吸烟对室内空气细颗粒物浓度的影响研究

曹曦葳，周增幸，张 菡，胡新青，鲍林发

(绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴 312000)

1 引言

环境烟草烟雾的气相和颗粒相物质中，已被证实或被怀疑的对人体有害的致癌物质超过50种[1]。其中，颗粒相物质虽占总量不到8%，但烟雾中危害性最大的尼古丁、焦油都以可吸入颗粒物形式存在[2]。何继洲等学者研究发现，由于吸烟产生的烟雾中致癌物质含量相较于吸烟者吸入体内的致癌物质明显增加，因此吸烟不仅对吸烟者也对被动吸烟者会造成很大的危害[3～6]。现国内的研究主要集中在对吸烟产生的PM2.5质量浓度的测定，以及环境烟草烟雾中的一些气相物质的浓度测定及其危害的研究上，包括刘波等对吸烟引起的不同公共场所细颗粒物浓度影响的研究[7]，谢觉新对环境烟草烟雾造成的室内空气有机污染影响的研究[8]等。但是对吸烟产生的微小颗粒物的研究方面还较少。微小颗粒物虽然质量很小，但其数量较多，微小颗粒物可直接进入肺泡并沉积，甚至可通过肺泡进入血液[9]，具有较强的致癌、致畸、致突变能力[10]，会引发癌症、下呼吸道感染等疾病[11,12]。

本实验通过监测室内连续吸烟时，不同粒径大气颗粒物浓度变化以及粒径分布，并计算吸烟后密闭环境中的颗粒物沉降速率，将其与通风后的颗粒物沉降速率进行对比，通过对数据的分析得出吸烟对人体健康的影响。

2 实验方法

2.1 实验场所

选用一间普通4人寝男生宿舍，室内空间体积(除去桌子，柜子等不受香烟烟雾影响的密闭空间)为60.5 m3。

2.2 实验仪器

本实验测定采用一台CLJ-S3016型手持式激光尘埃粒子计数器(苏州长留净化科技有限公司)。采样周期设定为1分钟，采样流量为2.83 L/min。采样颗粒物粒径分为<0.3、0.3～0.5、0.5～1.0、1.0～3.0、3.0～5.0、5.0～10 μm。每次采样之前仪器自净10 min。

2.3 实验条件

实验选择的天气为多云转晴，AQI在100以下。采样时，室内温度在11～13 ℃左右，湿度为30%～40%。实验选用利群香烟(软红长嘴，烤烟型)，焦油量11 mg，烟碱量1.1 mg，一氧化碳量11 mg。

2.4 实验过程

为了测量实际情况下，吸烟对室内颗粒物的影响，本实验在学生宿舍内进行，由志愿者在室内以正常速度吸烟。在门窗关闭的情况下开始实验，待采样仪器显示的大气颗粒物浓度数值保持相对稳定后，点燃第一根香烟，每根的吸烟时间约为5 min，不间断吸烟6根，共30 min。抽烟结束一段时间后，观察到仪器显示的颗粒物浓度有明显下降后开窗通风，直至采样仪器所显示的数值保持基本不变，终止该实验。实验过程中，采样头与烟的距离约为0.5 m，且采样仪器一直处于工作状态。

3 结论与讨论

3.1 吸烟产生的颗粒物总浓度变化

本实验共进行了3次，每次实验条件基本相同，具有较好的重复性。本文主要是基于第三次的实验数据展开讨论。

整个过程分为吸烟前阶段、吸烟中阶段、吸烟后阶段(关窗)和吸烟后阶段(开窗)。根据颗粒物不同的增长速率，吸烟阶段又可分为快速增长期和缓慢增长期。由图1可知，在门窗关闭的室内吸烟，会造成室内总颗粒物迅速上升(14:14～14:24)，此期间的颗粒物增长速率Va为3.46×107个·m-3·min-1。当颗粒物达到浓度为4.68×108个·m-3后，颗粒物浓度缓慢增长(14:25～14:44)直至停止吸烟，浓度最高达6.52×108个·m-3，是吸烟前室内颗粒物浓度的6.59倍。停止吸烟后，颗粒物浓度呈一阶指数规律逐渐下降(14:45～16:48)，但下降速度较为缓慢，下降速率Vb为2.01×106个·m-3·min-1。这主要是由于细颗粒物之间的相互碰撞及其自身的重力沉降。从停止吸烟到开窗通风前的2 h内，总颗粒物浓度虽有明显的下降，但仍然处于较高的水平。在开窗通风后(16:49～19:10)由于较大的空气流动，室内颗粒物浓度迅速降低，下降速度Vc为6.16×106个·m-3·min-1(图2)。

图1 吸烟情况下宿舍内总颗粒物变化特征

图2 吸烟情况下宿舍内颗粒物变化特征

3.2 粒径分布

在吸烟过程中，微小颗粒物的数浓度明显增加，由图3可知，粒径小于1 μm的颗粒物增加量占总增加量的99%以上，其中粒径小于0.5 μm的颗粒物数量增加为原来的5.9倍。结合图2，可以看到快速增长期内(14:14～14:24)，粒径小于0.5 μm的颗粒物迅速增加，到缓慢增长期(14:25～14:44)，增长速度逐渐变慢，而粒径在0.5～1.0 μm的颗粒物基本呈线性增加。吸烟前后，粒径在1.0 μm～10 μm的颗粒物没有明显差异，吸烟结束后，随着人为扰动等因素的减少，通过自身沉降，其颗粒物浓度逐渐下降。在颗粒物自身沉降的过程中，粒径小于0.5 μm的颗粒物仅下降了吸烟结束时颗粒物浓度的26.7%。从图2可进一步看出，粒径在0.3 μm到0.5 μm之间的颗粒物沉降速度大于粒径小于0.3 μm的颗粒物，粒径在0.5 μm到1.0 μm的颗粒物数浓度在吸烟结束后迅速下降，为停止吸烟时的10.4%，其下降速度达2.24×106个·m-3·min-1，这说明粒径在0.5到1.0 μm的颗粒物可通过自身沉降得到去除。粒径小于0.5 μm的颗粒物在开窗通风后，其颗粒物浓度迅速下降，并达到正常水平。

图3 不同实验阶段颗粒物浓度比较

3.3 单根香烟排放速率

单根香烟的排放速率S=(CT-C0)·V/T，其中，CT为燃烧完毕时颗粒物即时浓度，C0为燃烧开始时颗粒物即时浓度，V为室内空间体积，T为香烟燃烧时间。由实验数据计算可得，单根香烟总颗粒物的排放速率S=2.74×109个·min-1,每根香烟的燃烧时长约为5 min,则每根香烟排放的总颗粒物数量为1.37×1010个。同理，通过实验数据可知，每根香烟排放的颗粒物数量如表1。

表1 每根香烟产生的颗粒物数量

3.4 健康影响

由实验结果可得，吸烟产生的颗粒物中99%以上为粒径小于1 μm的颗粒物，其中粒径小于0.5 μm的颗粒物在2 h的自然沉降期间，仅下降至停止吸烟时颗粒物浓度的26.7%。由此可见，微小颗粒物可在室内空气中长时间停留。

研究表明颗粒物浓度较低(<5×107个·m-3)时，人体可靠自身能力将粉尘颗粒排出体外[13]。此次试验过程中，浓度最高可达6.52×108个·m-3，是限值的13倍，且在颗粒物经过2 h自然沉降之后，室内颗粒物浓度仍处于较高水平，为4.32×108个·m-3。一个成年人通常每天呼吸2万多次，平和呼吸时，人体每分钟会吸入6～7.5 L空气[14]。按最低值每分钟吸入6 L计算，在吸烟的30 min内，人体吸入的颗粒物可达1.01×108个，吸烟结束后，人体吸入的颗粒物达3.65×108个。说明吸烟后，不开窗通风所形成的烟草烟雾环境对人体所产生的危害将远远大于吸烟的危害。

4 结论

实验结果表明，吸烟过程中会产生大量粒径小于1 μm的细颗粒物。在吸烟过程中，吸第一根、第二根香烟时，颗粒物数浓度迅速增加，从第三根开始，增长速度变慢，到第六根，颗粒物浓度基本维持稳定，此时室内细颗粒物浓度已处于动态平衡状态，浓度不再有较大的变化，总颗粒物浓度增加了5.6倍。吸烟结束后，细颗粒物悬浮在室内大气中，难以实现自身沉降，而开窗通风后，细颗粒物浓度迅速下降。这说明室内大气中的细颗粒物可通过通风换气等方式去除。通过数据分析，每根香烟所产生的粒径小于1 μm的颗粒物约为1.36×1010个。吸烟过程中会产生大量的细颗粒物，这无论对吸烟者还是被动吸烟者，都会使呼吸道疾病，心血管疾病患病可能性增加，重者甚至会诱发癌症。故在室内吸烟时应及时开窗，换气，以减少烟草烟雾环境对人体的伤害。