颗粒物（PM0.1，Dp≤0.1微米）等，其中粒径在10微米 以下的固态和液态颗粒物由于不能靠自身的重力降落到地面, 因而又被称为“飘尘”, 它们在空气中可漂浮几天甚至几年，对人体健康的危害明显大于在空气中滞留时间较短、粒径大于10微米的“降尘”。一般而言，颗粒物越小、比表面积越大，对健康的危害也越大。

三、大气颗粒物污染对健康的危害

大气颗粒物污染已成为危害人类健康的主要因素之一，其对健康的影响既取决于颗粒物的粒径、硬度、溶解度和化学组成，也取决于颗粒物上有害物质的种类、性质、浓度和作用时间等。它们对呼吸系统、循环（心血管）系统、神经系统、生殖系统、免疫系统均可产生危害，甚至引发癌症和基因突变。人体呼吸带大约为离地面1.5m-2.5 m处，该高度的尘粒对健康影响最大，但目前由于城市中高楼林立，高层建筑比比皆是，人类的生活空间不断向高处扩展，因此，大气颗粒物影响人类健康的高度已远远不止1.5m-2.5m，而应拓展到80m-100m的高空，提示人们对垂直方向1.5m-100m的大气颗粒物浓度和成分均应重点关注。

1、颗粒物对呼吸系统的影响

大气颗粒物对呼吸系统危害较大，慢性呼吸道炎症、肺气肿、肺癌等的发病率与大气颗粒物的污染程度有一定相关性。当大气可吸入颗粒物日均浓度增加时，人群总死亡率和呼吸道疾病死亡率均有增加，哮喘病发病率和进医院看病人数也有增加。其毒理机制为：过多的细颗粒物与肺组织细胞接触后，可通过腐蚀刺激诱导肺上皮细胞或巨噬细胞等释放活性氧或活性氮，造成胞内氧化和抗氧化系统失去平衡，导致肺细胞及其生化成分发生改变，继而引起肺功能下降、肺纤维化、慢支、肺气肿等，有时还伴随低氧血症、肺性高血压和肺心病等。

2、对心血管系统的影响

大气PM10或PM2.5可使心血管疾病死亡率和局部缺血性心脏病死亡率增加。颗粒物进入体内后经一系列反应可刺激血浆纤维蛋白原水平升高、血黏度增加，使血液处于高凝状态，易形成血栓，并使心肌梗死危险性大幅度增加。研究发现核因子NF-κB 的激活有可能成为大气颗粒物对心血管毒性作用的重要机制之一，NF-κB 的激活可使血管细胞黏附分子(VCAM-1) 表达增高，促使细胞间粘附加强，产生持续性心肌损害。

3、对神经系统的影响

美国研究人员发现，长期暴露于颗粒物污染环境中可能会改变大脑结构，使海马体突起减少、负责传递信息的树突变短，影响学习能力和记忆力，引发抑郁, 原因可能是大气颗粒物中的有害物质使海马体中的促炎细胞因子更活跃，从而使海马体受更多炎症的影响。机动车尾气产生的颗粒物（如含铅汽油燃烧后生成的含氧化铅、碳酸铅等铅化物微粒）或某些矿区的大气细颗粒物可导致高级神经系统紊乱和器官调解失能，表现为头疼、头晕、嗜睡，甚至引起中毒性脑病。

4、对免疫系统的影响

大气颗粒物可损坏特异和非特异性免疫功能。一方面，颗粒物进入肺泡后,通过肺泡巨噬细胞吞噬或沉积作用可使肺上皮细胞、成纤维母细胞、内皮细胞等分泌黏附分子和细胞因子，引起各种炎症细胞聚集，导致炎症发生。当颗粒物浓度增加时，肺泡巨噬细胞存活率和吞噬功能将下降，引发细胞凋亡，并且降低抗原的提呈能力，使免疫活性细胞功能及组织体液中的杀菌物质改变，导致局部防御力降低。另一方面，颗粒物通过影响细胞增殖而影响免疫。有研究表明，汽车尾气颗粒的有机提取物可抑制T淋巴细胞的转化功能，且有剂量-反应关系，其抑制机理可能与钙稳态失衡和钙信号传递干扰有关。颗粒物上的重金属元素能使小鼠细胞免疫功能受到抑制,表现为淋巴细胞转化功能、白介素-2活性、自然杀伤细胞活性、T淋巴细胞亚群等指标改变。

5、“三致”(致癌、致突变、致畸)效应

大气颗粒物可以损害遗传物质和干扰细胞正常分裂、抑制细胞间隙的通讯功能，同时破坏机体的免疫监视，从而引起癌症和畸胎。一些短期遗传毒性实验从基因、染色体水平等方面均说明颗粒物具有潜在的致突变及致癌性，一个很好的佐证就是大气颗粒物可损害生殖系统，降低生育能力，引起胎儿畸形。据 道，由于大气颗粒物污染，山西已成为内地新生儿缺陷发生率最高的省份，为全国平均水平的4倍。

四、大气颗粒物污染对气候变化的影响

随着工业发展与人类活动的加剧, 大气颗粒物污染对环境的影响及其气候效应问题越来越受到人们的关注。这主要是因为大气颗粒物既可以通过散射或吸收太阳辐射及地面长波辐射改变地-气系统的辐射平衡直接影响气候，也可作为云凝结核，通过改变云的宏观特性，特别是改变云的生命期和光学特性来间接影响气候。不同类型颗粒物引起的气候变化效应是不同的：黑碳气溶胶具有明显的增温效果而硫酸盐、硝酸盐类、有机颗粒、沙尘和海盐颗粒等表现出降温效应，虽然它们的总体效应是使地表温度下降，但其中细节还需要深入研究。

1、黑碳颗粒

黑碳可以吸收太阳辐射中的可见光部分，加热周围大气，已成为目前除CO2 外造成全球气候变暖的第二种重要物质。它不仅影响大气的辐射收支平衡、降低能见度，而且还参与云凝结核形成的微物理过程、加快SO2 的氧化速率；在随气团长距离传输过程中还可与其它人为污染气溶胶混合，形成横跨几大洲、垂直延伸数公里的大气棕色云，导致到达地面的太阳辐射减少。近年来由于人为活动不断加剧, 在人迹罕至的高山、海洋等地区均发现了黑碳的踪迹，不断增加的黑碳浓度影响了珠穆朗玛峰等高海拔地区积雪的反照率,加速了积雪溶化、冰川消融。在北极地区，过去30多年地表温度上升了1.5℃左右, 其中约70%的升温与硫酸盐气溶胶减少、黑碳气溶胶增多有关。另外，大气颗粒物对光的吸收很大程度上都是由黑碳和含有黑碳的颗粒引起的，它们减弱能见度的效率大约三倍于硫酸盐、硝酸盐或其他有机物质。

2、有机碳颗粒

有机碳气溶胶吸收太阳辐射能力弱、散射明显,在大气顶或地表都产生负的辐射强迫，因而它们对气候的影响主要是使地球变冷。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估 告指出, 来自化石燃料的有机碳气溶胶直接辐射强迫效应约为-0.05 W/m2。

生物气溶胶是一类特殊的有机碳颗粒，包括空气中的细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉、孢子等具有生命活性的微小粒子，它们通常附着在大气中的非生物颗粒上，有时单独悬浮于大气中。由于它们可以作为冰核和云凝结核，并可以改变其它凝结核（如有机气溶胶）的特性而影响云量，因而可间接影响全球气候变化，但对于影响的效果及作用机理目前尚无定论，需要深入研究。

3、硫酸盐和硝酸盐颗粒

大气中硫酸盐气溶胶对于短波基本上是完全散射的,且在近红外谱段吸收很小, 因而可反射更多的太阳辐射, 并使到达地面的太阳光与大气顶接受到的基本相近，因此，它在大气顶和近地面均产生负的辐射强迫,即具有致冷作用, 这种作用与温室气体的增暖作用相反。由于温室气体可存在几年到几百年, 且全球是均匀混合的, 而硫酸盐气溶胶的寿命只有几天到几周, 且分布不均，因此，虽然它具有抵消温室效应增暖的作用，但它对气候的影响方式与温室气体却有很大不同。硝酸盐气溶胶在可见光谱区基本上是非吸收的, 因而其地面的辐射强迫是负值，即硝酸盐颗粒对气候的总体效应也是致冷作用。

4、沙尘颗粒

沙尘颗粒是最主要的和最广泛分布的自然气溶胶类型，也是气候系统中最有效的成分之一，它以硅酸盐、氧化铁、石英等为主要成分,粒径变化范围较大。虽然不同成分和粒径的沙尘颗粒其辐射特性存在差别，但总的辐射效应是造成太阳辐射反射量的普遍增加，即沙尘过程具有明显的降温效应。基于对全球模式模拟结果的统计，全球沙尘颗粒的直接辐射强迫年均值在-0.6～0.4W/m2 之间,结果间的差异非常大,需要开展大量的相关研究工作来减小目前的不确定性。

5、海盐颗粒

海盐颗粒的主要成分为氯化钠和氯化镁等，具有很强的吸湿性，其上可凝集水蒸气形成水滴，继而聚集成云，云量增加一方面可以将更多的太阳热量反射回太空，另一方面可使下雨的概率增大，因而海盐颗粒对地表温度的总体影响应是降温作用。另外，海盐颗粒还是细菌、病毒和有机物质通过海-气界面传输的一个重要传播媒介。

五、颗粒物污染控制与温室气体减排

目前，世界各国都在积极应对大气颗粒物污染及气候变暖趋势，采取各种措施进行颗粒物污染控制与温室气体减排。大气颗粒物污染影响气候变化是毫无疑问的，但是与大气温室气体相比，要评估大气颗粒物的气候效应却困难得多，这不但因为大气颗粒物是由具有不同谱分布、形状、化学组成和光学性质的物质构成的，还由于它们浓度的时空变化可达几个数量级而且缺乏充分的观测资料。总的来说，大气颗粒物浓度的增加降低了空气质量并减少了到达地面的太阳辐射量，这种负的辐射强迫在决定地面温度、降水和蒸发中与温室气体增暖作用是相反的，因此，在考虑大气颗粒物控制措施及其气候后果时，需要同时考虑二氧化碳的减排。

总之，大气颗粒物与人类生存息息相关，减少大气颗粒物（尤其是细颗粒物）污染对于保护环境、提高人民生活质量、保障人体健康有非常重要的作用。虽然颗粒物浓度与成分的改变对全球气候变化也产生一定的影响（颗粒物致冷作用与温室气体增暖作用是相互抵消的），但是，就目前我国环境发展状况而言，制定严格的颗粒物污染控制措施、实现细颗粒物的有效减排是首要而迫切的任务。

* 通讯联系人：董川，男，教授/博导，研究方向：环境分析化学，. E-mail: dc@sxu.edu.cn

山西省自然科学基金资助项目（2011011009-2）；山西省回国留学基金资助项目（201005）