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淺談室內的 PM 2.5 與熱危害——科技如何揪出 2 大健康隱形殺手?

研之有物│中央研究院_96
・2021/11/24 ・4773字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|呂慧穎、簡克志
  • 美術設計|林洵安

PM2.5 和熱危害不只在戶外,也潛藏於住家和社區,影響你我健康。中央研究院環境變遷研究中心研究員龍世俊提出「社區污染源」概念,以新型感測器量化臺灣社區 PM2.5 分布情況;因應氣候變遷的高溫衝擊,她也調查臺灣社區熱危害,積極推廣綜合溫度熱指數(wet bulb globe temperature, WBGT),協助中央氣象局增建熱預警系統指標,成功將 WBGT 導入「樂活氣象」App,使民眾有效預防熱危害。

隱藏在社區的 PM2.5

秋冬之際,新聞常看到臺灣中南部 PM2.5 濃度「紫爆」,更令人擔心的是, PM2.5 無法完全透過鼻腔和一般口罩過濾,它能輕易穿過肺泡和微血管進入血液循環,短期高濃度暴險恐引發氣喘、鼻炎及咳嗽等反應;長期暴露會增加心血管、呼吸道疾病與肺癌風險。

因此,美國環境保護署在 1997 年訂定 PM2.5 空氣品質標準,臺灣在 2012 年增訂相關法規,目前國內 PM2.5 的 24 小時平均值不得超過每立方公尺 35 微克(35 μg/m3)。

PM2.5 是懸浮微粒的一種,粒徑小於 2.5 微米以下,大小只有人類髮絲粗細的 1/28。圖中顯微照片由左至右為:花粉、混和物(各種來源的微粒)、黑碳(含有硫,可能來自汽機車排放)、砂(含有矽等地殼元素)。圖/研之有物

在臺灣訂定 PM2.5 標準前,龍世俊很早就投入本土研究。為了調查居住社區潛藏多少 PM2.5,1999 年她徵求北、中、南志願者,涵蓋住、商、住工混合等不同社區型態,志願者必須連續 24 小時揹著 2 公斤測量儀,忍受抽氣泵浦低頻噪音和振動,每半小時要記錄數據與從事行為。

龍世俊至今回想起來,仍非常感謝這些志願者,因為他們的努力,才能從日常軌跡抽絲剝繭,找出社區的 PM2.5 污染。根據約 70 名志願者的數據,曾經在廚房烹飪、燒香禮佛或接觸二手菸的民眾,PM2.5 的 24 小時平均暴露濃度至少比未從事者高出 20 μg/m3,而廚房烹飪及燒香行為的瞬間暴露濃度可能飆升到 100-200 μg/m3,遠高於目前標準。

PM2.5 的社區污染源常被忽略,龍世俊發現曾在廚房烹飪、燒香禮佛或接觸二手菸的民眾,PM2.5 的 24 小時平均暴露濃度至少比未從事者高出 20 μg/m3。圖/iStock

抓住排放 PM2.5 的尾巴

如何評估 PM2.5 暴露風險?龍世俊說,PM2.5 暴露風險就像是三層蛋糕!境外霧霾加上本土工業區及移動污染源(如汽機車),會產生一個周界環境的污染背景值,這是「第一層蛋糕」;社區餐飲業、交通、宮廟、社區小型工廠、小型運輸業、工地等空污來源是「第二層蛋糕」;最後是個人行為,例如:抽菸習慣、接觸二手菸、烹飪未開抽油煙機等,為「第三層蛋糕」;三層蛋糕累加起來就是實際的暴險濃度。

龍世俊以三層蛋糕來比喻 PM2.5 的暴露風險。圖/研之有物

龍世俊取樣將近 30 個不同類型社區,了解「每層蛋糕」的成因與貢獻,提供環保單位參考。她說:「環保署剛開始一定抓大魚,把工廠等固定污染源管控好;接下來會抓小魚,也就是汽機車等移動污染源,例如抽燃料稅或推廣電動車。」以上都還是第一層蛋糕而已,如果社區污染源未受重視,那麼積少成多,空氣品質改善依然面臨瓶頸。

要降低 PM2.5 暴露風險,可以從個人行為開始,龍世俊說:「燒香時開窗與否, PM2.5 平均暴露濃度就相差 7 倍。」其他如烹調是否開啟抽油煙機、抽油煙機排煙管位置是否妥當等,都直接影響到暴露濃度。

同時龍世俊亦積極行動,讓環保署了解社區污染源有管控必要。環保署因而增訂第三類「逸散污染源」管制方法,雖然法規以營建工地、露天燃燒和農業作業為主,其餘社區污染源施以柔性勸導,但對於臺灣居住健康已是重要一步。

環保署也推動「一爐一香」政策,龍世俊強調:「我們可以精準定量到每多燒一支香,旁邊香客鼻子會吸入多少 PM2.5 」,她希望在尊重傳統習俗前提下,用數據讓民眾了解風險。龍世俊表示,很多宗教團體並不反對減量措施,因為香客既可表達虔誠,也可照顧健康,甚至主動邀請她去演講,龍世俊在 PM2.5 風險溝通上可說是非常成功。

三種監測儀讓 PM2.5 無所遁形

有感過去 PM2.5 測量儀的笨重不便,2017 年龍世俊與團隊開始導入名為「AS-LUNG」的新型機,因應不同需求,機型有 AS-LUNG-I(室內機)、AS-LUNG-O(室外機)和 AS-LUNG-P (隨身機)三種,這些機器不僅幫助本土研究,部分機型還出借給亞洲其他國家做空污研究。

圖片為 AS-LUNG-P(隨身機),機器平面大小約一個口罩,可輕易配戴在身上,最底部顯示 PM2.5 和二氧化碳的精準量測數據。圖/研之有物

「過去測量儀是將 24 小時的收集成果全部累積在一張濾紙之上。而這部隨身機(AS-LUNG-P)重量僅有 500 公克,每 15 秒就可以產生一組測量數據,可同步無線傳輸並記錄於記憶卡中」。現階段的研究則是請志願者隨身配戴 7 天,並同時配合架設室內機(AS-LUNG-I)、室外機(AS-LUNG-O)。隨身機(AS-LUNG-P)不僅大幅降低對於志願者的干擾,也增加研究信度。同時,志願者也會配戴小型健康感測器測量心跳及心跳變異度共 48 小時,以分析 PM2.5 對健康影響。

此外,研究地點的每個社區會設置 10-12 個點位的室外機(AS-LUNG-O),其中一組架設在沒有明顯污染源的地方量測背景值。其他組則設置於小工廠、宮廟、餐飲店、十字路口、公車候車處等位置,盡量去模擬一般社區生活中的實際環境。

龍世俊與團隊共同研發的室內機 AS-LUNG-I (左)與室外機 AS-LUNG-O(右)。圖/研之有物

AS-LUNG 系列感測器與中研院資訊科學研究所陳伶志研究員開發的感測器「空氣盒子」有所不同。 AS-LUNG 系列成本高,數據有精準校正,適合專業研究用途;空氣盒子造價較便宜,無法測出精準的絕對值,但對於觀測污染物質的「變化趨勢」已綽綽有餘,因此更適合推廣給公民一起參與科學。

熱危害與綜合溫度熱指數

生活中另一健康隱形殺手是「熱危害」。在氣候變遷引發的高溫衝擊下,容易有中暑或熱衰竭等症狀,老人與病患首當其衝。龍世俊過去和中研院人文社會科學研究中心的兩位研究員杜素豪及廖培珊合作,執行「熱浪衝擊下的社會脆弱度與調適力」長期計畫,面訪時發現有些老人為了省電不開冷氣,忍受著攝氏 30 度以上的高溫。

為了更準確評估民眾居住環境與生理健康,龍世俊與團隊將綜合溫度熱指數(WBGT)應用在熱危害觀測。WBGT 起源於二戰末期,由溫度、濕度、風速、太陽輻射等 4 項參數所組成,不同於氣象預報常見的氣溫或體感溫度(apparent temperature),WBGT 除了考慮太陽輻射,更能同時評估氣候環境與人體生理。龍世俊說,美國海軍陸戰隊為了減少夏季訓練的中暑個案,分別用溫度、體感溫度與 WBGT 作為排操參考,前兩者效果不彰,只有採用 WBGT 才讓中暑狀況獲得顯著改善。

以前臺灣還沒有 WBGT 指標,直到 2007 年連續四位老農因熱傷害倒伏田間後,氣象局尋求專家協助,龍世俊便建議採用 WBGT 作為熱危害指標。為了讓氣象局順利導入 WBGT,龍世俊除了測量 WBGT,也同步以熱力學理論換算確保數值準確;後續又至少花了一年時間,以氣象局預報模式運算並比對隔日實際數據,每小時平均數值呈現高度正相關。

即便如此,氣象局仍擔心不同指標會讓民眾混淆。龍世俊不遺餘力,又將溫度、體感溫度、WBGT 三項指數,與健保資料庫的熱相關疾病(如中暑)急診與門診人數、非意外死亡人數進行比對分析,結果又是 WBGT 相關性最高,這才讓氣象局正式將 WBGT 加入預報系統。

這次與氣象局的合作,也開啟了新的機會。

樂活氣象 App 協防熱危害

透過氣象局的轉介,龍世俊與國民健康署分享熱危害的研究成果,因此促成國健署與氣象局共邀她組成「健康氣象 e 起來」計畫團隊,報名 2020 總統盃黑客松大賽。由她提供科學數據做為後臺支援,氣象局則在「樂活氣象 App 」中的「健康氣象」項目裡加入熱危害預警,並於 2021 年 5 月正式上線。

「健康氣象」不但可以做到鄉鎮預報,讓達到預警等級地區之民眾、易受熱危害的族群多加注意,國健署也發揮強項,在平臺中提供熱危害衛教的各項因應措施。透過 App 還能直接搜尋鄰近的急救醫療院所。

熱危害預警共分為四級,乃是與中研院統計所的黃景祥特聘研究員合作,根據健保資料庫熱危害疾病相關就診人數來擬訂閾限值。整個計畫團隊是跨領域合作的最佳展現,促成綜合溫度熱指數作為預防國人熱危害的第一防線,最後也獲得黑客松卓越團隊前五名的佳績。未來熱危害預報更有機會結合醫療院所服務,主動提醒有相關心肺血管慢性病或敏感族群多加注意。

「臺灣的綜合溫度熱指數趨勢有一特別之處,經常是上午 10-12 時之間最高,這時許多學生都在上體育課。而我們認為『最熱』的下午時段,卻常因為熱對流旺盛,雲層開始形成或下起午後雷陣雨,使得 WBGT 降低。」龍世俊的研究提供了充分證據,協助建立熱預警系統,降低了氣候變遷下酷熱帶來的健康風險。未來龍世俊更希望可以擴展建立對「冷」及其他相關疾病的預警。

健康氣象是內建在「樂活氣象」App 中的子功能,使用 WBGT 指數來評估熱傷害。圖片是今年 2021 年 9月 29 日臺北南港區的 App 截圖。顯示臺北在 9 月底的白天,仍可能發出「危險級」的熱預警。圖/龍世俊

重視都市的「散熱」

2021 年 8 月聯合國 IPCC 全球氣候評估報告發佈,揭示 2011-2020 地表平均已升溫 1.1 度,若不採取任何行動,2030 年代中期便會來到 1.5 度閾限值。都市熱島效應則更加劇區域性升溫現象,但政府應如何透過都市規劃讓都市熱島效應有效降低?

龍世俊團隊分析都市空間結構,綠地連結性高、破碎性低時,能更有效降低都會區氣溫,同時減少心血管疾病的死亡率。她希望各區域、都市規劃委員會,能夠針對都市風廊的擘劃、都市綠地結構的整合,做出更具體的實務建議與規範;而綠建築則應真正落實以運營所需能源最少的方式進行設計;所謂海綿城市不只是增加透水鋪面的「表層」功夫,要能做到整體水資源的有效涵養、幫助都市降溫。

關於人類社會對於全球氣候變遷的調適,有太多課題尚待解決。與龍世俊的訪談之中,能深刻體會到唯有專注於自身研究、重視每個溝通,並把握跨領域合作契機,才能一步步建立起社會整體的韌性。

龍世俊在環境健康領域持續活躍,PM2.5 社區污染源與 WBGT 已成為評估空污與熱傷害風險的重要概念,未來龍世俊希望建立對「冷」及其他相關疾病的預警指標。圖/研之有物

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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