拼图游戏：大气颗粒物健康研究

( 2011年10月30日，温州市郊一位菜农在未开发的房产用地上以焚烧方式开荒 )

长期队列研究的无奈

“如果是我，肯定就退赛了。”北京大学环境科学与工程学院院长朱彤说。他指的是今年10月19日的北京马拉松比赛。当天北京城被雾霾笼罩，一些参赛者自备防毒面具、口罩，被网友戏称为“口罩展览会”。

“关于大气颗粒物对健康的影响现在已经有一些确切的结论：第一，PM2.5对人体健康有危害；第二，PM2.5是大气颗粒物中对人体危害最大的颗粒物；第三，PM2.5对人的全身都有影响。”正是基于这些认识，他不愿意在雾霾较重的情况下进行跑步这样近乎“吸毒”的运动。

“我们没有太好抵御雾霾的办法，能做的也就是污染严重的时候不出门，出门戴口罩，使用空气净化器。”但是话又说回来，这些措施究竟能产生多大的效果也是个未知数。他的孩子今年4岁，雾霾严重的时候出门会戴口罩。“口罩能否和面部紧密贴合？在经常开门、开窗的情况下空气净化器到底起到多大作用？对我而言这些都是心理安慰。”他笑笑说，“但是家里人信这个。”

( 10月9日，西安市西二环路白家口立交桥下，一名交警正在对过往车辆的尾气排放情况进行抽查 )

与普通人一样，如果早晨起床发现天气糟糕，他也会情绪低落。“影响是双重的。一是作为普通人来说天气不好确实糟心；二是作为一个研究大气污染的人，研究了这么久，也进行了治理，污染还是这么严重，当然心情不好。所以如果有蓝天我会很高兴，但这蓝天不是我们的功劳，一靠控制，二靠老天帮忙。”

2013年3月31日，世界卫生组织发布了《2010年全球疾病负担评估》报告。报告称，2010年，细颗粒物（PM2.5）形式的室外空气污染居全球20个首要致死风险因子第9位，在中国则为第4，前三位分别是饮食结构不合理、高血压和吸烟。

( 7月4日，被称为“雾炮”的多功能抑尘车在河北张家口市宣化区上岗 )

该报告由50个国家、303个机构、488名研究人员历时5年时间完成，发表于国际权威医学杂志《柳叶刀》上。报告显示，在全球范围内，细颗粒物形式的室外空气污染每年在全球导致320多万人过早死亡及超过7600万健康生命年的损失，其中1个人减少1年寿命为1健康生命年；2010年在我国，室外空气污染导致123万人过早死亡及超过2500万健康生命年的损失，比1990年的评估结果高出33%。

曾经参与此项目大气污染工作组研究的复旦大学公共卫生学院教授阚海东在《对〈2010年全球疾病负担评估〉中我国PM2.5污染部分的一些看法》一文中写道：“全球范围内大气污染已经成为主要健康风险因子之一，而且比公众以往认为的要严重得多，造成的疾病负担对我国和其他发展中国家造成的影响最大，必须采取有效行动以减少大气污染暴露。”

( 北京大学环境科学与工程学院院长朱彤 )

他也承认研究结果存在一定的不确定性。“第一，因为我国缺乏PM2.5长期的连续监测数据，评估采用美国国家航空航天局（NASA）卫星数据反演、结合大气模型的方法估计获得我国PM2.5浓度估算值，这和地面真实的监测值之间肯定存在某些差别，需要我国更多监测数据的证实。第二，由于我国缺乏PM2.5与居民健康危害的前瞻性队列研究结果，该报告采用美国癌症协会队列研究获得的PM2.5和健康的暴露―反应关系，和我国的高污染情况有较大差别，所以结果存在一定的不确定性。”

“关于PM2.5对健康的危害我们不知道的很多，这导致一些研究的不确定性，未知的主要有三大问题。”朱彤说，“第一个问题，中国大气污染高浓度情况下，造成的健康风险有多高？中国目前开展的研究还比较有限。污染物对人体健康的影响需要收集很多年数据，而中国有很多官方数据难以获得，我们现在的很多研究都是按照欧美国家相对较低的暴露水平进行的，并不能反映我国的实际情况。第二个问题，中国大气污染颗粒物的来源、化学成分和大小都很复杂，不同的颗粒物对人体健康的危害有多大？第三个问题，这些颗粒物是怎样产生危害的，通过什么样的过程，有什么样的机制？”

PM2.5对健康的影响分为急性效应和慢性效应，急性效应可以用时间序列来研究，慢性效应需要用队列研究。“队列研究需要很长时间的数据积累，难度很大，需要长期投入大量研究经费和队伍支持。”朱彤说。

最著名也非常经典的队列研究是美国哈佛大学的六城市研究。研究从上世纪70年代开始，后来将PM2.5与6个城市的人口死亡率结合起来，进行长期追踪，进而在上世纪90年代提出PM2.5是需要控制的细颗粒物。这项研究成为美国治理PM2.5的一项重要依据。

“在欧美，一些污染城市大气颗粒物曾经有很高的数值，比如伦敦烟雾时期和洛杉矶烟雾时期，但是那时候他们没有做这样系统的研究，等开始研究的时候浓度已经大大降低，PM2.5浓度最高不过30微克/立方米，中国现在很多城市比它们高很多，我们要解决的是高浓度下的健康效应问题。”

朱彤一直想做类似的队列研究，但是没有成功，这让他很沮丧。“我很困惑为什么这个事情做不成。大家都急于找到一个答案，很多人不愿意等10～15年来做一个事情。虽然在我们这个圈子里都认可队列研究的重要性，但还有很多学术界的人持不同观点，政府部门也需要科学家很快拿出答案。目前在我国的科研体制下，没有项目能支持长时间空气污染的研究追踪。”

急性健康影响

在无法进行长期追踪性研究的情况下，朱彤所在的研究组做了一些急性效应研究来验证已有的结论。国内外很多研究表明，空气污染是心血管疾病的重要危险因素。揭示短期影响的有欧洲环境污染与健康研究计划，在对欧洲29个城市4300万人资料分析后发现，PM10每升高10毫克/立方米，每日总死亡率与心血管疾病死亡率分别增加0.6%和0.69%；揭示长期影响的有哈佛六城市队列研究，在控制饮食、污染物联合作用等混杂因素后，PM2.5年平均浓度每增高10毫克/立方米，心血管疾病患者死亡率增加6%，且未观察到其健康效应的阈值。

但空气污染是如何导致心血管疾病的呢？这一机理还很不清楚。“以往主要的假设为空气污染可能首先诱发氧化性损伤和系统炎症，进而导致血栓形成、引发上皮细胞损伤以及心脏自主神经功能和血管功能异常，不过人群研究的直接证据不足。”

幸运的是，2008年北京奥运会和残奥会期间因为实施了大量的空气污染控制措施，奥运会前后大气污染水平发生急剧变化，成为一个空气大范围改变的天然实验室，为检验一些假设提供了难得的实验契机。

在此期间，朱彤所在的团队做了三个实验。第一个实验以40名北大附小10岁左右的儿童作为目标人群，选取与细颗粒物污染相关的健康指标进行研究，结果发现奥运会期间北京的空气质量明显好转，细颗粒物包括黑炭的浓度大为下降，儿童的相关呼吸系统指标要好于奥运会前。在同时对其他几种主要大气污染物的健康效应做扫描式分析对比后，他们得出结论：尽管黑炭只占细颗粒物总体的5%左右，但其对人体健康的影响却相当于细颗粒物的整体效应。

这个发现很有意义。“黑炭是生物学燃烧中不完全燃烧产生的颗粒物，主要来源是机动车尾气和煤炭燃烧，颜色是黑的，所以叫作黑炭。它可以吸附很多有机污染物，直接对人体健康有影响。因此直接控制黑炭，要比控制细颗粒物目标更明确，效果更好。”

第二个实验他们选择了患有心血管疾病的老年人，通过随身携带的动态心电图记录器，连续不断地监测人体24小时心电变化，结果发现心率的变异率和PM2.5的关联性非常明显。

第三个实验选择了125名健康年轻人，比较他们在奥运会前、中、后的心肺生理指标。空气污染水平在奥运会前最高，奥运会中最低，奥运会后有高有低，结果测量的生理指标在奥运会中是最低的，奥运会前最高。“这说明机体对短期影响有恢复的能力，但是长期影响能否恢复无法确定。我们很难做‘累积暴露多久会导致机体不能自我修复’这样的研究，需要非常好的实验设计才有说服力。”

他们的实验经过很多环境和生物样本分析验证、大量的统计模型计算和反复的讨论，最终于2012年发表在美国医学学会会刊（JAMA）等学术期刊上。“现在我们在做第五个这样的研究，做一项严谨的研究需要很多时间，没有那么快就出成果。”

阚海东也在这个领域做了很多工作，他曾在中国17个城市同步开展了空气污染对居民影响的研究，结果发现，相对于男性，女性和老人对于污染更加敏感，自然来源的颗粒物对人体有害，但害处更大的是燃油产生的颗粒物。

他还对PM0.25至PM10范围内23组不同粒径的颗粒物数量浓度，分析和比较了它们与居民健康风险的关系。结果显示，粒径在0.25～0.50微米范围内的颗粒物数浓度，与居民健康危害的关系最为显著，粒径越小，健康危害越大，对心血管疾病的风险尤为明显。

据介绍，不同的危害与不同粒径的颗粒物在下呼吸道的沉降方式有关。粒径小于0.50微米的颗粒物主要以扩散方式沉积，大于0.50微米的颗粒物主要以撞击方式沉积。阚海东曾经打比方说，这就像犀牛和老鼠同时奔跑，犀牛横冲直撞，老鼠可以很快拐弯。PM10就像犀牛，撞到人的鼻子上、喉咙上，成了撞击式沉积；PM0.5就像老鼠，可以沿着气流一直扩散沉积到人的肺泡里，危害因而也更大。

学界有研究曾列出颗粒物进入人体的“路线图”：7微米颗粒物可进入鼻腔，4.7～7微米颗粒物可到达咽喉，3.3～4.7微米登陆主气管，2.1～3.3微米进入支气管，1.1～2.1微米抵达气管末端，0.65～1.1微米的足以钻进肺泡。从这一点来说，阚海东课题组的研究从另一个侧面印证了污染物颗粒进入人体的深度与健康危害程度有关联。

“我觉得未来应该更多地关注粒径在0.5微米以下的颗粒物，它们才是引起较大健康风险的最危险物质。”阚海东说。

北京大学公共卫生学院教授潘小川从另外一个角度解释了颗粒物对健康的危害程度。“PM2.5吸附的物质决定它的毒性。如果这个地区主要吸附的是重金属，那可能这个地区产生重金属中毒的就多；如果吸附的是苯并（a）芘这类致癌物，那它就可能更多是产生人群癌症的高发；如果这个地区PM2.5表面吸附的很多是持久性有机污染物，那它可能产生的生殖生育危害比较大。不同的地区，同样污染物的浓度对健康的危害是不一样的。”

一项博士论文研究

很多人不明白颗粒物对健康影响的结论究竟是如何得出的，我们来看一个具体的例子。

2010～2011年，北京大学医学部公共卫生学院博士生吴少伟做了一个PM2.5污染对人体呼吸和心血管系统影响的追踪研究，之后几年论文陆续发表在美国《环境科学与技术》、《环境与健康展望》、《颗粒物与纤维毒理学》等国际学术期刊上，这个研究也是他博士论文的一部分。

他的导师郭新彪教授是公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系主任，一直在研究大气颗粒物对健康的影响，他把针对PM2.5和健康关系的研究称为“针对复杂系统的复杂科学研究”。

“大气PM2.5由多种化学成分组成，不同的化学成分引起心肺效应的能力不同。这些不同的化学成分如何影响人体心肺健康？所以我们做了相关研究。”吴少伟说。

他选取了北京市某高校40名健康的在校大学生为研究对象，对其进行了三个时期的追踪。此高校在良乡大学城有分校，学生前两年在郊区学习，后两年搬到市区。“城区和郊区的污染情况不同，同一批人群暴露在两个不同的空气污染区，会成为一个很好的对比。”

一开始他认为郊区的污染会略轻，结果事实刚好相反。从郊区移到城区之后，总体上PM2.5浓度略有降低，其中工业生产、建筑扬尘所产生的二次污染物硫酸盐硝、酸盐等盐类的浓度降低，但是和交通、燃煤有关的炭质成分却升高了。“郊区有工厂排放一些颗粒物，大学城有一些校园建设正在进行，附近的京石高速也是一个污染源。相对来说，城区的污染源相对没有那么复杂，机动车排放是一个主要原因。”

2010年春季，第一期试验在郊区进行；2010年深秋，第二期试验在城区进行，当时已经进入采暖季，燃煤所产生的颗粒物浓度有所增加；2011年春季，第三期也在城区进行，每期时长两个月。“学生经过不同的暴露过程，健康会有一个变化。通过三期观测，我们能发现从郊区搬迁到城区后短期的变化，还能对比同一季节的长期变化。”

试验期间，他们每天在校园里采样，对颗粒物和气态污染物进行检测，测量32种化学成分的含量，包括碳质、阴离子、金属及类金属元素等。“有时候肉眼即可辨别污染情况，一次长时期严重的雾霾之后，采样膜上颗粒物的厚度和颜色都比较深。”

每个实验者每两周接受一次常规体检，体检内容包括血压、肺功能和一系列标志物。“衡量健康有没有发生变化不是看得了什么病，而是采用了一种亚临床指标，这是一些对身体不利的因素，但是还没有变成疾病，这些标志物可能会揭示疾病产生的机理。”

他们主要从三大类指标来分析健康影响，分别是血压、肺功能和系统性炎症。

“PM2.5是一个和血压有关的主要污染物。收缩压和舒张压相减得到慢压，我们在市区测量的慢压比郊区高，但是市区的PM2.5浓度比郊区低。所以只从PM2.5的浓度来解释是说不通的，我们用统计学模型来分析，发现其中的一些化学成分，比如炭质（也就是黑炭），还有一些金属成分和血压变化的关联性更强。所以研究颗粒物的成分，对分析健康效应非常有用。”

他们通过肺功能仪来测量研究对象的肺功能情况，仪器能够记录吹气时肺活量大小以及呼气流速。他们给一半的研究对象每人发了一个呼气风流速仪，让他们试验期间每天早晚对着仪器吹一次，观察每日空气污染变化对肺功能的影响。以往的研究表明，肺功能的变化趋势和颗粒物成分成负相关，即污染物浓度越低，肺功能水平越高，他们观察到的结果和此前的研究一致。“与肺功能关联较强的是一些金属颗粒物，这和金属本身的性质有一定关系。炭质进入呼吸道通过肺泡血液交换进入循环系统，所以对血压的影响更大；而金属成分到达肺部后直接产生一些反应，对肺的毒性较大。这其中的机制有很多还不清楚。”

第三个指标是从血液中获得的标志物，即炎症指标。以往的研究表明，一些炎症指标和污染物变化呈正相关，污染物浓度升高，炎症因子浓度也升高。“炎症水平代表一种应激状态，颗粒物是一种外来物质，进入身体后，机体就会动员免疫系统产生免疫应答，这个过程中就会产生一些炎症因子，趋化白细胞粒细胞对入侵的物质进行攻击，炎症因子升高表明这个人进入应激状态。”其中肿瘤坏死因子与大部分PM2.5成分，包括碳质、阴离子、金属及类金属元素等都有较强的相关性，而PM2.5中的部分金属成分对纤维蛋白原的效应在所有成分中最强。

郭新彪评价道：“吴少伟的研究初步阐明了在较高污染水平下大气PM2.5及其30余种化学成分对人体呼吸和心血管健康的短期影响。”值得一提的是，本次研究中未发现直接来源于交通排放的PM2.5与健康指标有显著关联，但是排放的氮氧化物在与空气中其他物质反应后生成的二次污染物会对健康产生较大的影响。

研究者们反复提及中国PM2.5污染情况有自己的特色。“发达国家的污染浓度水平和我们差一个数量级，他们的污染水平不高，暴露程度较小。中国的污染物对健康的影响是否和国外的研究结果一致？哪些污染物对身体哪部分影响最大？这些都是我们想弄明白的问题。”吴少伟说。

在越来越多针对大气颗粒物和健康效应的研究中，吴少伟的工作只是沧海一粟。“很多关于污染物对健康效应影响的研究都是这样来的，如果大量的文献指出空气污染和某种疾病有关，都得出了同样的结论，那么科学家就可以下定论说，雾霾究竟在某个方面对人体产生了多大的影响。”

代价

颗粒物对健康慢性效应研究的一个重大成果就是PM2.5可以致癌，这听起来似乎有点恐怖，每个人都无法避免这样一个无处不在的危险因素。

2013年10月，世界卫生组织下属的国际癌症研究机构（IARC）正式把大气颗粒物定为一类致癌物。国际癌症研究机构发布的致癌评估报告被视作“致癌物百科全书”，是致癌性物质的权威科学参考资料。该项目将物质根据致癌程度不同分为四类：一类致癌、二类可能致癌、三类未知和四类可能不致癌。其中一类致癌物是对人体有明确致癌性的物质或混合物，这家机构先前已将大气污染中的一些成分界定为第一类致癌物，如柴油尾气，但这是第一次将大气污染作为整体列为第一类致癌物。由此，大气污染在致癌方面的危险度已与烟草、紫外线和石棉等致癌物处于同一等级。

总部位于法国里昂的国际癌症研究机构审阅了超过1000篇来自五大洲的研究论文，分析各种存在于室外空气污染中的致癌污染物，特别是颗粒物和交通相关的污染。该评估由大型流行病学研究引导，流行病学研究中包括生活在欧洲、北美、南美和亚洲数以百万计的人。

报告指出，有足够证据表明，大气污染会导致肺癌，提高膀胱癌发病率。虽然不同地区大气污染组成和人们在空气中暴露程度存在很大区别，但这个结论适用于全球所有地区。

报告还指出，大气污染会增加呼吸系统疾病和心脏病等多种疾病的发病率。数据显示，2010年全球由大气污染导致的肺癌死亡人数高达22.3万。国家肿瘤防治研究办公室主任陈万青认可这一点：“空气污染和肺癌的关系很明确的，现在我国肺癌的发病率在所有癌症中排名第一，但是很长一段时间我国的吸烟率并没有升高，所以肺癌的升高肯定还有其他原因，空气污染就是很重要的因素。”

这个问题在潘小川看来，从个人角度而言无需特别在意。“广义来说，风险无处不在，实际上我们每天接触的空气中都有致癌物，这并不是说每个人都会得癌症，公众无需恐慌。”更大的危害在于这种风险难以完全避免。他认为研究已经再次传递了非常明确的信号，必须切实采取措施治理大气污染。

潘小川所在的研究小组还发现人类生殖、生育的功能也会由于大气污染造成一些损伤。“但是对于生殖生育系统因为涉及第二代，需要观察更长时间，是否会对生育生殖功能造成影响短期内恐怕不会那么明显地显现出来。”

大气颗粒物对生殖、生育功能的影响，对大脑的影响、对情绪的影响、对糖尿病的影响等等，这些领域依然没有得到一个令人信服的定论，诸多研究仍在进行之中，盲人依然在摸象。

那么，这些已经有定论的研究如何指导政策的制定？如何在社会为大气颗粒物污染付出的健康代价和控制污染的成本之间找到一个平衡？

美国环境保护署（EPA）在2011年初发布报告称，自1990年《清洁空气法》修正案实施以来，仅2010年所削减的PM2.5与臭氧污染，就可减少因污染而过早死亡16万人。该报告还称，到2020年，修正案因治理PM2.5与臭氧污染所获得的效益可达2万亿美元，而这个投入成本仅650亿美元。

中国对于环境污染造成的经济损失也做过相关研究，通过对奥运会期间北京地区健康经济损失的研究发现，日均人群健康经济损失在奥运会期间为15274.20美元，较奥运会前（24773.44美元）、后（18102.76美元）分别降低了38%和16%。

“不管从什么角度来看，这样的污染控制都是划算的。”朱彤说，“而且这些年人们的观念发生了很大改变。”

原国家环保总局和世界银行在2007年曾发布过一个《中国环境污染损失》的报告，报告称，每年中国因污染导致的经济损失达1000亿美元，占GDP的5.8%。估算1995年中国城市因空气污染过早死亡人数17.8万人，因室内空气污染过早死亡人数11.1万人。世界卫生组织也估算，中国2001年因各种污染造成的过早死亡人数近80万人。这其中，每年造成的环境污染损失包括两类：一类是财产性损失，如企业的污水处理成本、农渔业的收成损失，包括部分生态损失；另一类是健康损失，计算起来非常困难。

“对比鲜明的是，当时大家对80万这个数字争议很大，政府不愿意面对，专家质疑计算方法有问题。而2012年发布的《2010年全球疾病负担评估》中说‘室外空气污染导致123万人过早死亡’，123万这个数字却没有引起太多争议。这几年整个社会都在进步，大家的心理预期也在提高，开始接受空气污染对健康有影响这样的事实。”朱彤说。

“从历史角度来看，欧美一些国家和地区，比如上世纪四五十年代的洛杉矶、六七十年代的东京都比北京的空气污染更严重，但是经过很多年的控制和治理，它们改善了很多。像洛杉矶这样曾经污染严重的城市，如果你看到它历史的污染高值，以及后来一个很大的下降曲线，你会对它治理的决心、采取的措施和措施的有效性印象非常深刻，这正是我们所缺少的。” 研究健康空气污染颗粒物大气环境污染大气颗粒物拼图游戏大气主要污染物朱彤