關于PM2.5與臭氧的作用機制及二者協同控制的思考

潘冬燕，趙承軍

（濟南市生態環境局章丘分局，山東 濟南 250200）

引言

PM2.5和臭氧污染物會對環境空氣質量產生重要影響。PM2.5是指空氣中顆粒物直徑小于或等于2.5微米的顆粒物。這些顆粒物通常來自人為活動和自然源的排放，如交通尾氣、工業排放、燃煤等。由于PM2.5顆粒物直徑小，所以能夠長時間懸浮在空氣中，進而易被人們吸入呼吸道，對人體健康造成危害。人體長期暴露于高濃度的PM2.5環境中，容易引發呼吸系統疾病、心血管疾病和癌癥等健康問題。

臭氧是一種有害物質，也是光化學煙霧的重要組成部分。臭氧污染物是由氮氧化物和有機化合物等在陽光的照射下發生光化學反應而產生的。高濃度的臭氧會對人體呼吸系統、眼睛等造成危害。長期暴露于臭氧污染的環境中，可能會導致呼吸道疾病加劇、免疫功能下降和肺部疾病等。這些污染物的增加不僅對人類健康造成威脅，也會對生態環境產生不良影響。高濃度的PM2.5和臭氧污染物會影響植物的光合作用，破壞農作物和森林的生長，激發大氣中其他污染物的生成，進而影響生態平衡。因此，減少排放PM2.5和臭氧污染物的源頭非常重要，這需要采取改善工業生產過程、加強交通尾氣排放治理、推廣清潔能源等手段來減少污染物的排放。此外，城市規劃和管理部門也需要采取相應措施，減少污染物的累積和擴散，改善環境空氣質量，保護人類和生態環境的健康。

1 PM2.5與臭氧的作用機制

1.1 化學反應

PM2.5中的多種化學物質與臭氧之間可以發生化學反應，造成臭氧濃度進一步增加。臭氧的生成主要與二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等氣態污染物有關[1]。這些氣態污染物在大氣中與臭氧發生反應，進而生成硫酸鹽和硝酸鹽等化合物，從而造成臭氧的增加。此外，PM2.5中的有機物質也可以與臭氧發生反應，生成含有臭氧的有機化合物，進一步增加臭氧的濃度。這些化學反應是復雜的，涉及多種物質之間的相互作用。其中，二氧化硫和氮氧化物與臭氧反應生成硫酸鹽和硝酸鹽的過程可以通過以下化學方程式表示：

這些化學反應導致空氣中的臭氧濃度升高，對人體健康和環境產生不利影響，因此控制和減少這些化學反應的發生是大氣污染治理的重要手段。

1.2 吸附與催化

PM2.5表面的顆粒物除了與臭氧氣態成分直接發生化學反應外，還可以通過吸附和催化的方式影響臭氧的生成與分解。顆粒物表面的金屬離子和有機物可以吸附臭氧分子，形成臭氧的吸附物質。這些吸附物質進一步參與化學反應，會生成含有臭氧的物質，進而增加臭氧濃度。顆粒物表面金屬離子的存在還可以催化臭氧的分解。催化劑的作用使臭氧分子能夠更快地分解，產生氧氣和自由基，這些自由基可以繼續參與其他化學反應，進一步增加臭氧濃度。需要注意的是，具體的吸附和催化反應機理可能涉及多種物質和反應途徑，因此臭氧生成和分解的程度會受到顆粒物成分和來源的影響。

1.3 光化學反應

PM2.5中的吸光物質（如黑碳、有機物質等）可以吸收或散射太陽光，并將光能轉化為熱能，這個過程被稱為光化學反應或光吸收過程。當光能被轉化為熱能時，會導致周圍的溫度升高，因此高濃度的PM2.5會促使大氣溫度升高，這進一步加快了臭氧形成的速率。高溫會加速化學反應的進行，包括二氧化硫和氮氧化物與臭氧發生反應，以及PM2.5中的有機物質與臭氧的反應。因此，在高溫條件下，這些化學反應的速率會增加，從而進一步促進臭氧的生成。

2 PM2.5與臭氧對人體的作用機制及危害

2.1 PM2.5對人體的作用機制及危害

2.1.1 直接刺激作用

PM2.5中含有各種有毒物質，如重金屬、有機化合物等，這些有毒物質會刺激呼吸道，引發炎癥反應。當它們附著在呼吸道黏膜上時，會與黏膜細胞發生相互作用，導致細胞損傷和炎癥的產生。一方面，PM2.5中的重金屬離子如鉛、鎘等能直接損傷呼吸道組織，進而引發細胞損傷和炎癥反應[2]；另一方面，PM2.5中的有機化合物如多環芳烴及揮發性有機化合物等會激活免疫系統并引起炎癥反應，進而對呼吸道組織造成損傷。長期暴露于高濃度的PM2.5環境中會導致慢性炎癥和氧化應激，進而損害呼吸道的正常功能。

2.1.2 氧化應激和炎癥反應

PM2.5中的化學成分，如氮氧化物、硫化物和多環芳烴等，會通過化學反應產生活性氧，如超氧陰離子和過氧化氫等。這些活性氧物種具有高度反應性，能夠引發氧化應激反應。當我們暴露于高濃度的PM2.5環境時，活性氧物種會與細胞內的分子（如脂質、蛋白質和核酸）發生氧化反應，導致細胞膜的損傷和細胞器功能的異常。這會引發細胞的炎癥反應，并釋放出各種炎癥介質，如細胞因子、趨化因子等，進而加劇炎癥反應。這些炎癥介質的釋放會影響免疫系統的正常功能，導致免疫細胞的活化和炎癥反應的擴大，進而損害人體呼吸道和其他器官的健康。

2.1.3 環境因子

PM2.5的顆粒物表面可以附著一些環境因子，如細菌、病毒、花粉等，這些環境因子可能是致病微生物、過敏原或其他刺激物質。當這些因子進入呼吸道，并與免疫系統的細胞相互作用時，會引發免疫系統的反應，進而導致過敏反應的發生。例如：如果呼吸道中存在致敏物質如花粉等，它們就會激活免疫系統，導致免疫細胞產生過敏性抗體。當再次接觸這些過敏原時，免疫細胞會釋放化學物質，如組胺等，進而引起過敏癥狀，如打噴嚏、鼻塞和呼吸困難等。

2.2 臭氧對人體的作用機制及危害

相比之下，臭氧是一種有害的氣態化學物質，主要形成于大氣中的光化學反應過程中，由氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOCs）在太陽光的作用下通過光解和氧化反應而形成。臭氧對人體健康造成的影響主要是刺激和炎癥反應。臭氧的作用機制包括以下幾方面。

2.2.1 刺激與破壞

臭氧是一種強氧化劑，具有刺激性。當臭氧濃度較高時，人體吸入臭氧會對呼吸道黏膜產生刺激，進而使喉嚨產生疼痛、癢、燒灼感等不適癥狀。這種刺激性癥狀通常被稱為臭氧刺激癥。此外，長期暴露于高濃度的臭氧環境中可能會導致呼吸道黏膜破壞和炎癥，進而增加呼吸系統疾病的患病風險。

2.2.2 氧化應激

臭氧激活和加劇氧化應激反應會導致氧自由基和活性氧化物的產生。這些反應會引起細胞膜的脂質過氧化和蛋白質的氧化，進而導致細胞損傷、炎癥反應以及細胞凋亡。氧自由基和活性氧化物是一類高度反應性的分子，它們通過與細胞內的脂質、蛋白質和核酸等分子發生反應，進而引起氧化應激。當臭氧引起氧化應激時，氧自由基和活性氧化物會與細胞膜中的脂質分子相互作用，導致脂質過氧化的發生。脂質過氧化會破壞細胞膜的結構和功能，增加細胞膜的通透性，導致細胞內外物質交換的紊亂。此外，氧自由基和活性氧化物還會與細胞內的蛋白質發生反應，導致蛋白質的氧化。蛋白質氧化會影響其結構和功能，干擾細胞的正常代謝過程，進而導致細胞功能受損。細胞膜的脂質過氧化和蛋白質的氧化都會引發炎癥反應和細胞凋亡，最終導致細胞損傷。炎癥反應是機體對細胞損傷的一種保護性反應，但過度的炎癥反應也可能導致炎癥性疾病的產生與惡化。細胞凋亡是一種程序性死亡方式，當細胞受到嚴重損傷或失去正常功能時，會通過自行死亡，以維持組織和器官的正常功能（見圖1）。

圖1 自由基的形成與代謝

2.2.3 免疫調節

臭氧引起的氧化應激和炎癥反應會影響免疫細胞的激活與趨化，導致多種炎癥介質的釋放，進而導致細胞凋亡、免疫應答和調節細胞因子的產生。首先，臭氧的暴露會刺激免疫細胞，如巨噬細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞的激活與趨化，導致它們釋放多種炎癥介質，例如細胞因子（如腫瘤壞死因子-α、白介素-1β等）和化學介質（如組胺、前列腺素等）。這些炎癥介質會引起炎癥反應、血管擴張和組織損傷，影響免疫系統的正常功能。其次，臭氧的暴露還會造成細胞凋亡的發生。細胞凋亡是一種程序性死亡，它在維持組織和器官的正常發育中發揮著重要作用。臭氧的暴露會造成細胞凋亡，進而影響免疫細胞的數量與功能。此外，臭氧的暴露還會干擾免疫應答過程。免疫應答是免疫系統對抗外界病原體的重要過程，包括抗體的產生和細胞免疫的調節。臭氧的暴露可能會影響免疫細胞的功能，進而導致抗體的生成和細胞免疫調節出現異常。最后，臭氧的暴露還會影響調節細胞因子的產生，調節細胞因子在免疫應答中具有調節和平衡的功能。臭氧的暴露可能會干擾調節細胞因子的產生與平衡，進而影響免疫系統的正常功能。

3 具體解決措施

3.1 注意減排通風

為減少PM2.5的排放，政府可以加強工業和交通領域的污染控制，比如提高大氣污染物排放標準、推廣清潔能源的使用，以及加強對工廠和車輛排放的監管等[3]。此外，民眾也應減少個人排放。（1）選擇低污染的交通方式、控制家庭和工作場所的污染源等；（2）加強空氣凈化和通風措施，在個人居住和工作的環境中，采取一些改善室內空氣質量的措施，如保持室內通風或安裝空氣凈化器和空氣過濾器，并定期保養和更換過濾器，清潔室內的空調系統等；（3）在高濃度的PM2.5環境中，民眾可以采取一些個人防護措施來減少暴露，如在戶外活動時選擇佩戴口罩，特別是使用符合標準的防護口罩，這樣可以有效減少PM2.5顆粒物的吸入，此外還應盡量避免在高濃度污染時段以及地點長時間停留；（4）可以通過均衡飲食，攝入富含抗氧化劑的食物如水果、蔬菜、全谷物和堅果等來增強免疫力，同時也可以進行適量運動、保持充足睡眠并減少精神壓力；（5）注意個人衛生，如勤洗手、保持嘴巴和鼻腔的清潔等，也有助于減少炎癥反應的發生。

3.2 進行綜合整治

通過提高工業和交通領域的能源利用效率，可以減少能源消耗和PM2.5的排放[4]。（1）推廣節能技術和設備及綠色制造和綠色交通方式，是減少環境污染的有效手段；（2）加大環境監管和執法力度，對違規企業和機構進行嚴肅處罰和整改；（3）建立健全的監測體系，確保對污染源的準確監測和排放數據的公開透明，以便及時采取措施；（4）積極推廣環保技術和設備的應用，如污染治理設施、廢氣處理裝置等，以減少污染物的排放和PM2.5的形成，政府可以通過給予稅收優惠、補貼和獎勵等政策支持，鼓勵企業采用環保技術和設備；（5）加強與國際組織和國際伙伴的合作，分享經驗與技術，以便共同應對大氣污染問題，進而推動全球環境保護事業的發展；（6）增強公眾的環境意識，加強公眾對PM2.5污染及其危害的認識與理解，開展環境教育和宣傳活動，提高公眾參與環境保護的積極性，促進整個社會形成共同關注和參與環境保護的氛圍。

3.3 加強監管

具體措施包括：（1）相關部門應增強環境監測和預警能力，加強空氣質量監測和早期預警體系的建設，及時掌握臭氧濃度的變化情況，為公眾提供正確的預警信息；（2）政府可以制定相關政策與法規，如限制和管理工業企業及農牧業、養殖業的排放，加強對工地揚塵的防治，推動低排放、清潔能源的使用等，同時應建立健全的法律法規體系，明確相關責任，并加大對違法行為的處罰力度。

4 結語

針對大氣污染問題，加強PM2.5和臭氧的協同控制已成為重要的研究課題。首先，相關企業要加強源頭控制，減少PM2.5和臭氧的排放，這可以通過嚴格監管工業生產、促進清潔能源使用、提升車輛排放標準等途徑實現。其次，相關部門需要加強監測和預測能力，及時發現并預警重污染天氣，并采取有針對性的控制措施；此外，還要加強對空氣質量的管理與規劃，制定科學有效的污染物減排策略和空氣質量改善目標，推動跨地區協同治理。最后，相關部門還要加強公眾參與和宣傳教育，增強公眾的環境意識，鼓勵大家共同參與環境保護行動，共同實現清潔空氣的目標。通過以上措施的綜合應用，我們可以進一步加強PM2.5和臭氧的協同控制，改善大氣質量。