ذرات معلق هوا

 

مقدمه

ذرات معلق هوا (PM: Particulate Matter) بیش از هر نوع آلاینده‌ها هوا مردم را تحت تأثیر قرار می‌دهند. اجزای اصلی تشکیل دهنده ذرات معلق هوا عبارتند از سولفات‌ها، نیترات‌ها، آمونیوم، سدیم کلرید، کربن سیاه، ذرات معدنی و آب. بعبارت دیگر ذرات معلق هوا یک مخلوط پیچیده از ذرات جامد و مایع متشکل از مواد آلی و معدنی معلق در هوا هستند. مواجهه مزمن با ذرات معلق هوا سبب بیماری‌های قلبی ـ عروقی، ریوی و همچنین سرطان ریه می‌گردد.

 

ذرات معلق هوا اصطلاحی است که برای توصیف ذرات جامد و مایع پراکنده شده در هوا به کار می‌رود که بزرگتر از مولکول‌های مجزا (مولکول‌هایی با قطر تقریباً 1نانومتر) و کوچک‌تر از 500 میکرومتر  می‌باشند. ذرات در این رنج دارای زمان ماندگاری به حالت تعلیق متغیری از چند ثانیه تا چندین ماه می‌باشند. ذرات بزرگتر از 1 میکرومتر و کوچک‌تر از 20 میکرومتر تمایل به پیروی از حرکت سیالی دارند که آنها را حمل می‌کند. ذراتی که قطر آنها تقریباً بالای20 میکرومتر است، سرعت‌های ته‌نشینی بزرگ‌تری دارند و توسط نیروی ثقل و دیگر فرآیندهای اینرسی از هوا حذف می‌شوند. لازم به ذکر است که قطر موی انسان حدود 60 میکرومتر می‌باشد.

ذرات معلق هوا با توجه به اندازه آنها به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

 

-         ذرات درشت (coarse particles) یا PM₁₀

 

-         ذرات ریز (fine particles) یا PM_2.5

 

-         ذرات بسیار ریز (ultra fine particles) یا PM_0.1

 

بیشترین تعداد ذرات در گروه ذرات بسیار ریز که شامل ذرات معلق با قطر 0/1میکرون و کمتر (PM_0.1) هستند قرار می‌گیرند. این ذرات از نظر مساحت سطح، غالب‌ترین ذرات معلق هوا می‌باشند ولی سهم اندکی در میزان جرم کلی ذرات معلق هوا دارند. این بخش از ذرات معلق بطور عمده از احتراق ناشی شده و در مرحله دوم بعنوان ذرات ثانویه از تبدیل گاز به ذره ایجاد می‌شوند. این ذرات ذاتاً ناپایدار بوده و از طریق انعقاد و فشردگی به ذرات بزرگتر تبدیل می‌شوند. سولفات‌ها، نیترات‌ها، OC و EC از جمله ترکیبات غالب در این ذرات می‌باشند. بدلیل اندازه بسیار کوچک این ذرات معلق بسیار ریز و نفوذ آنها از دیواره هوا- خون در کیسه‌های هوایی، این ذرات دارای اثرات بهداشتی متعددی می‌باشند. ذرات ریز شامل ذراتی هستند که اندازه آنها بین 0/1 تا 2/5 میکرون بوده و به همراه ذرات بسیار ریز تحت عنوان PM_2.5 شناخته می‌شوند. ذرات ریز اساساً حاوی ذراتی هستند که در اثر احتراق ایجاد شده‌اند و یا ناشی از انعقاد و فشردگی ذرات ثانویه بوجود می‌آیند. ذرات PM₁₀ شامل تمام ذرات ( ذرات بسیار ریز، ذرات ریز و ذرات درشت) دارای قطر 10 میکرومتر و کمتر می‌شوند و قادرند از اولین سد دفاعی بدن (بینی و گلو) عبور کرده و به ریه‌ها رسیده و در آنجا رسوب کنند.

 

گستره اندازه ذرات معلق هوا بستگی به مکانیسم‌های تشکیل آنها دارد. از طریق شناخت مکانیسم‌های تشکیل، امکان برآورد حدود اندازه ذرات معلق هوا وجود دارد. عمده‌ترین مکانیسم‌های تشکیل ذرات معلق هوا عبارتند از: عملیات فیزیکی یا مکانیکی، احتراق، تشکیل هسته همگن (Homogeneous nucleation)، تشکیل هسته غیرهمگن (Heterogeneous nucleation) و تبخیر قطرات آب. در شکل 1-1 اندازه ذرات تشکیل شده توسط انواع مکانیسم‌ها نشان داده شده است.

 

 

 گستره اندازه ذرات تشکیل شده توسط مکانسیم‌های مختلف تولید ذرات معلق هوا.

 

همانطوری‌که در شکل بالا نشان داده شده است، ذرات ثانویه دارای کوچکترین اندازه بوده و عمدتاً این ذرات جزء PM_2.5 محسوب می‌شوند در حالیکه ذراتی که از فعالیت‌های فیزیکی یا مکانیکی تولید می‌شوند دارای اندازه بزرگتری بوده و به ندرت ذرات کوچکتر از 1 میکرومتر را تولید می‌کند.

 

اگرچه مطالعات متعددی ارتباط بین مواجهه با ذرات معلق هوا و اثرات بهداشتی را اثبات کرده‌اند اما مشخصه‌های شیمیایی از ذرات که سبب چنین اثراتی شده به‌درستی شناخته نشده است و سمیت ذرات معلق هوا ممکن است با توجه به ترکیب شیمیایی آنها متفاوت باشد. بنابراین شناسایی اجزای شیمیایی ذرات معلق هوا سبب درک بهتر سمیت ذرات خواهد شد. در مطالعه‌ای که بر روی حیوانات صورت گرفت مشخص گردید که صرف مواجهه با غلظت بالای PM نمی‌تواند باعث ایجاد اثرات بیولوژیکی شود. برخی از اجزای شیمیایی PM شامل یون‌های محلول در آب، فلزات، ترکیبات آلی و دیگر اجزاء می‌باشد. 

 

متداول‌ترین یون‌های محلول در آب ذرات معلق هوا شامل، آمونیوم، سولفات، نیترات، کلراید، سدیم، کلسیم، پتاسیم و منیزیم می‌باشد که سهم نسبی آنها در ذرات معلق با توجه به اندازه و شرایط محلی متفاوت خواهد بود. مطالعات اپیدمیولوژیک نشان داده است که سولفات‌ها یا سایر آئروسل‌های اسیدی به تنهایی و یا با ترکیب ازن میزان مرگ و میر را افزایش می‌دهند. همچنین مطالعات مختلف نشان داده است که بین ذرات سولفات ناشی از نیروگاه‌های با سوخت ذغال و افزایش مرگ در بوستون و نیز غلظت دی‌اکسید گوگرد و اثرات طولانی مدت مرگ و میر در شبکه پایش در انگلستان ارتباط معنی داری وجود دارد.

 

در مطالعه‌ای تاثیر اندازه‌های مختلف ذرات معلق و ترکیبات آنها بر اثرات بهداشتی مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که بین غلظت PM ثانویه (بخصوص PM_2.5 ثانویه، سولفات و نیترات) و افزایش تعداد مراجعات بیماران تنفسی در لندن ارتباط مستقیم وجود دارد. همچنین بین متوسط سولفات موجود در PM_2.5 با تولد زودرس نوزادان ارتباط معنی‌داری وجود داشته است. همچنین بر اساس مطالعات اپیدمیولوژیک، ذرات معلق ثانویه محلول با غلظتی که در هوای آزاد وجود دارند دارای اثرات مضر بهداشتی می­ باشند.

واکنش بین سولفات‌ها و سایر آلاینده‌ها می‌تواند اندازه و خواص شیمیایی و سطحی ذرات را تغییر داده و در نتیجه بر پتانسیل اثرات بهداشتی ذرات تاثیر عمده‌ای داشته باشد.

 

بخش عظیمی از PM هوای شهری، طی فرایندهای احتراق ایجاد شده و حاوی مقدار قابل توجهی کربن عنصری (که بصورت کربن سیاه (BC: Black Carbon) یا EC (Elemental Carbon) نیز شناخته می‌شود) و کربن آلی (OC: Organic Carbon) می‌باشد. آئروسل‌های کربنی همچنین از منابع بیولوژیکی (نظیر ویروس‌ها، باکتری‌ها، قارچ‌ها، پولن‌ها، زایدات گیاهی و غیره) ایجاد شده و حاوی آئروسل‌های آلی ثانویه ناشی از اکسیداسیون مواد هیدروکربنی بیولوژیکی و مواد هیدروکربنی انسان‌ساخت می‌باشند. نه تنها حضور همزمان EC و OC در PM وجود یک سلسله ترکیبات را نشان می‌دهد بلکه بیان‌گر این است که یک زنجیره دینامیکی بین ذرات کربن با ترکیبات آلی فرار و ترکیبات آلی نیمه‌فرار وجود دارد. اگرچه ترکیبات OC و EC بخش عمده‌ای از جرم PM را به‌خود اختصاص داده‌اند، ولی بدلیل ماهیت پیچیده این مواد و نیز طبیعت و ساختار ناهمگن آنها هنوز ابهامات زیادی در خصوص اثرات بهداشتی این ترکیبات وجود دارد. بیش از 200 ترکیب مختلف آلی در PM شناسایی شده است که شامل آلکان‌ها، آلکن‌ها، هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای، ترکیبات اکسیژن‌دار، ترکیبات آمونیومی، نیترات‌ها، و مشتقات PAHs می‌باشند.

 

از آنجاییکه ترکیبات OC در محیط تحت تاثیر تغییرات شیمیایی قرار گرفته و ممکن است اثرات بهداشتی آنها را تغییر دهند لذا شناسایی پتانسیل سمیت ترکیبات OC بسیار پیچیده می‌باشد. همچنین مشاهدات نشان داده است که بدلیل اینکه ذرات کربن بعنوان هسته‌ای برای جذب سایر ترکیبات عمل می‌کنند لذا شناسایی تاثیرات بهداشتی ترکیبات کربن دشوارتر می‌شود. مطالعات مختلف نشان داده‌اند که ارتباط معنی‌داری بین CVDs و OC و EC ذرات معلق هوا و کربن کل وجود دارد. لازم به ذکر است که اگرچه این مطالعات ارتباط OC و EC و میزان مرگ و میر را گزارش نمود‌اند ولی نتوانستند اثر ترکیبات کربنی PM را نسبت به سایر ترکیبات در آن را نشان دهند.

 

ترکیبات فلزی PM، بخصوص فلزات موجود در PM_2.5، اغلب بعنوان مهمترین عامل تاثیرگذار بر سلامتی افراد در نظر گرفته می‌شوند. این ترکیبات معمولاً از فرایندهای مرتبط با فلزات و در نتیجه وجود ناخالصی و آلودگی سوخت‌ها و انتشارات غیراگزوزی ( ناشی از خوردگی و استهلاک خودروها) انتشار می‌یابند. فلزات واسطه‌ای از قبیل آهن، وانادیوم، نیکل، کروم، و مس بدلیل پتانسیل این فلزات در تولید گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) در بافت‌های بیولوژیکی همیشه مورد توجه بوده‌اند. نحوه عملکرد این فلزات دارای خاصیت اکسایش ـ کاهش بدین صورت است که فلزات واسطه‌ای در اوربیتال d دارای الکترون غیرجفت بوده و قادرند با عوامل احیاءکننده بیولوژیکی و از طریق مکانیسم‌های اکسایش-کاهش گونه‌های رادیکال آزاد تولید نمایند. مطالعات مختلفی در خصوص اثرات بهداشتی فلزات سنگین PM در نقاط مختلف جهان انجام شده است. ولی بدلیل وجود تناقضات نمی­توان نقش هر کدام از منابع خاص را در ایجاد اثرات بهداشتی بطور واضح بیان نمود. با استفاده از آزمایشات انجام شده نقش مس و سرب در میزان مرگ و میر ماهیانه تایید شده است. همچنین ارتباط بین میزان سرب خون و مرگ و میر CVDs به اثبات رسیده است.

 

مقادیر آلومینیم و سیلیس به شدت با پخش و تعلیق ذرات خاک ارتباط مستقیم داشته و پیش‌بینی شده است که بر میزان مرگ روزانه کمترین تاثیر را داشته باشد. مطالعات انجام شده بر روی نقش ترکیبات فلزی PM در میزان مرگ و میر گزارش نمودند که بین آهن، روی و نیکل موجود در PM_2.5 از یک طرف و بین مگنز و روی PM₁₀ از سوی دیگر با میزان مرگ و میر ارتباط معنی دار وجود دارد.

 

انجام آزمایش تنفس ذرات معلق با استفاده از داوطلبان سالم مشخص نمود که ایجاد التهاب و افزایش مقدار فیبرینوژن خونی به ترتیب با مقادیر Fe/Se/Sulphate و Cu/Zn/V در ارتباط بوده ولی با کادمیوم، پتاسیم، روی، کلسیم و نیکل ارتباط مشخصی پیدا نشد. در مطالعه‌ای در دره Utah در خصوص اثر PM بر افراد در هنگام فعالیت کارخانه فولاد و نیز تعطیلی این کارخانه انجام شده و مشخص گردید در هنگام فعالیت کارخانه فولاد، آسیبهای ریوی و التهاب ریه افزایش می‌یابد. آزمایشات ذرات معلق در طی این دوره مشخص نمود که غلظت آهن، مس، نیکل، روی و سرب در ذرات افزایش می‌یابد که می‌تواند دلیلی بر فعالیت بالای بیولوژیکی باشد. بعلاوه مطالعات In vitro نشان دادند که در طول دوره فعالیت کارخانه فولاد ظرفیت تولید رادیکال اکسیژن در سلول‌ها بیشتر شده و آزادسازی سایتوکاین‌ها تشدید می‌شود. مطالعه دیگری در شرق اروپا گزارش نمود که در اثر غلظت بالای روی، مس، نیکل و کلسیم PM در مقایسه با غلظت پایین آنها در داوطلبان سالم، اثرات التهابی تشدید می‌شود. همچنین گزارش شده است که وانادیوم و کروم (و نه آهن، نیکل، مس و پلاتینیوم) در ذرات معلق PM_2.5 باعث افزایش فشار اکسیداسیونی و نیز آسیب‌های DNA می‌شود.

 

در واقع یک ارتباطی بین مواجهه با غلظت‌های بالا ذرات معلق هوا و افزایش مرگ و میر روزانه و سالانه وجود دارد. همچنین در صورت کاهش غلظت این آلاینده‌ها در صورت ثابت بودن سایر عوامل، مرگ‌های منتسب به آن کاهش می‌یابد و این بیانگر این است که  در صورت کاهش غلظت ذرات معلق هوا می‌توان سطح سلامتی افراد جامعه را بهبود بخشید. لازم به‌ذکر است که برخی محققین اثرات بهداشتی ذرات معلق هوا را حتی در غلظت‌های بسیار پایین هم مشاهده کرده‌اند و این بدان معنا است که هیچ‌‌گونه حد آستانه‌ای که کمتر از آن اثرات سوء بهداشتی مشاهد نشود برای ذرات معلق هوا وجود ندارد.

 

سازمان جهانی بهداشت برآورد کرده است که در صورتی که متوسط غلظت سالانه PM₁₀ دنیا از مقدار کنونی μg/m³ 70 به سطح مقدار رهنمودی μg/m³ 20 کاهش یابد میزان مرگ‌های منتسب به آن حدود 15 درصد کاهش خواهد یافت.

 

مطالعات متعددی نشان داده‌اند که مواجهه با ذرات معلق هوا با اثرات بهداشتی نظیر بیماری‌های قلبی ـ عروقی و تنفسی در ارتباط است. همانطوری‌که در شکل 1-2 نمایش داده ‌شده است میزان ترسیب ذرات معلق هوا در نواحی مختلف سیستم تنفسی بستگی به اندازه ذرات معلق هوا دارد و تقریباً با کوچکتر شدن اندازه ذرات، اثرات آنها شدیدتر و بیشتر خواهد شد. بررسی‌های محققین نشان داد که PM₁₀ با بستری شدن در بیمارستان بواسطه بیماری‌های تنفسی مرتبط است. همچنین PM_2.5 ارتباط قوی‌تری با بیماری‌های قلبی و تنفسی داشته است. ذرات معلق بسیار ریز (PM_0.1) به قسمت‌های تحتانی سیستم تنفسی و داخل آلوئل‌های ریه نفوذ می‌کند و سبب اثرات قلبی و تنفسی متعددی می‌شود.

 

 مقایسه ترسیب ذرات معلق هوا در ناحیه ریوی از طریق تنفس دهانی و بینی.

شکل بالا ترسیب ذرات استنشاق شده از طریق دهان و بینی در ناحیه کیسه‌های هوایی ریه‌ها را با هم مقایسه کرده است. برای تنفس دهانی اندازه ذره‌ای که ذرات کوچکتر از آن شروع به نفوذ در داخل و ترسیب در ریه‌ها می‌کنند تقریباً 10 میکرومتر می‌باشد. ذرات بزرگتر از این اندازه یا این که قادر نیستند به مسیرهای تنفسی وارد شوند و یا این که در دستگاه تنفسی فوقانی از طریق برخورد اینرسی و جداسازی ثقلی حذف می‌شوند. ترسیب در ریه‌ها تا میزان تقریباً 50 درصد برای ذرات 2/5 میکرومتر افزایش می‌یابد. همچنان که اندازه ذره به کمتر از 2/5 میکرومتر کاهش می‌یابد، بعلت روند کاهشی برخورد اینرسی، ترسیب در ریه‌ها شروع به کاهش می‌کند. حداقل ترسیب تقریباً در 0/2 تا 0/4 میکرومتر رخ می‌دهد، لازم به‌ذکر است که وسایل کنترل آلودگی هوا با راندمان بالا نیز در این دامنه اندازه حداقل کارآیی را دارند. عدم مکانیسم‌های جمع‌آوری موثر در این گستره و حضور آن‌ها در محیط انسان سبب می‌شود تا این ذرات به داخل بدن استنشاق شوند، خوشبختانه تنها بخش کوچکی از آن‌ها ترسیب شده و اکثریت آن‌ها در طی بازدم خارج می‌شوند. ترسیب ذرات کوچکتر 0/2 میکرومتر دوباره شروع به افزایش می‌کند و این ناشی از افزایش اثر پخش براونی ذرات است.