基于室內環境濃度監測的大學生PM2.5暴露評估*

張鈺婕 孫丹一 劉建偉 陳艷嬌 曹紅斌

(北京師范大學地理科學學部，北京 100875)

城市環境中PM2.5是主要的大氣污染物類型[1]，已成為威脅人們生活的一大健康殺手[2]。根據流行病學報告，PM2.5粒徑小、比表面積大、活性強，易附帶有毒、有害物質(如重金屬、多環芳烴類、微生物等)，可直接進入肺泡，影響支氣管、細支氣管及肺泡的換氣功能，危害人體的呼吸系統和心血管系統[3]。

與其他國家相比，我國環境污染狀況較嚴重[4-6]，以PM2.5為主要污染物的區域大范圍霧霾事件仍有發生。北京市霧霾事件嚴重時，環境中的PM2.5可達到數百μg/m3，部分地區污染物峰值數據甚至突破700 μg/m3，遠高于世界衛生組織規定的限值(25 μg/m3)[7]。由于個體暴露濃度與大氣PM2.5濃度具有一定的相關性[8-9]，因此對大氣PM2.5污染嚴重地區的人群暴露狀況進行研究很有必要。已有工作的研究對象主要為兒童、女性群體、老年人、哮喘及心肺疾病患者等敏感人群[10-11]，對大學生的研究較少。然而，大學生群體生長發育仍處于緩慢增長階段，社會生活環境有其特殊性[12]。

已有研究顯示，大多數人80%～90%的時間待在室內，室內暴露量約占總體暴露量的75%[13-15]。然而，現有研究多采用大氣監測站點的PM2.5濃度來評估個體暴露[16-17]，從而導致與個體實際暴露量的偏差[18-19]。因此，為更好評估大學生的PM2.5暴露，本研究在宿舍、教室、圖書館等主要室內場所進行PM2.5監測，并招募志愿者24 h佩戴個體采樣器進行采樣，分采暖季和非采暖季對大學生的PM2.5個體暴露濃度進行監測。同時，通過問卷調查獲取不同行為模式人群在不同室內場所的停留時間，結合相應場所的PM2.5濃度，進一步評估不同室內場所對大學生PM2.5暴露量的貢獻及不同季節的暴露差異。

1 材料與方法

1.1 樣本采集及測定

1.1.1 室內外PM2.5獲取

2016年7月至2018年7月，選取北京師范大學校內大學生經?；顒拥?個室內場所(宿舍、教室、圖書館、食堂、機房、體育館、實驗室)先后進行PM2.5濃度監測。使用OmniFT-mini PM2.5采樣器(美國BGI公司)進行采樣，采樣時間為每日8：00—20：00，采樣流量為1 m3/min。采用47 mm石英纖維濾膜(QFF)，且每次采樣前將QFF放置在馬弗爐中，在450 ℃下烘干6～12 h去除雜質。QFF稱重前均放置在室內同一避光干燥器中干燥處理48 h，再用1/1 000 000電子分析天平(Mettler Toledo-MX5)稱重3次取平均值。樣本采集同時，記錄研究區周圍最近且距離相似的西城官園、奧體中心和海淀萬柳3個室外監測站點的PM2.5濃度數據。

PM2.5質量濃度(C，μg/m3)計算公式如下：

C=(M2-M1)/V

(1)

式中：M1、M2分別為采樣前、后的QFF質量，μg；V為采樣空氣體積，m3。

1.1.2 個體暴露采樣及PM2.5測定

從北京師范大學不同學院、不同年級的學生中隨機選取志愿者，隨身佩戴HP2540 PM2.5個體采樣器(美國BGI公司)24 h實時監測志愿者的PM2.5暴露濃度。采樣時間為每日8：00至次日8：00，采樣流量為4 L/min。QFF處理、稱重及PM2.5濃度計算同1.1.1節，同時記錄志愿者一日內在不同室內場所的停留時間。

1.2 人群行為模式調查

在北京師范大學校內進行問卷調查，隨機選取本科生和研究生為調查對象，獲得人群在采暖季和非采暖季日常行為活動模式，即不同對象在室內各場所停留的時間。共回收有效調查問卷351份，其中非采暖季、采暖季分別為175、176份。

1.3 基于行為模式的暴露量計算

PM2.5個體暴露質量濃度(CE，μg/m3)計算公式如下：

(2)

式中：t為總停留時間，h；Ei為個體在場所i的PM2.5暴露量，h·μg/m3；Ci為場所i的PM2.5質量濃度，μg/m3；ti為個體在場所i的停留時間，h。

2 結果與討論

2.1 PM2.5室內外濃度

PM2.5室內外質量濃度見表1，并計算得到PM2.5室內、外質量濃度比(I/O)。采暖季室內PM2.5為(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O為0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室內場所。

非采暖季I/O排序為教室>宿舍>食堂>體育館>機房>實驗室>圖書館。教室、宿舍和食堂的室內PM2.5較高，可能與人口密度較大且空間較小有關[20]。

采暖季的I/O排序為食堂>宿舍>教室>體育館>圖書館>實驗室>機房。除食堂的室內PM2.5高于室外，其他場所的I/O均小于1，原因主要在于：采暖季時，室外大氣是主要污染源，因為室外氣溫低，采暖季開窗通風次數較少，室內與室外氣體交換少，利于室內環境保持較低的污染物濃度。食堂PM2.5高于室外，主要是由于食堂內的明火燃燒和油煙產生室內的PM2.5污染源[21]。

表1 PM2.5室內外質量濃度

表2 大學生群體行為模式調查結果

2.2 大學生群體行為模式調查

根據獲得的351份有效調查問卷，針對本科生和研究生在工作日和非工作日的行為模式，對不同場所的停留時間進行整合，結果見表2。大學生群體停留時間最長的室內場所是宿舍，其次是教室和圖書館。

2.3 志愿者個體暴露濃度的模擬與實測對比

從35個24 h監測的個體暴露樣本中，選取未被損壞、行為活動模式記錄較準確的29個樣本(采暖季、非采暖季分別為17、12個)，測定PM2.5個體暴露濃度。由于個體暴露及室內各場所監測的非同步性，需由PM2.5室外濃度及I/O計算個體采樣同期的各場所PM2.5個體暴露濃度模擬值。采暖季、非采暖季PM2.5個體暴露質量濃度模擬值為(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于實測值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)。對PM2.5個體暴露質量濃度實測值及模擬值進行擬合，經相關性分析，兩者具有顯著的線性相關關系(R2=0.903 1，p<0.05)。

采暖季、非采暖季室外PM2.5分別為(67.04±28.62)、(54.60±25.88) μg/m3。PM2.5個體暴露質量濃度實測值與室外質量濃度比(E/O)隨室外質量濃度的變化見圖1。經相關性分析，E/O與室外濃度呈顯著的對數函數關系(p<0.05)，即當PM2.5室外濃度較低時，PM2.5個體暴露濃度實測值普遍高于室外濃度；當PM2.5室外濃度升高時，PM2.5個體暴露濃度實測值接近或低于室外濃度。該結果與孫慶華等[22]的研究成果一致。這主要是由于個體所處的室內環境和行為模式對個體暴露濃度有一定的影響導致，當PM2.5室外濃度較低時，PM2.5室內濃度為主導因素；當PM2.5室外濃度較高時，PM2.5個體暴露濃度與室外濃度相關性較高[23-25]。因此，PM2.5個體暴露濃度與室外濃度雖然存在一致性，但PM2.5室外濃度并不能很好代表個體暴露濃度。

注：已剔除部分離散值，圖2同。

PM2.5個體暴露質量濃度實測值與模擬值之比(E/S)隨室外質量濃度的變化見圖2。盡管PM2.5室外濃度與個體暴露濃度實測值之間存在較大差異，但PM2.5個體暴露質量濃度實測值與模擬值接近，且E/S隨室外濃度變化的波動較小。當PM2.5室外濃度較低時，個體暴露濃度模擬值略低于實測值；隨PM2.5室外濃度增大，E/S穩定在1附近，這說明基于I/O和行為模式調查結果計算得到的PM2.5個體暴露濃度模擬值比室外濃度能更好地反映大學生群體的實際暴露濃度。由于數據的有限性，計算過程也存在一些不確定因素，主要體現在：本研究中校園環境的PM2.5室外濃度直接取自最近的3個室外監測站點平均值，未在校園內進行實地測量，可能與實際的室外濃度有一些偏差；采樣時間均為白天，未考慮夜間的PM2.5及日變化。

圖2 E/S隨室外PM2.5質量濃度的變化

2.4 大學生人群PM2.5暴露特征及不同場所貢獻率

結合PM2.5室外濃度、不同室內場所在采暖季和非采暖季的I/O、大學生群體行為模式的351份調查結果，計算大學生群體在不同場所的PM2.5暴露量和貢獻率，結果見表3和表4。

對大學生群體PM2.5暴露量貢獻最高的是宿舍，停留時間較長；室內場所中教室的暴露量貢獻僅次于宿舍，由于課業或愛好不同，每個人在教室停留的時間長短不一，導致人群在教室的PM2.5暴露量變化較大(142.39～251.11 h·μg/m3)；盡管食堂內的油煙等污染源可能增加室內PM2.5，但由于大學生人群總體在食堂的停留時間較短(<1.5 h)，所以人群在食堂的PM2.5暴露量并不高。本科生和研究生群體的PM2.5暴露濃度無明顯差異，宿舍和教室對大學生群體PM2.5暴露量的貢獻率之和高于50%。

表3 PM2.5暴露量及暴露質量濃度

表4 不同場所對PM2.5個體暴露的貢獻率

3 結 論

(1) 采暖季室內PM2.5為(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O為0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室內場所。

(2) 采暖季、非采暖季PM2.5個體暴露質量濃度模擬值為(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于實測值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)，基于I/O和行為模式調查結果計算得到的PM2.5個體暴露濃度模擬值比室外濃度能更好地反映大學生群體的實際暴露濃度。

(3) 本科生和研究生群體的PM2.5暴露濃度無明顯差異，宿舍和教室對大學生群體PM2.5暴露量的貢獻率之和高于50%。