PAGE室內顆粒物的健康危害與研究對策摘要：分別從流行病學、毒理學及污染控制三方面綜述了顆粒物對人體健康的影響水平、致病機理及改善策略等領域的研究成果與進展。流行病學研究顆粒物污染的短（長）期暴露與人體急（慢）性健康反應之間的關系，結果表明顆粒物濃度與健康反應之間呈明顯的線性關系。毒理學研究表明：粒徑大小與化學組分是顆粒物毒性的主要因素；顆粒物進入人體后能夠產生活性氧，然后通過氧化應激作用對人體細胞造成損傷與基因破壞，導致疾病與癌癥。降低顆粒污染物濃度能夠顯著提高身體健康水平甚至延長生命，但需要付出巨大的經濟利益，經濟有效的顆粒物污染控制策略成為研究熱點。關鍵詞：顆粒物空氣污染流行病學毒理學污染控制引言“探索空氣污染與人類疾病之間的關系是十年來最大的一場環(huán)境戰(zhàn)爭KaiserJ．Showdownovercleanairscience．Science277(1997)：466-469[1]。特別是空氣中的懸浮顆粒物PM(particulatematter)由于能夠進入人體呼吸系統(tǒng)甚至穿透肺泡進入血液循環(huán)影響心臟與大腦等人體重要器官，對我們的生命與健康構成嚴重威脅。近年來，越來越多的科學研究表明顆粒物污染與人類疾病的發(fā)病率及死亡率之間具有很強的相關性[2-3]。顆粒物對人體健康危害程度遠超出我們的理解與認識。顆粒物不僅能導致呼吸系統(tǒng)與心腦血管疾病，而且能夠影響內分泌系統(tǒng)、人體免疫系統(tǒng)、中樞神經系統(tǒng)等[4]；顆粒物不僅導致疾病的發(fā)生與加重甚至導致死亡，而且能夠使基因變異導致癌癥；長期顆粒物污染暴露不僅嚴重影響我們的健康水平，而且能夠縮短我們的壽命[5]；顆粒物不僅影響暴露人群的身體健康，而且影響胎兒發(fā)育導致出生缺陷，甚至降低人類的生育能力導致不孕不育[6]；顆粒物不僅在高濃度時對人體健康產生不利影響，而且能在很低濃度時對人體健康產生危害。目前，顆粒物對人群健康的影響評價基本上都是基于大氣環(huán)境中顆粒物濃度的，即濃度與健康反應關系（concentration-response），但實際上人們的健康反應應該與暴露環(huán)境的顆粒物毒性與濃度及暴露時間更相關，即暴露與健康反應關系（exposure-response）。由于人們一生中90%左右的時間都是在室內度過的（暴露時間長）；另一方面，室內污染程度遠比室外嚴重（暴露環(huán)境顆粒物濃度高）；另外，室內顆粒物的粒徑更?。ū┞董h(huán)境顆粒物毒性更強），因此室內環(huán)境中顆粒物對人體健康有更直接更嚴重的影響[7-8]?；谏鲜鲈?，近年來，顆粒物的研究重點開始轉移：（1）粗顆粒物→細顆粒物；（2）室外→室內。針對顆粒物對人體健康的影響，人們普遍關注的問題主要集中在以下三方面：顆粒物對人們身體健康或壽命的影響有多大？或者程度如何？顆粒物是如何對人體健康產生影響的？或者說顆粒物的致病機理是怎樣的？如何降低顆粒污染物濃度提高人們的身體健康水平？本文將圍繞上述三個問題討論近年來在顆粒物健康效應研究領域的主要方法與成果。首先是流行病學研究范疇——從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，即調查、統(tǒng)計與分析顆粒物濃度變化與人體健康反應之間是否存在相關性。其次是毒理學研究范疇——解釋現(xiàn)象背后的原因（回答問題）。最后是探索解決問題的方案、途徑與方法。1流行病學研究流行病學是研究顆粒物濃度水平與人類疾病（特別是呼吸系統(tǒng)、心腦血管等相關疾?。┑陌l(fā)病率及死亡率之間的相關性。研究方法分為兩類[9]：時間序列法（time-seriesanalyses）——研究空氣污染的短期（short-term）暴露導致的急性健康反應（acuteeffect）。該方法是針對固定的區(qū)域，通過監(jiān)測該區(qū)域每天的顆粒物濃度水平，同時統(tǒng)計當日人群的疾病發(fā)病率與死亡率，然后進行回歸分析。隊列分析法（cohortstudies）——研究空氣污染的長期（long-term）作用導致的慢性健康效應（chroniceffect）。該方法是針對某一固定人群，首先根據個體暴露于大氣污染的程度將人群分組，然后測量和比較這些人群組的疾病發(fā)病率和死亡率。時間序列法比較容易開展，應用較為廣泛，但因其結果不能客觀反映顆粒物對人體健康的實質性影響而受到很大的質疑。由于人們的健康反應往往是一個長期的過程，既有目前顆粒物的影響也有過去顆粒物的作用，因此隊列分析法更能反映顆粒物對人體健康的綜合作用與影響。但是，隊列分析法研究周期長，人力物力投入巨大，因此目前研究非常缺乏，也是今后研究的重點與發(fā)展方向。圖圖1.PM10短期暴露濃度與疾病死亡率之間關系[12]表1.短期顆粒物暴露導致的死亡風險增加百分率StudyReferencesExposureincrementPercentincreasesinrelativeriskofmortality(95%CI)AllcausesCardiovascularRespiratoryUS20CitiesSametetal.2000[3]10μg/m3PM100.51(0.07-0.93)0.68(0.2-1.16)0.68(0.2-1.16)EuropeancitiesAndersonetal.2004[11]10μg/m3PM100.6(0.4-0.8)0.9(0.5-1.3)1.3(0.5-2.0)US9CitiesOstroetal.2006[12]10μg/m3PM2.50.6(0.2-1.0)0.6(0.0-1.1)2.2(0.6-3.9)US204CountiesDominicietal.2006[4]10μg/m3PM2.5–1.28(0.78-1.78)0.9(0.2-1.76)表2.長期顆粒物暴露導致的死亡風險增加百分率StudyReferencesExposureincrementAllcausesCardiopulmonaryLungCancerHarvard6CitiesDockeryetal.1993[5]10μg/m3PM2.513(4.2,23)18(6.0,32)18(-11,57)AmericanCancerSociety(ACS)Popeetal.2002[13]10μg/m3PM2.56.2(1.6,11)9.3(3.3,16)13.5(4.4,23)McDonnelletal.2000[14]10μg/m3PM105.1(-2,14)16.3(-2.4,45)28.5(-14,158)10μg/m3PM2.58.5(-2.3,21)23(-3,55)39(-21,150)通過上述流行病學研究，我們可以得到顆粒物暴露濃度與健康反應之間關系曲線（concentration-response），如圖1所示是根據時間序列法對歐洲22個城市的短期顆粒物暴露研究得到的PM10濃度變化與死亡變化率之間的關系[12]。近年來的流行病學研究結果(如圖1)均表明:(1)顆粒物暴露濃度與健康反應之間具有明顯的線性關系，即顆粒物濃度的線性增加或降低將導致疾病發(fā)病率與死亡率的線性增加或降低；（2）顆粒物在很低濃度時仍具有健康效應，即不存在閾值濃度——不導致健康反應的最低濃度。顆粒物暴露濃度與健康反應關系為公共健康評價、預測顆粒物濃度增加或降低帶來的健康效應、制定國家環(huán)境空氣質量標準提供重要的科學參考與依據。根據顆粒物濃度與健康反應之間的線性變化規(guī)律，我們通常采用關系曲線的斜率——暴露濃度每增加10μg/m3的死亡增加率——來進行直觀地比較、分析與計算顆粒物暴露濃度對健康反應的影響程度，如表1與表2分別統(tǒng)計了近年來美國及歐洲城市的顆粒物短期與長期暴露的死亡風險增加百分率。Anderson等[13]對歐洲29個國家的短期顆粒物暴露健康反應進行時間序列分析表明，PM10質量濃度每升高10μg/m3，所有病因導致的病死率提高0.6%，其中心血管病死率提高0.9%，呼吸系統(tǒng)疾病病死率提高1.3%。美國癌癥協(xié)會ACS[15]對美國長期顆粒物暴露健康反應進行隊列分析，結果表明：PM2.5濃度每升高10μg/m3，所有病因導致的死亡率、心肺病死亡率和肺癌死亡率的危險性分別增加6.2%、9.3%、13.5%。由上述數(shù)據可看出，長期隊列分析方法得到的死亡風險增加率是短期時間序列法的幾十倍?；跁r間序列的顆粒物短期健康反應非常小，這樣每天由于高濃度顆粒物暴露而導致的死亡人數(shù)就非常有限，表現(xiàn)出一種“收割”效應（harvestingeffect）——加速或提前那些瀕臨死亡的疾病患者的死亡風險，最多提前幾天或幾周而已。這種短期“收割”效應顯然不能解釋長期顆粒物暴露對人們壽命長度的宏觀影響。研究表明長期顆粒物暴露對人類壽命有很大影響：不是減少幾天或幾周，而是減少幾年，與其他惡劣環(huán)境因素或不良生活習慣引起的死亡風險相當[7]。由于長期顆粒物暴露將導致所在人群的疾病發(fā)生、加重與死亡，導致壽命降低，因此長期暴露研究比短期暴露研究更能反映顆粒物對人體健康的影響，在流行病學研究尤為重要。2毒理學研究Whatmakesfineparticlessotoxic?…thesize,thechemicalcomposition,orboth?JKaiser,Science307(Whatmakesfineparticlessotoxic?…thesize,thechemicalcomposition,orboth?JKaiser,Science307(2005)1858-1861[15]PM2.5-10PM1-2.5PM0.1-1NoseandthroatTracheaBronchusAlveoli圖2.不同粒徑顆粒物在呼吸系統(tǒng)沉積部位物毒性起關鍵作用的物理或化學屬性，如質量（mass）、數(shù)量（number）、表面積（surface）、形態(tài)（morphology）、粒徑大?。╯ize）、化學組分（composition）等。盡管流行病學從宏觀表現(xiàn)上揭示了顆粒物質量濃度（如圖1、表1與表2）可以作為其毒性的一種衡量尺度，但不應該是唯一尺度，甚至不是一種很好的衡量尺度（比如細顆粒物PMPM2.5-10PM1-2.5PM0.1-1NoseandthroatTracheaBronchusAlveoli圖2.不同粒徑顆粒物在呼吸系統(tǒng)沉積部位顆粒物粒徑（dp,μm）的影響比較直觀，容易理解。一方面，顆粒物越小，進入人體呼吸系統(tǒng)的部位就越深，甚至能夠穿透肺泡進入人體血液循環(huán)影響心臟、大腦等重要器官，危害就越大，如圖2所示：粗顆粒物PM2.5-10（2.5<dp<10）主要沉積在咽喉與氣管等上呼吸系統(tǒng)，細顆粒物PM1-2.5（1<dp<2.5）可以進入支氣管等下呼吸系統(tǒng)，更細的顆粒物PM0.1-1（0.1<dp<1）則能夠進入肺部，超細顆粒物PM0.1（dp<0.1）能夠穿透肺泡進入血液循環(huán)系統(tǒng)[16]；另一方面，顆粒物越小，其比表面積越大，表面吸附的有毒化學組分就越多。顆粒物能夠導致其到達部位或器官的炎癥或損傷引發(fā)疾病，在這個過程中，我們認為顆粒物尺寸大小主要決定“什么部位致??？”，而化學組分則決定“為什么致??？”。圖圖3.顆粒物致病過程（左）及活性氧自由基對細胞的氧化損傷（右）ReactiveOxygenSpecies(ROS)OxidativestressCellDamage（Lipid、Protein、DNA）ChemicalcompoundsIllness/CancerPM近年來，許多科學家都致力于探索大氣顆粒物(PM)對機體的毒性機制，雖然迄今為止確切的損傷機制仍不清楚，但“氧化損傷理論”假說得到了大量實驗數(shù)據的支持以及世界各國學者的普遍認同，其中活性氧ROS（reactiveoxygenspecies）與氧化應激OS（顆粒物化學組分（特別是金屬元素與有機成分）在機體內能夠產生活性氧ROS——一種活性很強的自由基（freeradical），通過誘導與催化多種化學反應，破壞細胞膜與細胞質中的脂類與蛋白質及細胞核中的遺傳物質DNA，從而造成細胞損傷或變異，導致疾病與癌癥（如圖3所示）。這種由于活性氧過量產生導致的機體損傷作用稱為氧化應激OS。為證明顆粒物能夠引起體內細胞中活性氧ROS含量增加，González-Flecha[17]將是大鼠暴露在顆粒物濃度為300±60μg/m3的環(huán)境艙進行了活體實驗（invivo），圖4中的實驗結果表明，大鼠體內心臟與肺部中活性氧ROS含量（采用微弱發(fā)光測量儀檢測CL）隨著暴露時間的延長（即吸入體內的顆粒物濃度增加）而迅速增加，而肝臟內的活性氧ROS含量基本上不變，其原因正是因為顆粒物主要通過呼吸系統(tǒng)進入肺部與心臟而對肝臟的影響很小。為進一步證明顆粒物對細胞遺傳物質DNA的破壞，Upadhyay等[19]對肺上皮細胞AEC進行了體外實驗（invitro），圖5是他們觀察到的DNA雙鏈結構（doublestrand）隨顆粒物濃度的破壞情況，可看出：顆粒物濃度越高（10100μg/cm3），DNA完整雙鏈（ds-DNA）的含量就越少，而同時DNA碎片（DNAfragment）含量就越高。圖5.顆粒物濃度對肺上皮細胞DNA雙鏈（左）與碎片（右）含量的影響[19]圖5.顆粒物濃度對肺上皮細胞DNA雙鏈（左）與碎片（右）含量的影響[19]特別值得注意的是，最近研究發(fā)現(xiàn)顆粒物本身也能夠引起活性氧ROS，主要是由于顆粒物表面與細胞接觸引發(fā)炎性細胞因子與活性氧的大量釋放造成的。由于超細顆粒物PM0.1能夠進入人體較深部位，而且其巨大的表面積與大量吸附的化學組分導致其產生的活性氧ROS非常多，因此其對人體毒害作用非常大，應該引起人們的高度重視。另外，顆粒物的化學組分十分復雜，顆粒物中不同組分對人體健康的影響有什么不同？什么組分對人體健康最具有影響？…都成為毒理學目前尚未解決的關鍵科學問題。正如2005年Nel教授在《科學》雜志撰文“顆粒物在空氣污染相關疾病中的作用”指出“探索顆粒物中最具健康危害性的組分及其致毒機理，將有助于我們預防顆粒物導致的死亡”[20]。3控制策略與來源解析雖然治理顆粒物污染需要付出巨大的工業(yè)利益與經濟成本，但能夠改善人們的健康水平并延長生命壽命。探索經濟而有效的（cost-effective）顆粒物控制策略成為目前較為窘迫的問題。為控制顆粒物污染，世界上許多國家都實施了嚴格的環(huán)境空氣質量標準，如我國1996年頒布的空氣質量標準中規(guī)定了顆粒物PM10標準（24小時平均不超過150μg/m3），而美國早在1987年就實施了PM10標準，并于1997年率先制定并執(zhí)行了PM2.5標準（24小時平均不超過65μg/m3）。但是，現(xiàn)行的空氣質量標準都是以降低顆粒物的質量濃度為目標，但是降低質量濃度是否會降低顆粒物健康危害尚不能確定。事實上，顆粒物越小，其質量越小，但其健康危害卻更大。上述標準采用“質量濃度”作為唯一標準對不同污染源進行同等（“一刀切”）控制，而不是根據不同污染源的不同毒性進行區(qū)別對待，這樣付出的經濟成本與代價較大，因為有些污染源排放的顆粒物質量濃度可能超標，但對人體健康危害不大，而有些污染源排放顆粒物的質量濃度可能很低，但排放對人體健康危害極大的元素（如鉛等）。流行病學研究表明顆粒物濃度與健康效應關系不存在閾值，即在很低的質量濃度水平時顆粒物仍能導致一定健康危害，這給我們制定顆粒物控制標準提出了挑戰(zhàn)。另一方面，毒理學研究表明顆粒物毒性主要由粒徑大小與化學組分決定的，因此比較合理有效控制的方法是基于顆粒物的相對毒性，但這在現(xiàn)有的空氣質