空气污染与健康：颗粒物的理化特征及研究成果

（一）物理性质

1.形态　颗粒物的形态，包括颜色、表面特征、形状等，根据颗粒物来源不同而有所差别。用电镜和X射线能谱分析仪可见，燃煤排放的颗粒物一般呈灰褐色，表面比较光滑，含有S、Al、Si、Fe等元素，形状以球形居多；冶金工业排放的颗粒物呈红褐色，表面具有金属光泽，富含Mn、Al、Fe等元素，形态不规则；而建筑行业排放的颗粒物，通常呈灰色，表面暗淡，含Ca丰富，形状多变。

2.比表面积　颗粒物的表面积与体积之比，称为颗粒物的比表面积，间接反映了颗粒物受到物理化学作用与重力作用的相对大小。颗粒物的粒径越小，其比表面积越大，如粒径为0.1 μm颗粒物的比表面积约为60 m2。比表面积大小对颗粒物的吸附作用有一定影响，比表面积大的颗粒物易于吸附大气中其他有毒有害物质，从而对颗粒物的健康效应产生影响。

3.空气动力学直径　目前颗粒物的粒径通常采用国际上公认的空气动力学直径表示。如果所研究颗粒物的空气动力学沉降速度与单位密度直径为Dp（particle diameter）的球形粒子相同，则认为Dp为所研究颗粒物的空气动力学直径。由于空气动力学直径可以直接表征颗粒物在空气中的停留时间、沉降速度、进入呼吸道的可能性以及在呼吸道沉积的不同部位等特征，因此在国际上得到了广泛的应用。根据颗粒物的空气动力学直径与人体健康的关系，可将颗粒物分为以下几种类型。

（1）总悬浮颗粒物（total suspended particle，TSP）。空气动力学直径≤100 μm的颗粒物，是气溶胶中各种悬浮颗粒物的总称，为评价大气环境质量的常用指标之一。

（2）可吸入颗粒物（inhalable particle，IP）。指空气动力学直径≤10 μm的颗粒物，又称PM10，可直接被人体吸入呼吸道，与人体健康存在密切关系。国内针对PM10已有较为成熟的监测方法，是国内大部分城市日常监测的主要大气污染物之一。根据粒径大小，PM10又可进一步细分为粗颗粒物和细颗粒物，其中空气动力学直径≤2.5 μm的为细颗粒物，空气动力学直径在2.5～10 μm之间的为粗颗粒物（coarse particle，PM2.5～10）。

（3）细颗粒物（fine particle，PM2.5）。空气动力学≤2.5 μm的颗粒物，可直接被人体吸入呼吸道深部，甚至达到肺泡区。由于PM2.5的粒径小、比表面积大，其吸附性强，易于携带大气中的有毒有害物质，使其毒性增强，因此PM2.5比PM10对人体健康的危害更大。当前大气PM2.5的监测工作正在我国逐步开展。

（4）超细颗粒物（ultrafine particle，UFP）。又称PM 0.1，指空气动力学直径≤0.1 μm的颗粒物。由于PM0.1更易被人体吸入呼吸道深部，并渗透至肺间质组织，因此其对人体健康的危害可能比同等质量，较大粒径的颗粒物更大。对其相关性质及其对人体健康的危害研究目前仍在探索之中。

（二）化学组成

大气颗粒物是由多种化学成分组成的混合物，其化学组成主要分为有机物和无机物两大类。

1.有机物　颗粒物中的有机物成分约占其总量的20%～40%，主要来源于矿物燃料燃烧、垃圾焚烧、机动车尾气、油脂类食物烹制以及吸烟等高温燃烧过程。通过测定颗粒物中的有机碳（organic carbon，OC），乘以一定系数补偿分子中的O、H、N等元素含量可得出颗粒物中的有机物含量。颗粒物中的有机物成分包括数百种甚至上千种不同物质，其中多环芳烃、苯系物、持久性有机污染物是其中较为常见的成分。目前对颗粒物中有机物成分的测定已经成为研究的热点，一方面是因为对有机物成分的了解远不如对无机物成分的了解充分，另一方面，有机物成分对人体健康影响的致癌性和致突变性已经引起了研究者的高度关注。

2.无机物(https://www.xing528.com)

（1）元素碳（element carbon，EC）。EC又称黑炭（black carbon，BC），是由化石燃料和生物质的不完全燃烧所产生的具有高度热稳定性的含碳物质。虽然EC中也含有H和O，一些微量元素以氧化物的形式出现，但由于缺乏对其具体组成的了解，因而通常以单纯的元素表示。大气环境中的BC尤其是城市区域大气中的BC主要来源于化石燃料（特别是柴油燃料）的不完全燃烧，是交通相关颗粒物的指示成分。

（2）二次污染成分。颗粒物中的二次污染成分主要包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐。（NH4）2SO4和NH4 H SO4是颗粒物中常见的硫酸盐成分，主要由大气中SO2气体转化形成。N H4NO3是颗粒物中常见的硝酸盐成分，主要由大气中气态污染物NOx发生氧化还原反应形成。颗粒物中的铵盐主要包括（NH4）2SO4、NH4 HSO4和NH4 NO3，它们是SO2、NOx和NH3互相反应的常见产物，大部分NH3来自于生物体，特别是农田排放、垃圾腐烂以及饲养场的动物排泄物。

（3）地壳尘。颗粒物中的地壳尘物质主要为Al、Si、Fe、Ca、Mg、K、Na、Mn等元素的氧化物。颗粒物中的Al和Si通常主要由土壤源贡献，其他元素具有相对广泛的人为来源，如工业生产过程中的冶金、炼钢、采矿以及水泥生产也是重要的地壳尘来源。

（4）微量元素和未知组分。除了上述地壳尘外，颗粒物中还含有Cu、Cr、V、Mo、Ni、Pb、Sn、Sb、Br、As、Se等多种金属及类金属微量元素。此外，颗粒物中还有一部分组分仍属于未知组分。

不同粒径颗粒物的化学组分也有所差异，其中空气动力学直径≥2.5μm的颗粒物主要以土壤风化和海盐渍溅等自然来源的颗粒物为主，其主要成分往往含有大量Si、Al、Mg、Na、Cl等元素及其化合物。而PM2.5主要由燃烧过程产生的一次颗粒物及经过理化转变形成的二次颗粒物组成，其主要成分则含有大量的二次污染成分（硫酸盐、硝酸盐和铵盐）以及有机物等。

近年来，我国对颗粒物中的化学组分测定工作逐步取得了一定的研究成果。研究显示，我国PM2.5的化学组分在全国不同地区有很大的差异，硫酸盐、硝酸盐、铵盐，有机物，地壳元素和元素碳所占比例分别在7.1%～57%、17.7%～53%、7.1%～43%和1.3%～12.8%。我国PM2.5的化学组成中，二次污染成分和有机物所占比例较大，与欧美发达国家及地区的PM2.5化学组成明显不同。

（三）生物性质

颗粒物的生物性质是指其表面附着微生物以及花粉、孢子、菌丝等活性成分，这些生物成分来源于被风吹起的地面尘土、水面小水滴、人或动物体表的干燥脱落物、呼吸道的分泌物和排泄物以及植物的碎片等。

颗粒物是各类微生物的载体，这些微生物包括细菌、真菌、病毒、放线菌、藻类以及原生动物等各类微生物群落。由于颗粒物中缺乏微生物直接可利用的养料，微生物不能繁殖生长，因此颗粒物中的微生物群落并不固定。尽管微生物只是吸附或黏附于颗粒物表面，但是它可以随着颗粒物进入人体呼吸道，成为呼吸道疾病的病原菌和传染源。此外，微生物代谢产生的毒性物质会对颗粒物的毒性造成影响，例如当细菌溶解死亡后会释放出内毒素附着在颗粒物表面，从而对肺泡巨噬细胞分泌的炎性因子水平产生影响。

颗粒物上附着的花粉、孢子及菌丝分布具有明显的季节性，春季颗粒物中较大的花粉和孢子含量容易导致其进入人体呼吸道后引发哮喘和皮肤过敏症。