關(guān)于PM2.5與臭氧的作用機制及二者協(xié)同控制的思考

潘冬燕，趙承軍

（濟南市生態(tài)環(huán)境局章丘分局，山東 濟南 250200）

引言

PM2.5和臭氧污染物會對環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。PM2.5是指空氣中顆粒物直徑小于或等于2.5微米的顆粒物。這些顆粒物通常來自人為活動和自然源的排放，如交通尾氣、工業(yè)排放、燃煤等。由于PM2.5顆粒物直徑小，所以能夠長時間懸浮在空氣中，進而易被人們吸入呼吸道，對人體健康造成危害。人體長期暴露于高濃度的PM2.5環(huán)境中，容易引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病和癌癥等健康問題。

臭氧是一種有害物質(zhì)，也是光化學煙霧的重要組成部分。臭氧污染物是由氮氧化物和有機化合物等在陽光的照射下發(fā)生光化學反應(yīng)而產(chǎn)生的。高濃度的臭氧會對人體呼吸系統(tǒng)、眼睛等造成危害。長期暴露于臭氧污染的環(huán)境中，可能會導(dǎo)致呼吸道疾病加劇、免疫功能下降和肺部疾病等。這些污染物的增加不僅對人類健康造成威脅，也會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。高濃度的PM2.5和臭氧污染物會影響植物的光合作用，破壞農(nóng)作物和森林的生長，激發(fā)大氣中其他污染物的生成，進而影響生態(tài)平衡。因此，減少排放PM2.5和臭氧污染物的源頭非常重要，這需要采取改善工業(yè)生產(chǎn)過程、加強交通尾氣排放治理、推廣清潔能源等手段來減少污染物的排放。此外，城市規(guī)劃和管理部門也需要采取相應(yīng)措施，減少污染物的累積和擴散，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，保護人類和生態(tài)環(huán)境的健康。

1 PM2.5與臭氧的作用機制

1.1 化學反應(yīng)

PM2.5中的多種化學物質(zhì)與臭氧之間可以發(fā)生化學反應(yīng)，造成臭氧濃度進一步增加。臭氧的生成主要與二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等氣態(tài)污染物有關(guān)[1]。這些氣態(tài)污染物在大氣中與臭氧發(fā)生反應(yīng)，進而生成硫酸鹽和硝酸鹽等化合物，從而造成臭氧的增加。此外，PM2.5中的有機物質(zhì)也可以與臭氧發(fā)生反應(yīng)，生成含有臭氧的有機化合物，進一步增加臭氧的濃度。這些化學反應(yīng)是復(fù)雜的，涉及多種物質(zhì)之間的相互作用。其中，二氧化硫和氮氧化物與臭氧反應(yīng)生成硫酸鹽和硝酸鹽的過程可以通過以下化學方程式表示：

這些化學反應(yīng)導(dǎo)致空氣中的臭氧濃度升高，對人體健康和環(huán)境產(chǎn)生不利影響，因此控制和減少這些化學反應(yīng)的發(fā)生是大氣污染治理的重要手段。

1.2 吸附與催化

PM2.5表面的顆粒物除了與臭氧氣態(tài)成分直接發(fā)生化學反應(yīng)外，還可以通過吸附和催化的方式影響臭氧的生成與分解。顆粒物表面的金屬離子和有機物可以吸附臭氧分子，形成臭氧的吸附物質(zhì)。這些吸附物質(zhì)進一步參與化學反應(yīng)，會生成含有臭氧的物質(zhì)，進而增加臭氧濃度。顆粒物表面金屬離子的存在還可以催化臭氧的分解。催化劑的作用使臭氧分子能夠更快地分解，產(chǎn)生氧氣和自由基，這些自由基可以繼續(xù)參與其他化學反應(yīng)，進一步增加臭氧濃度。需要注意的是，具體的吸附和催化反應(yīng)機理可能涉及多種物質(zhì)和反應(yīng)途徑，因此臭氧生成和分解的程度會受到顆粒物成分和來源的影響。

1.3 光化學反應(yīng)

PM2.5中的吸光物質(zhì)（如黑碳、有機物質(zhì)等）可以吸收或散射太陽光，并將光能轉(zhuǎn)化為熱能，這個過程被稱為光化學反應(yīng)或光吸收過程。當光能被轉(zhuǎn)化為熱能時，會導(dǎo)致周圍的溫度升高，因此高濃度的PM2.5會促使大氣溫度升高，這進一步加快了臭氧形成的速率。高溫會加速化學反應(yīng)的進行，包括二氧化硫和氮氧化物與臭氧發(fā)生反應(yīng)，以及PM2.5中的有機物質(zhì)與臭氧的反應(yīng)。因此，在高溫條件下，這些化學反應(yīng)的速率會增加，從而進一步促進臭氧的生成。

2 PM2.5與臭氧對人體的作用機制及危害

2.1 PM2.5對人體的作用機制及危害

2.1.1 直接刺激作用

PM2.5中含有各種有毒物質(zhì)，如重金屬、有機化合物等，這些有毒物質(zhì)會刺激呼吸道，引發(fā)炎癥反應(yīng)。當它們附著在呼吸道黏膜上時，會與黏膜細胞發(fā)生相互作用，導(dǎo)致細胞損傷和炎癥的產(chǎn)生。一方面，PM2.5中的重金屬離子如鉛、鎘等能直接損傷呼吸道組織，進而引發(fā)細胞損傷和炎癥反應(yīng)[2]；另一方面，PM2.5中的有機化合物如多環(huán)芳烴及揮發(fā)性有機化合物等會激活免疫系統(tǒng)并引起炎癥反應(yīng)，進而對呼吸道組織造成損傷。長期暴露于高濃度的PM2.5環(huán)境中會導(dǎo)致慢性炎癥和氧化應(yīng)激，進而損害呼吸道的正常功能。

2.1.2 氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)

PM2.5中的化學成分，如氮氧化物、硫化物和多環(huán)芳烴等，會通過化學反應(yīng)產(chǎn)生活性氧，如超氧陰離子和過氧化氫等。這些活性氧物種具有高度反應(yīng)性，能夠引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)。當我們暴露于高濃度的PM2.5環(huán)境時，活性氧物種會與細胞內(nèi)的分子（如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸）發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致細胞膜的損傷和細胞器功能的異常。這會引發(fā)細胞的炎癥反應(yīng)，并釋放出各種炎癥介質(zhì)，如細胞因子、趨化因子等，進而加劇炎癥反應(yīng)。這些炎癥介質(zhì)的釋放會影響免疫系統(tǒng)的正常功能，導(dǎo)致免疫細胞的活化和炎癥反應(yīng)的擴大，進而損害人體呼吸道和其他器官的健康。

2.1.3 環(huán)境因子

PM2.5的顆粒物表面可以附著一些環(huán)境因子，如細菌、病毒、花粉等，這些環(huán)境因子可能是致病微生物、過敏原或其他刺激物質(zhì)。當這些因子進入呼吸道，并與免疫系統(tǒng)的細胞相互作用時，會引發(fā)免疫系統(tǒng)的反應(yīng)，進而導(dǎo)致過敏反應(yīng)的發(fā)生。例如：如果呼吸道中存在致敏物質(zhì)如花粉等，它們就會激活免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致免疫細胞產(chǎn)生過敏性抗體。當再次接觸這些過敏原時，免疫細胞會釋放化學物質(zhì)，如組胺等，進而引起過敏癥狀，如打噴嚏、鼻塞和呼吸困難等。

2.2 臭氧對人體的作用機制及危害

相比之下，臭氧是一種有害的氣態(tài)化學物質(zhì)，主要形成于大氣中的光化學反應(yīng)過程中，由氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機物（VOCs）在太陽光的作用下通過光解和氧化反應(yīng)而形成。臭氧對人體健康造成的影響主要是刺激和炎癥反應(yīng)。臭氧的作用機制包括以下幾方面。

2.2.1 刺激與破壞

臭氧是一種強氧化劑，具有刺激性。當臭氧濃度較高時，人體吸入臭氧會對呼吸道黏膜產(chǎn)生刺激，進而使喉嚨產(chǎn)生疼痛、癢、燒灼感等不適癥狀。這種刺激性癥狀通常被稱為臭氧刺激癥。此外，長期暴露于高濃度的臭氧環(huán)境中可能會導(dǎo)致呼吸道黏膜破壞和炎癥，進而增加呼吸系統(tǒng)疾病的患病風險。

2.2.2 氧化應(yīng)激

臭氧激活和加劇氧化應(yīng)激反應(yīng)會導(dǎo)致氧自由基和活性氧化物的產(chǎn)生。這些反應(yīng)會引起細胞膜的脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)的氧化，進而導(dǎo)致細胞損傷、炎癥反應(yīng)以及細胞凋亡。氧自由基和活性氧化物是一類高度反應(yīng)性的分子，它們通過與細胞內(nèi)的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等分子發(fā)生反應(yīng)，進而引起氧化應(yīng)激。當臭氧引起氧化應(yīng)激時，氧自由基和活性氧化物會與細胞膜中的脂質(zhì)分子相互作用，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化的發(fā)生。脂質(zhì)過氧化會破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，增加細胞膜的通透性，導(dǎo)致細胞內(nèi)外物質(zhì)交換的紊亂。此外，氧自由基和活性氧化物還會與細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的氧化。蛋白質(zhì)氧化會影響其結(jié)構(gòu)和功能，干擾細胞的正常代謝過程，進而導(dǎo)致細胞功能受損。細胞膜的脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)的氧化都會引發(fā)炎癥反應(yīng)和細胞凋亡，最終導(dǎo)致細胞損傷。炎癥反應(yīng)是機體對細胞損傷的一種保護性反應(yīng)，但過度的炎癥反應(yīng)也可能導(dǎo)致炎癥性疾病的產(chǎn)生與惡化。細胞凋亡是一種程序性死亡方式，當細胞受到嚴重損傷或失去正常功能時，會通過自行死亡，以維持組織和器官的正常功能（見圖1）。

圖1 自由基的形成與代謝

2.2.3 免疫調(diào)節(jié)

臭氧引起的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)會影響免疫細胞的激活與趨化，導(dǎo)致多種炎癥介質(zhì)的釋放，進而導(dǎo)致細胞凋亡、免疫應(yīng)答和調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生。首先，臭氧的暴露會刺激免疫細胞，如巨噬細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞的激活與趨化，導(dǎo)致它們釋放多種炎癥介質(zhì)，例如細胞因子（如腫瘤壞死因子-α、白介素-1β等）和化學介質(zhì)（如組胺、前列腺素等）。這些炎癥介質(zhì)會引起炎癥反應(yīng)、血管擴張和組織損傷，影響免疫系統(tǒng)的正常功能。其次，臭氧的暴露還會造成細胞凋亡的發(fā)生。細胞凋亡是一種程序性死亡，它在維持組織和器官的正常發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。臭氧的暴露會造成細胞凋亡，進而影響免疫細胞的數(shù)量與功能。此外，臭氧的暴露還會干擾免疫應(yīng)答過程。免疫應(yīng)答是免疫系統(tǒng)對抗外界病原體的重要過程，包括抗體的產(chǎn)生和細胞免疫的調(diào)節(jié)。臭氧的暴露可能會影響免疫細胞的功能，進而導(dǎo)致抗體的生成和細胞免疫調(diào)節(jié)出現(xiàn)異常。最后，臭氧的暴露還會影響調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)細胞因子在免疫應(yīng)答中具有調(diào)節(jié)和平衡的功能。臭氧的暴露可能會干擾調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生與平衡，進而影響免疫系統(tǒng)的正常功能。

3 具體解決措施

3.1 注意減排通風

為減少PM2.5的排放，政府可以加強工業(yè)和交通領(lǐng)域的污染控制，比如提高大氣污染物排放標準、推廣清潔能源的使用，以及加強對工廠和車輛排放的監(jiān)管等[3]。此外，民眾也應(yīng)減少個人排放。（1）選擇低污染的交通方式、控制家庭和工作場所的污染源等；（2）加強空氣凈化和通風措施，在個人居住和工作的環(huán)境中，采取一些改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的措施，如保持室內(nèi)通風或安裝空氣凈化器和空氣過濾器，并定期保養(yǎng)和更換過濾器，清潔室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)等；（3）在高濃度的PM2.5環(huán)境中，民眾可以采取一些個人防護措施來減少暴露，如在戶外活動時選擇佩戴口罩，特別是使用符合標準的防護口罩，這樣可以有效減少PM2.5顆粒物的吸入，此外還應(yīng)盡量避免在高濃度污染時段以及地點長時間停留；（4）可以通過均衡飲食，攝入富含抗氧化劑的食物如水果、蔬菜、全谷物和堅果等來增強免疫力，同時也可以進行適量運動、保持充足睡眠并減少精神壓力；（5）注意個人衛(wèi)生，如勤洗手、保持嘴巴和鼻腔的清潔等，也有助于減少炎癥反應(yīng)的發(fā)生。

3.2 進行綜合整治

通過提高工業(yè)和交通領(lǐng)域的能源利用效率，可以減少能源消耗和PM2.5的排放[4]。（1）推廣節(jié)能技術(shù)和設(shè)備及綠色制造和綠色交通方式，是減少環(huán)境污染的有效手段；（2）加大環(huán)境監(jiān)管和執(zhí)法力度，對違規(guī)企業(yè)和機構(gòu)進行嚴肅處罰和整改；（3）建立健全的監(jiān)測體系，確保對污染源的準確監(jiān)測和排放數(shù)據(jù)的公開透明，以便及時采取措施；（4）積極推廣環(huán)保技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，如污染治理設(shè)施、廢氣處理裝置等，以減少污染物的排放和PM2.5的形成，政府可以通過給予稅收優(yōu)惠、補貼和獎勵等政策支持，鼓勵企業(yè)采用環(huán)保技術(shù)和設(shè)備；（5）加強與國際組織和國際伙伴的合作，分享經(jīng)驗與技術(shù)，以便共同應(yīng)對大氣污染問題，進而推動全球環(huán)境保護事業(yè)的發(fā)展；（6）增強公眾的環(huán)境意識，加強公眾對PM2.5污染及其危害的認識與理解，開展環(huán)境教育和宣傳活動，提高公眾參與環(huán)境保護的積極性，促進整個社會形成共同關(guān)注和參與環(huán)境保護的氛圍。

3.3 加強監(jiān)管

具體措施包括：（1）相關(guān)部門應(yīng)增強環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警能力，加強空氣質(zhì)量監(jiān)測和早期預(yù)警體系的建設(shè)，及時掌握臭氧濃度的變化情況，為公眾提供正確的預(yù)警信息；（2）政府可以制定相關(guān)政策與法規(guī)，如限制和管理工業(yè)企業(yè)及農(nóng)牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的排放，加強對工地揚塵的防治，推動低排放、清潔能源的使用等，同時應(yīng)建立健全的法律法規(guī)體系，明確相關(guān)責任，并加大對違法行為的處罰力度。

4 結(jié)語

針對大氣污染問題，加強PM2.5和臭氧的協(xié)同控制已成為重要的研究課題。首先，相關(guān)企業(yè)要加強源頭控制，減少PM2.5和臭氧的排放，這可以通過嚴格監(jiān)管工業(yè)生產(chǎn)、促進清潔能源使用、提升車輛排放標準等途徑實現(xiàn)。其次，相關(guān)部門需要加強監(jiān)測和預(yù)測能力，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警重污染天氣，并采取有針對性的控制措施；此外，還要加強對空氣質(zhì)量的管理與規(guī)劃，制定科學有效的污染物減排策略和空氣質(zhì)量改善目標，推動跨地區(qū)協(xié)同治理。最后，相關(guān)部門還要加強公眾參與和宣傳教育，增強公眾的環(huán)境意識，鼓勵大家共同參與環(huán)境保護行動，共同實現(xiàn)清潔空氣的目標。通過以上措施的綜合應(yīng)用，我們可以進一步加強PM2.5和臭氧的協(xié)同控制，改善大氣質(zhì)量。