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【转载】 查了多篇科学文献,给你一份PM2.5知识图谱

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前言


新冠病毒,让我看了几篇《柳叶刀》文章。在此基础上,顺便查了查空气污染相关的内容,特别是PM2.5与人体健康的关系。虽然之前已比较了解雾霾,但仍然有一些疑问。比如:

雾霾指数多少,才能室外运动呢?
如何更有效地进行颗粒物防护?
PM2.5对人体的伤害如何量化?
 
带着这些疑问,我查询了一些文献,包括《美国医学会杂志》、Taylor&Francis期刊、ScienceDaily,从而对PM2.5以及对人群的影响有了更深的了解。现在从以下几个方面来阐述,对于普通人,可以重点看看1、2和第4点。

1、什么是PM2.5,以及如何产生的;
2、PM2.5会造成哪些不良后果;
3、这些研究是怎么定性和定量出来的;
4、普通人如何进行有效防护;
5、关于颗粒物的一些最新研究情况简介。




01

PM2.5以及产生


PM是particulate matter的缩写,也叫悬浮颗粒或颗粒物,泛指悬浮在空气中的固体颗粒或液滴。其中,空气动力学直径小于或等于10微米 (µm)的颗粒物称为可吸入颗粒物(PM10);直径小于或等于2.5微米的颗粒物称为细颗粒物(PM2.5)。2.5微米是多大呢?作为对比,人的一根头发丝直径大概是50-70微米,2.5微米大概是头发丝的1/28。


图一:pm2.5_scale_graphic-color


颗粒物的来源比较广泛,如上图所示,PM10主要产生于机械过程,如建筑活动,道路扬尘和花粉等;而PM2.5主要来源于燃料燃烧,另外,维基百科上资料显示,PM2.5还可以由硫和氮的氧化物转化而成,这些气体污染物往往是人类对石化燃料(煤、石油等)和垃圾的燃烧造成,类似的,没有安装废气处理装置的柴油汽车也是颗粒物的主要来源

在室内,二手烟是颗粒物最主要的来源。


图二:Airborne-particulate-size-chart


这张图描述了各种颗粒的大小,单位:微米(µm)。


【纵轴】biological contaminants-生物污染物、types of dust-灰尘的类型、 particulate contaminants-颗粒污染物、gas molecules-气体分子。
【横轴】pollen-花粉、mold spores-霉菌孢子、house dust mite allergens-屋尘螨过敏原、bacteria-细菌、cat allergens-猫过敏原、virus-病毒、heavy dust -沉重的灰尘、setting dust-沉淀灰尘、suspended atmospheric dust-悬浮大气尘、cement dust-水泥粉尘、fly ash-煤灰、oil smoke-油烟、smog-烟雾、 tobacco smoke-香烟烟雾、soot-煤烟、gaseous contaminants-气态污染物。

从这张图中,我们可以明显地看到,某一个类型污染物其典型代表的颗粒物所属粒径范围。如:气态污染物、香烟烟雾、病毒等,其粒径都在1微米以下。



02

PM2.5会造成哪些不良后果


颗粒物的大小决定了它们最终在呼吸道中的位置,较大的颗粒物往往被纤毛和黏液过滤,无法通过鼻子和咽喉。但是,小于10微米的可吸入颗粒物(PM10),可以穿透这些屏障到达支气管和肺泡。而小于2.5μm的细颗粒物(PM2.5),更容易吸附有毒害的物质,如一些重金属铅、锌、砷、镉等,由于体积小,PM2.5具有更强的穿透力,可直接抵达细支气管壁,并干扰肺内的气体交换。更小的微粒(直径小于等于100纳米,0.1微米)会通过肺部传递影响其他器官。PM由肺然后到其他器官的影响,可以参考下面这张图(*1-参考资料来源,参见文末)


由PM引起肺、心脏、血液以及其他器官的一个通路

发表在《美国医学会杂志》的一项研究(*2)表明,PM2.5会导致动脉斑块沉积,引发血管炎症和动脉硬化,最终导致心脏病或其他心血管问题。
 
最小的颗粒物(直径小于等于100纳米,合0.1微米)带来的危害更为严重。有证据表明这些颗粒物可以穿过细胞膜到达其他器官,包括大脑。有研究指出,这些微粒可能引发脑损伤(包括失智症)。
 
这项始于1982年的研究证实,当空气中PM2.5的浓度长期高于10 μg/m3,就会带来死亡风险的上升。浓度每增加10 μg/m3,总的死亡风险会上升4%,心肺疾病带来的死亡风险上升6%,肺癌带来的死亡风险上升8%。此外,PM2.5极易吸附多环芳烃有机污染物重金属,使致癌、致畸、致突变的机率明显升高。 

另外一篇《美国医学杂志》上的文章(*3)研究了接触细颗粒物的水平和深静脉血栓形成(DVT)之间的关系,研究结果表明暴露在细颗粒物中和血栓风险之间存在线性关系。

国内方面,北京大学医学部公共卫生学院与环保组织联合发布的报告《危险的呼吸2:大气PM2.5对中国城市公众健康效应研究》(*4)给出了一个结论:2013年在中国31个省会城市和直辖市,因长期暴露于PM2.5污染带来的长期人群健康损害所致的缺血性心脏病、脑血管病、肺癌和慢性阻塞性肺疾病致超额死亡人数总数为256693例,其95%可信区间高限值达366309例。



03

研究方法探寻


可能有人会问,这些颗粒物的短期和长期影响,科研人员是怎么跟踪和评估的呢?污染导致了几百万人死亡,这个数据科学吗?我把看文献过程中总结的几点记录如下,大家可自行评估、参考。


在来自《美国医学杂志》的参考文献2中,其分析是基于美国癌症协会(ACS)收集的数据,该数据是癌症预防研究(CPS-II)的一部分。研究招募了约120万成年人,参与者需要填写一份详细的调查问卷,用以评估危险因素,其中包括年龄,性别,种族,体重,身高,吸烟史,教育程度,婚姻状况,饮食,饮酒,职业暴露和其他特征的问题。


在随后的若干年里,ACS会持续跟进和研究参与者的生命状态,一旦有报告的死亡情况需要通过死亡证明予以核实。这项研究持续进行了16年,研究期间完成了至少93%的死亡确认,并获得了死亡证明或死亡原因代码。然后研究人员使用一个叫做“Cox比例风险模型”的方法,模型拟合涉及两个阶段。在第一阶段,使用标准的Cox比例风险模型对生存数据进行建模。在第二阶段,使用线性随机效应回归模型,确认特定健康响应的估计值与微粒空气污染有关。当然,模型还需要考虑其他风险因子的影响,包括年龄,性别,吸烟情况,职业暴露等。(感兴趣的可自行研究论文)


国内的研究相对来说更加理论化一些,在参考资料4《危险的呼吸2:大气PM2.5对中国城市公众健康效应研究》中,研究人员以当年的年平均PM2.5浓度作为基线情景,然后设置了三个对比组,包括“2017年情景、国标情景和WHO情景”。然后以WHO情景为本底,采用细颗粒物暴露造成的全球疾病负担估算中所采用的“整合风险函数”方法计算国标情景、2017情景和基线情景下,相对于本底情景,各城市缺血性心脏病、脑血管病、慢性阻塞性肺疾病和肺癌死亡率的相对危险度。


相对来说,国外的研究属于流行病学研究范畴,跨度的时间也很长,数据更有说服力;国内更多的是采用倒推法,是根据已有数据、算法模型推演出的结果。




04

普通人如何防护


国内多次的大型污染事件,已经让大部分人意识到颗粒物污染带来的危害。身处京津冀地段,也能感受到近几年在政府部门强力干预下天气变好的趋势。但我发现,有一部分人可能仍然没有意识到这一块,包括家庭中二手烟对家人的影响,空气污染指数达到多少是对身体有伤害的,甚至还有一小部分人在空气质量不好时去跑步,更别说如果没有新冠肺炎这件事口罩的普及率很低,等等。


吸烟及二手烟

从上面的图二中我们可以看到,香烟产生的颗粒物直径在0.1-1微米之间,这个粒径的颗粒物可以直接穿过肺泡进入到血液循环中,危害非常大。


来自ncbi上的一篇论文(*5)统计了中国吸烟所致的死亡率,论文中给出了一组数字:在2005年全中国共有673000例死亡(95%可信区间)可被归因于吸烟。其中80%为男性死亡,吸烟相关死亡的根本死因为:癌症268200例(214500-321900),心血管疾病146200例(79200-213100),呼吸系统疾病66800例(20300-113300)。而2012年中国卫生部发布的《中国吸烟危害健康报告》中报导说每年因吸烟导致死亡的人数已超过100万。


所以别吸烟,以及尽量不要被二手烟污染。特别是小孩和老人,让他们尽量远离烟。


空气污染指数

我们大部分人手机里都有实时的空气污染指数,手机自带或者独立App,比如墨迹天气。但这个里面有两个问题:


一是大部分的手机自带或者独立污染指数App,用的都是《中国AQI标准》(*6),和《美国AQI标准》(*7)以及《世界卫生组织-空气质量准则》(*8)相比,国内的标准仍然采用的是过渡期标准。这样就会出现相同的污染物质和污染值,基于中国的AQI等级计算出来的空气质量是“良”、“轻度污染”,基于美国的AQI等级计算出来的则是“轻度污染”、“不健康”。


还有一个问题就是,中美两国AQI标准里,最主要的就是PM2.5的限值不同。在美国标准里,PM2.5大于35.4(μg/m3)就是轻度污染了,而国内PM2.5浓度大于75(μg/m3)才算轻度污染。


所以,在这里给三点小建议:

1、当AQI值大于100时,请尽量减少室外运动;
2、当AQI值大于150时,建议戴上口罩再出门;
3、记得装一款可以设置美国AQI标准的空气beplaysport体育软件,并设置为“美国AQI标准”,同时除了看AQI外,看一下对应的PM2.5值。

PM2.5值多少合适运动

目前国内使用的空气质量标准在PM2.5的要求上和世界卫生组织(WHO)的空气质量准则值相比,无论是24小时平均或者年平均,相差都比较大。


中国的空气质量标准与WHO标准对比

目前各个研究论文中都没有关于环境PM2.5暴露造成人群健康损害的阈值浓度问题。WHO对空气质量准则值的解释,认为年平均浓度在10μg/m3及以下的PM2.5暴露不对人群健康造成损害。但总体上,并没有一个PM2.5阈值可以拿来直接说对人群健康无损害。

所以,我个人的建议是按照美国AQI的标准走比较稳妥,对于敏感人群PM2.5浓度值需要小于35.5μg/m3,对于普通人群PM2.5浓度值需要小于55.5μg/m3,在此条件下才适合运动,高于这个值适当减少户外运动时长。如果做一个表,大概是下面这样(以美国AQI为例)。

PM2.5 24小时浓度均值
空气质量指数(AQI)
空气质量级别
对健康影响
建议采取的措施
0-12
0-50

基本无影响
尽情地跑步
12.1-35.4
51-100
中等
基本无影响
正常地跑步
35.5-55.4
101-150
对敏感人群不健康
易感人群有症状
适当减少跑步和室外运动
55.5-150.4
151-200
不健康
有影响
不建议跑步和室外活动

口罩防护
大部分人已经认识到口罩的重要性了,在此就不多说了。像现在流行的N95口罩,对于0.3μm的颗粒物拦截效率达到95%以上。对于大部分场合的污染防治,基本上够用了。之前TK有一篇文章写过口罩,里面有一张图,大家拿过来对照就够了。



其他
虽然污染给我们带来了伤害,但并不是意味着什么也不做。我还看过一个研究,2010年,荷兰的研究人员通过对流行病数据的分析得出结论:在污染环境中的每日出行和曝露会减少人类寿命0.8—40天,然而,额外的锻炼却可以带来3—14个月的寿命延长。

虽然这个实验还没有最终定论,但总体上来说,作者想研究的是:运动比污染的影响力要大,而且已有一部分数据支撑这个论点。每个人的体质不一样,所以,避免重污染天气下的室外运动,戴上口罩,其他的请根据自己的情况来调整。



05

颗粒物最新研究情况


按照当前国内的现状,大部分城市想在最近几年实现PM2.5年平均浓度35μg/m3会比较困难,更别说按WHO的要求达到10μg/m3。但颗粒物对人群的健康影响,已经得到了一致认同。

我看了几篇最新的研究论文,ScienceDaily在2020年1月29日和2020年2月14日分别发表了2篇论文(*9&*10),讨论了更小的颗粒物(1微米)对心血管疾病、心脏病的深入影响。也有研究在讨论柴油机排气会增加血凝块的形成和血小板活动-可能导致心脏病和中风。

研究越来越细的颗粒物对人体健康的影响,会是接下来的一个方向。




参考资料:

1

https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/10473289.2006.10464485?needAccess=true

2

https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/194704?resultClick=1

3

https://jamanetwork.com/journals/jamainternalmedicine/fullarticle/414214?resultClick=1

4

https://wenku.baidu.com/view/875fdf45c1c708a1284a44ce.html

5

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19129528

6

http://183.203.132.90:85/ribao/doc/W020120410332725219541.pdf

7

https://www3.epa.gov/airnow/aqi-technical-assistance-document-sept2018.pdf

8

https://www.who.int/publications/list/who_sde_phe_oeh_06_02/zh/

9

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200129091444.htm

10

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200214134717.htm







你好,我是锋言冷语,前产品经理,现开发经理。

从事过测试和硬件开发、负责过质量管理、带过产品线,在安防公司厮混过,也曾短暂地加入过创业公司打拼,如今在一家环境beplaysport体育仪器厂家里担任开发经理。

爱好运动、每年跑1-2次马拉松、喜欢独处和看书,也喜欢用文字记录自己的日常感悟与管理心得。



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