基于室内环境浓度监测的大学生PM2.5暴露评估*

张钰婕 孙丹一 刘建伟 陈艳娇 曹红斌

(北京师范大学地理科学学部，北京 100875)

城市环境中PM2.5是主要的大气污染物类型[1]，已成为威胁人们生活的一大健康杀手[2]。根据流行病学报告，PM2.5粒径小、比表面积大、活性强，易附带有毒、有害物质(如重金属、多环芳烃类、微生物等)，可直接进入肺泡，影响支气管、细支气管及肺泡的换气功能，危害人体的呼吸系统和心血管系统[3]。

与其他国家相比，我国环境污染状况较严重[4-6]，以PM2.5为主要污染物的区域大范围雾霾事件仍有发生。北京市雾霾事件严重时，环境中的PM2.5可达到数百μg/m3，部分地区污染物峰值数据甚至突破700 μg/m3，远高于世界卫生组织规定的限值(25 μg/m3)[7]。由于个体暴露浓度与大气PM2.5浓度具有一定的相关性[8-9]，因此对大气PM2.5污染严重地区的人群暴露状况进行研究很有必要。已有工作的研究对象主要为儿童、女性群体、老年人、哮喘及心肺疾病患者等敏感人群[10-11]，对大学生的研究较少。然而，大学生群体生长发育仍处于缓慢增长阶段，社会生活环境有其特殊性[12]。

已有研究显示，大多数人80%～90%的时间待在室内，室内暴露量约占总体暴露量的75%[13-15]。然而，现有研究多采用大气监测站点的PM2.5浓度来评估个体暴露[16-17]，从而导致与个体实际暴露量的偏差[18-19]。因此，为更好评估大学生的PM2.5暴露，本研究在宿舍、教室、图书馆等主要室内场所进行PM2.5监测，并招募志愿者24 h佩戴个体采样器进行采样，分采暖季和非采暖季对大学生的PM2.5个体暴露浓度进行监测。同时，通过问卷调查获取不同行为模式人群在不同室内场所的停留时间，结合相应场所的PM2.5浓度，进一步评估不同室内场所对大学生PM2.5暴露量的贡献及不同季节的暴露差异。

1 材料与方法

1.1 样本采集及测定

1.1.1 室内外PM2.5获取

2016年7月至2018年7月，选取北京师范大学校内大学生经常活动的7个室内场所(宿舍、教室、图书馆、食堂、机房、体育馆、实验室)先后进行PM2.5浓度监测。使用OmniFT-mini PM2.5采样器(美国BGI公司)进行采样，采样时间为每日8：00—20：00，采样流量为1 m3/min。采用47 mm石英纤维滤膜(QFF)，且每次采样前将QFF放置在马弗炉中，在450 ℃下烘干6～12 h去除杂质。QFF称重前均放置在室内同一避光干燥器中干燥处理48 h，再用1/1 000 000电子分析天平(Mettler Toledo-MX5)称重3次取平均值。样本采集同时，记录研究区周围最近且距离相似的西城官园、奥体中心和海淀万柳3个室外监测站点的PM2.5浓度数据。

PM2.5质量浓度(C，μg/m3)计算公式如下：

C=(M2-M1)/V

(1)

式中：M1、M2分别为采样前、后的QFF质量，μg；V为采样空气体积，m3。

1.1.2 个体暴露采样及PM2.5测定

从北京师范大学不同学院、不同年级的学生中随机选取志愿者，随身佩戴HP2540 PM2.5个体采样器(美国BGI公司)24 h实时监测志愿者的PM2.5暴露浓度。采样时间为每日8：00至次日8：00，采样流量为4 L/min。QFF处理、称重及PM2.5浓度计算同1.1.1节，同时记录志愿者一日内在不同室内场所的停留时间。

1.2 人群行为模式调查

在北京师范大学校内进行问卷调查，随机选取本科生和研究生为调查对象，获得人群在采暖季和非采暖季日常行为活动模式，即不同对象在室内各场所停留的时间。共回收有效调查问卷351份，其中非采暖季、采暖季分别为175、176份。

1.3 基于行为模式的暴露量计算

PM2.5个体暴露质量浓度(CE，μg/m3)计算公式如下：

(2)

式中：t为总停留时间，h；Ei为个体在场所i的PM2.5暴露量，h·μg/m3；Ci为场所i的PM2.5质量浓度，μg/m3；ti为个体在场所i的停留时间，h。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5室内外浓度

PM2.5室内外质量浓度见表1，并计算得到PM2.5室内、外质量浓度比(I/O)。采暖季室内PM2.5为(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O为0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室内场所。

非采暖季I/O排序为教室>宿舍>食堂>体育馆>机房>实验室>图书馆。教室、宿舍和食堂的室内PM2.5较高，可能与人口密度较大且空间较小有关[20]。

采暖季的I/O排序为食堂>宿舍>教室>体育馆>图书馆>实验室>机房。除食堂的室内PM2.5高于室外，其他场所的I/O均小于1，原因主要在于：采暖季时，室外大气是主要污染源，因为室外气温低，采暖季开窗通风次数较少，室内与室外气体交换少，利于室内环境保持较低的污染物浓度。食堂PM2.5高于室外，主要是由于食堂内的明火燃烧和油烟产生室内的PM2.5污染源[21]。

表1 PM2.5室内外质量浓度

表2 大学生群体行为模式调查结果

2.2 大学生群体行为模式调查

根据获得的351份有效调查问卷，针对本科生和研究生在工作日和非工作日的行为模式，对不同场所的停留时间进行整合，结果见表2。大学生群体停留时间最长的室内场所是宿舍，其次是教室和图书馆。

2.3 志愿者个体暴露浓度的模拟与实测对比

从35个24 h监测的个体暴露样本中，选取未被损坏、行为活动模式记录较准确的29个样本(采暖季、非采暖季分别为17、12个)，测定PM2.5个体暴露浓度。由于个体暴露及室内各场所监测的非同步性，需由PM2.5室外浓度及I/O计算个体采样同期的各场所PM2.5个体暴露浓度模拟值。采暖季、非采暖季PM2.5个体暴露质量浓度模拟值为(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于实测值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)。对PM2.5个体暴露质量浓度实测值及模拟值进行拟合，经相关性分析，两者具有显著的线性相关关系(R2=0.903 1，p<0.05)。

采暖季、非采暖季室外PM2.5分别为(67.04±28.62)、(54.60±25.88) μg/m3。PM2.5个体暴露质量浓度实测值与室外质量浓度比(E/O)随室外质量浓度的变化见图1。经相关性分析，E/O与室外浓度呈显著的对数函数关系(p<0.05)，即当PM2.5室外浓度较低时，PM2.5个体暴露浓度实测值普遍高于室外浓度；当PM2.5室外浓度升高时，PM2.5个体暴露浓度实测值接近或低于室外浓度。该结果与孙庆华等[22]的研究成果一致。这主要是由于个体所处的室内环境和行为模式对个体暴露浓度有一定的影响导致，当PM2.5室外浓度较低时，PM2.5室内浓度为主导因素；当PM2.5室外浓度较高时，PM2.5个体暴露浓度与室外浓度相关性较高[23-25]。因此，PM2.5个体暴露浓度与室外浓度虽然存在一致性，但PM2.5室外浓度并不能很好代表个体暴露浓度。

注：已剔除部分离散值，图2同。

PM2.5个体暴露质量浓度实测值与模拟值之比(E/S)随室外质量浓度的变化见图2。尽管PM2.5室外浓度与个体暴露浓度实测值之间存在较大差异，但PM2.5个体暴露质量浓度实测值与模拟值接近，且E/S随室外浓度变化的波动较小。当PM2.5室外浓度较低时，个体暴露浓度模拟值略低于实测值；随PM2.5室外浓度增大，E/S稳定在1附近，这说明基于I/O和行为模式调查结果计算得到的PM2.5个体暴露浓度模拟值比室外浓度能更好地反映大学生群体的实际暴露浓度。由于数据的有限性，计算过程也存在一些不确定因素，主要体现在：本研究中校园环境的PM2.5室外浓度直接取自最近的3个室外监测站点平均值，未在校园内进行实地测量，可能与实际的室外浓度有一些偏差；采样时间均为白天，未考虑夜间的PM2.5及日变化。

图2 E/S随室外PM2.5质量浓度的变化

2.4 大学生人群PM2.5暴露特征及不同场所贡献率

结合PM2.5室外浓度、不同室内场所在采暖季和非采暖季的I/O、大学生群体行为模式的351份调查结果，计算大学生群体在不同场所的PM2.5暴露量和贡献率，结果见表3和表4。

对大学生群体PM2.5暴露量贡献最高的是宿舍，停留时间较长；室内场所中教室的暴露量贡献仅次于宿舍，由于课业或爱好不同，每个人在教室停留的时间长短不一，导致人群在教室的PM2.5暴露量变化较大(142.39～251.11 h·μg/m3)；尽管食堂内的油烟等污染源可能增加室内PM2.5，但由于大学生人群总体在食堂的停留时间较短(<1.5 h)，所以人群在食堂的PM2.5暴露量并不高。本科生和研究生群体的PM2.5暴露浓度无明显差异，宿舍和教室对大学生群体PM2.5暴露量的贡献率之和高于50%。

表3 PM2.5暴露量及暴露质量浓度

表4 不同场所对PM2.5个体暴露的贡献率

3 结 论

(1) 采暖季室内PM2.5为(31.60±12.49) μg/m3，低于非采暖季((45.41±17.86) μg/m3)。因此，采暖季I/O为0.67±0.25，低于非采暖季(0.84±0.16)。其中，宿舍、教室和食堂的I/O均高于其他室内场所。

(2) 采暖季、非采暖季PM2.5个体暴露质量浓度模拟值为(55.72±25.30)、(48.13±23.03) μg/m3，略低于实测值((58.93±26.21)、(49.74±21.86) μg/m3)，基于I/O和行为模式调查结果计算得到的PM2.5个体暴露浓度模拟值比室外浓度能更好地反映大学生群体的实际暴露浓度。

(3) 本科生和研究生群体的PM2.5暴露浓度无明显差异，宿舍和教室对大学生群体PM2.5暴露量的贡献率之和高于50%。