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PM2.5的研究離不開超凈工作臺

許琦敏
PM2.5、PM10這些我們越來越熟悉的大氣顆粒物的增加，對人體健康短期和長期的危害又會如何？超凈工作臺又是如何在PM2.5里面的使用呢？

且聽復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)專家介紹——

　　臺風(fēng)來了，天空清爽了；臺風(fēng)走了，天空又變得黯淡。想看一眼兒時的藍天，在今天的上海，似乎并不容易。不僅僅因為童真的心境已去，而是我們頭頂?shù)奶炜眨鼑覀兊拇髿庾兞?mdash;—長三角已成為中國的四大灰霾區(qū)之一，大氣顆粒物的增加使天空的能見度降低。

　　當(dāng)沙塵暴來襲，當(dāng)霧霾使哮喘、咳嗽增加，當(dāng)我們關(guān)注到PM10、PM2.5的數(shù)值，說明我們對自己所生活的環(huán)境抱有了憂慮，開始了擔(dān)心。“我們的大氣到底怎么會變成這樣？”“我們該怎么辦？”要回答這樣的問題，還是得靠科學(xué)家進行扎實、長期的研究。

　　最近，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系正在牽頭成立上海市大氣顆粒物污染防治重點實驗室，內(nèi)部配備了各種類型的超凈工作臺。記者走訪了一些環(huán)境科學(xué)家，了解大氣顆粒物污染的科研過程，并選取部分介紹給讀者。

　　或許，對于一個普通人來說，我們需要的只是一個數(shù)值，希望政府拿出一個治理方案。但為了得到這個數(shù)值、拿出正確的方案，科學(xué)家必須進行長期、嚴謹?shù)挠^察、實驗、論證。在一團迷霧中探尋規(guī)律與真相，道路崎嶇坎坷，在這個探索的過程中，科學(xué)家們也渴望著公眾的理解與支持。

　　上海話中有“毛毛雨”一詞，專門用來形容微雨的天氣。秋雨初歇，春雨游絲，毛毛雨在上海曾是常見的天氣，也是江南煙雨美景中的重要一筆。

　　可是，最近十幾年來，毛毛雨在上海越來越少見。取而代之的不是悶熱潮濕，就是滂沱暴雨。那輕微細柔、給人細膩體貼感的如絲小雨怎會不見了？大氣顆粒物增加是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

　　復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授成天濤的研究方向是大氣顆粒物對氣候的影響，他向記者進行了一番解釋。

　　眾所周知，空氣中的水汽要變成水滴，需要凝結(jié)核。大氣中直徑在100-400納米的細微顆粒正好充當(dāng)這一角色。同時，核化形成的小水滴繼續(xù)吸濕長大，并相互碰撞，形成更大的水滴，當(dāng)這些水滴重到空氣浮力承受不住時，沖破云層，從天上掉下來，變成雨水。

　　如果把大氣顆粒物看作小車，水汽看成貨物，我們就會明白，毛毛雨是如何離開上海的。假設(shè)水汽的量沒有改變，那么如果大氣中的顆粒物數(shù)量增加，就像同樣多的貨物，被分別裝載進了更多的小車里，那么車輛“超載”的可能性就變小了，水汽也就被顆粒物“托”在了空中，無法掉下地面，形成降雨。如果大氣中顆粒物比較少，那么即使不多的水汽，只要遇冷，也很容易使不多的顆粒物“超載”，就會變成若有若無的毛毛雨了。

　　這同樣可以解釋為何城市中遭遇暴雨、大暴雨，甚至特大暴雨的幾率，比以前增加了。顆粒物增多后，能托住更多水汽，使下雨變得困難。與此同時，一旦水汽不斷增加，比如夏日午后大量水汽不斷蒸發(fā)到天空中，那么一旦水汽使這么多顆粒物都“超載”，這場雨的規(guī)模肯定就會變大——如果以前的“傾盆大雨”，空中只有十億只“小盆子”打翻，那現(xiàn)在無疑是打翻了幾十億、上百億只“小盆子”。

　　成天濤介紹，在全球變暖的背景下，城市大氣顆粒物增加，也會使它在遇到臺風(fēng)時，遭遇更大的降雨侵襲。

　　氣溫升高，大氣中就能夠容納更多的水蒸氣，當(dāng)臺風(fēng)形成時，由于有了更多的熱量、水汽，就會變得更加強大。近些年，大家都感覺臺風(fēng)形成的數(shù)量雖略有減少，但實際上所形成的臺風(fēng)規(guī)模、強度從總體上來看，都在變大。當(dāng)這些攜帶更多水汽的大臺風(fēng)登陸后，碰到滿是塵霾的大氣，很容易使那些大氣顆粒物迅速“超載”，然后降下滂沱大雨，使洪澇災(zāi)害更易發(fā)生。

　　然而，在某些地方，由于空氣中的顆粒物增加，“托”住了水汽，反而使降雨減少，干旱加劇。成天濤認為，如今各種極端氣候事件發(fā)生頻率增加，大氣顆粒物在其中也起了推波助瀾的作用。

　　不過，通過對大氣污染顆粒物的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，問題還遠遠沒這么簡單。成天濤說，城市上空的污染物成分復(fù)雜，每個小顆粒都如同一個微型反應(yīng)器，不同化學(xué)成分的東西在上面發(fā)生反應(yīng)，最終對氣候產(chǎn)生影響。“大氣顆粒有時候會散射或吸收陽光，使近地面的能見度降低，又有降溫作用——既可以緩解升溫過程，又容易形成霧霾，為加劇空氣污染推波助瀾。”

　　為了解開這些藏在大氣中的污染謎團，復(fù)旦環(huán)境系的科學(xué)家們自行設(shè)計實驗設(shè)備，挑戰(zhàn)大氣污染定量研究的難關(guān)。

　　2011年7月，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系陳建民教授的成果“農(nóng)業(yè)秸稈燃燒形成大氣污染的定量化研究”發(fā)表在國際環(huán)境科學(xué)頂級期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》上。這項研究通過自行設(shè)計研制的大型氣溶膠煙霧箱、專用燃燒爐和先進的表征大氣顆粒物等測量系統(tǒng)，基于我國2004年三種主要農(nóng)作物秸稈（玉米、小麥、水稻）產(chǎn)量及燃燒比例情況，給出了秸稈燃燒排放的氣態(tài)污染物、顆粒物和多環(huán)芳烴及烷基多環(huán)芳烴的準(zhǔn)確定量化排放特征。同時，陳建民課題組的研究對排放強度地理分布的分析表明：我國由于農(nóng)業(yè)秸稈燃燒排放多環(huán)芳烴最多的為河南省，顆粒物排放強度最大的是山東省。

　　同年11月，陳建民教授課題組李想博士的成果“霧-雨事件中多環(huán)芳烴的污染特征”作為封面文章發(fā)表在國際環(huán)境學(xué)科重要期刊《環(huán)境監(jiān)測》上。課題組通過自行設(shè)計的霧水收集器對上海地區(qū)的霧水進行了收集，運用霧監(jiān)測儀對霧過程進行了全程觀測。通過固相微萃取技術(shù)對霧水中多環(huán)芳烴等有機物污染物進行富集提取，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀定性定量分析，得出了多環(huán)芳烴等有機污染物在霧過程中的分布規(guī)律。

　　“上海市區(qū)采集到的霧水，大多顏色較深，存在污染。”李想介紹，他們發(fā)現(xiàn)，霧水中可檢測到大量致癌致畸物——多環(huán)芳烴，其總量大概在每升0.03～6.67微克的范圍內(nèi)，萘、蒽、菲等化合物占多環(huán)芳烴總量的80%左右。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，上海大霧中的多環(huán)芳烴多來自本地化石燃料的燃燒。

　　課題組還針對霧-雨過程進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)霧雨沉降作用確實能降低空氣中的污染物濃度，但是由于上海汽車尾氣和工業(yè)廢氣的排放量大，加之起霧或下雨的時候空氣濕度大，加之大氣層較為穩(wěn)定，水平對流和垂直對流都比較弱，這種情況會導(dǎo)致污染物在空氣中短時間內(nèi)大量聚集，污染加重，而且極易演變成災(zāi)害性霧霾天氣。結(jié)果表明，大霧中致癌物多環(huán)芳烴雨前雨后的濃度相差近500倍。

　　跟李想博士走進實驗室，記者發(fā)現(xiàn)他們的實驗空間并不大，幾乎每一間房間都被儀器占據(jù)，而老師們的辦公空間差不多就是一桌、一椅、一電腦那幾個平方米大小。“為了收集大氣、雨水、霧等樣品，我們把實驗裝置架到了教學(xué)樓頂。”他解釋，這既充分利用了空間，又方便老師采集樣品。而有些做大氣污染物對海洋影響的老師，就不得不定期出海，在野外采樣、實驗了。

　　在復(fù)旦環(huán)境科學(xué)這個科研團隊里，研究大氣污染物對海洋的影響，是陳瑩教授的專業(yè)方向。今年6月，她剛帶著學(xué)生在浙江嵊泗的花鳥島上駐扎了約半個月，進行野外研究。

　　花鳥島位于北緯33.5°、東經(jīng)122.4°，面積3.28平方公里，在嵊泗縣的最北面，與上海相距約70公里。這里本地居民靠捕魚為生，沒有工業(yè)污染，同時四周海域水體干凈。

　　隨著大氣運動，內(nèi)陸的沙塵暴、城市中人為污染物都會飄到海洋上，隨著下雨、自然沉降，落到海水中，對生態(tài)環(huán)境造成影響。陳瑩告訴記者，東海海域約一半的營養(yǎng)鹽與大氣沉降有關(guān)，同時，這種污染物隨大氣轉(zhuǎn)移的研究，不僅適用于海洋，對于湖泊的污染治理也十分重要。比如，除去污水排放，大氣沉降很可能是太湖的又一個重要污染源。不過，要說出一個所以然，還得靠仔細的研究。

　　每年的5月底到6月，是課題組出海做大型培養(yǎng)實驗的最佳時段。這個時候海上的氣溶膠中，既有春天沙塵暴帶來的污染物，又有來自城市的人為污染物，同時海水水溫也較溫暖，浮游生物生長較快，適合做培養(yǎng)實驗。陳瑩告訴記者，要研究海洋氣溶膠，距離大陸最好在100公里以上。他們以花鳥島為據(jù)點，真正采海水培養(yǎng)，還要再雇船出海60公里。

　　為了實驗準(zhǔn)確，他們必須得雇木船。因為鐵皮船會給周圍海水帶來更多的鐵元素，影響實驗的準(zhǔn)確性。陳瑩介紹，有國外科學(xué)家曾做過研究，海洋承載的生物量似乎比理論計算出的小很多，其原因之一可能是因為缺乏鐵元素——因為鐵離子一進入堿性的海水中，就會沉淀，難以被海洋生物吸收利用。而海洋生物利用的鐵，可能主要來源于大氣沉降。有人做過實驗，在一片海域中持續(xù)補充鐵元素，結(jié)果該海域的生物量出現(xiàn)了顯著增長。雇木船就是為了避免鐵皮船給采樣海域帶去額外的“鐵肥料”，影響實驗的準(zhǔn)確性。

　　在海上，他們要取100多瓶水樣，再分別往水樣中加入不同的金屬離子、污染物，然后放在自然的海水中培養(yǎng)——溫度、鹽度、水體的搖擺都保持一致，這都會影響到微生物的生長。這都得靠他們臨時搭建起的簡易實驗室來完成，其中還包括一個100克拉斯的超凈工作臺。

　　陳瑩說，通過幾年出海實驗，他們發(fā)現(xiàn)了許多有趣的現(xiàn)象。比如，大氣污染物中的氮元素會引起水體的富營養(yǎng)化，不過不同形態(tài)的氮起的作用不同：在加入氨氮的水中，浮游生物的量會立刻顯著上升；但加入硝態(tài)氮的水體，一開始生物量上升不明顯，到后期才逐漸上升。“這說明不同形態(tài)的氮元素對水體富營養(yǎng)化的影響是不同的，要控制水體污染，必須對總氮量進行控制。”她說。

　　她曾經(jīng)在紅海做過類似的實驗。紅海有來自撒哈拉沙漠的氣溶膠，也有來自歐洲的人為污染氣溶膠。當(dāng)時他們發(fā)現(xiàn)了沙塵氣溶膠抑制了藻類生長。“可能來自沙漠的氣溶膠中金屬含量比較高，會抑制藻類的生長。”她認為，繼續(xù)查找哪一種元素在里面起作用將是下一步工作目標(biāo)。

　　另外，對人為污染氣溶膠的研究也需要深入。由于取上來的海水樣品都是一個個小小的、完整的生態(tài)系統(tǒng)，里面生活著各種微生物。人為氣溶膠所造成的“繁榮”是因為提供了額外的營養(yǎng)，還是因為抑制了某些生物，打破了生態(tài)平衡，而造成另一些生物數(shù)量增長？這都是需要進一步研究的課題。

　　在出海實驗中，陳瑩課題組還發(fā)現(xiàn)，污染源除了來自大陸的生物質(zhì)燃燒、工業(yè)排放，港口的污染也不可小覷，而這點在國內(nèi)似乎尚未被重視。在他們采樣過程中，發(fā)現(xiàn)了大量來自港口的污染物。另外，在來自生物質(zhì)燃燒的氣溶膠中，他們還發(fā)現(xiàn)砷的含量偏高——可能由于土壤污染，使得生物體內(nèi)的砷含量變高，又通過燃燒進入到大氣中，最終落到海洋水體里，再富集到魚類身體里。這樣的循環(huán)最終還是會危及人類自身。

　　一個比較有趣的發(fā)現(xiàn)是海鹽也在來自自然界的氣溶膠中存在，大約是沙塵量的1/4-1/3。她解釋，這些海鹽可能隨海水揮發(fā)到空氣中，也可能在岸上曬干結(jié)晶后，隨揚塵一起被海風(fēng)卷入大氣——難怪海邊的空氣總是一股咸咸的味道。

　　地球上的物質(zhì)循環(huán)，使全球變成一個整體。陳瑩認為，盡管現(xiàn)在的環(huán)境治理還以減少水體的直接污染源為主要目標(biāo)，但科學(xué)的眼光應(yīng)該放長遠一些，因為當(dāng)直接污染源管住之后，大氣沉降污染就會成為主要源頭。“現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，太湖的大氣沉降帶來了1/3的營養(yǎng)鹽，在太湖水體的富營養(yǎng)化中，起到了重要作用。”她認為，由于河流水體在入海時，一般會經(jīng)過三角洲的濕地過濾，能夠阻擋一部分污染物入海，但污染物通過大氣沉降入海，就好比坐著飛機往下灑東西，真是無可阻擋。如果人為污染物會促進浮游生物生長，那么我國沿海頻發(fā)的赤潮就可能有它們的貢獻。“或許福建漁民要防赤潮，就得請河南的農(nóng)民手下留情，別燃燒秸稈。”

　　當(dāng)然，污染治理永無止境。陳瑩說，如今中國的灰霾比較嚴重，是我們治理的重點。不過灰霾多，使太陽光照減弱，那么進入大氣的污染物就不容易發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致光化學(xué)污染。而在空氣比較潔凈的美國，光化學(xué)污染的問題就比較嚴重——光化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生很多臭氧，而臭氧會對植物葉片表面、建筑物等造成損傷。如果中國的環(huán)境治理取得進展，在若干年后，我們也會遇到美國現(xiàn)在的問題。

關(guān)注健康 研究艱難

　　不管是PM2.5，還是PM10，人們關(guān)注大氣顆粒物，最集中的焦點還在于對健康的影響。可惜的是，在國內(nèi)，這方面的研究還處在起步階段，因為難度實在太大。

　　國內(nèi)首批針對空氣污染物對人群健康影響的固定群組研究，去年剛開始進行。復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的夏昭林教授是國家973項目子課題的負責(zé)人。

　　他告訴記者，首先，大氣顆粒物對健康的影響分為短期和長期兩種，短期的比如從某地來到本地，由于大氣顆粒污染物濃度高，可能有急性反應(yīng)，如肺功能抑制、氣管刺激等等；長期則可能對糖尿病、心臟病等代謝性疾病會有影響。這就需要對某一固定人群進行跟蹤研究，如間隔半個月檢查一次；甚至每個季度一次長期追蹤研究，最好可以持續(xù)數(shù)年。

　　夏昭林教授的研究生郝延慧介紹，國外有關(guān)大氣污染物對健康影響的研究已經(jīng)比較成熟，很多研究成果成為環(huán)境法案制定的重要參考。比如，英國有一發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學(xué)》雜志上的成果，科學(xué)家組織了具有輕中程度不一的哮喘病史的兩組志愿者，一組在倫敦鬧市區(qū)（牛津大街）的道路上走，另一組在海德公園的林蔭道上走。兩組志愿者每走半個小時休息一次，測量心肺功能、化驗一系列血液指標(biāo)，一天走兩個小時，同時對研究人群所處環(huán)境中顆粒物濃度進行實時檢測。通過對照發(fā)現(xiàn)，行走在海德公園的志愿者肺功能指標(biāo)下降程度顯著高于行走在牛津大街的志愿者；同時，與輕度哮喘患者相比，重度哮喘患者對環(huán)境中細顆粒物和炭黑粒子較輕度哮喘患者更加敏感。

　　此外，還有文獻報道，是關(guān)于大氣污染對有基礎(chǔ)疾患的人群，例如糖尿病、肥胖、高血壓病人的影響。這個研究選取了一個社區(qū)，對志愿者進行了1年的跟蹤。研究發(fā)現(xiàn)，到了冬季，大氣污染物增加時，會增加誘發(fā)這些慢性疾病的風(fēng)險。夏昭林說，由于大氣顆粒物上會附著很多化學(xué)物質(zhì)，如多環(huán)芳烴、重金屬、微生物等危險因子，有的具有致癌作用，有的會引起炎癥反應(yīng)，的確對慢性疾病不利。而且，慢性疾病人群本身就可能對空氣中顆粒物更加敏感。

　　國內(nèi)做類似人群研究十分困難，夏昭林說，首先招收志愿者就是一大難題。他感覺，現(xiàn)在中國老百姓的防備心理強大到過分的地步，對科學(xué)試驗背后的科學(xué)原理沒有理性認識，總是怕別人在傷害自己，或者就赤裸裸地提出很高的價格，而國外人群流行病學(xué)研究氛圍基本成熟，公眾在獲悉研究的背景后，多數(shù)人愿意參與，為科學(xué)研究貢獻自己的力量。

　　盡管很難，夏昭林還是把國內(nèi)首個固定群組的大氣污染物研究開展了起來。這次，他選定的目標(biāo)是50-60歲的健康人群，研究對短期空氣顆粒物濃度波動化的反應(yīng)。“組織的志愿者幾乎全部都是我的高中同學(xué)、朋友，以及朋友的朋友中甄選出的健康個體。”夏昭林說，這也頗費了一番功夫，因為在整個采樣過程中，需要隔天抽血、留尿，做一系列心肺功能檢查，長達10余天，連續(xù)5次；說服志愿者參加，相當(dāng)不易。

　　為了研究準(zhǔn)確，課題組必須選取來自同一地區(qū)、生活背景相似的人群，而且生活環(huán)境要與上海有比較明顯的差異。志愿者來自于山東的某縣城，在志愿者來上海之前，夏昭林先要帶著課題組去當(dāng)?shù)貦z測那里的大氣狀況。“我們發(fā)現(xiàn)一個很有意思的事。”他說，“當(dāng)?shù)氐拇髿忸w粒物質(zhì)量濃度比上海高很多，但成分完全不同。”當(dāng)?shù)氐拇髿忸w粒物主要是揚塵，顆粒比較大，但成分也相對簡單，附著有機污染物較少。來到上海之后，課題組安排志愿者每天到不同的環(huán)境中活動，隔天做一系列上述體檢。“我們的確發(fā)現(xiàn)大氣污染物會對人體有不良影響，不過相關(guān)深入的檢測、統(tǒng)計數(shù)據(jù)還在處理中。”郝延慧說，再過一段時間將會通過論文公布研究結(jié)果。

　　目前公認針對一個具體的個體而言，所謂PM2.5對健康造成的影響，可能還沒有吸煙來得大。郝延慧認為，公眾對于大氣污染物的關(guān)注存在“一陣風(fēng)”的問題，公眾健康意識的提升是我們公共衛(wèi)生領(lǐng)域始終關(guān)注的要點，但是需要理性認識個體自身的健康管理。而以此為題材的炒作，背后可能隱含著打著維護健康名義，利用公眾跟風(fēng)心態(tài)進行商業(yè)炒作的某些廠家的利益。如果公眾真的希望得到一個真實、詳盡的答案，就應(yīng)該讓科學(xué)家認真、仔細、踏實地開展研究，對一系列問題進行科學(xué)評估。而科學(xué)家也需要做出一系列研究，為政府制定合理的政策提供科學(xué)支撐。同時，對于相關(guān)科研，尤其涉及到大范圍人群的長期跟蹤的研究，還應(yīng)該拿出足夠的信任與支持，協(xié)助相關(guān)科研的推進，只有各方的積極配合協(xié)作，才能盡快盡早使得顆粒物研究步入正規(guī)高效的研究途徑，進而制定一套提供科學(xué)有效的對付顆粒物的“組合拳”，為保障享有健康清潔家園，還需你我攜手共筑。

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