哈尔滨市大气细颗粒物污染特征及其毒性效应

黄丽坤,徐媛媛,王广智,王 琨,王 薇,田 甜

哈尔滨市大气细颗粒物污染特征及其毒性效应

黄丽坤1,2,徐媛媛1,王广智2*,王 琨2,王 薇1,田 甜1

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江 哈尔滨 150076；2.哈尔滨工业大学环境学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

为研究哈尔滨市大气细颗粒物的污染特征及其毒效应,分别采集PM2.5、PM1.0样品,分析其质量浓度、数浓度的变化分布特征以及对小鼠肺损伤的影响.结果表明:2017年全年PM2.5、PM1.0的质量浓度均呈冬高夏低趋势;PM1.0质量浓度占PM2.5总质量浓度的62%~85%,PM1.0数浓度变化趋势为两边高中间低,且其大小与温度呈负相关,与相对湿度无显著相关性;研究大气颗粒物对小鼠肺损伤影响时发现,染毒组小鼠肺组织细胞中LDH、ACP、AKP、ALB增高,说明大气颗粒物PM2.5和PM1.0对小鼠肺组织细胞具有毒效应;肺灌洗液中MDA、NO、NOS水平升高,SOD活性下降,说明PM2.5和PM1.0都使机体发生氧化损伤,且PM2.5和PM1.0质量浓度增加,会使小鼠肺组织细胞毒效应增强,由此引发的机体氧化损伤程度增大.

细颗粒物(PM2.5)；PM1.0；质量浓度；毒性效应

大气细颗粒物现已成为造成空气颗粒污染的主要污染物之一[1].PM2.5中粒径小于等于1μm的颗粒物称作PM1.0.一般地,大气颗粒物粒径越小,其沉降速度就越慢,在大气中停留时间越长,在大气动力作用下吹送到各地,从而使被颗粒物污染的区域不断扩大.并且,粒径在0.1~1μm的颗粒物,与可见光的波长相近,对可见光有很强的散射作用.这也是造成大气能见度降低的主要原因.PM2.5不仅严重影响大气环境质量[2-4],并且危害人类健康[5-7].PM2.5对生命体伤害极大.周逢海等[8]研究发现PM2.5长期暴露会使小鼠生精小管结构改变,生精细胞层减少,生精细胞结构顺序紊乱,明显损伤雄性小鼠的生殖功能.王威等[9]也通过试验验证空气污染物不同成分对中枢神经系统有着不同的毒性作用.

由于哈尔滨地处我国东北平原东北部地区,纬度较高,冬季漫长而寒冷,不利于气体扩散,且需要长期供暖,独特的地理气候人文等因素使得其污染状况较其他城市更为严峻.以往对大气颗粒物的研究主要以TSP和PM10为主,关于PM2.5、PM1.0对人类健康影响的研究资料不多.本文对PM2.5、PM1.0质量浓度、数浓度的污染特征及其毒效应进行深入研究,为北方寒冷地区处理大气污染问题提供数据支持, 为大气污染防治提供参考.

1 仪器和方法

1.1 试验仪器及材料

采用TH-150型智能中流量颗粒物采样器(武汉天虹仪表有限责任公司)采集大气颗粒物PM2.5、PM1.0样品,采样流量为100L/min,准确度是±2.5%,技术参数符合国家规定标准(GB6921-86)[12];数浓度仪为美国TSI8532粉尘仪.石英纤维滤膜(美国PALL公司)作为实验滤膜.

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集 采样地点为哈尔滨工业大学环境学院4楼楼顶,距离地面约14m.校内有食堂和小型供热系统,采样点距交通干道100m左右,无较大的工业污染,因此该点能代表哈市居民生活区污染水平.采集方式为24h连续采样,2017年1~12月每月均选取15d进行采样,采样原则为非雨雪天气或雨雪天气1~2d后进行采样.测定其质量浓度、数浓度.

1.2.2 质量浓度分析 将采样后滤膜重量减去采样前滤膜重量得到悬浮颗粒总重量,再除以采气体积,即可得到空气中颗粒物浓度[10-11].

1.2.3 数浓度分析 采用TSI数浓度仪进行在线监测,每天于09:00,12:00,15:00各检测5min,并同时用温度计和湿度计测定当时温度和湿度.在天气信息网上查询其他气象因子并记录.

1.2.4 大气颗粒物PM2.5、PM1.0的处理 剪碎存在有PM2.5、PM1.0的滤膜并将其浸泡在去离子水中.超声震荡3次,每次40min,洗脱颗粒物.将震荡液经过6层纱布过滤后,将滤液在4℃、12000r/min,离心30min,收集下层的悬液.将下层的悬液冷冻真空干燥后,置于低温冰箱保存备用[12].混匀并灭菌,于4℃下保存.使用前震荡混匀.

1.2.5 实验动物的选取、分组、染毒与体征观察 选用20~22g的C57BL/6雄性小鼠并对其随机分两组,阴性对照组和染毒组,每组8只,做好标记.染毒剂量以不同时期滤膜上颗粒物实际质量为准,染毒方式为气管滴注染毒,将带有聚乙烯管的针头经小鼠口部插入小鼠气管,滴注混匀后的颗粒物溶液,气管一次滴注量为0.2mL/10g体重,染毒时间为24h.

认真观察染毒前后小鼠一般体征的变化,记录染毒前后小鼠(包括阴性对照组小鼠)的体重,并观察小鼠染毒期间精神、饮食、呼吸状况.

1.2.6 灌洗液的提取与成分分析 染毒结束后处死小鼠,暴露气管,缓慢注入0.5mL生理盐水于气管中,抽出小鼠肺部灌洗液,操作过程中按摩小鼠胸部以增加灌洗液的洗出率,提取出肺灌洗液立即于4℃下保存.记录每只小鼠灌洗液的总量,并对每只小鼠进行8次灌洗操作[13].

将提取的小鼠灌洗液分为两部分,一部分经4℃,1000r/min离心10min,取上清液待用;另一部分经4℃,3000r/min离心15min后,下层细胞沉淀加入细胞裂解液,4℃下放置30min,再于4℃,1200r/min离心30min,取上清液用于一氧化氮合酶(NOS)和超氧化物歧化酶(SOD)测定.两部分的上清液合并后在4℃,10000r/min离心20min,乳酸脱氢酶(LDH)、酸性磷酸酶(ACP)、白蛋白(ALB)、碱性磷酸酶(AKP)、一氧化氮(NO)以及血清丙二醛(MDA)的含量测定,取上清液测定[10].

2 结果与讨论

2.1 PM2.5、PM1.0质量浓度及数浓度分析

2.1.1 PM2.5、PM1.0质量浓度逐月变化趋势 2017年1~12月每月的大气细颗粒物PM2.5、PM1.0质量浓度变化趋势如图1所示,2017年PM2.5和PM1.0的逐月变化趋势均呈两边高中间低的特征,这与京津冀地区[14]、沈阳市[15]、邯郸市[[16]细颗粒物变化趋势一致.2, 4, 10, 11, 12月的PM2.5、PM1.0质量浓度平均值较其他月份明显增高,表明这5个月份的空气污染较为严重.其中,11, 12月的PM2.5、PM1.0质量浓度变动不大,均达到最高值.这主要是由于此时为冬季,位于中国北端的哈尔滨天气寒冷,正处于供暖前、中期,而主要的供暖方式是烧煤,向大气中释放大量的SO2、CO2、NOx等经化学反应生成二次颗粒物造成污染,使得大气颗粒物浓度增大.同时,这2个月份的平均风力等级较大,秸秆焚烧、汽车尾气排放等也会增大大气颗粒物浓度.PM2.5、PM1.0质量浓度最低值均在8月份出现,分别为(12.501±2.055), (10.809±1.021)μg/m3.

2.1.2 PM2.5中不同粒径的分布特征 由图2可知,12个月里PM2.5中占比最大的是PM1.0,均在62%以上,最高可达85%(2月),这说明哈尔滨市大气污染主要是以超细颗粒物(PM1.0)为主.并且,由于主要污染源的不同、气象条件等各种因素,使得PM1.0在各月份质量浓度占比也有所改变.因此,下面也主要就PM1.0进行其数浓度的分析.

图1 2017年1~12月PM2.5、PM1.0质量浓度统计

图2 不同粒径颗粒物在各月份质量浓度百分比

2.2 PM1.0数浓度与温度、相对湿度相关性分析

由图3可知,数浓度整年变化趋势为两边高中间低. 6, 7, 8月的颗粒物数浓度在12个月中偏低,分别为17564, 15174, 12329个/cm3.而1, 2, 12月PM1.0数浓度较高,分别为69332, 73830, 76368个/cm3,相当于6、7、8月份的3倍以上.分析数浓度与温度相关性发现,数浓度的大小与温度呈负相关,数浓度随着温度升高而降低,这是由于温度升高加快了颗粒物的扩散,导致数浓度降低,而冬季哈尔滨温度基本保持在零下,颗粒物运动减弱,大量积聚从而使得数浓度增大.数浓度与相对湿度的pearson相关性系数为0.114,说明两者之间并无显著相关关系,数浓度受到相对湿度的影响较小.11, 12月中相对湿度增大,数浓度却也随之增大,这是由冬季供暖、秸秆焚烧和汽车尾气排放等原因造成的,相对湿度不是其主要影响因素.大气颗粒物与温度、相对湿度的相关性关系与黄山市[17]一致.

2.3 PM2.5、PM1.0对小鼠肺损伤分析

2.3.1 实验动物一般体征变化 染毒前,小鼠毛色健康有光泽,精神状态良好,正常饮水、进食,活动情况正常.与阴性对照组的小鼠相比较发现,染毒组小鼠毛色不再有光泽,并出现了明显的神经倦怠情况,活动情况明显减少,饮水、进食情况也远不如染毒前.

由表1可知,阴性对照组的小鼠与染毒组小鼠的体重在染毒前均无太大差别,阴性对照组小鼠在染毒后体重持续增加,而染毒组小鼠体重均出现不同程度的减少,且滴注2017年4、11、12月大气颗粒物PM1.0的小鼠体重降低最为明显,这是由于这3个月的颗粒物PM1.0质量浓度都比其他月份高,从而对小鼠体征影响更大.

表1 小鼠染毒前后体重变化(g,±s)

注:*与阴性对照组比较<0.05.

2.3.2 PM2.5对小鼠肺组织细胞毒效应 乳酸脱氢酶(LDH)属于胞浆酶,酸性磷酸酶(ACP)为溶酶体酶.当细胞膜受损或细胞死亡溶解后,会释放出大量的胞浆酶、溶酶体酶[18-21].碱性磷酸酶(AKP)、白蛋白(ALB)释放量能够提示实质细胞是否损伤.因此,颗粒物对小鼠肺组织细胞的毒效应以小鼠肺灌洗液中LDH、ACP和AKP、ALB的释放量显示.如表2所示,与阴性对照组小鼠LDH和ACP的释放量相比,滴注颗粒物PM2.5的染毒组小鼠的LDH、ACP的释放量均明显增多,提示生物膜受损;同时,与阴性对照组小鼠AKP和ALB的释放量相比,染毒组小鼠的AKP、ALB释放量也出现不同程度的增多,这说明小鼠肺部的实质细胞受到损伤.以上,均表明大气细颗粒物PM2.5对肺组织细胞具有毒效应.

与小鼠气管中滴注的PM2.5质量浓度大小相对应观察,发现2017年2、4、10、11、12月的PM2.5质量浓度较其他月份高,气管中滴注这些月份颗粒物PM2.5溶液的小鼠LDH、ACP、SKP、ALB这4个指标数据也比其他组小鼠要高,这说明小鼠肺组织生物膜和实质细胞的损伤更为严重,且PM2.5质量浓度越高,相应的4个指标数值就越大即不同月份中随着PM2.5质量浓度的增加,PM2.5对肺组织细胞的毒效应增大.

表2 PM2.5质量浓度与LDH、ACP、AKP、ALB对比

注:*与阴性对照组比较<0.05.

2.3.3 PM1.0对小鼠肺组织细胞毒效应 由表3所示,与阴性对照组小鼠数据相比,大气颗粒物PM1.0的吸入,导致肺灌洗液中LDH、ACP增多,提示小鼠肺部生物膜受损;AKP、ALB的增多提示实质细胞损伤.以上,均表明PM1.0对肺组织细胞具有毒效应.

同样与小鼠气管中滴注的PM1.0质量浓度大小相对应观察,发现2017年2、4、10、11、12月的PM1.0质量浓度较其他月份高,气管中滴注这些月份PM1.0溶液的小鼠LDH、ACP、SKP、ALB这4个指标数据也比其他组小鼠要高,这说明小鼠肺组织生物膜和实质细胞的损伤更为严重,且PM1.0质量浓度越高,相应的4个指标数值就越大,即不同月份中随着PM1.0质量浓度增加,PM1.0对肺组织细胞的毒效应增大.

表3 PM1.0质量浓度与LDH、ACP、AKP、ALB对比

注:*与阴性对照组比较<0.05.

2.3.4 PM2.5对肺灌洗液中氧化应激指标的影响 氧化应激是指多种原因致使体内的活性氧(ROS)、活性氮(RNS)等相关物质产生过多,氧化程度超出氧化物的清除,是机体内氧化与抗氧化作用失衡的综合表现,是由自由基在体内产生的一种负面作用,被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素.因此,选择血清丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、一氧化氮(NO)、一氧化氮合成酶(NOS)4项指标来研究PM2.5、PM1.0对小鼠肺灌洗液中氧化应激指标的影响[22-25].

如图4所示,与阴性对照组小鼠肺灌洗液中MDA、SOD、NO、NOS的数据相比,染毒组的小鼠肺灌洗液的4组数据中,SOD活性下降,MDA、NO和NOS水平均显著升高,而MDA反映机体受自由基攻击的程度,SOD表示机体清除自由基的能力,这都表明了PM2.5使小鼠肺组织发生了氧化损伤.结果表明,氧化应激损伤在PM2.5对小鼠肺组织的急性损伤过程中起到了重要作用.与小鼠气管中滴注的PM2.5质量浓度大小相对应观察,2017年2, 4, 10, 11, 12月的PM2.5的质量浓度较其他月份高,则滴注对应月份PM2.5溶液的实验小鼠灌洗液中MDA、NO、NOS 3三项指标增大幅度就比其他月份要大,SOD指标减少幅度也较其他月份大.由此说明,小鼠肺组织氧自由基会随着PM2.5质量浓度的增加而增加,提高了小鼠的应激能力,即机体发生氧化损伤程度增大.

图4 PM2.5质量浓度与肺灌洗液中氧化应激指标对比

2.3.5 PM1.0对肺灌洗液中氧化应激指标的影响 由图5可知,同PM2.5处理小鼠肺组织类似,与阴性对照组小鼠肺灌洗液中MDA、SOD、NO、NOS的数据相比,染毒组小鼠肺灌洗液的SOD活性下降, MDA、NO、NOS水平均升高,这说明PM1.0的注入提高了小鼠机体的氧化应激水平,使小鼠肺组织发生了氧化损伤.因此,氧化应激损伤在PM1.0对小鼠肺组织的急性损伤过程中起到了重要作用.同样地,与小鼠气管中滴注的PM1.0质量浓度大小相对应观察,滴注2017年2, 4, 11, 12月PM1.0溶液的实验小鼠灌洗液中氧化应激指标MDA、NO、NOS 3项指标增大幅度比其他月份要大,SOD指标减少幅度也较其他月份大.由此说明,小鼠肺组织氧自由基也会随着PM1.0质量浓度的增加而增加,机体氧化损伤程度也会增大.

图5 PM1.0质量浓度与肺灌洗液中氧化应激指标对比

3 结论

3.1 PM2.5、PM1.0质量浓度2017年全年变化趋势表现为冬高夏低,11, 12月的PM2.5、PM1.0质量浓度达到最高,最低值均在8月份出现.

3.2 哈尔滨市大气污染案主要是以超细颗粒物(PM1.0)为主，PM1.0质量浓度占PM2.5总质量浓度的62%~85%.数浓度大小与温度呈负相关,与相对湿度无显著性相关.

3.3 染毒组小鼠肺组织细胞中LDH、ACP、AKP和ALB增高,表示生物膜受损,PM2.5和PM1.0对小鼠的肺组织细胞具有毒效应;肺灌洗液中MDA、NO、NOS水平明显升高,SOD活性显著下降,说明PM2.5和PM1.0都可使机体发生氧化损伤.且PM1.0和PM2.5质量浓度的增加,使小鼠肺组织细胞毒效应增强,由此引发的机体氧化损伤程度增大.

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Study on pollution characteristics and toxic effects of fine particulate matter in Harbin, China.

HUANG Li-kun1,2, XU Yuan-yuan1, WANG Guang-zhi2*, WANG Kun2, WANG Wei1, TIAN Tian1

(1.School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China；2.School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2019,39(12)：5326~5332

In order to study the pollution characteristics and toxic effects of fine particulate matters in Harbin, we analyzed the distribution characteristics of their mass and number concentration and their effects on lung injury in micewith samples of PM2.5and PM1.0in 2017. The results showed that the mass concentration of PM2.5, PM1.0showed a pattern of high in winter and low in summer; The mass concentration of PM1.0accounted for 62%~85% of the total mass concentration of PM2.5. The temporal pattern of PM1.0number was lower in the middle of the year and higher in both ends, and its number concentration was negatively correlated with the temperature, and there was no significant correlation with the relative humidity. In the study of the effects of atmospheric particulate matter on lung injury in mice, it was found that LDH, ACP, AKP, ALB in lung tissue cells of mice exposed to air particulates increased, indicating that PM2.5and PM1.0had toxic effects on lung tissue cells of mice. The level of MDA, NO, NOS in lung lavage fluid increased and the activity of SOD decreased, which indicated that both PM2.5and PM1.0caused oxidative damage in the body. With the increase of the mass concentration of PM2.5and PM1.0in the air particles, the cytotoxic effect on the lung tissue of mice was enhanced and the degree of oxidative damage was increased.

PM2.5；PM1.0；mass concentration；toxic effects

X503.22

A

1000-6923(2019)12-5326-07

黄丽坤(1980-),女,吉林辉南人,哈尔滨商业大学食品学院副教授,主要从事大气污染防治与源解析技术研究.发表论文65篇.

2019-05-06

哈尔滨商业大学校级项目(18XN041)

* 责任作者, 副教授, hitwgz@126.com