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1、国 外 医 学 卫 生 学 分 册 2001年第 28卷第 5 期 299 127大气 PM2.5的健康影响 戴海夏，宋伟民 * (复旦大学医学院环境卫生教研室，上海 200032) 摘要：大量流行病学研宄表明，大气 PM2.5的暴露与人类健康危害之间存在持续的统计学相关性，大气 PM2.5 对健康的潜在危害己受到国内外学者的普遍关注。本文综述了大气 PM2.5的来源和组成、对人体的危害及毒 理学研宄的初步进展。 关键词：大气细颗粒物；健康危害；毒性 中图分类号： X513 文献标识码 ： A 文章编号： 100卜 1226(2001 )05-0299-04大气颗粒物质 （ PM)是大气中固体
2、和液 体颗粒物的总称。按其粒径大小，可分为粗 分散系 (粒径 10/%1)和胶体分散系 (0. 001 10/%1)。其中，粒径 0. 1 l(Fm为可吸入颗 粒物，也是对人体健康危害最大的颗粒物质。 PM2.5为空气动力学当量直径小于 2. 5/他的 颗粒物质，又称为细颗粒物。大部分有害元 素和化合物都富集在细颗粒物上，而随着其 粒径的减小，细颗粒物在大气中的存留时间 和在呼吸系统的吸收率也随之增加，因此对 人体健康的影响也越大 ;细颗粒物还能造成 能见度下降，给城市景观带来不利影响，故逐 渐成为大气气溶胶研究的热点和前沿 111。 1997年美国环保局 (EPA)首次颁布了细颗粒 物的空气
3、质量标准：年均值为 15/$/n3,日均 值为 65%/n3,其限制非常严格 121。本文拟对 近年来 PM2.5的一些研究现况进行综述。 1 PM2.S的组成及来源 细颗粒物主要来源于燃料燃烧等人为活 动，如能源工业部门煤炭的燃烧、机动车尾气 的排放、金属冶炼过程中金属蒸汽的冷凝聚 结、居民生活炉灶的燃烧。此外，排入大气中 的二氧化硫、氮氧化物等气态污染物经化学 反应后也可形成粒径较小的二次粒子。香烟 通讯作者 :宋伟民 收稿日期 :200卜 04-16;修回日期 :200HJ5-22 烟雾颗粒的空气动力学直径也大多在 0. 1 l.(Fm。 PM2.5的化学组成因地区及污染源的 不同而差异
4、较大，目前所知的主要成分为硫 酸盐、硝酸盐、铵盐、含碳颗粒 (包括元素碳和 有机碳，元素碳主要产生于高温燃烧过程，有 机碳主要来自相对低温的燃烧过程）、金属颗 粒、矿物质等 |31。中国大气 PM2.5的污染非常 严重，王玮等 11对中国部分城市地区大气 PM2.5进行了近 10余年的监测，结果发现北 京、广州等大城市 PM2.5、 PM2.。 的质量浓度均 超过了 100/g/n3。 吴国平等 121对我国广州、 武汉、兰州、重庆 4个城市的大气 PM2.5污染 水平进行了监测，结果表明这些城市的 PM2.5 水平普遍超过了美国新标准的 2 8倍。分 析结果表明，其主要来源是燃料的燃烧（以煤
5、 炭燃烧为主 )及机动车尾气。此外，国外一些 城市的大气颗粒物中含有数量众多的超细颗 粒物 (粒径小于 0. l/%i的颗粒物 )，主要由碳 粒和金属粒子组成 141。相比之下，粗颗粒物 主要来源于土壤粒子、工业建筑扬尘、煤及汽 油燃烧产物和海洋沙尘。化学组成主要为 : 煤灰、金属氧化物、碳酸钙、氯化钠、花粉、霉 菌孢子等 131。 2 PM2.S对健康的影响 长期以来，大量流行病学研究发现 PM2.5 浓度的增高与心肺疾病的超额发病率、死亡 率相关，尤其是在原先患有呼吸、心血管系统 疾病的人群及身体状况不佳的老年人中。美 国 EPA进行的两项前瞻性队列研究表明，总 死亡率及心肺疾病死亡率的上
6、升与大气中 PM2.5浓度增高相关。 6城市队列研究表明， 在污染最严重与最轻的两城市之 间，当 PM2.5 浓度差异为 18.6。 300 。 国 外 医 学 卫 生 学 分 册 2001年第 28卷第 5 期 /xgln3时，疾病死亡发生的 危 险 度 上 升 了 26% (RR = 1. 26 )|31。 Schward51利用时间序列分析方法发现当大 气中 PM2.5浓度增加 l(Fg/n3时，研究人群的 总死亡率由 2. 1 %上升到 3.75%，并发现肺 炎、心脏病及其它一些疾病的死亡率上升的 效应随着暴露时间的延长而增强。 不少研究还发现，大气中 PM2.5浓度的上 升与咳嗽等呼
7、吸道症状的产生、肺功能减弱 及哮喘的发病相关 |6 71。 Norris等 171发现西雅 图城市儿童哮喘急诊人数与细颗粒物（粒径 小于 lMm)的污染水平显著相关，当细颗粒物 浓度上升llMg/n3时，急诊人数增加的相对 危险度 (RR)=1.15(1.08 1.23)，即使是处 于最新大气颗粒物 PM2.5浓度质量标准水平 之下，也存在上述相关。 近年来，一些临床试验表明短期的 PM2.5 暴露会引起健康者心率变异性 （ HRV)的减 低。 HRV是反映心脏自主神经张力的最敏 感指标，它的减少与严重心律失常事件及心 脏病猝死等密切相关，可视为心肌自主功能 紊乱的一个参考标志 |8 91 提
8、示 PM2.5对心血 管系统具有潜在毒性。 研究者还发现大气颗粒物的污染与人类 生殖功能的改变显著相关。许多研宄发现大 气颗粒物质的浓度与围产儿、新生儿死亡率 的上升，低出生体重、宫内发育迟缓 （ IURG) 及先天功能缺陷具有显著统计学相关性，最 新研宄指出大气颗粒物对生殖系统的影响不 仅表现为造成胎儿出生时形态畸形，而且会 导致一些细微的功能缺陷，而影响其一 生 |K)|。 Dejmek等 |1U对波希米亚北部的一组 孕妇进行研宄发现，对于高浓度的 PM2.5暴露 O 37Mg /n3 )，孕妇出现 IUGR的 OR值为 2.11 (1.20 3.70)，表明高浓度的细颗粒物污染 可能会影
9、响胚胎的发育。 3毒理学机制 目前对细颗粒物的毒性研究尚处于探索 阶段，不少学者都提出了各自的假设。指出 颗粒物的毒性与其形态、粒径及化学成分存 在密切的关系，并推测一方面敏感人群可能 对细颗粒物的吸入具有超常的反应，另一方 面细颗粒物可能作为化学激惹物，刺激免疫 细胞分泌大量的细胞因子，导致肺部弥漫性 炎症，造成肺部损伤，或引起继发的血液学改 变，影响心血管疾病的发病与死亡。 3.1呼吸系统毒性 粒径 0.5 2/%1的高密度颗粒物最易被 吸入并 在肺泡区沉着。 Chuig等 1121用电镜对 10例温哥华居民的肺脏解剖标本分析发现， 沉积在肺实质内的粒子 96%为 PM2.5,提示肺 脏对
10、此粒径范围的颗粒物具有较高的选择滞 留性。 PM2.5沉积于肺泡区后，由于肺泡区表面 积大，肺泡壁上有丰富的毛细血管网，可溶性 部分很容易被吸收入血液，作用于全身。有 学者认为颗粒物中的可溶性部分在肺毒性中 起主要作用 |B|; Schwartz等 1141研究发现细硫 酸盐颗粒具有更强的急性呼吸道刺激作用。 不溶性部分沉积于肺泡区，作为异物，势 必引起免疫细胞反应。其中肺泡巨噬细胞 (MAC)的吞噬作用是肺脏一种重要的清除机 制。 MAC是肺内炎症的调控者，具有强大的 生物学活性，在外界的刺激下能合成和分泌 生物活性因子达50多种，其中大多数为重要 的炎症介质，如肿瘤坏死因子 (TNF)等，
11、它们 对炎症的发生发展起着重要的作用。 Cbx 等 1151发现交通流量大的地区的健康学龄儿 童血浆中肿瘤坏死因子受体(sTNF R II)水平 与当地大气中 PM2.5浓度密切相关，且与血浆 补体 C3e水平呈正相关 (C3。是 C3的活性产物， 是空气污染非特异性体液免疫的敏感指标 )， 国 外 医 学 卫 生 学 分 册 2001年第 28卷第 5 期 。 301 。 提示细颗粒物通过激活巨噬细胞，使其分泌 细胞因子，引起免疫调节。当细颗粒物的吸 入超过机体的廓清能力，则会引起机体一系 列的病理反应，如发生巨噬细胞性肺炎，导致 肺泡结构的损伤。细颗粒物还可能作为致敏 原诱发哮喘。 鉴于超
12、额死亡大多发生在原先患有心肺 疾患或是体质虚弱的老年人群，故学者们推 测，原发性损伤使机体处于一种炎细胞容易 活化的状态，即炎细胞被致敏，再遇到一般不 足以引起反应的 “ 第二次打击 ” （ 指感染、失液 等一般不足以引起机体超常病理反应的创 伤 事件 )时，机体发生了超常的病理反应。为了 证实这个假设， Imrich等 1161把大鼠和人类巨 噬细胞与脂多糖 (LPS)放在一起预孵化后，再 放入浓集的 PM2.5悬浮液中，发现大鼠和人类 肺泡巨噬细胞产生 TNF的量都较对照组明 显增加。提示被致敏的 MAC有可能会对吸 入的大气颗粒物产生超敏反应，释放更多的 炎症因子，从而导致更广泛更弥散的
13、炎症，造 成机体严重的病理损伤。Killingsworth等 1171 给大鼠注射农吉利检 (monocrotaline)， 建立动 物的心肺疾病模型，从而观察正常组大鼠与 患 病组大鼠对细颗粒物吸入的不同生物学反 应，结果发现仅在患病组大鼠中出现了死亡 (死亡率达 42%)，支气管肺泡灌洗液 （ BAL) 细胞分析发现，患病组大鼠 EAL中的中性粒 细胞数明显增加，并检测出炎症因子巨噬细 胞炎性蛋白 2 (MIP-2)及中性粒细胞激活蛋 白 3(NAP-3或 KC)的显著表达，而正常组大 鼠 BL中性粒细胞增加不显著，仅检出 MIP- 2的微弱表达。病理组织切片显示：患病组 大鼠气腔内及组织
14、间隙有大量的炎症细胞浸 润，小气道内皮细胞增生，上皮细胞皱曲，管 壁增厚，管腔缩小，而正常组大鼠肺组织切片 则未观察到任何病理改变。证明细颗粒物的 吸入对于原先患病的机体有可能通过引起超 常的炎症反应而对机体产生致命的打击。 Seaton141指出，由于超细颗粒物较易进入 户内，使得敏感人群具有更多的接触机会 ;并 且粒径小于 0.02/%i的亚微颗粒具有穿透肺 泡壁进入肺间质的能力，可以被间质淋巴系 统运送入血液，故推测其可能在引发肺部炎 症，造成机体严重病理损伤中起重要作用。 动物实验显示，暴露于相同质量浓度、不同粒 径的细颗粒物（ 0.25/如和 0.02/%!)的两组大 鼠，后者发生了
15、更为严重的肺泡炎症，肺间质 滞留了更多的细颗粒物。而前述 Churg等 1121 进行的人类肺脏病理解剖结果显示，肺实质 滞留的超细颗粒物仅占 5%，他分析这可能 与超细颗粒物能较快地从肺部清除出去有 关，而这又为其产生全身毒作用奠定了基础。 另外，细颗粒物金属部分的毒性亦值得 引起注意。由于金属具有氧化还原活性，能 诱导催化化学反应，产生一系列自由基，具有 引起机体细胞膜脂质过氧化损伤，诱发或加 重炎症的能力 1131。研究表明，超细颗粒物表 面结合的铁复合物会产生羟基自由基，对肺 脏产生氧化性损伤，当除去这部分铁复合物 后，损伤效应减弱 141。 3.2血液系统毒性 细颗粒物的吸入除了引发
16、肺部的炎症之 外，还会引起血液学的一系列改变 。 Clarke 等1181给狗吸入浓集的大气细颗粒物 (CAPs ) 发现，虽然 ML、 血液细胞的各项参数与细颗 粒物的质量浓度相关关系，但当采用混合线 性回归统计后发现，颗粒物的具体组分与狗 的生物学反应密切相关。如 CAPs中的硫酸 盐浓度与外周血白细胞计数增加相关，炭黑、 铝、锰、硅、锌等元素与血液中多形核白细胞 数目增加有关，钠元素可以引起血液淋巴细 胞数目的增加，而铝、锰、硅则可减少淋巴细 胞的数量。采用因素分值法分析后还发现， EAL中性粒细胞百分比、外周血白细胞计数、 中性粒细胞与淋巴细胞数目的增加与铝結 因素密切相关； EAL中
17、巨噬细胞和血液中性 粒细胞数量的增加与钥德因素有关 ;血液红 细胞计数、血红蛋白水平的明显下降与硫因 素有关。提示细颗粒物的吸入有可能使健康 机体的肺功能和血液系统产生微妙的改变， 而血液细胞 数量与组成的变化有可能是造成 曰后心血管意外的一个潜在的隐患。 。 302 。 国 外 医 学 卫 生 学 分 册 2001年第 28卷第 5 期 Seaton141还指出，细颗粒物所致的肺部弥 漫性炎症将可能波及血液系统，造成凝血机 制的异常。如激活的白细胞可释放组织因 子，使凝血因子 X转变为活性状态 Xa， 从而 启动和促进凝血过程 ;肺泡炎症时， MAC能 释放白细胞介素 6(IL6)， 从而刺
18、激肝细胞分 泌纤维蛋白原。他推测肺部强烈的炎症引起 一系列细胞因子的分泌并发挥作用，使得机 体血粘度增高，血液处于高凝状态，引起心肌 缺血缺氧，从而导致心血管事件的发生。 3.3心血管系统毒性 细颗粒物引起的超额死亡有相当部分为 心血管意外，但目前对 PM2.5的心血管毒性研 治始 A、 mi二 绝 1171科 m7， 4m砸 始 射 n 者发现在那些吸烟或是长期暴露于大气颗粒 物的妇女胎盘血中 DNA加合物的浓度明显 增高，此类妇女中胎儿发生宫内发育迟缓、低 出生体重的危险性也要高于那些不吸烟的妇 女。分析其致病机制，颗粒物中的活性成分 由母体呼吸道吸入，并吸收入血液，高浓度的 生物活性化合
19、物 PAH和其含氮衍生物等毒 性物质会干扰母体的一些正常的生理代谢过 程，从而影响胎儿的营养与发育；另外，毒物 还可能直接通过胎盘对胎儿起作用，毒物的 作用时期很可能是在妊娠早期，尤其是怀孕 第一个月 |K)1。 但细颗粒物是否仅作为载体， 抑或与所携带的毒性物质存在交互作用尚无 定论 1191，仍有待深入研宄。 对大气细颗粒物的健康效应研究正曰渐 Hh J=； Ri右老 :由的 7T 幽；、泡镉、锞、锍、钒、溟、锌、苯开 （ a)芘等多坏芳粒 (PAH )，主要吸附在直径小于 2/m颗粒物上， 而这些小颗粒易沉积于肺泡区容易被吸收入 血液，故细颗粒物的吸入对生殖系统的影响 不容忽视。利用生物
20、标志物研究大气颗粒物 对胚胎发育毒性日益受到人们的重视。研究 9 Gold DR， et al. J Circulation， 2000，101: 1267-1273. 10 Sram RJ.丨 J . Environ health Perspect，1999, 107(11)： 542-543. 11】 Dejmek J, et al. J . Environ Health Perspect, 1999, 107 (6)： 475-480. 国 外 医 学 卫 生 学 分 册 2001年第 28卷第 5 期 303 12 Churg A, Brauer M. J Am J Respir Cr
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26、5%的女性青少年及 74%的男性青 少年每天都要饮用一种加糖软饮料。 在波士顿进行了一项前瞻性研究，旨在 探讨学龄儿童加糖饮料消费量的变化与 BMI 变化及肥胖发病率之间的关系。研究对象为 平均年龄 11.7岁的 550名不同种族的公立 学校学生。基线检查后随访了 19个月，在基 线期及随访期 间 测 量 了 身 高 、 体 重 及 三 头 肌皮褶厚度。膳食摄入量、体力活动及看电视 时间则通过一份学生食物及活动调查表获 得。在老师的指导下，由学生独立完成该调 查表。所检测的加糖饮料包括 :苏打水、夏威 夷混合果汁、柠檬汽水、 Koolaid、 冰茶及其他 加糖果汁饮料。 结果表明，加糖饮料消费量与儿童肥胖 有关。调整人体测量学、人口统计学及膳食 和生活方式变量后，饮用每种饮料， BMI及肥 胖率都会增加。 由此可以认为，加糖饮料是导致美国儿 童肥胖率急剧上升的原因之一。应努力开展 一些计划，对儿童、家长及教育工作者 进行有 关限制加糖饮料消费量重要性的教育。 (夏霁摘）