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PM2.5的研究离不开超净工作台
发布时间:2012-09-18 07:48:07   浏览:3141

PM2.5的研究离不开超净工作台

许琦敏
PM2.5、PM10这些我们越来越熟悉的大气颗粒物的增加,对人体健康短期和长期的危害又会如何?超净工作台又是如何在PM2.5里面的使用呢?

且听复旦大学环境科学专家介绍——

  台风来了,天空清爽了;台风走了,天空又变得黯淡。想看一眼儿时的蓝天,在今天的上海,似乎并不容易。不仅仅因为童真的心境已去,而是我们头顶的天空,包围着我们的大气变了——长三角已成为中国的四大灰霾区之一,大气颗粒物的增加使天空的能见度降低。

  当沙尘暴来袭,当雾霾使哮喘、咳嗽增加,当我们关注到PM10、PM2.5的数值,说明我们对自己所生活的环境抱有了忧虑,开始了担心。“我们的大气到底怎么会变成这样?”“我们该怎么办?”要回答这样的问题,还是得靠科学家进行扎实、长期的研究。

  最近,复旦大学环境科学与工程系正在牵头成立上海市大气颗粒物污染防治重点实验室,内部配备了各种类型的超净工作台。记者走访了一些环境科学家,了解大气颗粒物污染的科研过程,并选取部分介绍给读者。

  或许,对于一个普通人来说,我们需要的只是一个数值,希望政府拿出一个治理方案。但为了得到这个数值、拿出正确的方案,科学家必须进行长期、严谨的观察、实验、论证。在一团迷雾中探寻规律与真相,道路崎岖坎坷,在这个探索的过程中,科学家们也渴望着公众的理解与支持。

  上海话中有“毛毛雨”一词,专门用来形容微雨的天气。秋雨初歇,春雨游丝,毛毛雨在上海曾是常见的天气,也是江南烟雨美景中的重要一笔。

  可是,最近十几年来,毛毛雨在上海越来越少见。取而代之的不是闷热潮湿,就是滂沱暴雨。那轻微细柔、给人细腻体贴感的如丝小雨怎会不见了?大气颗粒物增加是罪魁祸首。

  复旦大学环境科学与工程系教授成天涛的研究方向是大气颗粒物对气候的影响,他向记者进行了一番解释。

  众所周知,空气中的水汽要变成水滴,需要凝结核。大气中直径在100-400纳米的细微颗粒正好充当这一角色。同时,核化形成的小水滴继续吸湿长大,并相互碰撞,形成更大的水滴,当这些水滴重到空气浮力承受不住时,冲破云层,从天上掉下来,变成雨水。

  如果把大气颗粒物看作小车,水汽看成货物,我们就会明白,毛毛雨是如何离开上海的。假设水汽的量没有改变,那么如果大气中的颗粒物数量增加,就像同样多的货物,被分别装载进了更多的小车里,那么车辆“超载”的可能性就变小了,水汽也就被颗粒物“托”在了空中,无法掉下地面,形成降雨。如果大气中颗粒物比较少,那么即使不多的水汽,只要遇冷,也很容易使不多的颗粒物“超载”,就会变成若有若无的毛毛雨了。

  这同样可以解释为何城市中遭遇暴雨、大暴雨,甚至特大暴雨的几率,比以前增加了。颗粒物增多后,能托住更多水汽,使下雨变得困难。与此同时,一旦水汽不断增加,比如夏日午后大量水汽不断蒸发到天空中,那么一旦水汽使这么多颗粒物都“超载”,这场雨的规模肯定就会变大——如果以前的“倾盆大雨”,空中只有十亿只“小盆子”打翻,那现在无疑是打翻了几十亿、上百亿只“小盆子”。

  成天涛介绍,在全球变暖的背景下,城市大气颗粒物增加,也会使它在遇到台风时,遭遇更大的降雨侵袭。

  气温升高,大气中就能够容纳更多的水蒸气,当台风形成时,由于有了更多的热量、水汽,就会变得更加强大。近些年,大家都感觉台风形成的数量虽略有减少,但实际上所形成的台风规模、强度从总体上来看,都在变大。当这些携带更多水汽的大台风登陆后,碰到满是尘霾的大气,很容易使那些大气颗粒物迅速“超载”,然后降下滂沱大雨,使洪涝灾害更易发生。

  然而,在某些地方,由于空气中的颗粒物增加,“托”住了水汽,反而使降雨减少,干旱加剧。成天涛认为,如今各种极端气候事件发生频率增加,大气颗粒物在其中也起了推波助澜的作用。

  不过,通过对大气污染颗粒物的研究,科学家发现,问题还远远没这么简单。成天涛说,城市上空的污染物成分复杂,每个小颗粒都如同一个微型反应器,不同化学成分的东西在上面发生反应,最终对气候产生影响。“大气颗粒有时候会散射或吸收阳光,使近地面的能见度降低,又有降温作用——既可以缓解升温过程,又容易形成雾霾,为加剧空气污染推波助澜。”

  为了解开这些藏在大气中的污染谜团,复旦环境系的科学家们自行设计实验设备,挑战大气污染定量研究的难关。

  2011年7月,复旦大学环境科学与工程系陈建民教授的成果“农业秸秆燃烧形成大气污染的定量化研究”发表在国际环境科学顶级期刊《环境科学与技术》上。这项研究通过自行设计研制的大型气溶胶烟雾箱、专用燃烧炉和先进的表征大气颗粒物等测量系统,基于我国2004年三种主要农作物秸秆(玉米、小麦、水稻)产量及燃烧比例情况,给出了秸秆燃烧排放的气态污染物、颗粒物和多环芳烃及烷基多环芳烃的准确定量化排放特征。同时,陈建民课题组的研究对排放强度地理分布的分析表明:我国由于农业秸秆燃烧排放多环芳烃最多的为河南省,颗粒物排放强度最大的是山东省。

  同年11月,陈建民教授课题组李想博士的成果“雾-雨事件中多环芳烃的污染特征”作为封面文章发表在国际环境学科重要期刊《环境监测》上。课题组通过自行设计的雾水收集器对上海地区的雾水进行了收集,运用雾监测仪对雾过程进行了全程观测。通过固相微萃取技术对雾水中多环芳烃等有机物污染物进行富集提取,气相色谱-质谱联用仪定性定量分析,得出了多环芳烃等有机污染物在雾过程中的分布规律。

  “上海市区采集到的雾水,大多颜色较深,存在污染。”李想介绍,他们发现,雾水中可检测到大量致癌致畸物——多环芳烃,其总量大概在每升0.03~6.67微克的范围内,萘、蒽、菲等化合物占多环芳烃总量的80%左右。同时,研究还发现,上海大雾中的多环芳烃多来自本地化石燃料的燃烧。

  课题组还针对雾-雨过程进行了深入分析,发现雾雨沉降作用确实能降低空气中的污染物浓度,但是由于上海汽车尾气和工业废气的排放量大,加之起雾或下雨的时候空气湿度大,加之大气层较为稳定,水平对流和垂直对流都比较弱,这种情况会导致污染物在空气中短时间内大量聚集,污染加重,而且极易演变成灾害性雾霾天气。结果表明,大雾中致癌物多环芳烃雨前雨后的浓度相差近500倍。

  跟李想博士走进实验室,记者发现他们的实验空间并不大,几乎每一间房间都被仪器占据,而老师们的办公空间差不多就是一桌、一椅、一电脑那几个平方米大小。“为了收集大气、雨水、雾等样品,我们把实验装置架到了教学楼顶。”他解释,这既充分利用了空间,又方便老师采集样品。而有些做大气污染物对海洋影响的老师,就不得不定期出海,在野外采样、实验了。


  在复旦环境科学这个科研团队里,研究大气污染物对海洋的影响,是陈莹教授的专业方向。今年6月,她刚带着学生在浙江嵊泗的花鸟岛上驻扎了约半个月,进行野外研究。

  花鸟岛位于北纬33.5°、东经122.4°,面积3.28平方公里,在嵊泗县的最北面,与上海相距约70公里。这里本地居民靠捕鱼为生,没有工业污染,同时四周海域水体干净。

  随着大气运动,内陆的沙尘暴、城市中人为污染物都会飘到海洋上,随着下雨、自然沉降,落到海水中,对生态环境造成影响。陈莹告诉记者,东海海域约一半的营养盐与大气沉降有关,同时,这种污染物随大气转移的研究,不仅适用于海洋,对于湖泊的污染治理也十分重要。比如,除去污水排放,大气沉降很可能是太湖的又一个重要污染源。不过,要说出一个所以然,还得靠仔细的研究。

  每年的5月底到6月,是课题组出海做大型培养实验的最佳时段。这个时候海上的气溶胶中,既有春天沙尘暴带来的污染物,又有来自城市的人为污染物,同时海水水温也较温暖,浮游生物生长较快,适合做培养实验。陈莹告诉记者,要研究海洋气溶胶,距离大陆最好在100公里以上。他们以花鸟岛为据点,真正采海水培养,还要再雇船出海60公里。

  为了实验准确,他们必须得雇木船。因为铁皮船会给周围海水带来更多的铁元素,影响实验的准确性。陈莹介绍,有国外科学家曾做过研究,海洋承载的生物量似乎比理论计算出的小很多,其原因之一可能是因为缺乏铁元素——因为铁离子一进入碱性的海水中,就会沉淀,难以被海洋生物吸收利用。而海洋生物利用的铁,可能主要来源于大气沉降。有人做过实验,在一片海域中持续补充铁元素,结果该海域的生物量出现了显著增长。雇木船就是为了避免铁皮船给采样海域带去额外的“铁肥料”,影响实验的准确性。

  在海上,他们要取100多瓶水样,再分别往水样中加入不同的金属离子、污染物,然后放在自然的海水中培养——温度、盐度、水体的摇摆都保持一致,这都会影响到微生物的生长。这都得靠他们临时搭建起的简易实验室来完成,其中还包括一个100克拉斯的超净工作台。

  陈莹说,通过几年出海实验,他们发现了许多有趣的现象。比如,大气污染物中的氮元素会引起水体的富营养化,不过不同形态的氮起的作用不同:在加入氨氮的水中,浮游生物的量会立刻显著上升;但加入硝态氮的水体,一开始生物量上升不明显,到后期才逐渐上升。“这说明不同形态的氮元素对水体富营养化的影响是不同的,要控制水体污染,必须对总氮量进行控制。”她说。

  她曾经在红海做过类似的实验。红海有来自撒哈拉沙漠的气溶胶,也有来自欧洲的人为污染气溶胶。当时他们发现了沙尘气溶胶抑制了藻类生长。“可能来自沙漠的气溶胶中金属含量比较高,会抑制藻类的生长。”她认为,继续查找哪一种元素在里面起作用将是下一步工作目标。

  另外,对人为污染气溶胶的研究也需要深入。由于取上来的海水样品都是一个个小小的、完整的生态系统,里面生活着各种微生物。人为气溶胶所造成的“繁荣”是因为提供了额外的营养,还是因为抑制了某些生物,打破了生态平衡,而造成另一些生物数量增长?这都是需要进一步研究的课题。

  在出海实验中,陈莹课题组还发现,污染源除了来自大陆的生物质燃烧、工业排放,港口的污染也不可小觑,而这点在国内似乎尚未被重视。在他们采样过程中,发现了大量来自港口的污染物。另外,在来自生物质燃烧的气溶胶中,他们还发现砷的含量偏高——可能由于土壤污染,使得生物体内的砷含量变高,又通过燃烧进入到大气中,最终落到海洋水体里,再富集到鱼类身体里。这样的循环最终还是会危及人类自身。

  一个比较有趣的发现是海盐也在来自自然界的气溶胶中存在,大约是沙尘量的1/4-1/3。她解释,这些海盐可能随海水挥发到空气中,也可能在岸上晒干结晶后,随扬尘一起被海风卷入大气——难怪海边的空气总是一股咸咸的味道。

  地球上的物质循环,使全球变成一个整体。陈莹认为,尽管现在的环境治理还以减少水体的直接污染源为主要目标,但科学的眼光应该放长远一些,因为当直接污染源管住之后,大气沉降污染就会成为主要源头。“现在已经发现,太湖的大气沉降带来了1/3的营养盐,在太湖水体的富营养化中,起到了重要作用。”她认为,由于河流水体在入海时,一般会经过三角洲的湿地过滤,能够阻挡一部分污染物入海,但污染物通过大气沉降入海,就好比坐着飞机往下洒东西,真是无可阻挡。如果人为污染物会促进浮游生物生长,那么我国沿海频发的赤潮就可能有它们的贡献。“或许福建渔民要防赤潮,就得请河南的农民手下留情,别燃烧秸秆。”

  当然,污染治理永无止境。陈莹说,如今中国的灰霾比较严重,是我们治理的重点。不过灰霾多,使太阳光照减弱,那么进入大气的污染物就不容易发生二次化学反应,导致光化学污染。而在空气比较洁净的美国,光化学污染的问题就比较严重——光化学反应会产生很多臭氧,而臭氧会对植物叶片表面、建筑物等造成损伤。如果中国的环境治理取得进展,在若干年后,我们也会遇到美国现在的问题。

  

关注健康 研究艰难

  不管是PM2.5,还是PM10,人们关注大气颗粒物,最集中的焦点还在于对健康的影响。可惜的是,在国内,这方面的研究还处在起步阶段,因为难度实在太大。

  国内首批针对空气污染物对人群健康影响的固定群组研究,去年刚开始进行。复旦大学公共卫生学院的夏昭林教授是国家973项目子课题的负责人。

  他告诉记者,首先,大气颗粒物对健康的影响分为短期和长期两种,短期的比如从某地来到本地,由于大气颗粒污染物浓度高,可能有急性反应,如肺功能抑制、气管刺激等等;长期则可能对糖尿病、心脏病等代谢性疾病会有影响。这就需要对某一固定人群进行跟踪研究,如间隔半个月检查一次;甚至每个季度一次长期追踪研究,最好可以持续数年。

  夏昭林教授的研究生郝延慧介绍,国外有关大气污染物对健康影响的研究已经比较成熟,很多研究成果成为环境法案制定的重要参考。比如,英国有一发表在《新英格兰医学》杂志上的成果,科学家组织了具有轻中程度不一的哮喘病史的两组志愿者,一组在伦敦闹市区(牛津大街)的道路上走,另一组在海德公园的林荫道上走。两组志愿者每走半个小时休息一次,测量心肺功能、化验一系列血液指标,一天走两个小时,同时对研究人群所处环境中颗粒物浓度进行实时检测。通过对照发现,行走在海德公园的志愿者肺功能指标下降程度显著高于行走在牛津大街的志愿者;同时,与轻度哮喘患者相比,重度哮喘患者对环境中细颗粒物和炭黑粒子较轻度哮喘患者更加敏感。

  此外,还有文献报道,是关于大气污染对有基础疾患的人群,例如糖尿病、肥胖、高血压病人的影响。这个研究选取了一个社区,对志愿者进行了1年的跟踪。研究发现,到了冬季,大气污染物增加时,会增加诱发这些慢性疾病的风险。夏昭林说,由于大气颗粒物上会附着很多化学物质,如多环芳烃、重金属、微生物等危险因子,有的具有致癌作用,有的会引起炎症反应,的确对慢性疾病不利。而且,慢性疾病人群本身就可能对空气中颗粒物更加敏感。

  国内做类似人群研究十分困难,夏昭林说,首先招收志愿者就是一大难题。他感觉,现在中国老百姓的防备心理强大到过分的地步,对科学试验背后的科学原理没有理性认识,总是怕别人在伤害自己,或者就赤裸裸地提出很高的价格,而国外人群流行病学研究氛围基本成熟,公众在获悉研究的背景后,多数人愿意参与,为科学研究贡献自己的力量。

  尽管很难,夏昭林还是把国内首个固定群组的大气污染物研究开展了起来。这次,他选定的目标是50-60岁的健康人群,研究对短期空气颗粒物浓度波动化的反应。“组织的志愿者几乎全部都是我的高中同学、朋友,以及朋友的朋友中甄选出的健康个体。”夏昭林说,这也颇费了一番功夫,因为在整个采样过程中,需要隔天抽血、留尿,做一系列心肺功能检查,长达10余天,连续5次;说服志愿者参加,相当不易。

  为了研究准确,课题组必须选取来自同一地区、生活背景相似的人群,而且生活环境要与上海有比较明显的差异。志愿者来自于山东的某县城,在志愿者来上海之前,夏昭林先要带着课题组去当地检测那里的大气状况。“我们发现一个很有意思的事。”他说,“当地的大气颗粒物质量浓度比上海高很多,但成分完全不同。”当地的大气颗粒物主要是扬尘,颗粒比较大,但成分也相对简单,附着有机污染物较少。来到上海之后,课题组安排志愿者每天到不同的环境中活动,隔天做一系列上述体检。“我们的确发现大气污染物会对人体有不良影响,不过相关深入的检测、统计数据还在处理中。”郝延慧说,再过一段时间将会通过论文公布研究结果。

  目前公认针对一个具体的个体而言,所谓PM2.5对健康造成的影响,可能还没有吸烟来得大。郝延慧认为,公众对于大气污染物的关注存在“一阵风”的问题,公众健康意识的提升是我们公共卫生领域始终关注的要点,但是需要理性认识个体自身的健康管理。而以此为题材的炒作,背后可能隐含着打着维护健康名义,利用公众跟风心态进行商业炒作的某些厂家的利益。如果公众真的希望得到一个真实、详尽的答案,就应该让科学家认真、仔细、踏实地开展研究,对一系列问题进行科学评估。而科学家也需要做出一系列研究,为政府制定合理的政策提供科学支撑。同时,对于相关科研,尤其涉及到大范围人群的长期跟踪的研究,还应该拿出足够的信任与支持,协助相关科研的推进,只有各方的积极配合协作,才能尽快尽早使得颗粒物研究步入正规高效的研究途径,进而制定一套提供科学有效的对付颗粒物的“组合拳”,为保障享有健康清洁家园,还需你我携手共筑。

原文来源:http://www.fenglins.com/

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