納米顆粒:空氣中看不見的超微型殺手

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多年以來,空氣污染往往是媒體頭版頭條新聞,但有關這個全球最大的環境健康問題,其中一些信息,我們可能被媒體誤導了。例如,我們被告知,一種直徑測量為2.5微米或更小的懸浮顆粒污染物——PM2.5可以通過我們的肺進入我們的血液。

但在事實上,絶大多數微米顆粒PM2.5是無法進入我們的血液的。

我們還被告知,包括二氧化氮在內的氮氧化物氣體是城市最大的健康威脅。然而,在歐洲因空氣污染而導致的死亡中,死於氮氧化物的僅佔14%。

其實最大的空氣污染殺手納米顆粒(nanoparticles)從來沒有上過新聞頭條,沒有受到監管,也很少在小眾的科學圈之外被提及,儘管科學家已盡了最大的努力來改變流行的看法。

懸浮微米顆粒PM2.5比人類頭髮寬度大約小30倍,小得看不見,但是與懸浮在空氣中的納米顆粒相比,則相對是大塊頭。PM2.5的直徑為2500納米,而真正的殺手納米顆粒直徑是100納米或更小。不錯,PM2.5和PM10(直徑為1萬納米,體積更大的懸浮顆粒)都是殺手,一般會造成人體肺和呼吸器官出問題。但是納米顆粒可以進入人體任何器官肆意破壞。而且政府部門是以重量來測量PM2.5值的高低,但數百上千萬的納米顆粒若以重量計,可能還不到一微克,因此政府部門的空氣污染報告往往低估了真正的風險。

有關空氣污染應該關注人體吸入的顆粒總數,而不僅僅是重量的這門科學,實際已開始好一些時間了。2003年,蘇爾布吉特·考爾(Surbjit Kaur)在倫敦帝國理工學院(Imperial College London)完成碩士學位時,她的導師建議她參加名為Dapple(空氣污染的擴散及其對周遭環境的影響)的實驗。考爾設計的題目是個人暴露於污染空氣的研究,由六名志願者組成的團隊大家「裝扮成聖誕樹」,並帶上各種不同的空氣污染傳感器,連續四周每天在倫敦市中心走一條固定路線。

考爾後來離開了科學界,現在是一名管理顧問。她說,當年這些志願者「是朋友和我們系裏的人組成的。 但如果我自己也不參加的話,我真的不能要求別人去做這個實驗」。因此她也加入這個空氣污染測試志願者隊伍,來到了以馬里波恩路(Marylebone Road)為中心的路邊。馬里波恩路是一條有七條車道的大道,杜莎夫人蠟像館(Madame Tussauds)即坐落在這條大道上。她說:「我們到了這條街,知道我們會因為長時間暴露在這樣的空氣中而生病。過了一會兒,我們開始覺得很不舒服。」

穿戴在志願者身上和放在背包裏的儀器測量了標凖的空氣污染物,即PM2.5和一氧化碳。但考爾還帶有一套剛剛上市的嶄新裝備「P-Trak」納米顆粒計數器。她笑著說:「我們需要獲得各種各樣的批准才能實地使用這種儀器,因為樣子看起來有點像測量核輻射的蓋革探測器,有關部門擔心我們當眾使用會引起公眾的恐慌。」這個設備吸入空氣後,會向空氣中的顆粒表面噴灑酒精使其現形,然後通過激光束將顆粒一個個數進去,可以將微小到2納米的納米顆粒(比人體血細胞還要小很多倍)的數量精確地計算出來。受紐約羅切斯特大學(University of Rochester)和芬蘭國家公共衛生研究所(National Public Health Institute)研究成果的影響,考爾有一種預感,認為計算這些"超細顆粒"的數量可以增加一些有趣的數據。她的預感沒有錯。

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Image caption 倫敦帝國理工學院的研究生考爾2003年在倫敦做的研究發現,走上街頭作空氣污染測試的自願者一次會接觸到13萬個超微細顆粒(Credit: Emmanuel Lafont)

她說:「我預料顆粒數會有一定程度的變化,但沒有想到變化幅度很大,確實讓我吃驚……過往車輛的數量對人們接觸到的PM2.5顆粒數量的影響微乎其微。但對超細顆粒數量則影響巨大。」當志願者們走在人行道上時,他們一次至少接觸了3.6萬個超細顆粒,最多達到13萬個。當他們騎著自行車走同樣的路線時(要帶上所有設備,雖然麻煩,但也不是不可能),最大值和最小值又各增加了2萬個。

然而,記錄到的平均最高值是在汽車和公共巴士內,這說明越接近污染源,即排氣管噴出的廢氣,則納米顆粒的總數就越高。同一條人行道上,走在街邊和走在建築物旁邊,兩者雖然只有幾步路之遠,但差異卻很明顯,前者納米顆粒數平均值是8.2萬個,而後者平均值則是6.9萬個。同樣的讀數顯示PM2.5顆粒數沒有變化。

很不幸,考爾的發現對政府部門測量空氣污染的方式沒有任何影響。大約在2006年,就在她離開科學領域的時候,劍橋大學的一名博士生接過了接力棒。普拉桑特·庫馬爾(Prashant Kumar)在德里的印度理工學院(Indian Institute of Technology)攻讀碩士學位,已經在研究PM2.5和PM10。但在他來到英國攻讀博士學位時,他說:「在與我的幾位導師討論時,我們發現他們(對納米顆粒)的了解很少,甚至幾乎不了解。他們的測量,他們的關注是另一方面。所以我決定挑戰納米顆粒這個題目。」從2008年開始,他陸續發表的一系列論文成為有關納米顆粒污染的開創性研究,並因此成為薩里大學(University of Surrey)的教授。

庫馬爾回顧說:「我2008年進行的第一項研究是探索性的分析。」他說,汽車廢氣以氣體的形式排放出來,然後冷卻成更小的納米顆粒,然後再開始聚集,形成更大的顆粒。從排氣管中每立方厘米的空氣你可以得到10的6次方(100萬個)顆粒。走在路中間為10萬個,路邊則是1萬個。他的研究發現,交通繁忙的道路上90%以上的顆粒都是直徑100納米以下的超細顆粒。

庫馬爾解釋說,這對我們的健康是個問題, 「因為顆粒越小,表面積越大。更大的表面積意味著更多的(潛在的)毒性,因為其接觸到你體內的面積也更大。」

為形象地理解這一點,不妨想象一下足球和高爾夫球的對比。一個足球的圓周為70厘米,表面積約為1500平方厘米。高爾夫球顯然要小得多,周長約為13厘米,表面積為54平方厘米。如論體積,你可以把156個高爾夫球放進一個足球大小的空間,但所有這些高爾夫球表面積相加將是8453cm2,整整比一個足球大了6.9平方米。在納米尺度上,這種差異更要大得多。一個由10億個10納米顆粒組成的霧團其質量只相當於一個PM10顆粒,但其總表面積卻是後者的100萬倍。而這些納米顆粒表面覆蓋著來自汽車尾氣的未燃燒的有毒燃料。

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Image caption 身在汽車中的人所接觸的納米顆粒要比騎單車或走在人行道上的人要多(Credit: Emmanuel Lafont)

庫馬爾教授的另一項研究是被成年人用嬰兒車推著經小鎮路邊而過的兒童,其接觸空氣污染的狀況。他說:「我們發現,在等紅綠燈的時候,會接觸到大量納米顆粒,而嬰兒車中的孩子接觸的微細顆粒數量還要大……在某些情況下,會比成年人高出20-30%。由於孩子的免疫系統還在發育,他們更容易受到健康影響。」例如,美國加州兒童健康研究發現,在交通繁忙道路的半公里內長大的兒童肺活量明顯受到損害。

納米顆粒還可以通過肺壁進入血液,這是顆粒較大的PM2.5無法做到的。納米顆粒一旦進入血液,除了可以到達身體的任何器官或動脈,也會造成與肺部相同的炎症損傷。不過直到最近之前,人們還不知道到底直徑多大的顆粒能夠通過肺壁進入血液,也不知道哪些顆粒會滯留在肺部或上呼吸道。

愛丁堡大學教授大衛·紐比(David Newby)領導的團隊在2017年終於補上了這項研究拼圖的最後一塊。珍‧拉夫提斯(Jen Raftis)博士是研究小組的一員。她說:「如何讓血液中的納米顆粒現形,我們有各種各樣的設想,現實中也有各種各樣的成像技術。但是現有的成像技術沒有那麼高的分辨率。所以我們決定使用黃金。」

愛丁堡研究小組使用從荷蘭借來的一台機器,通過電極將黃金打碎到僅只有2納米大小的超微細的顆粒。首先,讓老鼠吸入這些黃金納米顆粒,接下來,讓人類志願者吸入。拉夫提斯以讓人放心的口氣解釋說:「我們使用黃金,因為我們知道黃金真的很安全。黃金可以用於臨牀是因為黃金是惰性的,不會與任何物質發生反應,也不會引起體內的氧化壓力。」黃金也很容易被儀器探測到,不像碳顆粒那樣會有效地隱藏在我們碳基生命的人體中,難以查到。

志願者在吸入黃金納米顆粒的15分鐘以及24小時後,提供了血液和尿液樣本。你想不到吧,他們的血液和尿液的樣品裏真的發現了金子。研究小組還發現了一個30納米的分界點。在流動的血液中可以發現低於30納米大小的顆粒,而大於30納米的物質則無法滲透過肺部進入血液。

拉夫提斯說:「我們顯然不能對人類進行活組織檢查,但卻可以對老鼠做屍檢。我們發現肺部積累的顆粒最多, 其次是肝臟,因為血液首先經過的是肝臟。腎臟表面的滲透孔大小是5納米,因此大於5納米的任何東西都無法滲透進腎臟……但身體的其他部位則可能有顆粒積累 , 因為整個身體不同部位的表皮孔隙大小是有差別的。三個月後,志願者的尿液中仍然發現含有黃金微粒。

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Image caption 科學家採用超細黃金微粒來了解納米顆粒污染物在人體各部位的積澱狀況(Credit: Emmanuel Lafont)

隨後英國心臟基金會(British Heart Foundation)資助愛丁堡大學教授大衛·紐比的團隊繼續此項研究。再一次,大衛‧紐比要用實驗證明一個理論。當時這個還未獲得證實的理論是,納米顆粒污染物在人體動脈中聚集可能導致中風和心臟病。大衛·紐比接觸了一些即將接受切除動脈脂肪沉積(即動脈斑塊)手術的病人。如果讓這些病人在手術的前一天吸入黃金納米顆粒,第二天手術後能否在他們切除的斑塊上發現這些黃金粒子?

拉夫提斯說:「是的,我們在斑塊上發現了黃金顆粒。」她此時談到這一發現,仍然很興奮。她說:「這表明,這種大小和結構的空氣污染顆粒可以在吸入24小時內被吸附到動脈斑塊上。對心臟病患者來說,這是相當危險的事,因為我們人一生都會呼吸到被污染的空氣。而我們做的只是一次性的實驗,但這種事每天都在發生。」

不妨把動脈想象成道路,動脈斑塊想象成車禍現場,納米顆粒就是被堵在車禍現場越積越多的汽車,結果造成動脈交通更嚴重的堵塞。而且納米顆粒也可能就是造成動脈車禍的原因,因為這些顆粒表面附著的有毒化學物質會使動脈發炎,紐比的前任肯·唐納(Ken Donaldson)森教授早在上世紀90年代就強調了納米顆粒的毒性。「全球疾病負擔」(Global Burden of Diseases)組織的研究估計,空氣污染可能導致21%的中風死亡和24%的缺血性心臟病死亡。交通廢氣一直被認為是空氣污染危害人體健康的確鑿證據,,但這只行兇的槍發射出來的子彈卻很難找到。現在,許多人認為子彈已找到,就是納米顆粒。

大多數國家,包括美國和歐盟,都對微米顆粒PM2.5、氮氧化物、一氧化碳和二氧化硫等最有害的空氣污染物有法律限制。但對納米顆粒則沒有類似的監管約束。有關方面典型的反駁是,法律規定的「PM2.5已包括最小到直徑1納米的所有微細顆粒」。技術上PM2.5確實包括了納米顆粒,但正如我們所見,數百萬計的納米顆粒在PM2.5的測量讀數中幾乎無法顯示。因此,在政府網站或手機應用程式上,PM2.5讀數可能很低,給人一種空氣很乾淨的假象,但此時空氣中實際有大量微細顆粒正在進入我們的動脈血管。

2008年一份為英國環境、食品和農村事務部(Defra)所作,有關直徑低於100納米的超細顆粒污染物的報告發現,因為「目前沒有針對納米顆粒的排放上限或減排目標之規定……也沒有關於納米顆粒的指引或可供查閲的納米顆粒排放因素列表的途徑。」目前存在的唯一法規是歐盟汽車尾氣排放6號標凖測試,其中一項是廢氣顆粒數限制,測量的顆粒直徑已縮小到23納米。但是,Defra的報告說,這意味著「城市空氣中超過30%的納米顆粒可能不包括在內」,並且只覆蓋了愛丁堡大學黃金納米顆粒研究所確定的30納米分界值以下顆粒之一小部分。

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Image caption 空氣中懸浮顆粒越細微,這些顆粒的集體表面積實際越大,因其數量更大,而且這些顆粒的毒性也更強(Credit: Emmanuel Lafont)

也許唯一的好消息是,雖然納米顆粒數與PM2.5的測量值之間沒有很好的相關性,但確實與氮氧化物的讀數相關。像納米顆粒一樣,二氧化氮(NO2,氮氧化物的一種)離排放源最近,但很快就會消散。NO2甚至會與空氣中的其他氣體發生化學反應,形成某些類型的納米顆粒。因此,減少NO2的排放通常也可以起到減少納米顆粒的作用。庫馬爾說:「兩者之間確實相互關聯,因為兩者都來自同一個排放源。」

有關氮氧化物和納米顆粒的解決方案也一樣,即用電取代石化燃料作為能源。電動汽車仍然會揚起道路塵土,但它們不會釋放由燃燒產生的納米顆粒或氮氧化物。雖然仍需要發電站來獲取電力,但我們在公路上花費的時間遠遠超過了站在發電站煙囪旁的時間,儘管發電站的碳排放是我們必須快速轉向100%可再生能源的更充分理由。而更好的選擇是使用真正的廢氣零排放交通工具,如步行和騎自行車。我們越快完成這一轉變,就能挽救更多的生命。在此期間,我們還需要通過建立隔離自行車道和綠色屏障,即人行道和道路之間的樹木、樹籬和攀爬植物等綠色隔離帶,將行人與以燃燒排氣車輛為主的交通道隔離開來,從而減少我們對廢氣的接觸。

十多年後,考爾發現自己的習慣仍然受到當年納米顆粒研究的影響。她笑著說:「當我走在人行道上的時候,我的朋友們覺得我總是貼著建築物的一邊走很滑稽!而且只要有可能,我就抄近路穿過公園,或者走小路。」

在愛丁堡,拉夫提斯走得更遠。她說:「我不再於家中點蠟燭。雖然我很喜歡木材熊熊燃燒的火爐,但我家裏不會使用,也不會有燒木頭的爐子。我做飯的時候總要打開抽油煙機。我不會沿著馬路跑步,跑步我總是選在公園。我不開車,也有意識地認為我不應該開,除非是開電動汽車。」但拉夫提斯騎自行車,儘管附近空氣的顆粒物含量很高,因為「即使你在交通擁擠的時候騎自行車,你也可以通過鍛煉來抵消空氣污染。」

我問她,限制廢氣排放法規和政策是否應該更多地轉向規限納米顆粒的污染。她告訴我,她不是政策制定者,但很快又補充道:「我不知道他們為什麼不這麼做。我的意思是,你覺得你在研究,再研究,也產生了數據,卻什麼反應也沒得到,只是口頭說所而已。我覺得這個問題必須隨著技術的發展而發展。PM2.5正是監測儀所測量出來的。」

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Image caption 身處同樣一個城市,我們每天遭受的空氣污染程度,會因人、因交通方式,以及因行經的路線而有很大差異(Credit: Emmanuel Lafont)

身處同樣一個城鎮或城市,我們每天接觸到的空氣污染程度,會因人、因交通方式,以及行經的路線而有很大差異。大多數城市或國家通過幾個固定的監測站來測量,這些監測站檢測到的只是附近的空氣。然而,我們不會一輩子都會待在某個地方不動。

考爾在她泰晤士河畔的辦公室,遠望著倫敦的市長官邸,對我說:「我仍然覺得這個研究很迷人。如果政府推出的空氣污染政策是為了人類的福祉,但其政策的指導依據卻是不相關的數據,那麼你到底是真的在幫助人們,還是在防礙他們?」

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