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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？
且聽復旦大學環境科學專家介紹——
臺風來了，天空清爽了；臺風走了，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，而是我們頭頂的天空，包圍著我們的大氣變了——長三角已成為中國的四大灰霾區之一，大氣顆粒物的增加使天空的能見度降低。
當沙塵暴來襲，當霧霾使哮喘、咳嗽增加，當我們關注到PM10、PM2.5的數值，說明我們對自己所生活的環境抱有了憂慮，開始了擔心。“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，還是得靠科學家進行扎實、長期的研究。
最近，復旦大學環境科學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，內部配備了各種類型的超凈工作臺。記者走訪了一些環境科學家，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值，希望政府拿出一個治理方案。但為了得到這個數值、拿出正確的方案，科學家必須進行長期、嚴謹的觀察、實驗、論證。在一團迷霧中探尋規律與真相，道路崎嶇坎坷，在這個探索的過程中，科學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首。
復旦大學環境科學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，需要凝結核。大氣中直徑在100-400納米的細微顆粒正好充當這一角色。同時，核化形成的小水滴繼續吸濕長大，并相互碰撞，形成更大的水滴，當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。假設水汽的量沒有改變，那么如果大氣中的顆粒物數量增加，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，當臺風形成時，由于有了更多的熱量、水汽，就會變得更加強大。近些年，大家都感覺臺風形成的數量雖略有減少，但實際上所形成的臺風規模、強度從總體上來看，都在變大。當這些攜帶更多水汽的大臺風登陸后，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，使洪澇災害更易發生。
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，科學家發現，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雜，每個小顆粒都如同一個微型反應器，不同化學成分的東西在上面發生反應，最終對氣候產生影響。“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，復旦環境系的科學家們自行設計實驗設備，挑戰大氣污染定量研究的難關。
2011年7月，復旦大學環境科學與工程系陳建民教授的成果“農業秸稈燃燒形成大氣污染的定量化研究”發表在國際環境科學頂級期刊《環境科學與技術》上。這項研究通過自行設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，基于我國2004年三種主要農作物秸稈（玉米、小麥、水稻）產量及燃燒比例情況，給出了秸稈燃燒排放的氣態污染物、顆粒物和多環芳烴及烷基多環芳烴的準確定量化排放特征。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：我國由于農業秸稈燃燒排放多環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-雨事件中多環芳烴的污染特征”作為封面文章發表在國際環境學科重要期刊《環境監測》上。課題組通過自行設計的霧水收集器對上海地區的霧水進行了收集，運用霧監測儀對霧過程進行了全程觀測。通過固相微萃取技術對霧水中多環芳烴等有機物污染物進行富集提取，氣相色譜-質譜聯用儀定性定量分析，得出了多環芳烴等有機污染物在霧過程中的分布規律。
“上海市區采集到的霧水，大多顏色較深，存在污染。”李想介紹，他們發現，霧水中可檢測到大量致癌致畸物——多環芳烴，其總量大概在每升0.03～6.67微克的范圍內，萘、蒽、菲等化合物占多環芳烴總量的80%左右。同時，研究還發現，上海大霧中的多環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，發現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，加之大氣層較為穩定，水平對流和垂直對流都比較弱，這種情況會導致污染物在空氣中短時間內大量聚集，污染加重，而且極易演變成災害性霧霾天氣。結果表明，大霧中致癌物多環芳烴雨前雨后的濃度相差近500倍。
跟李想博士走進實驗室，記者發現他們的實驗空間并不大，幾乎每一間房間都被儀器占據，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。
在復旦環境科學這個科研團隊里，研究大氣污染物對海洋的影響，是陳瑩教授的專業方向。今年6月，她剛帶著學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，沒有工業污染，同時四周海域水體干凈。
隨著大氣運動，內陸的沙塵暴、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，對生態環境造成影響。陳瑩告訴記者，東海海域約一半的營養鹽與大氣沉降有關，同時，這種污染物隨大氣轉移的研究，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。他們以花鳥島為據點，真正采海水培養，還要再雇船出海60公里。
為了實驗準確，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，影響實驗的準確性。陳瑩介紹，有國外科學家曾做過研究，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，在一片海域中持續補充鐵元素，結果該海域的生物量出現了顯著增長。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——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，他們發現了許多有趣的現象。比如，大氣污染物中的氮元素會引起水體的富營養化，不過不同形態的氮起的作用不同：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。“這說明不同形態的氮元素對水體富營養化的影響是不同的，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。當時他們發現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，繼續查找哪一種元素在里面起作用將是下一步工作目標。
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、完整的生態系統，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，還是因為抑制了某些生物，打破了生態平衡，而造成另一些生物數量增長？這都是需要進一步研究的課題。
在出海實驗中，陳瑩課題組還發現，污染源除了來自大陸的生物質燃燒、工業排放，港口的污染也不可小覷，而這點在國內似乎尚未被重視。在他們采樣過程中，發現了大量來自港口的污染物。另外，在來自生物質燃燒的氣溶膠中，他們還發現砷的含量偏高——可能由于土壤污染，使得生物體內的砷含量變高，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。這樣的循環最終還是會危及人類自身。
一個比較有趣的發現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到空氣中，也可能在岸上曬干結晶后，隨揚塵一起被海風卷入大氣——難怪海邊的空氣總是一股咸咸的味道。
地球上的物質循環，使全球變成一個整體。陳瑩認為，盡管現在的環境治理還以減少水體的直接污染源為主要目標，但科學的眼光應該放長遠一些，因為當直接污染源管住之后，大氣沉降污染就會成為主要源頭。“現在已經發現，太湖的大氣沉降帶來了1/3的營養鹽，在太湖水體的富營養化中，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，就得請河南的農民手下留情，別燃燒秸稈。”
當然，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生二次化學反應，導致光化學污染。而在空氣比較潔凈的美國，光化學污染的問題就比較嚴重——光化學反應會產生很多臭氧，而臭氧會對植物葉片表面、建筑物等造成損傷。如果中國的環境治理取得進展，在若干年后，我們也會遇到美國現在的問題。
關注健康 研究艱難
不管是PM2.5，還是PM10，人們關注大氣顆粒物，最集中的焦點還在于對健康的影響。可惜的是，在國內，這方面的研究還處在起步階段，因為難度實在太大。
國內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。復旦大學公共衛生學院的夏昭林教授是國家973項目子課題的負責人。
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，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，最好可以持續數年。
夏昭林教授的研究生郝延慧介紹，國外有關大氣污染物對健康影響的研究已經比較成熟，很多研究成果成為環境法案制定的重要參考。比如，英國有一發表在《新英格蘭醫學》雜志上的成果，科學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（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，一天走兩個小時，同時對研究人群所處環境中顆粒物濃度進行實時檢測。通過對照發現，行走在海德公園的志愿者肺功能指標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，是關于大氣污染對有基礎疾患的人群，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，對志愿者進行了1年的跟蹤。研究發現，到了冬季，大氣污染物增加時，會增加誘發這些慢性疾病的風險。夏昭林說，由于大氣顆粒物上會附著很多化學物質，如多環芳烴、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，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，現在中國老百姓的防備心理強大到過分的地步，對科學試驗背后的科學原理沒有理性認識，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研究氛圍基本成熟，公眾在獲悉研究的背景后，多數人愿意參與，為科學研究貢獻自己的力量。
盡管很難，夏昭林還是把國內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。“組織的志愿者幾乎全部都是我的高中同學、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5次；說服志愿者參加，相當不易。
為了研究準確，課題組必須選取來自同一地區、生活背景相似的人群，而且生活環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地檢測那里的大氣狀況。“我們發現一個很有意思的事。”他說，“當地的大氣顆粒物質量濃度比上海高很多，但成分完全不同。”當地的大氣顆粒物主要是揚塵，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境中活動，隔天做一系列上述體檢。“我們的確發現大氣污染物會對人體有不良影響，不過相關深入的檢測、統計數據還在處理中。”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注存在“一陣風”的問題，公眾健康意識的提升是我們公共衛生領域始終關注的要點，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，利用公眾跟風心態進行商業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，就應該讓科學家認真、仔細、踏實地開展研究，對一系列問題進行科學評估。而科學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支撐。同時，對于相關科研，尤其涉及到大范圍人群的長期跟蹤的研究，還應該拿出足夠的信任與支持，協助相關科研的推進，只有各方的積極配合協作，才能盡快盡早使得顆粒物研究步入正規高效的研究途徑，進而制定一套提供科學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。
原文來源：http://www.hfftr.cn/
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