关于PM2.5与臭氧的作用机制及二者协同控制的思考

潘冬燕，赵承军

（济南市生态环境局章丘分局，山东 济南 250200）

引言

PM2.5和臭氧污染物会对环境空气质量产生重要影响。PM2.5是指空气中颗粒物直径小于或等于2.5微米的颗粒物。这些颗粒物通常来自人为活动和自然源的排放，如交通尾气、工业排放、燃煤等。由于PM2.5颗粒物直径小，所以能够长时间悬浮在空气中，进而易被人们吸入呼吸道，对人体健康造成危害。人体长期暴露于高浓度的PM2.5环境中，容易引发呼吸系统疾病、心血管疾病和癌症等健康问题。

臭氧是一种有害物质，也是光化学烟雾的重要组成部分。臭氧污染物是由氮氧化物和有机化合物等在阳光的照射下发生光化学反应而产生的。高浓度的臭氧会对人体呼吸系统、眼睛等造成危害。长期暴露于臭氧污染的环境中，可能会导致呼吸道疾病加剧、免疫功能下降和肺部疾病等。这些污染物的增加不仅对人类健康造成威胁，也会对生态环境产生不良影响。高浓度的PM2.5和臭氧污染物会影响植物的光合作用，破坏农作物和森林的生长，激发大气中其他污染物的生成，进而影响生态平衡。因此，减少排放PM2.5和臭氧污染物的源头非常重要，这需要采取改善工业生产过程、加强交通尾气排放治理、推广清洁能源等手段来减少污染物的排放。此外，城市规划和管理部门也需要采取相应措施，减少污染物的累积和扩散，改善环境空气质量，保护人类和生态环境的健康。

1 PM2.5与臭氧的作用机制

1.1 化学反应

PM2.5中的多种化学物质与臭氧之间可以发生化学反应，造成臭氧浓度进一步增加。臭氧的生成主要与二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等气态污染物有关[1]。这些气态污染物在大气中与臭氧发生反应，进而生成硫酸盐和硝酸盐等化合物，从而造成臭氧的增加。此外，PM2.5中的有机物质也可以与臭氧发生反应，生成含有臭氧的有机化合物，进一步增加臭氧的浓度。这些化学反应是复杂的，涉及多种物质之间的相互作用。其中，二氧化硫和氮氧化物与臭氧反应生成硫酸盐和硝酸盐的过程可以通过以下化学方程式表示：

这些化学反应导致空气中的臭氧浓度升高，对人体健康和环境产生不利影响，因此控制和减少这些化学反应的发生是大气污染治理的重要手段。

1.2 吸附与催化

PM2.5表面的颗粒物除了与臭氧气态成分直接发生化学反应外，还可以通过吸附和催化的方式影响臭氧的生成与分解。颗粒物表面的金属离子和有机物可以吸附臭氧分子，形成臭氧的吸附物质。这些吸附物质进一步参与化学反应，会生成含有臭氧的物质，进而增加臭氧浓度。颗粒物表面金属离子的存在还可以催化臭氧的分解。催化剂的作用使臭氧分子能够更快地分解，产生氧气和自由基，这些自由基可以继续参与其他化学反应，进一步增加臭氧浓度。需要注意的是，具体的吸附和催化反应机理可能涉及多种物质和反应途径，因此臭氧生成和分解的程度会受到颗粒物成分和来源的影响。

1.3 光化学反应

PM2.5中的吸光物质（如黑碳、有机物质等）可以吸收或散射太阳光，并将光能转化为热能，这个过程被称为光化学反应或光吸收过程。当光能被转化为热能时，会导致周围的温度升高，因此高浓度的PM2.5会促使大气温度升高，这进一步加快了臭氧形成的速率。高温会加速化学反应的进行，包括二氧化硫和氮氧化物与臭氧发生反应，以及PM2.5中的有机物质与臭氧的反应。因此，在高温条件下，这些化学反应的速率会增加，从而进一步促进臭氧的生成。

2 PM2.5与臭氧对人体的作用机制及危害

2.1 PM2.5对人体的作用机制及危害

2.1.1 直接刺激作用

PM2.5中含有各种有毒物质，如重金属、有机化合物等，这些有毒物质会刺激呼吸道，引发炎症反应。当它们附着在呼吸道黏膜上时，会与黏膜细胞发生相互作用，导致细胞损伤和炎症的产生。一方面，PM2.5中的重金属离子如铅、镉等能直接损伤呼吸道组织，进而引发细胞损伤和炎症反应[2]；另一方面，PM2.5中的有机化合物如多环芳烃及挥发性有机化合物等会激活免疫系统并引起炎症反应，进而对呼吸道组织造成损伤。长期暴露于高浓度的PM2.5环境中会导致慢性炎症和氧化应激，进而损害呼吸道的正常功能。

2.1.2 氧化应激和炎症反应

PM2.5中的化学成分，如氮氧化物、硫化物和多环芳烃等，会通过化学反应产生活性氧，如超氧阴离子和过氧化氢等。这些活性氧物种具有高度反应性，能够引发氧化应激反应。当我们暴露于高浓度的PM2.5环境时，活性氧物种会与细胞内的分子（如脂质、蛋白质和核酸）发生氧化反应，导致细胞膜的损伤和细胞器功能的异常。这会引发细胞的炎症反应，并释放出各种炎症介质，如细胞因子、趋化因子等，进而加剧炎症反应。这些炎症介质的释放会影响免疫系统的正常功能，导致免疫细胞的活化和炎症反应的扩大，进而损害人体呼吸道和其他器官的健康。

2.1.3 环境因子

PM2.5的颗粒物表面可以附着一些环境因子，如细菌、病毒、花粉等，这些环境因子可能是致病微生物、过敏原或其他刺激物质。当这些因子进入呼吸道，并与免疫系统的细胞相互作用时，会引发免疫系统的反应，进而导致过敏反应的发生。例如：如果呼吸道中存在致敏物质如花粉等，它们就会激活免疫系统，导致免疫细胞产生过敏性抗体。当再次接触这些过敏原时，免疫细胞会释放化学物质，如组胺等，进而引起过敏症状，如打喷嚏、鼻塞和呼吸困难等。

2.2 臭氧对人体的作用机制及危害

相比之下，臭氧是一种有害的气态化学物质，主要形成于大气中的光化学反应过程中，由氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在太阳光的作用下通过光解和氧化反应而形成。臭氧对人体健康造成的影响主要是刺激和炎症反应。臭氧的作用机制包括以下几方面。

2.2.1 刺激与破坏

臭氧是一种强氧化剂，具有刺激性。当臭氧浓度较高时，人体吸入臭氧会对呼吸道黏膜产生刺激，进而使喉咙产生疼痛、痒、烧灼感等不适症状。这种刺激性症状通常被称为臭氧刺激症。此外，长期暴露于高浓度的臭氧环境中可能会导致呼吸道黏膜破坏和炎症，进而增加呼吸系统疾病的患病风险。

2.2.2 氧化应激

臭氧激活和加剧氧化应激反应会导致氧自由基和活性氧化物的产生。这些反应会引起细胞膜的脂质过氧化和蛋白质的氧化，进而导致细胞损伤、炎症反应以及细胞凋亡。氧自由基和活性氧化物是一类高度反应性的分子，它们通过与细胞内的脂质、蛋白质和核酸等分子发生反应，进而引起氧化应激。当臭氧引起氧化应激时，氧自由基和活性氧化物会与细胞膜中的脂质分子相互作用，导致脂质过氧化的发生。脂质过氧化会破坏细胞膜的结构和功能，增加细胞膜的通透性，导致细胞内外物质交换的紊乱。此外，氧自由基和活性氧化物还会与细胞内的蛋白质发生反应，导致蛋白质的氧化。蛋白质氧化会影响其结构和功能，干扰细胞的正常代谢过程，进而导致细胞功能受损。细胞膜的脂质过氧化和蛋白质的氧化都会引发炎症反应和细胞凋亡，最终导致细胞损伤。炎症反应是机体对细胞损伤的一种保护性反应，但过度的炎症反应也可能导致炎症性疾病的产生与恶化。细胞凋亡是一种程序性死亡方式，当细胞受到严重损伤或失去正常功能时，会通过自行死亡，以维持组织和器官的正常功能（见图1）。

图1 自由基的形成与代谢

2.2.3 免疫调节

臭氧引起的氧化应激和炎症反应会影响免疫细胞的激活与趋化，导致多种炎症介质的释放，进而导致细胞凋亡、免疫应答和调节细胞因子的产生。首先，臭氧的暴露会刺激免疫细胞，如巨噬细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞的激活与趋化，导致它们释放多种炎症介质，例如细胞因子（如肿瘤坏死因子-α、白介素-1β等）和化学介质（如组胺、前列腺素等）。这些炎症介质会引起炎症反应、血管扩张和组织损伤，影响免疫系统的正常功能。其次，臭氧的暴露还会造成细胞凋亡的发生。细胞凋亡是一种程序性死亡，它在维持组织和器官的正常发育中发挥着重要作用。臭氧的暴露会造成细胞凋亡，进而影响免疫细胞的数量与功能。此外，臭氧的暴露还会干扰免疫应答过程。免疫应答是免疫系统对抗外界病原体的重要过程，包括抗体的产生和细胞免疫的调节。臭氧的暴露可能会影响免疫细胞的功能，进而导致抗体的生成和细胞免疫调节出现异常。最后，臭氧的暴露还会影响调节细胞因子的产生，调节细胞因子在免疫应答中具有调节和平衡的功能。臭氧的暴露可能会干扰调节细胞因子的产生与平衡，进而影响免疫系统的正常功能。

3 具体解决措施

3.1 注意减排通风

为减少PM2.5的排放，政府可以加强工业和交通领域的污染控制，比如提高大气污染物排放标准、推广清洁能源的使用，以及加强对工厂和车辆排放的监管等[3]。此外，民众也应减少个人排放。（1）选择低污染的交通方式、控制家庭和工作场所的污染源等；（2）加强空气净化和通风措施，在个人居住和工作的环境中，采取一些改善室内空气质量的措施，如保持室内通风或安装空气净化器和空气过滤器，并定期保养和更换过滤器，清洁室内的空调系统等；（3）在高浓度的PM2.5环境中，民众可以采取一些个人防护措施来减少暴露，如在户外活动时选择佩戴口罩，特别是使用符合标准的防护口罩，这样可以有效减少PM2.5颗粒物的吸入，此外还应尽量避免在高浓度污染时段以及地点长时间停留；（4）可以通过均衡饮食，摄入富含抗氧化剂的食物如水果、蔬菜、全谷物和坚果等来增强免疫力，同时也可以进行适量运动、保持充足睡眠并减少精神压力；（5）注意个人卫生，如勤洗手、保持嘴巴和鼻腔的清洁等，也有助于减少炎症反应的发生。

3.2 进行综合整治

通过提高工业和交通领域的能源利用效率，可以减少能源消耗和PM2.5的排放[4]。（1）推广节能技术和设备及绿色制造和绿色交通方式，是减少环境污染的有效手段；（2）加大环境监管和执法力度，对违规企业和机构进行严肃处罚和整改；（3）建立健全的监测体系，确保对污染源的准确监测和排放数据的公开透明，以便及时采取措施；（4）积极推广环保技术和设备的应用，如污染治理设施、废气处理装置等，以减少污染物的排放和PM2.5的形成，政府可以通过给予税收优惠、补贴和奖励等政策支持，鼓励企业采用环保技术和设备；（5）加强与国际组织和国际伙伴的合作，分享经验与技术，以便共同应对大气污染问题，进而推动全球环境保护事业的发展；（6）增强公众的环境意识，加强公众对PM2.5污染及其危害的认识与理解，开展环境教育和宣传活动，提高公众参与环境保护的积极性，促进整个社会形成共同关注和参与环境保护的氛围。

3.3 加强监管

具体措施包括：（1）相关部门应增强环境监测和预警能力，加强空气质量监测和早期预警体系的建设，及时掌握臭氧浓度的变化情况，为公众提供正确的预警信息；（2）政府可以制定相关政策与法规，如限制和管理工业企业及农牧业、养殖业的排放，加强对工地扬尘的防治，推动低排放、清洁能源的使用等，同时应建立健全的法律法规体系，明确相关责任，并加大对违法行为的处罚力度。

4 结语

针对大气污染问题，加强PM2.5和臭氧的协同控制已成为重要的研究课题。首先，相关企业要加强源头控制，减少PM2.5和臭氧的排放，这可以通过严格监管工业生产、促进清洁能源使用、提升车辆排放标准等途径实现。其次，相关部门需要加强监测和预测能力，及时发现并预警重污染天气，并采取有针对性的控制措施；此外，还要加强对空气质量的管理与规划，制定科学有效的污染物减排策略和空气质量改善目标，推动跨地区协同治理。最后，相关部门还要加强公众参与和宣传教育，增强公众的环境意识，鼓励大家共同参与环境保护行动，共同实现清洁空气的目标。通过以上措施的综合应用，我们可以进一步加强PM2.5和臭氧的协同控制，改善大气质量。