上海市區(qū)和郊區(qū)pm

上海市區(qū)和郊區(qū)pm

2.5是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5m的顆粒。由于粒徑較薄，可通過呼吸等方式進(jìn)入人體，并可沉積在呼吸和辭職物質(zhì)的腸道和胃中。由于pm.5，各種操作和有害藥物，如pahs和其他物質(zhì)，對(duì)人類健康產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的損害。因此，近年來，可吸收顆粒物的研究熱點(diǎn)逐漸從粗粒（pm0）到細(xì)粒（pm.5）或細(xì)粒（ufp）。pm.5的研究主要集中在物理和化學(xué)性質(zhì)特征、源分析和氣候影響上，但這方面的碳顆粒的生物活性研究仍不清楚。目前，人們對(duì)顆粒的生物活性研究還不清楚。目前，人們廣泛使用的假設(shè)是，當(dāng)吸收顆粒的顆粒大小、化合物成分和微觀組成時(shí)，可以產(chǎn)生自由基，這會(huì)導(dǎo)致顆粒的氧化損傷。然而，由于氛圍中可吸收的顆粒的來源和組成的非常復(fù)雜，因此對(duì)生物活性的研究不足。上海作為一個(gè)國(guó)際性的大都市,盡管其空氣質(zhì)量要好于國(guó)內(nèi)其他大城市,但上海環(huán)境公報(bào)表明大氣可吸入顆粒物依然是上海大氣的首要污染物,近年對(duì)上海大氣顆粒物研究的報(bào)道也開始增多.Ye等認(rèn)為上海PM2.5的質(zhì)量濃度變化存在季節(jié)變化特征,PM2.5的主要組分是有機(jī)碳、硫酸鹽、元素碳、銨鹽、硝酸鹽等;Chen等報(bào)道上海大氣顆粒物中鉛的濃度要高于國(guó)內(nèi)其他城市;童永彭等認(rèn)為氣溶膠中的可溶性過渡金屬鹽及過氧化物是誘導(dǎo)細(xì)胞自由基毒性的2個(gè)因素;戴海夏等的研究表明城區(qū)中大氣PM2.5日平均濃度與居民日死亡數(shù)之間存在顯著關(guān)聯(lián),濃度上升總死亡上升;張?jiān)獎(jiǎng)椎葘?duì)上海冬季城區(qū)和郊區(qū)PM2.5的化學(xué)元素組成進(jìn)行了研究.在有關(guān)上海PM2.5的研究中,對(duì)其微觀形貌和生物活性研究還鮮見報(bào)道,因此,本研究在對(duì)上海PM2.5的微觀形貌觀察的基礎(chǔ)上,結(jié)合元素分析的結(jié)果,探討了上海PM2.5對(duì)質(zhì)粒DNA損傷的原因.1材料和方法1.1采樣點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)樣品利用2臺(tái)AIRMETRIC公司的Mini-vol便攜式采樣儀同步采集上海市區(qū)及郊區(qū)的PM2.5樣品,采樣地點(diǎn)分別設(shè)在上海大學(xué)的嘉定校區(qū)(射線應(yīng)用研究所1號(hào)樓二樓樓頂平臺(tái),距離地面約3.5m,代表上海郊區(qū))和延長(zhǎng)校區(qū)(科技園樓八樓平臺(tái),距離地面約15m,代表上海市區(qū)),2個(gè)采樣點(diǎn)相距約35km,采樣點(diǎn)周邊空曠無明顯障礙物,位置如圖1所示.每次采樣時(shí)將采樣器的流量設(shè)為5L/min,采樣時(shí)間為12h,使用Millipore公司生產(chǎn)的聚碳酸酯濾膜(濾膜直徑為47mm,膜的孔徑為0.6μm).PM2.5的觀測(cè)從2005-05～2005-09,每月采樣5d,采樣時(shí)記錄溫度、濕度等氣象條件,市區(qū)和郊區(qū)采集PM2.5樣品的數(shù)量分別為50和42個(gè),用于本次物化分析和生物活性的樣品信息見表1.1.2特征能譜分析所有采樣濾膜稱重前后在恒溫(20±1)℃、恒濕(40%±5%)的干燥器中放置48h,由采樣前后濾膜的質(zhì)量、采樣時(shí)間及采樣流量計(jì)算出PM2.5的質(zhì)量濃度,根據(jù)所采集各樣品濃度計(jì)算其月平均濃度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差.從采集的市區(qū)和郊區(qū)的樣品中選擇春季和夏季各4個(gè)樣品進(jìn)行化學(xué)元素、微觀形貌和生物活性分析.用于PIXE分析的制樣過程是,裁下直徑約1cm的采集有樣品的膜并粘于樣品臺(tái)上,然后將樣品置于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的靜電加速器(美國(guó)NEC公司制造)的樣品倉(cāng)內(nèi),利用加速器產(chǎn)生的能量為3.5MeV的質(zhì)子束照射樣品獲取各無機(jī)元素的特征能譜,然后使用AXIL軟件對(duì)PIXE能譜進(jìn)行分析處理,獲得S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Br、Sr、Pb等15種元素的濃度,每個(gè)樣品照射3次取其平均值,詳細(xì)方法介紹參見文獻(xiàn);電鏡樣品的制備是用雙面膠將裁下1cm×1cm的樣品平整地粘在導(dǎo)電的金屬墊片上,樣品噴金后放入電鏡樣品倉(cāng),使用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(JSM-6700F型,日本電子)對(duì)顆粒物的微觀形貌進(jìn)行觀察,電鏡工作電壓為10kV,工作電流10μA,電子束斑直徑1～2μm,掃描工作距離為7.8mm,EDX分析的信號(hào)采集時(shí)間為100s,使總計(jì)數(shù)值超過100000;采用PlasmidDNAassay對(duì)采集的PM2.5樣品進(jìn)行生物活性實(shí)驗(yàn),詳盡的實(shí)驗(yàn)方法見文獻(xiàn).現(xiàn)簡(jiǎn)述如下:將剩余濾膜放10mL冷凍管中,加入滅菌后的超純水,超聲波振蕩1h將顆粒物剝離下來,經(jīng)計(jì)算得到原始溶液濃度,然后按照需要配制不同濃度的溶液并移至eppendorff管,加入質(zhì)粒DNA,使之充分混合,再恒溫(25℃)輕輕振蕩24h,在振蕩結(jié)束前約0.5h左右開始制膠,將凝膠放入電泳槽中.振蕩結(jié)束,取出樣品,用移液槍注入樣品,最后1個(gè)為超純水和質(zhì)粒、loadingbuffer混合物以作對(duì)照.樣品全部注入孔中后,蓋上槽蓋,接通電源,電壓設(shè)定為120V,電泳時(shí)間設(shè)定為50min.電泳完畢后通過凝膠成像系統(tǒng)成像并拍照,成像時(shí)曝光時(shí)間為10s,電泳圖像分析使用Dolphin1D軟件完成.實(shí)驗(yàn)中所用的質(zhì)粒DNA為堿裂解法抽提的PWIC質(zhì)粒DNA,大小約為10kb,濃度為200ng/mL.2結(jié)果與討論2.1速度曲線:大氣細(xì)粒子污染的季節(jié)和區(qū)域特征由圖2可以看出,上海PM2.5的質(zhì)量濃度最大值為93.48μg·m-3,最小值為43.54μg·m-3,最高濃度是最低濃度的2倍多;春季PM2.5的質(zhì)量濃度高于夏季,市區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度要高于郊區(qū)PM2.5的濃度,這種規(guī)律反映出上海大氣細(xì)粒子污染具有較明顯季節(jié)特征和區(qū)域特征.張?jiān)獎(jiǎng)椎仍趯?duì)上海市區(qū)和郊區(qū)冬季PM2.5的質(zhì)量濃度進(jìn)行研究后認(rèn)為,上海冬季PM2.5的質(zhì)量濃度最高在市區(qū)可以達(dá)到226μg·m-3,在郊區(qū)也可高達(dá)227μg·m-3,但總體平均還是市區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度高,綜合分析后可以得出上海PM2.5的質(zhì)量濃度變化規(guī)律表現(xiàn)為:冬季>春季>夏季,這與Ye等報(bào)道的上海PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化規(guī)律一致.這可能由于在冬季和春季上海的大氣穩(wěn)定性較高,雨量較少、燃煤等工業(yè)排放較集中導(dǎo)致PM2.5的質(zhì)量濃度較高,而夏季較多的雨水對(duì)顆粒物有沖刷清除作用造成上海PM2.5的質(zhì)量濃度較低.2.2上海揚(yáng)塵主要來源元素的濃度和來源產(chǎn)使用PIXE分析得到S、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Br、Sr、Pb等15種元素的質(zhì)量濃度.由表2可以看出,除了S以外,K、Ca、Fe3種元素的濃度在春季郊區(qū)樣品中占元素總量的47.1%,而市區(qū)樣品中占30.8%;在夏季郊區(qū)與市區(qū)樣品中,這3種元素所占元素總量的比例分別為40.2%和52.3%,說明K、Ca、Fe元素是上海PM2.5中的主要元素;氣溶膠中的Ca和Fe被認(rèn)為來自地殼,Ca在上海郊區(qū)夏季樣品中的濃度比春季濃度略高,在市區(qū)樣品則是春季高夏季低,但差別不大,這可能與上海不間斷的城市建設(shè)產(chǎn)生的揚(yáng)塵密切相關(guān);Fe元素的濃度呈現(xiàn)春季高而夏季低的趨勢(shì);而可能來自生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生產(chǎn)生的K元素在上海春季、夏季甚至冬季樣品中,其質(zhì)量濃度都是在市區(qū)高于郊區(qū);S元素的濃度比其他元素的濃度高了很多,占全部元素總濃度的32%～55%,其最大濃度值達(dá)到了1389.38ng·m-3±43.39ng·m-3,最小濃度也達(dá)到了521.97ng·m-3±14.57ng·m-3,而S主要來自化石燃料的燃燒,根據(jù)上海目前16家燃煤電廠的實(shí)際情況分析,S主要來自燃煤;Ni占全部元素總濃度的百分比不到0.5%,但是其絕對(duì)濃度的最大值達(dá)到了8.94ng·m-3±1.28ng·m-3,超出世界衛(wèi)生組織(WHO)PM10-Ni具有致癌風(fēng)險(xiǎn)的參考值(2.6～4.0ng·m-3)的1倍多(目前國(guó)際上沒有統(tǒng)一的有關(guān)PM2.5中元素濃度標(biāo)準(zhǔn),這里用WHO的PM10中元素濃度參考值作為參照);Mn的濃度最大值為11.56ng·m-3±1.39ng·m-3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于WHO設(shè)定的的致癌參考值150ng·m-3;主要來源于汽車尾氣的Pb的濃度最大值為20.63ng·m-3±3.74ng·m-3,同樣遠(yuǎn)低于WHO的參考值500ng·m-3.鑒于文獻(xiàn)報(bào)道的PM2.5化學(xué)元素分析的結(jié)果是來自在空氣污染相對(duì)嚴(yán)重的冬季樣品,元素的質(zhì)量濃度較高,與之相比,本次研究得出的主要元素S、Fe、Ca、K、Zn、Pb的濃度相對(duì)要低得多,這樣的結(jié)果顯示了PM2.5中的主要污染元素的質(zhì)量濃存在季節(jié)變化的特征,即冬季>春季>夏季.2.3煤炭燃燒的形FESEM觀察顯示上海PM2.5主要由煙塵集合體、燃煤飛灰、礦物顆粒、生物質(zhì)顆粒和不明物質(zhì)等組成(圖3、4).按顆粒物的微觀形貌結(jié)合其EDX成分分析的結(jié)果,上海PM2.5的微觀形態(tài)可分為形態(tài)規(guī)則[圖3(a)～(i)]和形態(tài)不規(guī)則[圖4(a)～(d)]2類.由超細(xì)顆粒物組成的密實(shí)狀煙塵集合體[圖3(a)]主要來自于燃燒污染,機(jī)動(dòng)車的尾氣是其主要來源;燃煤飛灰呈較規(guī)則的圓球形,表面較光滑[圖3(b)],主要來自于煤炭燃燒;上海PM2.5中的生物顆粒[圖3(c)、(d)]在北京大氣中也可以見到;礦物顆粒在樣品中的數(shù)量不多但因體積較大,因此對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)也較高,它的形狀有規(guī)則形狀[圖3(e)～(i)]和不規(guī)則形狀[圖4(a)～(c)]2種,其來源一般為揚(yáng)塵(形狀不規(guī)則的礦物顆粒)和大氣化學(xué)反應(yīng)形成的二次顆粒(形狀規(guī)則的顆粒),EDX成分分析表明形狀不規(guī)則的礦物顆粒多含Ca、Fe、O等元素,而形狀規(guī)則的礦物顆粒的成分常為Ca、S、N、O等.根據(jù)其顯微形貌和成分并參考文獻(xiàn),長(zhǎng)方形、片狀的顆粒[圖3(e)、(f)]應(yīng)為硫酸鹽類礦物,長(zhǎng)條形的顆粒[圖3(g)]和針狀顆粒[圖3(h)]為石膏礦物.在SEM觀察過程中,由于電子束打到樣品上能夠產(chǎn)生很高的熱量,因此導(dǎo)致可溶性的鹽類礦物的溶蝕[圖3(i)].在實(shí)驗(yàn)過程中,亦發(fā)現(xiàn)PM2.5樣品中存在無法識(shí)別的物質(zhì)[圖4(d)],這些物質(zhì)僅在個(gè)別樣品中有所發(fā)現(xiàn),由于實(shí)驗(yàn)所限,未能對(duì)這些物質(zhì)的組成進(jìn)行分析,筆者稱之為不明物質(zhì).總之,相對(duì)北京大氣顆粒物的微觀組分而言,上海的大氣顆粒物組成要簡(jiǎn)單得多,北京的顆粒物中有煙塵集合體、燃煤飛灰、礦物顆粒、生物顆粒物、超細(xì)顆粒、煤屑、海鹽、絲炭、纖維等,這表明上海大氣顆粒物在來源上相對(duì)比較單一.2.4對(duì)質(zhì)粒dna損傷率低,比居住區(qū)2.5更對(duì)大氣顆粒物生物活性的研究常用體內(nèi)(invivo)和體外(invitro)的方法,體內(nèi)(invivo)法一般是通過動(dòng)物模型來實(shí)現(xiàn),體外(invitro)法則是直接將細(xì)胞或DNA和污染物產(chǎn)生作用來實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)污染物的毒性.本次研究選擇國(guó)際上新興起的體外評(píng)價(jià)方法(PlasmidDNAassay)對(duì)上海PM2.5的生物活性進(jìn)行研究.由圖5可以看出,相對(duì)于對(duì)照組的質(zhì)粒DNA,所有樣品對(duì)質(zhì)粒DNA都有不同程度的損傷,上海市區(qū)的4個(gè)樣品對(duì)DNA的損傷更為明顯.實(shí)驗(yàn)所用質(zhì)粒DNA的原始損傷率為36.5%,郊區(qū)采集的3個(gè)樣品(其中1個(gè)樣品的濃度配比失誤,沒有使用)(圖5中1、4、5條帶)的損傷率分別為77%、68.5%、100%(表3),而市區(qū)采集的4個(gè)樣品(圖5中2、3、6、7條帶)DNA損傷率全都為100%,其中市區(qū)樣品在濃度為40μg/mL時(shí)就造成DNA全部損傷,由此可見,即使在較低的劑量下上海PM2.5對(duì)質(zhì)粒DNA的損傷也比較明顯.上海市區(qū)PM2.5樣品對(duì)DNA的損傷率大于郊區(qū)樣品,表明市區(qū)PM2.5在氧化活性上比郊區(qū)PM2.5強(qiáng).一方面,現(xiàn)有的研究結(jié)果表明顆粒物中的重金屬元素是造成質(zhì)粒DNA損傷的主要原因,在顆粒物全樣溶液中Pb、Zn、As3種元素對(duì)質(zhì)粒DNA氧化性損傷能力較強(qiáng).在對(duì)上海PM2.5樣品中的重金屬元素分析中發(fā)現(xiàn),市區(qū)和郊區(qū)PM2.5中主要污染元素(Pb、Zn、As)的含量有很大的不同,這3種污染元素在市區(qū)PM2.5中的質(zhì)量濃度無論在春季還是在夏季都比同時(shí)段郊區(qū)樣品中的濃度高,尤其是Zn元素,在市區(qū)樣品春季的含量比郊區(qū)PM2.5中的含量高出約60%;由此可見,上海市區(qū)PM2.5具有較高的生物活性可能主要在于其中有較高的重金屬元素.另一方面,本次顯微圖像觀察表明,無論春季和夏季的PM2.5樣品,上海市區(qū)樣品中煙塵集合體的含量都明顯高于上海郊區(qū)樣品的含量,根據(jù)Shao等得出可吸入顆粒物中較高的煙塵集合體含量對(duì)DNA損傷有明顯的貢獻(xiàn)的結(jié)論,因此不難看出,上海市區(qū)PM2.5比郊區(qū)具有更強(qiáng)的生物活性在于市區(qū)樣品中含有更多的重金屬元素和粒度較細(xì)的煙塵集合體.3上海路徑導(dǎo)致的大氣污染(1)上海市區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度高于郊區(qū)PM2.5的濃度,春季樣品濃度略高于夏季樣品.(2)上海PM2.5主要由煙塵集合體、燃煤飛灰、礦物顆粒、生物質(zhì)顆粒和不明物質(zhì)等組成.(3)元素分析結(jié)果表明,郊區(qū)