臭氧层耗损(UV暴露)对环境和健康的影响

Q20       UV-B暴露对哺乳动物有什么影响?
    三个不同有机组织的细胞可在UV射线下直接暴露——眼睛、皮肤和免疫系统。眼睛急剧暴露在UV辐射下会导致photokeratitis(雪盲)而慢性暴露会容易形成白内障。对于皮肤,UV照射可引起晒黑、光老化和皮肤癌。
    日常生活中适度暴露在阳光下是健康必须的。UV-B射线和维生素D的形成有关,这是牙齿和骨骼的生长维系所必需的。有证据表明维持正常的维生素D的水平可以预防结肠癌、乳腺癌和前列腺癌。尽管适度的暴露是非常有益的,但过量的暴露不会增加任何好处。
    几乎所有用于长期研究的动物都患有皮肤癌,例如,牛、山羊、绵羊、猫、狗、珍珠鸡、猪、田鼠和老鼠。UV-B射线对有毛发覆盖的身体部分的直接辐射作用可以忽略不计。然而,有毛动物嘴鼻孔附近以及身体其他部位却是常常是暴露皮肤的。这些部位,除非颜色特别深,否则也是会被辐射伤害的。
Q21          UV-B暴露对皮肤有什么影响?
    强烈暴露在UV-B辐射下皮肤会晒黑。引起晒黑所需的UV量基于皮肤表层的吸收(例如色素的浓度和数量)和其他遗传因素。阳光产生晒黑的效果取决于所含UV-B辐射的量。例如,高纬度地区的UV-B较高,正午时刻的也比早晚高。缓慢暴露在UV辐射下皮肤会出现皱纹、变薄并失去弹性(光老化);但UV-A可能比UV-B起到更重要的作用。
    防晒霜中的滤光剂可以用来防治皮肤晒黑并在此方面很有效。而且该物质很明显的降低了鳞状上皮细胞癌症肿瘤和癌症前期身体损害的发生。滤光剂还可以防治光老化和UV辐射的免疫学影响,特别当其中含有可以同时吸收UV-B和UV-A的化学物质时。并没有明显证据表明晒黑可以预防皮肤癌。UV暴露是皮肤晒黑会增加皮肤癌的危险。事实是健康的褐色肤色的人比不是的人得皮肤癌的危险要低(大约低2-3倍)。天然肤色深的人皮肤里具有抵抗阳光的特殊保护体质。
    基本上,鳞状上层细胞癌多而频繁的发生在生活在阳光充沛地区的肤色浅的白种人群内。幸运的是,多数这种皮肤癌都是容易治疗的且并不致命。皮肤黑素瘤就要危险得多,但发生率比其他疾病低得多。它和UV辐射的关系还不是很清楚。但生命中早期的暴露看起来后来的黑素瘤的发展的一个重要因素。浅肤色人群是得黑素瘤的高风险人群。尽管黑素瘤多发生在有色人种中,但这样的癌症多和太阳暴露无关。
    UV辐射通过改变控制细胞分裂和死亡的关键基因从而引起皮肤癌。改变基因来自于UV改变DNA的能力,而DNA则是基因组成的基础。有关皮肤癌发展的那些基因已被识别出来。包括肿瘤抑止基因p53(鳞状和基础细胞肿瘤),基因PTCH(基础细胞肿瘤),基因p16(黑素瘤),和多种与修复遭UV伤害的DNA(所有种类)有关的基因。
Q22          UV-B是如何影响免疫系统的?
    免疫系统可以被UV辐射改变,导致对传染介质和癌症的免疫响应减少。
    免疫系统的一些细胞,被称为抗原靶细胞的免疫系统的某些细胞,存在于皮肤里。它们的功能是捕获微小有机体的侵入物,并将其带入淋巴结,从而开始免疫响应。这些细胞可以被UV辐射直接伤害,之后就不再能传输免疫响应或发生变异。皮肤中的其他细胞可以产生一种化学中间物来执行免疫响应产生免疫抑止或主动免疫性。将这些细胞直接暴露给UV-B辐射会刺激中间物的释放这会有助于免疫响应的发展。最终,皮肤角质层的分子,,咪唑丙烯酸在UV辐射下发生化学变化,从而引起大多数细胞释放化学中间物,这也会使免疫响应转向免疫抑止。
    人类疾病中的UV诱导免疫抑止的意义是什么呢?答案还不清楚。尽管有些例子UV暴露增加感染的容易度和剧烈性(感冒疮、带状疱疹),但还不知道免疫学影响的所有暗示。无数传染病学的实验室动物模型表明,感染时在UV辐射下暴露到某一临界时间,会使病情加重,患病时间延长。同样,免疫期间UV暴露会减弱免疫育苗的效力。将此类观察应用于人类疾病仍是一个令人感兴趣的课题和研究。
Q23         增加的UV-B辐射对农作物和森林有什么影响?
    大多数植物有UV屏障,但并不能一直充分保护它们。仅有一部分UV-B辐射可以到达叶子并穿透进入内部组织。暴露在强烈的UV-B辐射下,多种植物的叶子表层组织会增加UV保护色素。其他的保护还包括增加叶子厚度以降低暴露在UV-B辐射下的内部组织的比例,还有一些保护叶子蜡层的改变。很多保护机制存在于植物自身,如针对DNA损伤或氧化剂伤害的修护系统。植物受到的净伤害是伤害、保护和修护过程平衡后的结果。
    有多种对UV-B有些敏感的农作物减产。还有多种对UV-B有耐辐射性的农作物得以有机会播种并使耐UV-B农作物得以遗传下去。对经济林来说,可以用树木种植和遗传工程学来提高UV-B耐辐射性。大多数森林的树种表现出耐UV-B辐射性,只有有限的证据显示有害的UV-B影响在敏感物种中缓慢地逐年累积。植物的生物化学和生理学被UV-B暴露影响例如UV-B色素累积。不太可能总结出这些改变是否会对木材质量产生可估量的影响。
    在动植物的演化过程中,它们习惯了特定的环境。它们有保护和修复机制来适应它们特定的生活情形。然而,地球目前的变化太迅速以至于进化也不能跟上它,特别是长寿命植物如树。因此,适应低UV-B环境的植物,即使比赤道自然水平和高海拔的差异小得多的增长也会使其遭到损害。例如南美南端(阿根廷火地岛高山气候带)和南极半岛生长的草本植物显示收到了当前环境中UV-B水平的影响。经过漫长的时间和多代的演化,基因适应性可能会提高。
Q24          UV-B辐射对水生动物有什么影响?
    UV辐射几乎可以完全穿透纯净水。一束UV-B射线可以穿透500米深的纯水才被完全吸收。自然界的水含有UV吸收物质,如溶解有机物,它可在一定程度上保护水生有机物免UV-B的影响,然而不同的水体屏蔽度的差别很大。
    在干净的海水和湖水里,生态意义上的UV-B水平可以穿透数十米。而在浑浊的河水和湿地中,表面的几厘米内UV-B就可被完全吸收。水生生态系统中的大多数有机物,如浮游植物,生活在靠近水面的明亮的透光层中,那里存在UV-B暴露。UV-B辐射特别会伤害到幼年期就生活在水面的那些有机物。
    自从成年鱼类栖息在深海后,就免于收到过量太阳UV的辐射。某些浅水鱼类已经发现患有皮肤癌或其他与UV有关的疾病。多数鱼的卵和幼苗都对UV-B暴露很敏感。在缅因州海湾,UV穿透得相当深,可以达到大西洋鳕鱼晶胚和幼鱼发育的地方。相当于10米深的UV暴露对发育中的晶胚有显著的致死性,幼鱼的长度也会明显减少。辐射发生在很多生态和经济重要鱼类产卵的温度纬度下。相对,龙虾的幼虾看上去更能忍耐UV辐射,甚至在水面发育。
Q25          全球变暖是否会改变UV辐射对水生生态系统的影响?
    气候变化导致温度和海平面的变化,海洋冰面的时间和广度的改变,波浪气候、大洋循环和盐分的变化以及水体成分的改变。这些复杂变化可能在空间和时间上都有明显影响。这些变化会影响生物系统(包括人类的海洋资源)、地球水循环、纵向混合和大洋释放二氧化碳的功效。与臭氧有关的UV-B升高是一种重要的附加生态压力,结合其他因素其可产生正负两方面的影响。
    二氧化碳浓度增加导致对流层变暖同时平流层变冷,破坏了高空臭氧。一种可能的反馈机制是改变云团并增加降雨,但这不好理解。全球变暖改变了极地和极地附近地区覆盖的冰雪量。冰雪可以强烈削弱太阳辐射对水体的穿透。
    因此冰雪任何实质性的减少都会改变水生生态系统对太阳UV辐射的暴露。另一方面是大多生理学响应都依赖于温度。酶修复机制在低温时受到抑止,相反升高温度会增大酶修复机制。
Q26         平流层臭氧损耗对环境中某些过程和循环有什么影响?
    臭氧损耗导致更多的UV-B辐射,这会影响陆生和水生生化系统。生物地球化学是物理、化学、地质和生物过程的复杂的综合作用,这些过程控制着地球系统中自然环境和人类社会中物质的传输和转化。臭氧损耗引起的撞击陆生和水生生态系统的UV-B辐射的增加,导致了陆地、海洋和大气间的气体交换轨迹。导致了大气化学、地球元素循环,如碳循环的复杂改变,并可能影响到陆地上所有有机物包括人类的生存和健康。
    图中显示了,UV辐射影响了痕量气体在大洋表面的大洋主要的生产力和产品以及此后向大气的转移。以前的大气中,如CO2等的痕量气体和物理化学系统互相影响导致了气候变化,并反馈到生物地球化学系统。自从大气中的CO2浓度在决定大气热量分配中发挥中心作用后,物理化学系统的多种复杂成分例如风、气海动力、热交换和降雨量都受到了影响。在陆地生物地理化学循环和对地球有机物有重要影响的整体气候系统之间有类似的复杂的相互作用。在这一阶段不可能预报这些复杂相互作用的全面影响。
   
    本图由美国洋面低空研究和树洞海洋学协会提供
Q27          UV-B水平的增加能否缩短商用聚合物的寿命?
    商用塑料的户外使用寿命常由其UV稳定性和抗风化能力限制。然而塑料的户外寿命基于它们的化学式,特别是用于其中的感光添加剂的类型和浓度。不稳定(原始)塑料的寿命信息因此受限于由暴露在户外的材料的UV稳定性评估的实际值。
    太阳中的UV降解塑料的有效数据显示对于某些聚合体来说一部分伤害是由UV-B造成的。平流层臭氧层的任何损耗都会造成到达地表的太阳辐射中UV-B成分的增加。有理由相信在这种情况下,含有这些聚合体的塑料(和如木材等其他物质)的降解率的增加。由于这种现象而使材料服务期减短的数量有赖于聚合体的类型、有问题的区域和公式中应用的光稳装置。
    气候因素,最明显的是由于全球变暖而引起环境温度的升高,会导致在某一程度上的UV诱导降解,程度基于塑料的类型和暴露的区域。
    塑料服务寿命的减少可以通过使用现有塑料化学式中比现有浓度高的光稳装置来抑止,物质表面保护(如在水木表面刷漆)或选择不同的聚合材料比如可以在户外应用的UV稳定性更好的材料。这些改进可保持其服务寿命在当前水平,但可能增强相关产品的花费。
Q28          平流层臭氧损耗会改变空气质量么,而且是如何和全球变暖联系上的?
    平流层臭氧损耗常会增加地面的臭氧浓度水平。普遍来看平流层臭氧损耗的影响比区域的空气污染源小。和全球变暖有关的空气中颗粒物的增加可能会减少对流层臭氧生成。模拟和领域研究显示对流层臭氧光解率和臭氧生成的降低目前预测是由于边界层中产生吸收作用的气溶胶的数量的增加。
    气候改变可以通过很多方式改变空气质量。温度、风和云的改变全都很重要。其中某些变化也会改变平流层臭氧损耗的影响。
    例如,空气中CO2浓度的升高会加速光合作用,光合作用可以加强生物挥发性有机化合物从森林和其他自然生态系统中释放出来。对流层空气污染物的其他源可能被全球变暖所影响。众所周知,当地和大范围内生物燃烧,例如用于清理土地,是氮氧化物、一氧化碳、甲烷和其他非甲烷碳氢化合物的丰富源,这可以增强对流层臭氧产生。全球变暖导致的气候变化会增加大规模森林和灌木的燃烧,从而影响对流层污染物浓度。   结果空气中颗粒物可以散射阳光,从而增强臭氧边界层的UV-B吸收能力,并增强全球变暖。
图为大气化学对对流层气溶胶的影响。气溶胶可以降低辐射强度,导致臭氧生产降低。这一降低弥补平流层臭氧损耗的影响。