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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(huì)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(shí)的藍(lán)天,在今天的上海,似乎并不容易。不僅僅因?yàn)橥娴男木骋讶?,而是我們頭頂?shù)奶炜?,包圍著我們的大氣變?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(huì)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(jìn)行扎實(shí)、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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)普通人來說,我們需要的只是一個(gè)數(shù)值,希望政府拿出一個(gè)治理方案。但為了得到這個(gè)數(shù)值、拿出正確的方案,科學(xué)家必須進(jìn)行長期、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠^察、實(shí)驗(yàn)、論證。在一團(tuán)迷霧中探尋規(guī)律與真相,道路崎嶇坎坷,在這個(gè)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(xì)柔、給人細(xì)膩體貼感的如絲小雨怎會(huì)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(jìn)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(xì)微顆粒正好充當(dāng)這一角色。同時(shí),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(shí),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(huì)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(jìn)了更多的小車?yán)?,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(huì)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(shí),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)??隙ň蜁?huì)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(huì)使它在遇到臺風(fēng)時(shí),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(shí),由于有了更多的熱量、水汽,就會(huì)變得更加強(qiáng)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(shí)際上所形成的臺風(fēng)規(guī)模、強(qiáng)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(rèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒這么簡單。成天濤說,城市上空的污染物成分復(fù)雜,每個(gè)小顆粒都如同一個(gè)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(shí)候會(huì)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(tuán),復(fù)旦環(huán)境系的科學(xué)家們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究通過自行設(shè)計(jì)研制的大型氣溶膠煙霧箱、專用燃燒爐和先進(jìn)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(shí),陳建民課題組的研究對排放強(qiáng)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(qiáng)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(jì)的霧水收集器對上海地區(qū)的霧水進(jìn)行了收集,運(yùn)用霧監(jiān)測儀對霧過程進(jìn)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(jī)物污染物進(jìn)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(jī)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(shí),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(jìn)行了深入分析,發(fā)現(xiàn)霧雨沉降作用確實(shí)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(shí)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(huì)導(dǎo)致污染物在空氣中短時(shí)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室,記者發(fā)現(xiàn)他們的實(shí)驗(yàn)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(gè)平方米大小。“為了收集大氣、雨水、霧等樣品,我們把實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)了。
在復(fù)旦環(huán)境科學(xué)這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)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(gè)月,進(jìn)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(shí)四周海域水體干凈。
隨著大氣運(yùn)動(dòng),內(nèi)陸的沙塵暴、城市中人為污染物都會(huì)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(shí),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(gè)重要污染源。不過,要說出一個(gè)所以然,還得靠仔細(xì)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(shí)驗(yàn)的最佳時(shí)段。這個(gè)時(shí)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(shí)海水水溫也較溫暖,浮游生物生長較快,適合做培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。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(diǎn),真正采海水培養(yǎng),還要再雇船出海60公里。
為了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確,他們必須得雇木船。因?yàn)殍F皮船會(huì)給周圍海水帶來更多的鐵元素,影響實(shí)驗(yàn)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(jì)算出的小很多,其原因之一可能是因?yàn)槿狈﹁F元素——因?yàn)殍F離子一進(jìn)入堿性的海水中,就會(huì)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(shí)驗(yàn),在一片海域中持續(xù)補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(huì)影響到微生物的生長。這都得靠他們臨時(shí)搭建起的簡易實(shí)驗(yàn)室來完成,其中還包括一個(gè)100克拉斯的超凈工作臺。
陳瑩說,通過幾年出海實(shí)驗(yàn),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(huì)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(huì)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(jìn)行控制。”她說。
她曾經(jīng)在紅海做過類似的實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(huì)抑制藻類的生長。”她認(rèn)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(gè)個(gè)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?yàn)樘峁┝祟~外的營養(yǎng),還是因?yàn)橐种屏四承┥?,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(jìn)一步研究的課題。
在出海實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)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(huì)危及人類自身。
一個(gè)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(yáng)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(gè)整體。陳瑩認(rèn)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(yuǎn)一些,因?yàn)楫?dāng)直接污染源管住之后,大氣沉降污染就會(huì)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(rèn)為,由于河流水體在入海時(shí),一般會(huì)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(jī)往下灑東西,真是無可阻擋。如果人為污染物會(huì)促進(jìn)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(xiàn)。“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(yán)重,是我們治理的重點(diǎn)。不過灰霾多,使太陽光照減弱,那么進(jìn)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(yán)重——光化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很多臭氧,而臭氧會(huì)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(jìn)展,在若干年后,我們也會(huì)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(diǎn)還在于對健康的影響??上У氖?,在國內(nèi),這方面的研究還處在起步階段,因?yàn)殡y度實(shí)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(jìn)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(xiàng)目子課題的負(fù)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(huì)有影響。這就需要對某一固定人群進(jìn)行跟蹤研究,如間隔半個(gè)月檢查一次;甚至每個(gè)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(gè)小時(shí)休息一次,測量心肺功能、化驗(yàn)一系列血液指標(biāo),一天走兩個(gè)小時(shí),同時(shí)對研究人群所處環(huán)境中顆粒物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí),與輕度哮喘患者相比,重度哮喘患者對環(huán)境中細(xì)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(xiàn)報(bào)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(gè)研究選取了一個(gè)社區(qū),對志愿者進(jìn)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(shí),會(huì)增加誘發(fā)這些慢性疾病的風(fēng)險(xiǎn)。夏昭林說,由于大氣顆粒物上會(huì)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(xiǎn)因子,有的具有致癌作用,有的會(huì)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(qiáng)大到過分的地步,對科學(xué)試驗(yàn)背后的科學(xué)原理沒有理性認(rèn)識,總是怕別人在傷害自己,或者就赤裸裸地提出很高的價(jià)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(xiàn)自己的力量。
盡管很難,夏昭林還是把國內(nèi)首個(gè)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(dòng)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(gè)體。”夏昭林說,這也頗費(fèi)了一番功夫,因?yàn)樵谡麄€(gè)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(dá)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(gè)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(yáng)塵,顆粒比較大,但成分也相對簡單,附著有機(jī)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(dòng),隔天做一系列上述體檢。“我們的確發(fā)現(xiàn)大氣污染物會(huì)對人體有不良影響,不過相關(guān)深入的檢測、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還在處理中。”郝延慧說,再過一段時(shí)間將會(huì)通過論文公布研究結(jié)果。
目前公認(rèn)針對一個(gè)具體的個(gè)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(rèn)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(diǎn),但是需要理性認(rèn)識個(gè)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(hù)健康名義,利用公眾跟風(fēng)心態(tài)進(jìn)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(gè)真實(shí)、詳盡的答案,就應(yīng)該讓科學(xué)家認(rèn)真、仔細(xì)、踏實(shí)地開展研究,對一系列問題進(jìn)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(shí),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(jìn),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(jìn)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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