基于PM2.5、CO 排放特征的灸用艾绒燃烧实验研究

何芙蓉，马远帆，陈 剑，黄 剑，林岷瑜，郑美凤*

（1.福建中医药大学针灸学院，福建 福州350122；2.福建农林大学林学院，福建 福州350002；3.福建省康复技术重点实验室，福建 福州350003；4.北京中医药大学东方医院，北京100078；5.北京中医药大学国际学院，北京100029）

艾灸是传统中医疗法之一，为人类的健康做出了巨大的贡献。 艾绒燃烧刺激穴位是针灸科治疗疾病的常规操作，艾烟作为在灸疗临床应用中的必然产物，势必导致空气质量下降，可能对患者尤其是长期从事艾灸工作的医生带来健康威胁。 有研究分别选取了暴露于艾烟环境下的针灸科医生和工作于无烟医院环境中的医生作为研究对象，发现艾灸烟雾可以使针灸医生患慢性咽喉炎的发病率上升［1］。艾烟的安全性除了与诊室环境的通风、排烟条件有关外，还与临床使用的灸用艾绒质量密切相关。 艾烟成分复杂，有研究显示艾烟主要为挥发性成分和烟气粒相物的混合体，含有焦油、苯甲醛、苯酚、绿花白千层醇等芳香烃物和诸如酚类等有害性物质，对暴露其中的人群存在潜在健康威胁［2-3］。 而细颗粒物（fine particulate matter，PM2.5）会对人体健康产生危害，诱发呼吸系统、心血管系统疾病［4-5］。 另外，低浓度CO 的持续暴露，对人体的心血管系统、肾功能、空腹血糖和血脂代谢有明显的影响［6］。 许多学者对艾灸诊室的空气进行了相关研究，而灸用艾绒作为施灸燃烧的主要材料仍有待于深入研究，以便规范化使用。 本研究基于灸用艾绒PM2.5、CO 的排放因子和排放特征，对10 个来自福建省临床常用的艾条样本进行了采样，并采用生物质燃烧分析系统监测艾绒燃烧排放PM2.5、CO 的排放因子和排放特征，以期为灸用艾绒的标准化生产和艾灸的临床安全使用提供相关参考，具体研究如下。

1 实验材料

1.1 仪器 采用福建农林大学林学院郭福涛等设计的生物质燃烧装置［7-10］，装置规格为100 cm×80 cm×130 cm，以艾绒临床使用一致的阴燃（即没有火焰的缓慢燃烧）方式进行模拟燃烧试验，燃烧装置由加热炉、燃烧槽、温度控制器、湿度控制器、变压器、烟气分析仪、颗粒物分析仪和采样器、排气扇等部分组成，如图1 所示。

1.2 样本 2018 年12 月—2019 年6 月于福建省开展艾灸临床诊治的各级医院采集临床常用的艾条样本，选取使用率最高的10 个不同来源的灸用艾绒（艾条去除包裹的棉纸）作为研究对象，采用分析天平称重15.000 g ／ 样（精度：0.001 g），并尽可能保持原来的形态，在自然条件下用塑料袋密封分装并贴好标签保存，以备检测，艾条基本信息见表1。

图1 燃烧装置示意图

表1 福建省临床常用艾条基本信息

2 实验方法

2.1 模拟燃烧试验 采用生物质燃烧装置（见图1）进行灸用艾绒的模拟燃烧试验，以1 L ／ min 的速率向燃烧槽内泵入氧气，模拟与临床艾灸一致的阴燃模式，即没有火焰的缓慢燃烧。 本试验通过调节燃烧箱温度，从而满足燃烧条件，并通过校正燃烧效率（modified combution efficiency，MCE）来表征燃烧状态。 燃烧状态通过CO2与CO 和CO2变化量的比值界定，用MCE 公式计算：

其中：ΔCO2、ΔCO 分别代表CO2、CO 在燃烧过程的浓度变化量。

一般 认 为MCE 在0.65～0.85 为阴 燃 状 态［11］，由于艾绒在实际诊室应用以无火焰的阴燃状态使用，故本实验通过多次预实验显示：200 ℃为艾绒阴燃燃点温度。 当燃烧箱达到燃烧状态的设定温度后，将其调至恒温状态并预热5 min 后，按照艾绒在诊室中燃烧的真实情况，将样本以条状的形态摆放在燃烧装置的燃烧槽内（见图1），并迅速关闭箱门。 为防止交叉污染，每次模拟燃烧完一种样本后迅速排气通风，待烟气分析仪显示无污染性气体和颗粒物时，继续开展后续实验。 为保证充分燃烧，每个样本燃烧过程持续约50 min。 每个样本取3 个样进行重复实验。 相同实验条件下进行5 次平行实验。

2.2 PM2.5和CO 排放的测定

2.2.1 PM2.5排放的测定 应用颗粒物分析仪（美国，TSI8533）对灸用艾绒燃烧排放的PM2.5进行实时监测，仪器基于分光红外原理，在线监测烟气中的颗粒物浓度。 仪器每次测试试验前需要校零。 试验测试时，调试正常，记录数据，记录间隔为5 s。 仪器灵敏 度为0.001 mg ／ m3。

2.2.2 CO 排放的测定 运用德图升级型烟气分析仪（德国，Testo350）对灸用艾绒燃烧排放的CO 进行分析。 仪器每次测试试验前需用标准气体进行校准。 试验测试时，将仪器与电脑连接，调试正常，记录数据，记录间隔为10 s，CO 仪器灵敏度为1 ppm［12］。

2.3 排放因子计算 采用碳平衡法来计算气态物质排放因子。 该方法的基本原理是燃烧碳的质量等于气态CO2、CO、NOx、CxHy（总碳氢）和颗粒物形态碳的质量。 根据元素守恒定律，计算各类凋落物燃烧释放的主要物质排放因子。 碳守恒计算法过程直接快捷，结果精确，同时可以避免其他因子的干扰。

设定一个不完全燃烧系数PIC：

式中，CC-CO、CC-THC、CC-PM和CC-CO2分别表示CO、THC、颗粒物和CO2的碳排放。

则，CO2的排放因子可利用公式（2）计算：

式中，EFCO2、Cf、Ca、fCO2分别代表CO2排放因子、燃料碳质量、灰分碳质量、CO2中碳和CO2的转换因子（即44 ／ 12＝3.67），M 代表燃料质量。

目标化合物的排放因子，可以通过目标化合物浓度和CO2浓度之比与CO2排放因子相乘得到，即公式（3）：

式中，EFi、Ci、CCO2、EFCO2分别代表目标化合物排放因子、目标化合物浓度、CO2浓度和CO2排放因子。

2.4 统计学方法 采用SPSS 20.0 统计软件处理数据。 数据用（±s）表示，组间比较采用单因素方差分析。

3 结 果

3.1 灸用艾绒样本PM2.5、CO 排放因子比较 见表2、3。

表2 不同生产标准的灸用艾绒样本PM2.5、CO 排放因子比较（±s）g ／ kg

表2 不同生产标准的灸用艾绒样本PM2.5、CO 排放因子比较（±s）g ／ kg

注：与国家标准组比较，1） P＜0.05。

组别国家标准组企业标准组n 4 6 PM2.5 0.714±0.345 0.262±0.1581）CO 268.447±29.114 299.335±116.270

表3 不同储存年份的灸用艾绒样本PM2.5、CO 排放因子比较（±s）g ／ kg

表3 不同储存年份的灸用艾绒样本PM2.5、CO 排放因子比较（±s）g ／ kg

注：与未描述储存年份组比较，1） P＜0.05。

组别未描述储存年份储存3 年储存5 年n 4 2 4 PM2.5 0.714±0.345 0.268±0.2121）0.256±0.8941）CO 268.447±29.114 279.212±155.188 319.458±61.097

3.2 不同灸用艾绒样的PM2.5排放特征 见图2。

图2 不同灸用艾绒样本PM2.5 排放特征

3.3 不同灸用艾绒样本的CO 排放特征 见图3。

4 讨 论

艾灸产生的艾烟虽然具有一定的抗菌、消毒作用［13-14］，但由于其厚重的气味及其对人体的潜在健康风险，引起了众多学者的关注，早在1993 年Gordon Peck 与同事接触艾烟时出现咽鼓管疼痛、嗜睡、胸中烦热、淋巴结肿大等症状，认为艾烟引起的症状与枯草热类似［15］。 李鸿儒［16］对成都地区28 家医院568 名医护人员抽样，将长期暴露于艾烟环境中的医护人员及未暴露于艾烟环境中的医护人员按1∶1 的比例进行问卷调查，发现长期吸入艾烟的医护人员疲劳感增强。 而艾烟的产生源于灸用艾绒的燃烧，从灸用艾绒燃烧生成物的角度规范其生产标准，在某种程度上为艾灸的安全使用提供更安全的参考。

图3 不同灸用艾绒样本CO 排放特征

我国目前所采用的清艾绒和清艾条生产标准主要参照中国人民共和国卫生部药典委员会颁布的 “清艾绒”“清艾条” 标准［17］，该标准主要对艾绒本身的性状、显微特征、薄层色谱鉴别提出了要求；武娟等［18］在此基础上，还提出总黄酮和挥发油等主要化学成分的含量差异也应作为艾绒质量评价标准的内容之一。 从本实验采集的10 个样本来看，4 个样本在包装盒上未见储存年份的标识，所有样本均未注明艾绒的加工比例，6 个样本均执行各地企业标准进行生产，且有2 个样本为非密封性包装；另外，从样本长度、直径和质量的规格来看，艾条的紧实度可能也存在一定的差异，这些因素都有可能在不同程度上影响着灸用艾绒的燃烧生成物的成分及其所占比例。

孙昱等［19］在清艾条质量控制方面，不仅提出艾叶的产地、采收期、储存年限、制成比例、艾绒及清艾条的质量标准等方面的研究思路，还把艾烟的药理毒理作用作为清艾条质量控制的一个方面。 生物质的燃烧，包括艾绒的燃烧都会产生不同大小粒径的颗粒物。 颗粒物的形状和大小决定其最终进入人体的部位，颗粒物的粒径与其在呼吸道内滞留、沉积和清除有关。 不同粒径大小的颗粒物可沉积于呼吸道气管、支气管、细支气管和肺泡等不同的部位。PM2.5是指空气动力学直径≤2.5 μm 的颗粒物，PM2.5是燃烧造成空气污染的一个公认的组成部分。 颗粒物粒径越小、比表面积越大，其吸湿性越大，表面吸附形成很强的凝聚核，导致其吸附性越强。 PM2.5表面富含的铁、铜、锌、锰等过渡金属及多环芳烃和脂多糖等，可增加肺脏自由基的生成，同时消耗抗氧化物成分而引发氧化应激［20］。PM2.5可在空气中长时间停留，能够直接深入到细支气管和肺泡，渗入肺部毛细血管中，使携带的有害物质进入人体循环系统，从而对健康产生危害［21］。 在上海开展的一项研究显示，PM2.5浓度每增加36.5 μg ／ m3，每日急诊量增加0.57%［22］。 研究证实PM2.5与心血管疾病的病死率、呼吸道疾病的发展均密切相关［23-24］。 另外，艾绒作为一种生物质，必然会因燃烧的充分性的因素产生CO，CO 经呼吸道吸入与血液中的血红蛋白（Hb）结合形成碳氧血红蛋白（COHb），从而降低Hb输送氧的能力；CO 还有抑制呼吸酶的作用，CO 与血液中的血红素作用生成羧基血红素，心脑组织对羧基血红素造成的缺氧较为敏感。 有学者对燃气作业工人进行了健康状况调查， 发现长期慢性低浓度的CO接触对工人的心血管系统、肾功能、空腹血糖和血脂代谢有明显的影响［6］；亦有学者对低浓度CO 作业的工人健康状况进行了调查，CO 浓度达到36.2～41.2 mg ／ m3时，神经衰弱综合征的发病率显著升高［25］。 灸用艾绒在燃烧过程中，PM2.5和CO 作为直接对人体呼吸系统有危害的指标，研究艾绒燃烧过程中释放的PM2.5和CO 排放因子，为讨论艾烟对医护人员健康的影响有重要参考意义。 本研究显示10 个样本的PM2.5和CO 排放因子跨度很大；按国家标准生产的与按企业标准生产的灸用艾绒样本，其PM2.5的排放因子组间比较统计学有显著性差异（P＜0.05），而CO 的排放因子组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）（见表2）。 储存3 年的、储存5 年的与未描述储存年份的灸用艾绒样本，其PM2.5的排放因子组间比较差异有统计学意义（P＜0.05），而CO 的排放因子组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）（见表3）。 可见，临床灸用艾绒的质量还有待于进一步规范化，以提高使用的安全性。

古代文献关于 “灸用艾绒” 的记载，明代李时珍在《本草纲目》如是描述：“拣去净叶，扬去尘屑，入石臼内木杵捣熟，罗去渣滓，取白者再捣，至柔烂如绵为度”。 关于艾绒的储存年限，在《孟子·离娄上》里记载 “七年之病，求三年之艾”，认为艾绒以陈为佳；《本草纲目》中也有相关论述：“凡用艾叶，须用陈久者，治令细软，谓之熟艾，若生艾灸之，则易伤人肌脉”。 可见古代并未见关于艾绒加工比例的文献记载，而今市售的部分艾绒常追求加工的精细度。那么，是否加工越精细，灸用艾绒燃烧排放的颗粒物危害就越小呢？ 是否存储时间越久，反而增加了艾烟颗粒物的排放呢？ 本研究还显示：按国家标准生产的灸用艾绒较之按各企业标准生产的灸用艾绒PM2.5排放因子范围较大。 LU 等［26］在密闭的针灸诊室模拟艾灸治疗，采用陈艾绒替代新艾绒施灸，可导致PM2.5、PM10平均质量浓度分别提高75%、94%，陈艾绒燃烧生成的PM2.5和PM10分别是新艾绒的1.94 倍和1.75 倍。研究指出可能是因为在新艾条的生产过程中加入了碳酸钙、氯化钠等化合物以提高其燃烧效率，进而增加了不完全燃烧。 有研究认为随着艾条储存年份增高，产生的PM2.5、PM10的质量浓度有增大的趋势；随着艾条加工比例增高，产生的PM2.5、PM10的质量浓度有增大的趋势，且PM2.5占PM10中的比例越高［27-28］；也提示艾绒的储存年份、加工比例可能对其燃烧产生的颗粒物物理化学特征影响显著，并认为从颗粒物角度区分不同储存年份与不同加工比例的灸用艾绒质量的优劣，可能具有重要的参考价值。 这些都有待于进一步开展相关实验深入研究。 为更安全地使用灸用艾绒，应进一步规范国家标准，可考虑将灸用艾绒的燃烧生成物如PM2.5作为国家安全标准的指标之一。

燃烧炉模拟实验还显示了PM2.5、CO 排放的浓度趋势特征。 PM2.5排放的浓度在燃烧的前10 min有先升高后下降的趋势，10 min 之后趋于基线水平。而CO 排放的浓度特征基本成抛物线趋势，缓慢升高后，缓慢下降，这和KWON 等［29］的研究结果类似，但该学者并未描述前10 min 的浓度趋势。 如图2 可见，部分灸用艾绒样本（样本8 和9）在短时间内PM2.5高达1 500 μg／m3以上，艾绒的产地来源、加工比例、密封与否以及各自的企业标准等在某种程度上可能影响了PM2.5的排放，足见灸用艾绒样本质量的参差不齐，故规范灸用艾绒的生产标准十分必要。 另外，灸用艾绒样本在燃烧初期PM2.5浓度迅速升高并达到高峰，这提示医务工作者在操作的前期应尽量避免垂直吸入高浓度的PM2.5，以免造成健康威胁。

中医药既要继承，也要创新。 至今我国尚未出台艾灸诊室的空气质量标准，艾烟的安全性问题必定要求艾灸疗法接受时代的挑战，才能更好地用于防治疾病。 从艾烟的成分，尤其是从艾烟颗粒物的粒径分布及其具体组分等角度深入探讨不同储存年份和加工比例生产的灸用艾绒的安全性，将为灸用艾绒的规范化使用、控制艾灸场所的空气质量提供重要参考。