081室内颗粒物的健康危害与研究对策

室内颗粒物的健康危害与研究对策中南大学能源科学与工程学院邓启红路婵贺广兴摘要：分别从流行病学、毒理学及污染控制三方面综述了颗粒物对人体健康的影响水平、致病机理及改善策略等领域的研究成果与进展。流行病学研究颗粒物污染的短（长）期暴露与人体急（慢）性健康反应之间的关系，结果表明颗粒物浓度与健康反应之间呈明显的线性关系。毒理学研究表明：粒径大小与化学组分是颗粒物毒性的主要因素；颗粒物进入人体后能够产生活性氧，然后通过氧化应激作用对人体细胞造成损伤与基因破坏，导致疾病与癌症。降低颗粒污染物浓度能够显著提高身体健康水平甚至延长生命，但需要付出巨大的经济利益，经济有效的颗粒物污染控制策略成为研究热点。关键词：颗粒物空气污染流行病学毒理学污染控制引言“探索空气污染与人类疾病之间的关系是十年来最大的一场环境战争”—KaiserJ．Showdownovercleanairscience．Science277(1997)：466-469[1]。特别是空气中的悬浮颗粒物PM(particulatematter)由于能够进入人体呼吸系统甚至穿透肺泡进入血液循环影响心脏与大脑等人体重要器官，对我们的生命与健康构成严重威胁。近年来，越来越多的科学研究表明颗粒物污染与人类疾病的发病率及死亡率之间具有很强的相关性[2-3]。颗粒物对人体健康危害程度远超出我们的理解与认识。颗粒物不仅能导致呼吸系统与心脑血管疾病，而且能够影响内分泌系统、人体免疫系统、中枢神经系统等[4]；颗粒物不仅导致疾病的发生与加重甚至导致死亡，而且能够使基因变异导致癌症；长期颗粒物污染暴露不仅严重影响我们的健康水平，而且能够缩短我们的寿命[5]；颗粒物不仅影响暴露人群的身体健康，而且影响胎儿发育导致出生缺陷，甚至降低人类的生育能力导致不孕不育[6]；颗粒物不仅在高浓度时对人体健康产生不利影响，而且能在很低浓度时对人体健康产生危害。目前，颗粒物对人群健康的影响评价基本上都是基于大气环境中颗粒物浓度的，即浓度与健康反应关系（concentration-response），但实际上人们的健康反应应该与暴露环境的颗粒物毒性与浓度及暴露时间更相关，即暴露与健康反应关系（exposure-response）。由于人们一生中90%左右的时间都是在室内度过的（暴露时间长）；另一方面，室内污染程度远比室外严重（暴露环境颗粒物浓度高）；另外，室内颗粒物的粒径更小（暴露环境颗粒物毒性更强），因此室内环境中颗粒物对人体健康有更直接更严重的影响[7-8]。基于上述原因，近年来，颗粒物的研究重点开始转移：（1）粗颗粒物→细颗粒物；（2）室外→室内。针对颗粒物对人体健康的影响，人们普遍关注的问题主要集中在以下三方面：颗粒物对人们身体健康或寿命的影响有多大？或者程度如何？颗粒物是如何对人体健康产生影响的？或者说颗粒物的致病机理是怎样的？如何降低颗粒污染物浓度提高人们的身体健康水平？本文将围绕上述三个问题讨论近年来在颗粒物健康效应研究领域的主要方法与成果。首先是流行病学研究范畴——从现象中发现问题，即调查、统计与分析颗粒物浓度变化与人体健康反应之间是否存在相关性。其次是毒理学研究范畴——解释现象背后的原因（回答问题）。最后是探索解决问题的方案、途径与方法。1流行病学研究流行病学是研究颗粒物浓度水平与人类疾病（特别是呼吸系统、心脑血管等相关疾病）的发病率及死亡率之间的相关性。研究方法分为两类[9]：时间序列法（time-seriesanalyses）——研究空气污染的短期（short-term）暴露导致的急性健康反应（acuteeffect）。该方法是针对固定的区域，通过监测该区域每天的颗粒物浓度水平，同时统计当日人群的疾病发病率与死亡率，然后进行回归分析。队列分析法（cohortstudies）——研究空气污染的长期（long-term）作用导致的慢性健康效应（chroniceffect）。该方法是针对某一固定人群，首先根据个体暴露于大气污染的程度将人群分组，然后测量和比较这些人群组的疾病发病率和死亡率。时间序列法比较容易开展，应用较为广泛，但因其结果不能客观反映颗粒物对人体健康的实质性影响而受到很大的质疑。由于人们的健康反应往往是一个长期的过程，既有目前颗粒物的影响也有过去颗粒物的作用，因此队列分析法更能反映颗粒物对人体健康的综合作用与影响。但是，队列分析法研究周期长，人力物力投入巨大，因此目前研究非常缺乏，也是今后研究的重点与发展方向。表1.短期颗粒物暴露导致的死亡风险增加百分率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.长期颗粒物暴露导致的死亡风险增加百分率StudyReferencesExposureincrementPercentincreasesinrelativeriskofmortality(95%CI)AllcausesCardiopulmonaryLungCancerHarvard6CitiesDockeryetal.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)AdventistHealthStudyofSmog(AHSMOG)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)通过上述流行病学研究，我们可以得到颗粒物暴露浓度与健康反应之间关系曲线（concentration-response），如图1所示是根据时间序列法对欧洲22个城市的短期颗粒物暴露研究得到的PM10浓度变化与死亡变化率之间的关系[12]。近年来的流行病学研究结果(如图1)均表明:(1)颗粒物暴露浓度与健康反应之间具有明显的线性关系，即颗粒物浓度的线性增加或降低将导致疾病发病率与死亡率的线性增加或降低；（2）颗粒物在很低浓度时仍具有健康效应，即不存在阈值浓度——不导致健康反应的最低浓度。颗粒物暴露浓度与健康反应关系为公共健康评价、预测颗粒物浓度增加或降低带来的健康效应、制定国家环境空气质量标准提供重要的科学参考与依据。图1.PM10短期暴露浓度与疾病死亡率之间关系[12]根据颗粒物浓度与健康反应之间的线性变化规律，我们通常采用关系曲线的斜率——暴露浓度每增加10µg/m3的死亡增加率——来进行直观地比较、分析与计算颗粒物暴露浓度对健康反应的影响程度，如表1与表2分别统计了近年来美国及欧洲城市的颗粒物短期与长期暴露的死亡风险增加百分率。Anderson等[13]对欧洲29个国家的短期颗粒物暴露健康反应进行时间序列分析表明，PM10质量浓度每升高10µg/m3，所有病因导致的病死率提高0.6%，其中心血管病死率提高0.9%，呼吸系统疾病病死率提高1.3%。美国癌症协会ACS[15]对美国长期颗粒物暴露健康反应进行队列分析，结果表明：PM2.5浓度每升高10µg/m3，所有病因导致的死亡率、心肺病死亡率和肺癌死亡率的危险性分别增加6.2%、9.3%、13.5%。由上述数据可看出，长期队列分析方法得到的死亡风险增加率是短期时间序列法的几十倍。基于时间序列的颗粒物短期健康反应非常小，这样每天由于高浓度颗粒物暴露而导致的死亡人数就非常有限，表现出一种“收割”效应（harvestingeffect）——加速或提前那些濒临死亡的疾病患者的死亡风险，最多提前几天或几周而已。这种短期“收割”效应显然不能解释长期颗粒物暴露对人们寿命长度的宏观影响。研究表明长期颗粒物暴露对人类寿命有很大影响：不是减少几天或几周，而是减少几年，与其他恶劣环境因素或不良生活习惯引起的死亡风险相当[7]。由于长期颗粒物暴露将导致所在人群的疾病发生、加重与死亡，导致寿命降低，因此长期暴露研究比短期暴露研究更能反映颗粒物对人体健康的影响，在流行病学研究尤为重要。2毒理学研究如何解释上述流行病学研究得出的颗粒物浓度对人群健康的影响？从毒理学角度来看，探索颗粒物对人体健康的不利影响，首先必须确定对颗粒物毒性起关键作用的物理或化学属性，如质量（mass）、数量（number）、表面积（surface）、形态（morphology）、粒径大小（size）、化学组分（composition）等。尽管流行病学从宏观表现上揭示了颗粒物质量浓度（如图1、表1与表2）可以作为其毒性的一种衡量尺度，但不应该是唯一尺度，甚至不是一种很好的衡量尺度（比如细颗粒物PM2.5的质量浓度远小于粗颗粒物PM10，但其毒性反而更大）！目前，颗粒物尺寸与化学组分受到人们高度重视，成为颗粒物毒性的关键要素[15]。颗粒物粒径（dp,μm）的影响比较直观，容易理解。一方面，颗粒物越小，进入人体呼吸系统的部位就越深，甚至能够穿透肺泡进入人体血液循环影响心脏、大脑等重要器官，危害就越大，如图2所示：粗颗粒物PM2.5-10（2.5dp10）主要沉积在咽喉与气管等上呼吸系统，细颗粒物PM1-2.5（1dp2.5）可以进入支气管等下呼吸系统，更细的颗粒物PM0.1-1（0.1dp1）则能够进入肺部，超细颗粒物PM0.1（dp0.1）能够穿透肺泡进入血液循环系统[16]；另一方面，颗粒物越小，其比表面积越大，表面吸附的有毒化学组分就越多。颗粒物能够导致其到达部位或器官的炎症或损伤引发疾病，在这个过程中，我们认为颗粒物尺寸大小主要决定“什么部位致病？”，而化学组分则决定“为什么致病？”。Whatmakesfineparticlessotoxic?…thesize,thechemicalcomposition,orboth?JKaiser,Science307(2005)1858-1861[15]PM2.5-10PM1-2.5PM0.1-1NoseandthroatTracheaBronchusAlveoli图2.不同粒径颗粒物在呼吸系统沉积部位近年来，许多科学家都致力于探索大气颗粒物(PM)对机体的毒性机制，虽然迄今为止确切的损伤机制仍不清楚，但“氧化损伤理论”假说得到了大量实验数据的支持以及世界各国学者的普遍认同，其中活性氧ROS（reactiveoxygenspecies）与氧化应激OS（oxidativestress）是颗粒物致病的关键环节[17-18]。颗粒物化学组分（特别是金属元素与有机成分）在机体内能够产生活性氧ROS——一种活性很强的自由基（freeradical），通过诱导与催化多种化学反应，破坏细胞膜与细胞质中的脂类与蛋白质及细胞核中的遗传物质DNA，从而造成细胞损伤或变异，导致疾病与癌症（如图3所示）。这种由于活性氧过量产生导致的机体损伤作用称为氧化应激OS。为证明颗粒物能够引起体内细胞中活性氧ROS含量增加，González-Flecha[17]将是大鼠暴露在颗粒物浓度为3