吸煙對(duì)室內(nèi)空氣細(xì)顆粒物濃度的影響研究

曹曦葳，周增幸，張 菡，胡新青，鮑林發(fā)

(紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

1 引言

環(huán)境煙草煙霧的氣相和顆粒相物質(zhì)中，已被證實(shí)或被懷疑的對(duì)人體有害的致癌物質(zhì)超過50種[1]。其中，顆粒相物質(zhì)雖占總量不到8%，但煙霧中危害性最大的尼古丁、焦油都以可吸入顆粒物形式存在[2]。何繼洲等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于吸煙產(chǎn)生的煙霧中致癌物質(zhì)含量相較于吸煙者吸入體內(nèi)的致癌物質(zhì)明顯增加，因此吸煙不僅對(duì)吸煙者也對(duì)被動(dòng)吸煙者會(huì)造成很大的危害[3～6]。現(xiàn)國(guó)內(nèi)的研究主要集中在對(duì)吸煙產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度的測(cè)定，以及環(huán)境煙草煙霧中的一些氣相物質(zhì)的濃度測(cè)定及其危害的研究上，包括劉波等對(duì)吸煙引起的不同公共場(chǎng)所細(xì)顆粒物濃度影響的研究[7]，謝覺新對(duì)環(huán)境煙草煙霧造成的室內(nèi)空氣有機(jī)污染影響的研究[8]等。但是對(duì)吸煙產(chǎn)生的微小顆粒物的研究方面還較少。微小顆粒物雖然質(zhì)量很小，但其數(shù)量較多，微小顆粒物可直接進(jìn)入肺泡并沉積，甚至可通過肺泡進(jìn)入血液[9]，具有較強(qiáng)的致癌、致畸、致突變能力[10]，會(huì)引發(fā)癌癥、下呼吸道感染等疾病[11,12]。

本實(shí)驗(yàn)通過監(jiān)測(cè)室內(nèi)連續(xù)吸煙時(shí)，不同粒徑大氣顆粒物濃度變化以及粒徑分布，并計(jì)算吸煙后密閉環(huán)境中的顆粒物沉降速率，將其與通風(fēng)后的顆粒物沉降速率進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析得出吸煙對(duì)人體健康的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所

選用一間普通4人寢男生宿舍，室內(nèi)空間體積(除去桌子，柜子等不受香煙煙霧影響的密閉空間)為60.5 m3。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定采用一臺(tái)CLJ-S3016型手持式激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器(蘇州長(zhǎng)留凈化科技有限公司)。采樣周期設(shè)定為1分鐘，采樣流量為2.83 L/min。采樣顆粒物粒徑分為<0.3、0.3～0.5、0.5～1.0、1.0～3.0、3.0～5.0、5.0～10 μm。每次采樣之前儀器自凈10 min。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)選擇的天氣為多云轉(zhuǎn)晴，AQI在100以下。采樣時(shí)，室內(nèi)溫度在11～13 ℃左右，濕度為30%～40%。實(shí)驗(yàn)選用利群香煙(軟紅長(zhǎng)嘴，烤煙型)，焦油量11 mg，煙堿量1.1 mg，一氧化碳量11 mg。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

為了測(cè)量實(shí)際情況下，吸煙對(duì)室內(nèi)顆粒物的影響，本實(shí)驗(yàn)在學(xué)生宿舍內(nèi)進(jìn)行，由志愿者在室內(nèi)以正常速度吸煙。在門窗關(guān)閉的情況下開始實(shí)驗(yàn)，待采樣儀器顯示的大氣顆粒物濃度數(shù)值保持相對(duì)穩(wěn)定后，點(diǎn)燃第一根香煙，每根的吸煙時(shí)間約為5 min，不間斷吸煙6根，共30 min。抽煙結(jié)束一段時(shí)間后，觀察到儀器顯示的顆粒物濃度有明顯下降后開窗通風(fēng)，直至采樣儀器所顯示的數(shù)值保持基本不變，終止該實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，采樣頭與煙的距離約為0.5 m，且采樣儀器一直處于工作狀態(tài)。

3 結(jié)論與討論

3.1 吸煙產(chǎn)生的顆粒物總濃度變化

本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了3次，每次實(shí)驗(yàn)條件基本相同，具有較好的重復(fù)性。本文主要是基于第三次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開討論。

整個(gè)過程分為吸煙前階段、吸煙中階段、吸煙后階段(關(guān)窗)和吸煙后階段(開窗)。根據(jù)顆粒物不同的增長(zhǎng)速率，吸煙階段又可分為快速增長(zhǎng)期和緩慢增長(zhǎng)期。由圖1可知，在門窗關(guān)閉的室內(nèi)吸煙，會(huì)造成室內(nèi)總顆粒物迅速上升(14:14～14:24)，此期間的顆粒物增長(zhǎng)速率Va為3.46×107個(gè)·m-3·min-1。當(dāng)顆粒物達(dá)到濃度為4.68×108個(gè)·m-3后，顆粒物濃度緩慢增長(zhǎng)(14:25～14:44)直至停止吸煙，濃度最高達(dá)6.52×108個(gè)·m-3，是吸煙前室內(nèi)顆粒物濃度的6.59倍。停止吸煙后，顆粒物濃度呈一階指數(shù)規(guī)律逐漸下降(14:45～16:48)，但下降速度較為緩慢，下降速率Vb為2.01×106個(gè)·m-3·min-1。這主要是由于細(xì)顆粒物之間的相互碰撞及其自身的重力沉降。從停止吸煙到開窗通風(fēng)前的2 h內(nèi)，總顆粒物濃度雖有明顯的下降，但仍然處于較高的水平。在開窗通風(fēng)后(16:49～19:10)由于較大的空氣流動(dòng)，室內(nèi)顆粒物濃度迅速降低，下降速度Vc為6.16×106個(gè)·m-3·min-1(圖2)。

圖1 吸煙情況下宿舍內(nèi)總顆粒物變化特征

圖2 吸煙情況下宿舍內(nèi)顆粒物變化特征

3.2 粒徑分布

在吸煙過程中，微小顆粒物的數(shù)濃度明顯增加，由圖3可知，粒徑小于1 μm的顆粒物增加量占總增加量的99%以上，其中粒徑小于0.5 μm的顆粒物數(shù)量增加為原來的5.9倍。結(jié)合圖2，可以看到快速增長(zhǎng)期內(nèi)(14:14～14:24)，粒徑小于0.5 μm的顆粒物迅速增加，到緩慢增長(zhǎng)期(14:25～14:44)，增長(zhǎng)速度逐漸變慢，而粒徑在0.5～1.0 μm的顆粒物基本呈線性增加。吸煙前后，粒徑在1.0 μm～10 μm的顆粒物沒有明顯差異，吸煙結(jié)束后，隨著人為擾動(dòng)等因素的減少，通過自身沉降，其顆粒物濃度逐漸下降。在顆粒物自身沉降的過程中，粒徑小于0.5 μm的顆粒物僅下降了吸煙結(jié)束時(shí)顆粒物濃度的26.7%。從圖2可進(jìn)一步看出，粒徑在0.3 μm到0.5 μm之間的顆粒物沉降速度大于粒徑小于0.3 μm的顆粒物，粒徑在0.5 μm到1.0 μm的顆粒物數(shù)濃度在吸煙結(jié)束后迅速下降，為停止吸煙時(shí)的10.4%，其下降速度達(dá)2.24×106個(gè)·m-3·min-1，這說明粒徑在0.5到1.0 μm的顆粒物可通過自身沉降得到去除。粒徑小于0.5 μm的顆粒物在開窗通風(fēng)后，其顆粒物濃度迅速下降，并達(dá)到正常水平。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)階段顆粒物濃度比較

3.3 單根香煙排放速率

單根香煙的排放速率S=(CT-C0)·V/T，其中，CT為燃燒完畢時(shí)顆粒物即時(shí)濃度，C0為燃燒開始時(shí)顆粒物即時(shí)濃度，V為室內(nèi)空間體積，T為香煙燃燒時(shí)間。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，單根香煙總顆粒物的排放速率S=2.74×109個(gè)·min-1,每根香煙的燃燒時(shí)長(zhǎng)約為5 min,則每根香煙排放的總顆粒物數(shù)量為1.37×1010個(gè)。同理，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每根香煙排放的顆粒物數(shù)量如表1。

表1 每根香煙產(chǎn)生的顆粒物數(shù)量

3.4 健康影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，吸煙產(chǎn)生的顆粒物中99%以上為粒徑小于1 μm的顆粒物，其中粒徑小于0.5 μm的顆粒物在2 h的自然沉降期間，僅下降至停止吸煙時(shí)顆粒物濃度的26.7%。由此可見，微小顆粒物可在室內(nèi)空氣中長(zhǎng)時(shí)間停留。

研究表明顆粒物濃度較低(<5×107個(gè)·m-3)時(shí)，人體可靠自身能力將粉塵顆粒排出體外[13]。此次試驗(yàn)過程中，濃度最高可達(dá)6.52×108個(gè)·m-3，是限值的13倍，且在顆粒物經(jīng)過2 h自然沉降之后，室內(nèi)顆粒物濃度仍處于較高水平，為4.32×108個(gè)·m-3。一個(gè)成年人通常每天呼吸2萬(wàn)多次，平和呼吸時(shí)，人體每分鐘會(huì)吸入6～7.5 L空氣[14]。按最低值每分鐘吸入6 L計(jì)算，在吸煙的30 min內(nèi)，人體吸入的顆粒物可達(dá)1.01×108個(gè)，吸煙結(jié)束后，人體吸入的顆粒物達(dá)3.65×108個(gè)。說明吸煙后，不開窗通風(fēng)所形成的煙草煙霧環(huán)境對(duì)人體所產(chǎn)生的危害將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸煙的危害。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸煙過程中會(huì)產(chǎn)生大量粒徑小于1 μm的細(xì)顆粒物。在吸煙過程中，吸第一根、第二根香煙時(shí)，顆粒物數(shù)濃度迅速增加，從第三根開始，增長(zhǎng)速度變慢，到第六根，顆粒物濃度基本維持穩(wěn)定，此時(shí)室內(nèi)細(xì)顆粒物濃度已處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，濃度不再有較大的變化，總顆粒物濃度增加了5.6倍。吸煙結(jié)束后，細(xì)顆粒物懸浮在室內(nèi)大氣中，難以實(shí)現(xiàn)自身沉降，而開窗通風(fēng)后，細(xì)顆粒物濃度迅速下降。這說明室內(nèi)大氣中的細(xì)顆粒物可通過通風(fēng)換氣等方式去除。通過數(shù)據(jù)分析，每根香煙所產(chǎn)生的粒徑小于1 μm的顆粒物約為1.36×1010個(gè)。吸煙過程中會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒物，這無(wú)論對(duì)吸煙者還是被動(dòng)吸煙者，都會(huì)使呼吸道疾病，心血管疾病患病可能性增加，重者甚至?xí)T發(fā)癌癥。故在室內(nèi)吸煙時(shí)應(yīng)及時(shí)開窗，換氣，以減少煙草煙霧環(huán)境對(duì)人體的傷害。