（环境科学专业论文）与健康相关的颗粒污染物的形态与毒性相关性研究.pdf

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1 0 g 二 的 称 为 粗 粒 子 ， 以p m 2 . 5 - 1 0 表 示; m。 与 p r i s -10 统称为可吸入颗粒物， 以p m ,o 表示。 对不同国家和不同地区大气颗粒物的大量 研究结果证实颗粒物对人体具有一定的毒性， 并且细粒子的 毒性大于粗粒子。 但是 也有一些研究表明细粒子的毒性并不一定大于粗粒子川 。 大气颗粒物主要通过呼吸道进入人体。颗粒物进入呼吸道内表面后，与肺组织 相互作用， 一些通过呼吸道纤毛一 翁液运动排送至咽喉部， 以 痰液的形式排出体外或 被吞咽而进入消化系统;另一些被肺泡巨噬细胞吞噬后穿过肺泡壁，其中一部分进 入淋巴系统，然后由淋巴 液带到淋巴结，最后被清除掉，另一部分中的可溶部分被 吸收进入血液作用于全身， 不可溶部分沉积于肺泡区， 长期漪留 于肺组织中，在肺 间 质形成病 灶切 . 颗粒 物 进 入 体内 会 破 坏 机体 原 有的 平 衡， 并 诱导 出 大量的 活性 氧 r o s ) 和细胞因子， 从而损伤组织细胞和遗传物质， 导 致肺炎症和肺纤维化。 颗粒 物的化学组分或r o s 可直接损害遗传物质，或影响细胞间隙通讯，导致细胞增生， 进一步可能致癌。 并且， 颗粒物的 各组分之间存在着协同 作用，可加重对机体的损 害。另外，由于肺泡内气血交换，使得颗粒物上的某些有害物质进入血液系统，并 第一章绪论 被传送到其他脏器， 从而 造成呼吸 系统以 外的 器官 和组 织的 损伤。 有研究 证明 金属 元素可以 影响心功能闭 。 人们通常认为大气颗粒物对人体的危害主要和细粒子有关，而与粗粒子关系不 大. 有毒理学实 验表明 细粒子的毒 性大于 粗粒 子， . 这种观点 也 得到许多 流行病学 研究 结 果的 支 持. 例如 ， s c h w a r t : 等s i 在美国 东 部6 个 城 市的 研究 中 发 现 细 粒子 浓 度的增加与总死亡率的增加显著相关，而没有发 现粗 粒子与总死亡率相关。他们的另一项研究也表明细粒子与粗粒子相比 对儿童呼 吸系 统的 影响 更 大t. 造成细 粒 子 毒性 较 大的 原 因 可能 是其 粒径 小， 容易 随 呼吸 运 动进入肺的深部， 肺泡巨咙细胞内的细粒子的数 量约为 粗粒子的1 0 0 0 0 倍;而且细 粒子 的比 表 面 积大， 更易 于 吸附 有 害 物 质， 例 如 含s , c i , a s , p b , b r , m n , n i , c d , c r 等有害元素的物质， 一些酸性氧化物， 有机污染物( 如p a h ) ， 以 及各种细菌、 病毒、 霉菌类抱子等。随着粒径的 减小， 颗粒物在大气中的 存留时间增加， 在呼吸 系统的吸收率也随之增加， 容易与组织细胞结合发挥作 用， 并且大多数细粒子沉积 在肺泡中， 其被清除的 速度远远小于沉积在呼 吸道的 颗粒物。 一些流行 病学研究的 结果表明 粗粒子 对人体 也有 危害。 o s t r o 等根据1 9 8 9 - 1 9 9 2 年c o a c h e l l a v a l l e y的 数据， 得出以 粗 粒 子 为 主 的p m ,。 每 增 加l 0 ,u g / m , 总 死亡 率会增加1 % ， 并且p m ,。 与心血管疾病和肺部疾病导致的 死亡率有相关性。 他们在随 后发表的论文中加入了p m t. 。 的数据， 但是并未发现p m z 与心血管疾病的死亡率具有 相关性。 1 .2 .2颗粒污染 物生物毒性机理 1 . 2 . 2 . 1 颗粒物毒性成分分析 通过对大气总悬浮颗粒物( t s p )和可吸入颗粒物( i p )中 8种无机元素和苯并 ( a )花浓度的分析，并运用元素富 集因子法， 探讨了 元素 特征和污染来源， 结果表明 t s p中富集程度较高的元素是z n , c u , c d和p b ， 其中c u主要来源于姗煤烟尘;p b , z n , c d 主要来源于交通污染和地面扬尘， c a , k , m n主要来源于尘土和风沙。 t s p中 苯 井 ( a ) 花 年 平 均 值 为3 5 1 r3 ) g 1 l 0 0 m t . 采 用 色 谱 一 质 谱 联 用 技 术( c c - m s ) 系 统 分 析1 0 0 0 多个不同 粒径颗粒物样品中的有机污染 物， 发现环境空气颗粒物中 有机污染 物集中分布于细颗粒物上， 几乎所有的多环芳烃( p a h )和一半以 上的苯并( a )花吸 附在粒径 0 . 3 8 a m 的 极细尘中. 1 . 2 . 2 . 2颗粒污染物致毒机理 长期以来， 大量流行病学研究发现， 即使在低于空气质量标准的浓度下，p m ,。 污 第一章绪论 染水平的增高亦与呼吸道症状的发生、肺功能减退、心肺系统疾病的超额发病、死 亡存在密切关联，这些效应尤其是在青少年、 老年人及原先患有心肺疾患的易感人 群中更为明 显。 最近， p o p e c 等发现， 大气细 颗粒 物浓度的 上升与 肺癌死亡 风险增高 存在密切关联。阐明大气颗粒物毒作用的生 物学机制己 成为环境医学研究的热点。 1 对呼吸道的 损伤作用 1 . 1自 由 基与 氧化损 伤 自 由 基所产生的氧化损伤被认为是颗粒物产生生物活性的重要机制之一。自 由 基主要来自 两个方面: 来自 颗粒物本身: 颗粒物吸附许多过渡金属元素如 f e、 c u等，进入人体后，可在局部释放出浓度较高的转运金属离子，它们产生自由基 的能力很强。 另外，超细颗粒物因其表面积大具有特殊的表面化学特征， 亦能产生自 由基， 形成氧化损伤。 不少研究发现如用金属鳌合剂和自由基清除剂预处理，则颗粒 物的 损伤效应能在很大程度上得到抑制。 来自 炎症细胞: 颗粒物进入呼吸 道后， 会 作用于肺泡上皮细胞及巨 噬细胞等，当 各类吞噬细胞被激活进行吞噬作用时 ，氧消 耗大量增加( 氧爆发)， 使细胞外生成大量的活性氧( r o s )。 自 由基产生后， 主要作用于脂质、蛋白 质、洲月， 引起膜脂质过氧化、蛋白 质氧 化或水解、诱导或抑制蛋白酶活性、d n a损伤。 1 . 2转录因子及炎症相关因子的激活 颗粒物的刺激会引起机体一系列编码转录因子、炎症相关因子基因转录水平的 增高。较多的毒理学实验表明，暴露于大气颗粒物、柴油车尾气颗粒( d e p )和汽油 然烧产物( r o f a )会引起实验动物呼吸道中 性粒细胞浸润，淋巴细胞与肥大细胞聚 集等较为明显的炎症反应。并可在宿主效应细胞如肺泡巨噬细胞、支气管上皮细胞 检测到相关细 胞因子m r n a水平的增高。 s u n d e e p i0 ) 等 观察到暴露于 稀释 柴油 机尾 气 的健康志愿者支气管组织及呼吸道细胞中 i l - 8 . i l - 5基因转录水平增高，并使支 气管上皮细胞中i l - 8 与a 一生长调节原癌基因( g r o - a )的蛋白 表达增高。 提示颗 粒物的吸入有刺激效应细胞分泌炎症因子的作用。 1 . 3细胞钙稳态破坏 钙离子是细胞内重要的信号转导系统之一 细胞内低钙是保证其发挥正常功能 的前提条件。 如果细胞内 外c a z m度差减小 ， 则会引 起细胞功能性损伤。 对颗粒物的 成分分析表明 ， 大气颗粒物中 吸附有一定量的重金属，如: 铅、 福、 汞、 镍等，它们 与cz . 具有类似的 原子半径，可在质膜、 线粒体或内 质网 膜的c a ? %运部位上与c a p 发生竞争，进而导致细胞内 钙稳态失调。实验观察到超细颗粒物可以 使人类单核细 胞系( w6 )中c a l 傲度水平增高. 。细胞内c o v 度的持续增高会抑制a t p 的合成， 第一章绪论 氧自由 基生成增加， 加重组织损伤。 1 . 4致纤维化作用 长期暴露于大气颗粒物，其主要成分碳粒具有潜在刺激肺上皮细胞增生、致纤 维 化的 作 用. c h u r g 0 l将 大鼠 气 管 移植 体( 不 含 炎 症 细 胞) 暴露 于 不同 浓度的 细 颗粒 物与超细颗粒物悬液中，运用 r t - p c r方法检测促纤维化因子与前胶原的表达情况， 发现两种尘粒均使血小板衍生生长因子( p d g f - a , b )及。 一 ，s 一转化生长因子 ( t g f 一 口 、 - h )表达增高 ， 超细颗粒物组还出 现前胶原的 表 达增高。 p d g f 则具 有促 进平滑肌细胞、 上皮细胞和内皮细胞增殖的 作用。 t g f - 。是一种上皮、 间叶细胞的 多肚生长因子， t g f - p则引 起胶原和间 质蛋白 受 体的合成。 这些观察结果提示: 细颗 粒物具有潜在诱导呼吸道组织细胞增生的作用。 1 . 5致突变作用 颗粒物粒径愈小，所吸附的有毒重金属和挥发及半挥发性有机物愈多，其致突 变能力愈强。原福胜等研究不同 粒径颗粒物的金属分布及其对人双核淋巴细胞微核 率的影响发现，颗粒物诱发微核率的强度与其金属元素含量分布基本一致;国外对 大气颗粒物中铬的 研究表明 ， 铬进入人体后， 最终 将变为+ 3价， 可与生 物大分子发生 共价结合产生生物毒性g q . 对有机物中多 环芳 烃的 研究 较多， 认为机体中 p a h - d n a 加合物水平可反映 颗粒 物上p a n致癌力的 大 小(14 。 不少 研究 利用 a m e s , u d s , s c e 等短期遗传毒性实验从基因、d n a ,染色体水平对颗粒物的致突变性进行了检测。 c y n t h i a 等研究发 现， 将1 1 型肺泡上 皮( r l e 细胞 系 )暴露于大 气颗粒物的 悬液中 ， 可在细胞内 检测到 5 - 澳脱氧尿核昔水平增高 ，提示 程序外 d n a合成增加，细胞增 殖水平 升 高. 同 时 检测 到 磷 酸 化c - j u n蛋白 含 量 及转 录 因 子a m ( a c t i v e p r o t e i n - 1 ) 转录活性和c - j u n蛋白 激酶活 性明显增高. 转录因子a p - 1活化蛋白 是由 立早基因 j u n和f o s表达的蛋白 所形成的同源或异源二聚体。 j u n和f o s基因均可因外界刺 激使基因结构改变而被激活.其蛋白形成的二聚体( a p - 1 )可结合到许多与细胞增 殖和转化有关的基因的增强子上，导致靶基因表达增强， a p - 1的激活可能成为颗粒 物致癌的潜在机制之一。 2对心血管的毒性 颗粒物本身及一些颗粒物成分，尤其是 超细 颗粒物，能进入血液循环发挥毒性 作用。 有报道p m z 5 污染水平上升与老年人及曾患有心肌梗死人群的心率变异度( h r v ) 的降低 及心肌梗死的 发病风险 增高 有关。 p 4 1 另 有 研究表明 ， p m 暴露能引 起人、 大鼠 、 狗等动物血液循环中的中 性粒细胞数目 增多 ，还能引 起骨髓释放的未成熟白 细胞增 多【 d :. 流行病学 研究也表明 ，p m 浓度增高与 一 些心 血管系 统因 素水 平如: 血粘度、 第一章绪论 血浆纤维蛋白 原 水平、 c -反 应蛋白( c r p ) 、内 皮素水平、血压等存在密切相关。 血 猫度、c - 反应蛋白 都是人体急性期反应的标志物。血钻度主要由血浆纤维蛋白原水 平决定: 颗粒物经一系列反应刺激血浆纤维蛋白 原水平升高，从而引起血猫度增高 使血液处于高凝状态， 更易形成血栓。c r p是人体肝脏合成的典型急性期反应蛋白 ， 由 细胞因子i l -6等所诱导产生，血中c r p 的浓 度几乎与炎症、 组织损伤成正比。 国 外研究表明 ， 血中c r p浓度增高与 心血管病死亡率的增高密切相关，高水平的c r p 可 使 脑 卒中 危 险 性增 加2 倍 ， 心肌 梗 死 增 加3 倍 ， 是 较敏 感的 心 血 管 预测 因 子 p u 。 内 皮素是一种强力缩血管肤，可对血管和心脏产生强而持续的加压作用， 并具有较强 的收 缩支气管作用， 还能 促进神经递质的释放。 可见， 颗粒物的吸入可引发机体急性 反应， 并可改变机体血液循环系统一些重要物质浓度， 从而导致心血管事件的发生。 目前研究发现 n f - k b的激活与心血管疾病的发生、发展同样存在关联。 r i t c h i e等发现， 在急性冠脉综合征患者存在着血白 细胞n f - e b显著激活。 心力衰 蝎时， 心脏可表达多种炎症因子， 而许多炎症因子均利用 邢一 x b通路作为其激活、 产生和持续释放的 机制之一。 另外， n f 二 b的激活可使血管细胞粘附分子( v c a m - 1 ) 表达 增高 ， 促 使 细 胞间 粘附 加 强 ， 产生持 续性 心 肌 损害 u a . n f - : b的 激 活有 可能 成 为大气颗粒物对心血管毒性作用的重要机制之一。 3对神经系统影响 在外界氧化应激及炎症因子的作用下，一些分布于呼吸道具有内分泌功能的神 经末梢细胞会释放出 某些神经递质，改变神经转导通路的正常功能。如改变调节心 脏功能的自 主 神经系统的正常生理功能is ， 导 致 心脏电 生理的变化( s t段抬高)及 心率失常。 有关大气颗粒物毒作用机制的研究正 不断地深入开展。 从分子水平上阐 明大气颗粒物的毒性，将使人们在对颗粒物健康危害的认识上升到一个新的高度， 从而为制定更为有效的颗粒物污染控制措施、更好地保护易感人群提供确凿的科学 依据。 1 .2 3颗粒物毒性的影响因素 颗粒物对人体的毒性作用取决于颗粒物的 来源、浓度、粒径、化学组成 ( 过渡 金属、 可溶性组分、 有机成分、 生物成分) 、 酸性、 吸湿性、 可溶性，以 及与其他污 染物的协同作用。 由于细粒子主要来源于人为源( 如燃烧源) ， 具有粒径小， 比表面 积大的特征，使其更倾向于吸附更多的有害物质而危害人体。但是由以上分析可以 看出， 粗粒子的毒性也不容忽视。因此我们不能简单地根据粒径判断颗粒物的毒性 大小.即使同为细粒子，其来源不同，毒性也存在差异。对美国6 个城市进行环境 第一章 绪论 流 行 病 学 分 析 发 现， 来 源 于 汽 车 尾 气的 细 较 子 浓 度 每 增 加 l 0 ,u g / m . 总 死 亡 率 会 增 加3 . 4 % ; 而 煤 嫩 烧 产 生 的 细 颗 粒 物 浓 度 每 增 加l 0 a g / m 0 ， 总 死 亡 率 会 增 加1 . 1 % : 以 地壳元素为主的细粒子与总死亡率没有相关性. 造成人们对粗细粒子毒性大小的认识不同 有许多原因。 例如颗粒物的理化性质 因地区及污染源特征不同而差异 较大， 不同 实验室在不同 地区 所收 集颗粒物的毒性 也会有所不同。另外，人群暴露量评估的不确定性也会对研究结果产生影响。例如 对以粗粒子为主的沙尘暴进行的 流行病学研究， 往往得出 粗粒子与心肺疾病的死亡 率或就诊率没有关系的结论。这可能与沙尘暴中的粗粒子主要是对人体无毒的地壳 元素有关，也可能是因为沙尘暴时期人们减少 外出， 暴露时间减少， 或者直接找私 人医生就诊而导致急诊的呼吸道疾病人数没有增加r o t k o 等的一项专门针对社会人 口学特征 ( 社会地位、受教育程度、职业、年龄、性别等) 与p m z s 暴露程度关系的 流行病学调查表明， 社会地位低、 受教育少、 年轻的人群比社会地位高、 受教育多、 年长的人群更多的暴露于p m i. s : 男性由于吸烟等因素p l y . 。 的暴露量大于女性。 此外， 颗粒物浓度在垂直高 度上分布的差异性也使得不同身高的人因呼吸带高 度不同而吸 入不同量的颖粒物。 总 之， 颖粒物对人体的 危害 效 应与 其来源以 及复 杂的理 化 性质 ( 如表面形态特 征、吸附组分等) 有着不 可分割的 关系， 它对人体可能产生多种危害，毒性机制也 不唯一，因此对颗粒物的毒性需要进行全面的评价. 第三节 化学计量学简介 化学计量学是一个化学分支，它利用数学和统计学方法进行设计和选择最优的 测量程序和试验方案， 并通过对化学数据的分析提供最大限 度的 化学 信息。 化学计量学学科产生于化学领域，化学计量学方法的典型应用是发展定量的结构- 活性关系或评价化学分析的数据。现在运用较多的是一些统计学方法，包括各种多 元线性回归模型，主要有:相关性分析、多元线性回归 ( m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n ) 、 逐步回归模型( s t e p w i s e r e g r e s s i o n ) 、 多项式回归模型( f a c t o r i a l r e g r e s s i o n ) 、 主成分回 归( p r i n c i p a l c o m p o n e n t r e g r e s s i o n ) 和偏 最/d 二乘 法 ( p a r t i a l l e a s t s q u a r e s ) 等， 其中， 偏最小 二 乘 法是 一种较新的 回归 方法， 在大 气科学的研究中普遍运用。 通常这些统计学方法都是 联合使用，以 便得到理想的结 果。现简要介绍如下: 1 相关性分析 第一章绪论 某两种污染物之间的相互影响关系可以 先通过相关分析进行初步的判断。 对于一 组时间序列的环境数据来说，如果随着时间的变化， 对应环境空气中存在的两种污 染物浓度，一种污染物的浓度随着另一种污染物的增加而增加，则这两种污染物之 间的关系为正相关;反之则为负相关。当 然， 环境空 气中的污染物关系十分复杂， 也存在相关性较小或没有的可能。 相关性大小的判断可以 通过相关系数来判断， 对于两种污染物a 和b 来说， 其相 关系数为: r ( a , b ) =， 子 一 ) (a a )(b b o ) s a s . 这里，n 为 a 污染物的数据数量，a 为第 i 个数据，人为 n ( 1 . 1 ) 个数据的平均值， s 为标准偏差. 相关系数在一 1 和+ 1 之间， 负值表明为负相关， 正值表明为正相关。 且 相关系数的 绝对值越接近0 ， 表明 相关性越小; 越接近1 ， 表明相关性越大。 将两两 对应得相关系数组成对角矩阵，就称为相关系数矩阵。通过相关系数矩阵，可以通 过污染物间的 相关性正负性及大小， 来初步判断污染物间的影响， 为接下来的回归 模型提供依据。 2 多 元 线 性 回 归( m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n ) 多元线性回归 是将环境空 气中的某种污染物y ( 通常 选取二次污染物) 作为因 变 量， 其他的污染 物 或气象因 素等 作为自 变量。 通过 最小二乘法计算， 进行模型回归， 计算自 变量对于 污染 物y 的影响。 对于 有m 个自 变 量， 公式表 示如下: y ， 二 肠 十 6 a , , + b a x ,z + . . . . . . + 6 x ( 1 . 2 ) 式中， b o 为回归截距; b . 为第. 个自 变量对因 变量污染物y 的回归系数， 它可以 判断 这个自 变量 对于因 变量污染 物y 的 影响。 而标 准回 归系数( b e t a 值) 则可以 标 明 单个自 变量 对因 变量污染 物y 预测值的 相 对贡献 ( r e l a t i v e c o n t r i b u t i o n ) . 另 外， 一些回归诊断指标也可以 判断模型结果的 好坏。 例如对应一种自 变量， 其回归 结果的学生检验p 值如果大于0 . 5 ，则表明这一自 变量回归的结果不好，或这一自 变量对因变量污染物y 的作用不显著，可以 考虑是否应该 将此自 变量污染物纳入模 型。 3 逐 步 回 归 模 型( s t e p w i s e r e g r e s s i o n ) 第一章绪论 环境空 气是个复杂、 庞大的体系， 因 此可能 有很多的自 变盘都需要纳入回归模型 对因变量污染物r 进行拟合。然而，在参加的. 个自 变量中， 如果单独拟合时， 有 些自 变量与因 变量污染物r 的相关 程度比 较紧 密， 但是如果将这m 个自 变量都纳入 模型时，有些自 变量与因变量污染 物y 的 相关程度就显的 不太紧密。 这是因为有些 自 变量与这. 个自 变量中的 其他自 变量的相关关系本来就很高， 在回归时，它对因 变量污染物y 的作 用被其 他自 变量的作 用 所代替。 如果 将这些自 变量污也纳入模型 中， 反而会增加模型的不稳定性。因 此， 如果有这种情况下， 可以考虑逐步回归。 逐步回归分析就是在回归计算的每一步中， 对回归模型中当 时所包含的所有自 变 量x 进行检验， 看其对因变量污染物y 的作用是 否显著( 通常是观察p 值) ， 如果发 现不显著 ( p 值大于0 . 0 5 ) 时， 此自 变量x 便被剔除。 如此一步一步下去， 直到模 型中 所包含的 所有自 变量x 对因变量污染物y 的作用都显著。 4 多 项式回归 模型( f a c t o r i a l r e g r e s s i o n ) 以上的回归模型所考虑的 都是单一自 变量对因 变量污染物y 的 影响， 如果需要研 究两个自 变量对于因 变量污 染物y 的联合影响， 就需要引 入 其他的 回归模型。 而且， 自 变量与因 变量 之间 可能 并 不 只 是 简 单的 一 元 线 性 关 系 . 为 了 研究自 变量 与因 变 量 可能存在的关系， 这里我们引入多项式回归模型。 例如， 对于三种自 变量来说，回 归模型为: y j - b o + b ix ii+ b a a + b 3 x+ a jx u x a + s x sx x+ a ix ; iu+ c ,x . ,2 + c 2 x i2 = + c a . . ( 1 . 3 ) 这里， a : 就是自 变量x , : 和x ,2 对因变量y 的 联 合影响， c 就是自 变量的二次 项对 因 变量y 的影响。考察两种自 变量对于因变量y 的联合影响也是很有意义的。因为 上面说到复合性污染是个相当复杂的机理过程，因此某些自 变量的联合影响很可能 也是相当重要的。当然， 在模型中我们还可以 选择计算三个自 变量或更多自 变量对 因变量y 的联合影响。同时，我们可以结合逐步回归模型技术，保留 对因变量污染 物y 的作用显著的项， 得到合理的 模型公式。 5 主成分回归( p r i n c i p a l c o m p o n e n t r e g r e s s i o n ) 和 偏最小二 乘法( p a r t i a l l e a s t s q u a r e s ) 偏最小二乘法是近些年来发展起来的一种新的多元统计分析法. 它和主成分回归 一样， 可以弥补其他一些普通回 归模型的缺点。 俏若纳入模型体系的数据自 身的噪 第一章绪论 声值较强，干扰较严重，或自 身共线性较强，则普通的线性回归方程通常得不到较 好的结果。 这时， 就需要使用主成分回归或偏最小二乘法. 主成分回归有两个步骤: 第一步将m 个自 变量x 矩阵 进行主 成分分析， 将自 变量 矩阵降 维， 从中 选取p 个重 要的 主成分( p 小于耐。 第二步 对于 这p 个主 成分在 进行线性回 归。 第二 章 颗粒物 形态与原生多 环芳 经分 配系 数的 相关性 第二章 颗粒物形态与原生多 环芳烃分配系数的相关性 第一节 多环芳烃的 产生及危害 p a h是英文p o l y c y c l i c a r o m a t i c h y d r o c a r b o n的 缩写， 它的 汉语 学名为 多 环 芳烃，是人们最早发现的强致癌物质，它是 一个庞大的家族，占已 被发现致癌总数 三分之一以上芳烃，即芳香族碳氢化合物。“ 芳香” 二字的 来源， 最初是指那些从 各种天然的香树脂、 香精油中 提炼而得且具 有芳 香气味的物质。后来发现这种物质 结构上均具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环苯系化合物，应用分子 轨道法研究分子结构得出，一些不具有苯环结构的环烷烃也具有这类化合物的特 性， 因为它们的 环中的电 子数均符合许克耳( h u c k e l )规则，多个这种环状物质有机 的结合在一起即称多环芳烃或稠环芳烃。 已发现这些物质中有4 0 0多种具有致癌作 用，而其中的 苯并( a ) 花( 简称 b a p ) 的致癌特性 最强，因此它被当做环境受 p a h污 染的指标。其产生途径有: 1 工业工艺 过程 工业生产过程中 所产生p a h 的量占 其总量的 绝大部分，这其中 绝大部分作为有 目 的的应用而 加以收集， 极少量则随所排废水、 废气 及废渣进入环境，尽管相对量很 少，但进入环境后所占有的浓度却相当大。 焦化煤气、有机化工、 石油工业、炼钥 炼铁等三废所排放的废弃物中即有相当量的pa h ， 如无三废处理措施，排入大气、 水 及土坡环境中即可对人和其它动物产生持续危害，监测数据表明，焦化煤气工业所 排放 的 废 水中 含 有多 种p a h ， 其中b a p 可 达2 5 . 4 - 4 6 . o a g 八 ， 大 大高 于。 . 0 3 ,a g / 1 的 国 家 排 放标 准; 而 有 机 合 成工 业 排 放 废水中b a p 也 在1 . 8 4 g 八左 右:炼 焦 工艺 中高温干馏所产生的2 0 0 摄氏度以上馏份的主要约含4 8 0 种芳烃，如果在生产工艺 过程中不严格进行控制，就会有p a h外滋。 2 欠氧燃烧 燃煤燃烧的 情况在生产与生活活动中 最为普遍，且生产中 使用的 煤量最大，是 l 工业企业获取能 源的主要途径。 然煤除产生二 氧化碳、 氮氧化物、 部分硫氧化物外， 在供氧不足时 ， 例如鼓风、 引风量不足时 均会 产生 大 量 p a h 。 据测定 ，1 掩 标准碳 可产生4 0 - 6 8 m g p a h 。 利用嫩油获 取能量的 场 合 也很 多 ， 比 如 燃油 锅炉、 窑炉、 汽车、 轮船、内燃机车等均要使用各种嫩油，欲充分发挥其应有的作用，就必须在燃油的 前处理和燃烧过程中 下大力气，如预加热，加压，雾化，燃烧室升温等，当这些工 作做得不妥时，燃烧效率将大打折扣，不但不能获取应有的能量，还会产生大量烟 第二章 颗粒物形态与原生多 环芳烃分配系 数的 相关 性 尘、一氧化碳和p a h 。 欠氧 嫩烧在生活饮食的 活动中 表现得十分突出 ，生 活饮食灶 不管是使用煤炭、 燃油和嫉气，由 于无动力鼓风引 风设备或这类设备不完善，故姗 料得不到与氧气充分混合而形成欠氧嫌烧产生 大量的有害气体。 有人作过试验，居 室 厨房内 做饭时 有害 气体如b a p的含量 可达5 5 9 n g / 1 0 0 m ,超 过国家 卫生 标准成百 倍。 3 吸烟 吸烟能 产生大量致癌物质是人所共知的事实。由吸烟所产生的有害气体虽然比 其它嫩料嫩烧产生的有害物质要少得多，但是其危害最大、 最直接。这是因为所产 生的有害气体必须经过人的呼吸器官加工后再排出，可谓是“ 物尽其用”。 据调查， 每日 吸2 0 支香烟比 不吸烟者人群患肺癌的机率大1 5 倍左右，而每日 吸4 0 支者则高 达6 0 倍。 4 垃圾堆集与填埋 近十几年来，垃圾所带来的环境污染问题以 及由 此产生的社会问 题日 趋严重引 起了人们的普遍关注。垃圾是指在人们的社会生产，流通和消费等活动中产生的不 再具有使用价值而丢弃的固态或半固态的物质。许多地方是把垃圾送入填埋场作深 埋处理，但是，垃圾在被填埋后会产生大量垃圾渗滤液。垃圾渗滤液即填埋场的垃 圾在被水浸泡后，可溶性有机物被溶出 而产生的高 深度有机废水，呈黑色、 粘稠状， 味臭，其中主要含有成分复杂的有机物，其中包括大量的p a h ，同时还含有大量的 细菌、 病原菌和一些有毒有害物质。 在许多城市， 垃圾常被遗弃堆集在任意地方，有 的还把垃圾填埋在水系的周围，对地下水资源构成污染威胁，有些地区的饮用水源 地被垃圾渗滤水污染后已 不能使用。 5 食品制作 在食品制作的过程中，有许多制作方法是不可取的，例如油煎、油炸、 烟熏、 烧烤 等 ， 有 人做 过 实 验: 经 过 烟 熏 达 数 周 之 久 的 羊肉 ， b a p 的 含 量 达2 3 - 4 6 ,u g / k g , 用它在动物身上作试验也发生恶性肿瘤。 通过研究，产生p a h途径还很多，但产生 数量相对较少。 建议加强对p a h的危害 及产生途径的 研究，对产生的 源头加以 严格 控制，减少或杜绝p a h的产生，减少人们患恶性肿瘤的机率。 多 环芳烃在环境中的 存在虽然是微量的， 但其不断地生成、 迁移、 转化和降解， 并 通过呼吸道、 皮肤、 消 化道 进入人体， 极 大地 威 胁着人 类的 健康。 1 . 化学致癌作用 化学致癌是指化学物质引起正常细胞发生 转化并发展成肿瘤的过程。化学致癌 物可分为直接致癌物和间接致癌物， 多环芳烃属于后者。 多环芳烃是最早发现且为数 第二章 颖粒物形态与原生 多 环芳 烃分 配系数的 相关 性 最多的 一类化学致癌物， 目 前已 对 2 0 0 0多 种化合物做了 实脸， 发现有致癌作用的达 5 0 0多种， 其中2 0 0多种为多 环芳烃及其衍生 物。 图2 . 1多环芳烃的k 区和l 区 多环芳烃的致癌机理目 前研究较多， 有的学者认为， 具有致癌性的多环芳烃都含 有菲环的结构， 可视为菲的衍生物， 它们显著的 特点在于菲的9, 1 0双键， 此键具有 高电 子密度， 似乎 有关 p a h s的 致癌性均与 此 键有 关。若致 癌性多 环芳 烃代谢产物 的 环氧化合物， 正好包括此键， 则易于与细胞内 的d n a . r n a等物质结合而起致癌作 用。将此键称为k 区， 许多具有致癌性的p a h s都具有活性的k 区。如果结构适当 改变， 使k 区消失， 其致癌作用也可随之消失。p a h s有时还具有一个l区， 它含有 两个具有最高自由 价的碳原子， 即葱环中位的两个碳原子. 此时即使该p a h的k 区足 以致癌， 但活性高的 l区有时也可使其失去致癌性。 因此， 根据 k区和 l区理 论， p a h s必须具有一个活性高的k 区和一个活性低的l区才具有致癌作用。 p a h s的致癌作用严重影响了 人类的健康.近年来， 各国的 肺癌发病率和死亡率 都显著上升， 事实表明多环芳经是导致肺癌发病率上升的重要原因.有调查表明 b a p 浓 度每l o o m 增 加0 . l a g时 ， 肺癌 死 亡 率 上 升5 0k。 许多山 区 居民 经 常 就 地拢 火 取暖， 室内 烟雾迷漫， 终日 不散， 也造成较高的鼻咽 癌发生率。 人们在油脂食物的煎 炸等烹调过程中产生大量的 p a h s， 从而导致胃 癌发病率提高。 例如，冰岛居民喜 欢吃 烟熏食品 ， 其胃 癌标化死亡 率达1 2 5 . 别1 0 万。 2光致毒效应 由于多环芳烃的毒性很大， 对中枢神经、 血液作用很强， 尤其是带烷基侧链的 p a h s， 对粘膜的刺激性及麻醉性极强， 所以 过去对多环芳烃的研究主要集中 在生物 体内的代谢活动性产物对生物体的毒作用及致癌活性上。但是越来越多的 研究表明， 多环芳烃的真正危险在于它们暴露于太阳光中 紫 外光辐射时的光致毒效应。科学家 将 p a h s的光致毒效应定义为紫外光的照射对多环芳烃毒性所具有的显著的影响。 第二章 颗粒物形态与原生多 环芳烃分配系数的相关性 有实验表明 ， 同时暴露于多 环芳烃和紫外照 射下会加速具有损伤细胞组成能力的自 由基形成， 破坏细胞膜损伤d n a ， 从而引起人体细胞遗传信息发生突变。 在好氧条件 下， p a h s的 光致毒作用将使p a h s光化学氧化形成内 过氧化物， 进行一系列反应后， 形成醒. k a t z等观察到由b a p产生的b a p配是一种直接致突变物， 它 将引 起人体基 因的 突变， 同时也会引 起人类红细胞溶血及大肠杆菌的 死亡。 另外， 也有实验证明在某些城市饮用水中 存在葱、 b a p . 荧葱、 苯并( b ) 荧葱、 菲、 苟并花等都具有致突变作用。 第二节 多环芳烃分配系数的测定 颗粒物上多环芳烃总t的测定 嗯卫 -，2 j卜2 这里我们主要研究了 生活中的五种颗粒物:( a ) 柴油机颗粒物 ( d i e s e l s o o t ) ( b ) 木灰 ( w o o d s o o t ) ( c ) 烟尘灰 ( c h i m n e y s o o t ) ( d )飞灰 ( f l y a s h ) ( e ) 油灰 ( o i l s o o t ) .柴油机颗粒物是在汽车库用一个较大的毛刷从汽车排气管里收集到 的;木灰是木片在加热到4 5 0 c生成木炭得到的; 烟尘灰是在家庭炉灶的烟尘壁上 收集到的:飞灰是从电厂煤嫩烧得过程中收集到的:油灰是从油管里刮下来的。 2 . 2 . 1 . 1 实验仪器 自 动固 相 萃取仪: 美国z y m a r k ; 旋转蒸发 器: 德国b c h i r o t a v a p o r r - 2 0 0 ; 固相萃取柱: i n t e r n a t i o n a l s o r b e n t t e c h n o l o g y l t d ( u . k . ) ， 规格: 3 m l , 5 0 0 m g ; 气相色谱一 质谱 ( g c - m s ) : 美国f i n n i g a n 公司t r a c e 2 0 0 0 -gc - m s . 2 . 2 . 1 . 2 实验试剂 二氛甲烷为农残级试剂，含有 1 6种 p a h s目 标分析物的混合标样购自美国 s u p e l c o公司，分析所用 内标 a c e n a p h t h e n e - d 1 0 , p h e n a n t h r e n e - d 1 0 ，及 c h r y s e n e - d l 2 为s i g m a - a l d r i c h 产品。 2 . 2 . 1 . 3 p a h s 分析测定 2 . 2 . 1 . 3 . 1 颗粒物的预处理 a 被 采 集 的 五 种 颗 粒 物 在 使 用 前 应该 通 过5 0 , t 口 孔 径 的 筛 子 筛 分 一 下 b 小 于5 0 y m 的 颗 粒 物 用0 . o n c a c l : 的 超 纯 水 洗2 4 小 时 ， 颗 粒 物 里 面的 金 属 通过磁铁去除。 c悬浮物被离心分离2 0 m i n ， 再除去上面的漂浮物和易溶解的部分。 d这样离心分离沉淀的部分收集起来在空气中千操4 8 小时， 最后这些颗粒物在 第二 章 颗粒物形态与原生多 环 芳 烃分 配系数的相关 性 研钵 里 磨 碎， 再 通 过5 0 g m 的 筛 子 筛分 一 下 。 e预处理过的 颗粒物放入棕色试剂瓶里 ， 在冰 箱里4 0 c 下保存， 防止有机物降解。 2 . 2 . 1 . 3 . 2 索氏 提取 a每种颗粒物样品 用分析天平称取1 0 0 m g 放入索氏 提取器里。 b量取1 2 0 . o l 二氛甲 烷试剂放入索氏 提 取器。 c索氏 提取器 放入温度为6 0 0 c 水浴中 提 取 样品8 h . d提取液在旋转蒸发器上浓缩到4 m 1 ， 最后用氮气浓缩仪进一步浓缩到约1 m 1 . 最后用硅胶柱层析的 方法分离提取纯样品中的多环芳经， 将硅胶柱湿法装柱， 然后把浓缩后的 提 取液移至硅胶柱顶， 依 次 用正己 烷4 0 m 1 和苯 / 正己 烷1 2 0 m 1 洗 脱 硅胶柱，收集苯/ 正己 烷洗脱成份，浓缩后定容， 特测。 2 . 2 . 1 . 3 . 3 气相色谱一质谱 ( g c - m s )分析 p a h s 的研究中， 最常用的分析方法是高效液相色 ( h p l c ) 谱及荧光检测器和气 相色谱一质谱联用 ( g c - m s ) ，因g c - m s 有良 好的定性、定量性能，因此我们选择了 g c - m s方法进行 p a h s的分析研究。分析中气相分离用毛细管色谱柱，高纯氦气 ( 9 9 . 9 9 9 %)为载气，载气流速1 . 0 m l 加i n 。不分流进样量2 m 1 ，进样口 温度 2 8 0 0 c . 程序升 温: 初始 温度7 0 0 c ， 保持l m i n ， 以1 0 0 c / m i n 升温至3 0 0 0 c ， 保持1 0 m i n . 质谱为电 子轰 击模式， 轰击电 压7 0 e v ， 离 子 源 温度2 5 0 0 c ， 传输线温度2 8 0 0 c . 按照上述g c - m s 条件对1 6 中p a h s 标样进行全扫描( m / z : 9 0 - 4 6 0 ) ， 得总离子流 图，根据各 p a h s的保留时间和质谱图， 确定各待测化合物在选择离子检侧方式 ( s e l e c t e d i o n m o n i t o r i n g , s i m ) 中的 采集 时 间 和 检测离 子， 结果如下页 表2 . 1 . 在确定s i m 定量测定方法条件后， 以 稀释为不同浓度的p a h s 进行g c - m s 侧定制 作校准曲 线. s i m 测定实际样品， p a h 化合物的 确认主要依据保留时间是否与标准物 质保留时间一致。 分析中回收率在7 0 土1 0 % 和9 1 士 9 % 之间， 检测限 约为l n g / l . 第二章 顺粒物形态与原生多 环芳 烃分 配系数的 相关性 衰2 1 p a h s 保留时间、 特征离子 p ah，分子式 环数保留 时间 ( m in ) 几舟jl甘自j33444455556 l明l唱10相功10.lsl0uuu12业廿“u ccclclqclccl口cjqq肠q.qq n a p h t h a l e n e a ce n a p h t h y l e n e a cen a p h t 加. r的 n 沈 比 p h e . 二四 甘 口甘 at玩a cen e nu o nn 宜 h e 此 p y r e n e b e 叫 a 灿 t h r a cen e q刁s e n e b e n z o ( b ) 月 u o r a n t h e n e 压n z o ( k ) 口 u o r a n t h e n e b e n z 叫e ) p y n m li n d e n 叫1 , 2 , 3 - c d ) p y r e n e d i 加叫幼灿面2_n b e n z 城 k , n 一为 常数，n = 1 为线性关系。 若设凡为分配系数，则有: k , = c . / c . = k c -.( 2 . 3 ) 无疑， 凡只有一个宏观的综合分配系数，它可能包括有机物与颗粒物表面之间 的多种作用的复合结果。目 前有少数学者试图从动力学的角度来阐述其吸附机理， 而各人所得出的实验结果都有差别，正因如此，其动力学吸附理论还不完全成熟。 所以我们仅从热力学的角度对其现象进行一些探索。 2 . 2 . 2 . 2 最近几年国内 外关于吸附、 解吸方法的 进展 ( i ) 有机化合物在辛醇和水之间