便携式空气净化器作为减轻意大利北部室内生物质燃烧产生的PM2.5及有毒物质暴露的策略：一项案例研究

《Journal of Aerosol Science》：Portable Air Purification as a Strategy to Mitigate Indoor Exposure to Biomass-Burning PM 2.5 and Toxic Constituents in Northern Italy: A Case Study

本研究在意大利米兰郊区冬季取暖季进行，通过便携式空气净化器对比分析室内外PM2.5浓度及氧化潜力的变化。结果显示空气净化器使室内PM2.5浓度从13.49 μg/m3降至5.53 μg/m3，降幅达2.4倍，氧化潜力下降58%，渗透因子降低70%。证实便携式空气净化器可有效缓解生物质燃烧导致的室内细颗粒物污染暴露。

　　

Sahar Fazelvalipour|Yashar Aghaei|Mohammad Mahdi Badami|P.S.Ganesh Subramanian|Vishal Verma|Ario Alberto Ruprecht|Constantinos Sioutas

美国加利福尼亚州洛杉矶南加州大学土木与环境工程系

摘要

本研究调查了便携式空气净化器在减少意大利北部米兰郊区室内细颗粒物（PM_2.5，粒径 < 2.5 μm）浓度及其相关氧化潜力方面的有效性，研究时间选在住宅供暖高峰期，此时生物质燃烧是空气污染的主要来源。在空气净化器关闭和开启两种情况下，使用基于过滤的方法同时采集室内和室外的PM_2.5样本，并进行了详细的化学和毒理学分析。室外PM_2.5平均浓度为34.75 μg/m³，超过了世界卫生组织推荐的24小时限值15 μg/m³；而空气净化器关闭时的室内平均浓度为13.49 μg/m³。然而，使用空气净化器后室内PM_2.5浓度降至5.53 μg/m³，相比关闭状态减少了2.4倍。通过二硫苏糖醇（DTT）测定法测得的氧化潜力也从0.41 nmol/min/m³降至0.17 nmol/min/m³，相比关闭状态减少了58%，相对于室外空气则减少了85%。质量平衡分析进一步表明，颗粒物从室外渗透到室内的比例从0.51降至0.15，表明颗粒物的持久性减少了70%。这些发现表明，便携式空气净化器在减轻室内PM_2.5及其氧化潜力带来的暴露风险方面具有显著效果，为减少受生物质燃烧影响地区的实际暴露风险提供了重要见解。

引言

2023年俄罗斯-乌克兰冲突导致从俄罗斯进口的天然气供应中断（Kuzemko等人，2022年），欧洲各地能源价格上升（Liadze等人，2023年；Mbah & Wasum，2022年），从而导致天然气使用量减少。包括意大利在内的许多欧洲国家在冬季增加了对生物质的依赖（Daellenbach等人，2023年；Ricciardelli等人，2017年）。这一转变还得到了政策措施的推动，例如2023年的意大利预算法降低了木颗粒的税收，以资助用生物质供暖系统替代化石燃料系统（Daellenbach等人，2023年；EHW，2023年；Ricciardelli等人，2017年）。这些措施使得生物质成为意大利冬季细颗粒物（PM_2.5，粒径 < 2.5 μm）排放的主要来源，尤其是在波河谷地区（Putaud等人，2002年）。PM_2.5可以深入呼吸道，引发全身性炎症（Agudelo-Casta?eda等人，2017年；Sirignano等人，2019年），加重心血管疾病，并损害整体肺功能（Valavanidis等人，2008年；Willers等人，2013年）。流行病学研究表明，长期暴露于PM_2.5与肺癌发病率增加有关（Hvidtfeldt等人，2021年；Raaschou-Nielsen，2013年），并对人类健康产生负面影响（Boldo等人，2011年；Lu等人，2015年）。生物质燃烧释放的某些化学成分，包括碳质物质和多环芳烃（PAHs）（W. Li等人，2021a；Saarikoski等人，2012年），与PM₂的氧化潜力（OP）密切相关（Akhtar等人，2010年；Jedynska，2016年），氧化潜力是衡量PM吸入后引发炎症能力的指标（N. Li等人，2008年）。

由于PM_2.5的质量浓度仍然是监管标准，其健康影响与其成分的物理化学性质密切相关，因此需要针对最有害的成分进行针对性研究。碳质化合物（如有机碳（OC）、元素碳（EC）和PAHs）与氧化潜力增强密切相关（Jedynska，2016年；W. Li等人，2021b）。与工业活动相关的氧化活性痕量金属（如铁（Fe）、铜（Cu）和锰（Mn）也被证明会增加氧化应激并导致不良健康后果（Akhtar等人，2010年；Liang等人，2021年）。这些成分在生物质燃烧事件中的共同排放，特别是在2023年以来影响加剧的波河谷地区（Aghaei等人，2024年），进一步凸显了评估PM_2.5化学组成和氧化潜力的重要性。在意大利北部，波河谷是一个关键热点地区，因为该地区的空气质量长期恶化，尤其是在冬季（Conticini等人，2020年；Putaud等人，2002年）。在该地区，强烈的生物质燃烧用于住宅供暖，加上阿尔卑斯山和亚平宁山脉的地理封闭性以及限制污染物扩散的静止气象条件（Caserini等人，2017年；Tositti等人，2014年），导致颗粒物及其有毒成分的积累，从而引发反复且严重的污染事件（Meroni等人，2017年；Pietrogrande等人，2022年）。季节性变化进一步加剧了这一负担：在温暖月份，颗粒物浓度受尾气排放和二次有机气溶胶形成的影响较大；而在冬季，广泛的生物质燃烧和不利的气象条件导致PM_2.5浓度和化学活性物质显著增加，从而增加氧化应激（Belis等人，2011年；Daher等人，2012年；Vecchi等人，2004年）。

尽管对波河谷冬季生物质燃烧污染进行了广泛研究，但现有研究几乎仅关注室外空气，未评估这些化学复杂且高度氧化的颗粒物如何影响室内PM_2.5的浓度、化学组成或毒性。先前的研究调查了便携式空气净化器或通风干预措施在有人居住的室内环境中降低PM_2.5质量和颗粒数浓度的作用（Aldekheel等人，2022年；Kim等人，2013年；Sultan等人，2011年），包括在真实住宅条件下对健康成年人的交叉干预研究（Yoda等人，2020年）。然而，这些研究主要关注基于暴露的指标，如颗粒质量、数量浓度、CO₂水平、空气交换率或呼吸系统后果，未评估空气净化前后PM_2.5的化学组成、特定来源的成分或与毒性相关的指标（如氧化潜力）。因此，直接将室外以生物质为主的污染事件与室内PM_2.5的化学特性和氧化潜力联系起来，以及量化便携式空气净化器是否不仅减少了PM_2.5的质量，还减少了与生物质燃烧最相关的有毒成分，仍存在重要空白。鉴于人们大部分时间都在封闭环境中度过，室内空气质量是决定总体暴露程度的关键因素（Ma等人，2016年；Pacitto等人，2020年）。虽然室内活动也会产生颗粒物，但室内PM的很大一部分来自室外，因为颗粒物通过小泄漏、裂缝和自然通风途径进入建筑物，进入室内后由于其微小尺寸而不会迅速沉积，可以在空气中悬浮较长时间（Szabadi等人，2022年）。实验研究还表明，呼出的颗粒物和环境中的颗粒物通常处于亚微米范围内，由于去除效率低下，它们可以在空气中持续存在数小时，即使在原始排放停止后仍能持续暴露（Jayaweera等人，2020年；Schwarz等人，2015年）。在波河谷等地区，这种持续性尤其令人担忧，因为冬季污染事件导致室外浓度高于其他季节，从而增加了室内负担。鉴于这些情况，评估便携式空气净化器的有效性变得至关重要，因为这些设备有可能不仅减少PM_2.5的整体质量，还减少与生物质燃烧最相关的有毒成分（Kim等人，2013年；Sultan等人，2011年）。空气净化器通过去除室内空气中的悬浮颗粒物来发挥作用，从而降低因持续从室外渗透而产生的浓度。这种渗透的程度受建筑物特定因素的影响，这些因素影响渗透系数（P），即进入室内的室外颗粒物比例（Barn等人，2008年；Lin & Peng，2010年；Zee等人，2017年），而空气交换率（AER）反映了室内空气被室外空气替换的速度（Guo等人，2008年；You等人，2012a）。

因此，为解决这一空白，本研究旨在评估便携式室内空气净化器在波河谷冬季以生物质为主的环境中的有效性，该地区PM_2.5带来的健康负担仍然是一个紧迫问题（Loomis等人，2013年）。在空气净化器交替开启和关闭的情况下运行，以隔离其对室内空气质量的影响，同时尽量减少室外条件和占用率的变动。进行了室内外配对采样，以量化PM_2.5的质量及其化学组成，包括OC、EC、生物质燃烧示踪剂和氧化活性痕量金属。使用二硫苏糖醇（DTT）测定法确定收集样本的氧化潜力，提供了氧化应力的功能测量。为了将这些测量结果置于具体背景下，还计算了与通风相关的参数，以捕捉室外和室内传输的动态。通过CO₂衰减测量计算出AER，定义了室内和室外空气的交换速率。估计P值以描述成功渗透到室内环境的室外颗粒物比例，并随后推导出渗透因子（F_inf），将室内浓度分为室外生成和室内生成的部分。这些计算共同提供了一个框架，通过量化基线渗透和空气净化器运行期间实现的减少程度来解释空气净化器的性能。这一综合框架主要关注室内质量的减少，结合基于渗透的计算、化学分类和氧化潜力测定，提供了关于便携式空气净化器如何减轻生物质相关PM_2.5及其有毒成分暴露的全面评估。

采样地点和时间段

PM_2.5的每周采样在意大利米兰以西约14公里的Bareggio进行，采样时间从12月到2月。选择该地点是因为该地区在冬季有大量的生物质燃烧用于住宅供暖，这是寒冷季节颗粒物的主要来源（Aghaei等人，2024年；Daher等人，2012年；David等人，2024年；Marigo等人，2022年；Paglione等人，2020年；Perrone等人，2012年；

总PM_2.5质量浓度

图1展示了使用PCIS基于过滤的样本和IAQ Monitor测得的总PM_2.5质量浓度，这些数据在相同的环境条件下同时采集，包括空气净化器关闭和开启时的室外和室内数据，从而可以直接比较综合测量和实时测量结果。这些浓度反映了波河谷冬季供暖季节的情况，此时住宅生物质燃烧使PM_2.5水平升高。

总结与结论

研究表明，波河谷冬季的PM_2.5受到生物质燃烧的强烈影响，导致颗粒物质量增加，碳质物质含量丰富，氧化潜力增强。室外污染物通过自然通风进入室内环境，导致燃烧相关颗粒物及其有毒成分的显著渗透。然而，便携式空气净化器的使用显著改变了这种平衡，

作者贡献声明

Mohammad Mahdi Badami：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、数据管理、概念化。Yashar Aghaei：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、数据管理、概念化。P. S. Ganesh Subramanian：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。Sahar Fazelvalipour：撰写——初稿撰写、可视化、方法论、调查、数据管理、概念化。Ario Alberto Ruprecht：撰写——审稿与编辑、方法论、数据

未引用参考文献

Stamp等人，2022年。

利益冲突声明

作为论文的第一作者，代表所有合作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）（资助编号：R01ES032806和R01ES033660）的资助。此外，还获得了南加州大学Viterbi工程学院提供的博士奖学金支持。