武漢大氣細粒子的研究概況

周烽

摘要：指出了隨著我國經濟的高速發展，環境污染問題也越來越嚴重，其中一個重要污染為大氣細顆粒物的污染，污染區域由發達城市（如北京、廣州等）擴展到某些中心城市（如武漢、重慶等），對武漢的細顆粒物的研究概況進行了綜述，主要包括細粒子污染危害、化學組分及來源分析等，以期提供參考。

關鍵詞：武漢； 大氣顆粒物； 細粒子； PM2.5； 研究

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12003804

1大氣顆粒物概述

隨著我國經濟的發展與城市化進程的加快，我國大氣污染情況和性質也在發生顯著的變化，總體上表現為傳統污染物SO2（二氧化硫）和TSP（總懸浮顆粒物）污染得到一定控制，NOX濃度有上升趨勢，大氣可吸入顆粒物PM10成為我國大部分城市的首要大氣污染物[1]，這些污染物影響人體健康、大氣能見度和地球輻射平衡，同時也是大氣化學反應的良好載體。一些城市和地區的研究表明，我國大氣污染正在朝著以大氣O3（臭氧）和大氣細粒子PM2.5為特征的復合性大氣污染的方向發展，其中顆粒物細粒子是大氣復合污染的關鍵污染物。

大氣顆粒物是指分散在大氣中的固態或者液態顆粒狀物質。大氣顆粒物包括總懸浮顆粒物TSP（空氣動力學直徑≦100 μm的大氣顆粒物，在美國則是指粒徑為0～30 μm）和可吸入顆粒物PM10（即空氣動力學直徑≦10 μm的顆粒物）。按照粒徑大小劃分，PM10又可分為細粒子PM2.5（空氣動力學直徑≦2.5 μm）和粗粒子（空氣動力學直徑介于2.5～10 μm）[1]。發達國家從20世紀80年代就開始PM2.5的研究[2～11]，1997年，美國首次發布了空氣質量標準的PM2.5的日均值和年均值。隨后澳大利亞、亞洲國家也相繼發布了PM10與PM2.5的空氣質量標準。2000年后，我國主要城市陸續開始了PM10數據的監測，對于PM2.5的接觸較晚，尚處于研究階段[12～20]。

2武漢大氣細粒子的研究

2.1細粒子對環境及人體影響的研究

大氣顆粒物對大氣環境及人體健康具有重要的影響。對于大氣環境，大氣顆粒物通過參與大氣環境中的反應，進而影響和調節全球氣候，不同化學組成及其中化學組分的粒徑分布還會產生不同的影響。如大氣顆粒物作為云凝結核使行星反照率增加2%，會有效補償溫室氣體排放雙倍增長而導致全球變暖[21]。大氣顆粒物，尤其是粒徑接近可見光波長的細粒子，可以散射和吸收太陽光（稱消光效應）。不同地區顆粒物散射和吸收效應存在一定的差異。

粒徑范圍為0.1～1 μm的細粒子對能見度的影響最大[22]。沈龍嬌等[23]于2013年1月1日～2013年1月31日對武漢市大氣能見度、PM2.5進行監測，結果表明PM2.5對能見度的影響最大，不同的相對濕度下，武漢市PM2.5對能見度的影響不同。對于人體健康，大氣顆粒物可以通過呼吸系統進入人體，不同粒徑的顆粒物在呼吸系統的不同位置沉積，顆粒物上的有毒有害物質可以被體液及人體組織吸收，對人體健康造成危害。粒子越小，比表面積越大，就越容易吸附的有害物質，也越容易被吸入支氣管和肺部[23]。研究表明，長期暴露在高濃度顆粒物中導致心臟病和呼吸疾病的概率增加，甚至死亡率升高[24]。苑曉燕等[25]于2011年5月13日至5月27日在漢口江灘采集PM2.5樣本，經超聲洗脫、冷凍干燥收集PM2.5。在細胞毒性評價中，采用MTT法評價PM2.5對細胞存活的影響。結果表明漢口PM2.5具有明顯的細胞毒性和體外胚胎發育毒性。李利忠等[26]采集武漢市漢口和漢陽地區的PM2.5樣本，以超聲水提法提取水溶性組分用于遺傳毒性評價。結果表明漢口和漢陽地區的PM2.5均可引起Beas-2B細胞微核率升高和細胞DNA損傷，表明這兩地區的PM2.5在一定劑量水平下具有遺傳毒性。儲海燕等[27]采用全基因組的方法來確定可能促進PM2.5對人類肺毒性作用的基因和通路，將人支氣管上皮細胞暴露于不同濃度收集于武漢地區的PM2.5，結果表明PM2.5會降低人支氣管上皮細胞的存活率，并且具有劑量效應關系。陳玉平[28]對武漢市漢陽和漢口地區進行連續一年的環境空氣顆粒物監測，結果表明武漢市環境空氣顆粒物污染嚴重，通過對武漢社區和某陶瓷企業特定人群進行肺功能測定，結果也說明了高水平顆粒物對肺功能損傷更為嚴重。通過這些研究，可以看出細顆粒物不僅對環境空氣乃至人體都造成了不好的影響，而弄清楚細顆粒物的組成及來源等可以采取措施降低與減少其對人們生活造成的不良影響。

2.2細粒子化學成分與來源分析的研究

細顆粒物的來源非常復雜。其形成方式主要有兩種：①污染源直接排放的一次粒子，如風砂、巖石風化、火山爆發、森林火災等燃燒過程、海水濺沫和生物排放等；②大氣環境中的氣態污染物在漂浮過程中經過太陽輻照過其他化學反應生成的二次粒子。宋宇等[29]利用PMF方法對北京大氣細顆粒物進行了源解析，研究顯示大氣細顆粒物主要六類來源：地面揚塵、建筑源、生物質燃燒、二次源、機動車排放和燃煤，此外還包含一些未知來源。不僅來源復雜多樣，化學組成也十分復雜，主要包括水溶性離子（如K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Cl-、NO-3、NO-2、SO2-3和SO2-4等）、含碳組分（有機碳和無機碳）和無機元素（銅、鋅、鉛等），不同來源的粒子組成相差很大：如來自地表土和由污染源直接排入大氣中的粉塵等一次污染物往往含有大量的Fe、Al、Si、Na、Mg、Cl和Ti等元素，來自二次污染物的氣溶膠粒子則含有大量的硫酸鹽、銨鹽和有機物等[30～33]。武漢地區關于細顆粒化學成分與來源方面也做了一些研究，陳楠等[34]基于2012～2014年湖北省環境空氣質量監測統計數據，利用ArcGIS軟件分析湖北省大氣顆粒物污染空氣間分布特征，研究發現武漢、荊州、宜昌3個城市PM2.5與PM10、SO2、NO2、CO均呈較高的正相關性；吳國平等[35]以武漢市X熒光光譜分析為例，介紹了粗、細顆粒物中的質量譜及富集特征，分別在武漢、廣州、蘭州、重慶各市的城區和郊區設點采樣分析，結果表明42種元素的質量濃度及元素的富集特征與武漢市的基本類似，但各有其特點，結果見表1。魏復盛等[36]對1995～1996年在廣州、武漢、蘭州、重慶4個城市8個采樣點的監測結果進行分析，1995年PM2.5年均濃度為57～160 μg/m3，比美國1997年頒布的標準值（15 μg/m3）高2.8～9.7倍，結果如表2所示。利用XRF分析了PM2.5中42種化學元素，結果表明，燃煤、燃油和其它工業污染的元素As、Pb、Se、Zn、Cu、Cl、Br、S在這些顆粒物中有明顯富集，特別在PM2.5中富集倍數達數十倍至數萬倍，對人體危害極大。王明毅等[37]分析了武漢城區春節PM2.5中水溶性無機離子污染特征，結果表明PM2.5的濃度峰值分別出現在除夕、元宵節等煙花爆竹集中燃放日，SO2-3、NO-3和NH+4是PM2.5中的主要水溶性無機離子。董欣等[38]采用CMB（化學質量平衡）模型，對武漢地區可吸入小顆粒物來源進行分析，結果表明武漢市可吸入細顆粒物主要來源于生物質燃燒和城市路塵，具有影響范圍大等特性。通過對細顆粒物化學組成及來源的研究分析，可以應對不同類型的細顆粒物采取相應的措施，以控制和減少其在環境空氣中的濃度，改善人們居住的環境空氣質量水平[35，36]。

2.3細粒子其它方面的研究

由于細顆粒物的復雜多樣性及其對外界造成的負面影響，越來越多的受到大眾的關注，除了一些常規的研究如濃度水平、危害性、化學成分及來源等，還進行了一些其它方面的分析。如陳楠等[39]對湖北省PM2.5進行時空分布特征研究，基于2012～2014年湖北省大氣污染物監測數據，利用ArcGIS繪制出城市不同年份的顆粒物濃度空間分布圖，并對其進行分析，結果表明武漢、黃岡和天門3個城市顆粒物濃度2014年較2013年有所下降，且武漢市PM2.5濃度下降率達12.8%；陳楠等[40]研究灰霾期間武漢城市區域大氣污染物的理化特征，得出2013年1月連續灰霾日污染組分主要來自當地排放，并受當地氣象條件影響；姬露露等[41]研究PM2.5污染特征及誘因對比分析，于2013年11月至2014年2月中旬對武漢等六大中心城市PM2.5指標進行統計，結果表明產業結構等內在在因素對PM2.5污染的影響顯著，充沛地形等外在因素是導致地區PM2.5嚴重超標的重要原因。

3結論

隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高的同時，環境污染問題也越發凸顯出來，污染地區由京津冀、長三角和珠三角等地區向中心城市（如武漢、重慶等）擴展，污染形式正在向區域復合污染的方向發展，而大氣細粒子是大氣復合污染的關鍵污染物；一些科研團隊對武漢地區的大氣細顆粒物也做相應的研究工作（如危害性研究、組分及來源研究、時空分布分析等），不斷深入研究大氣細顆粒物污染特征、生成機理、來源解析和健康影響機理等，最終的目的是希望找到有效的大氣細粒子污染控制措施來控制環境污染、改善大氣環境質量、提高人民健康水平。

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