来源：北京大学环境科学与工程学院
环境学院要茂盛教授课题组揭示了中国31个城市大气颗粒物毒性组分效应以及不同器官损伤的显著差异
颗粒物（PM）污染是现代社会面临的最大环境挑战之一。大量流行病学研究表明，PM2.5暴露与过早死亡以及多种疾病密切相关。PM暴露后，生物体代谢活动增加，各种信号通路相互作用，产生不同的生物标志物引发不同的健康结局。2021年，世界卫生组织（WHO）调整了一系列政策指导，将PM2.5的年平均质量浓度从15 µg/m3修订为5 µg/m3。在中国，国务院2024年发布的最新空气质量计划中明确将控制PM2.5质量浓度作为长期目标。全球范围内，政府主要依赖PM2.5的质量浓度作为空气质量评估的依据。然而，仅以PM的质量浓度衡量空气毒性忽略了不同来源下PM的多样性，如PM的可溶性、不可溶性、粒径及其组分等因素。PM的异质性往往导致低浓度但高毒性以及产生协同作用的毒性组分被忽视。此外，许多PM的研究仅采集了单一或者有限来源的PM样本。尽管我们对PM毒性成分的理解不断积累，但健康影响的研究仍主要局限于有限城市来源的PM结果，从而无法全面了解PM在多样化城市背景下的健康影响。这些信息的缺失导致大气污染控制的盲目性以及对不同城市颗粒物健康效应的片面理解。
针对以上问题，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队在过去的几年里一直开展不同来源下等质量浓度PM毒性的分析。此前团队发现不同国家地区大气颗粒物毒性差异机制，其中不同组分的PM与microRNA表达之间存在剂量反应关系（ES&T, 2020）。
在之前实验室研究的基础上，团队收集了来自中国31个主要城市的465个汽车空调过滤膜进行了大鼠的暴露实验。研究通过对228只Wistar大鼠注射6 mg/kg的PM悬浮液（经0.45 μm滤膜过滤），分析了大鼠肺、心、肝组织的病理变化以及血液中4种microRNA和8种生物标志物的表达。研究以纤维化作为不同器官病理损伤的终点，结果表明不同城市组肺、心脏的血管组织以及心肌组织其纤维化水平有着显著的不同。在PM注射后1h以及7天，31个城市组中大鼠血液中的8种生物标志物以及4种microRNA发生了显著性改变。研究显示对于地理位置相近的城市组，大鼠血液的生物标志物显示出相似的表达情况。
在研究中，团队使用了PLS-DA的数据处理，筛选出10个关键性指标，并使用降维方法将关键指标的主成分系数与相应的权重加和，得到用于表征大鼠健康风险的最终指标（图 1A）。和血液的生物标志物表现类似，团队发现31个城市组大鼠的健康风险在地理位置相近的城市组之间表现出一定的相似性。
精确和定量地识别PM中的有害成分对探索与健康相关的PM问题至关重要。为了解决PM与健康指标非线性相关、多维度和样本量较小的问题，团队使用支持向量机（SVM）建模并识别PM中影响大鼠综合健康风险的关键因素。通过整合健康终点、不同时间点中大鼠的血液生物标志物、microRNA以及PM成分等多维度的数据，建立机器学习SVM模型。同时将SVM模型中高贡献的关键影响因素反向输出，捕捉PM中关键的毒性信息（图 1B）。
图1 不同城市PM暴露导致的毒性差异以及PM中关键的毒性组分
团队将目光聚焦于PM中的重金属成分，研究表明在理想的状态下，控制等质量PM中约11.21%质量浓度的金属（其中包括Ni、As、Cr、Co、Th、V、Zn和Pb等重金属；Rb、Li、Sr、Cs、Mg、K、Na和Al等轻金属），预计可以降低42.93%的健康风险。研究中实测数据显示，等质量浓度的PM中减少6.20%质量浓度的金属元素（包括0.05%的重金属、6.16%的轻金属和0.049%的过渡金属），大鼠的健康风险降低了大约23.74%（图 2）。研究结果为不同城市PM来源导致的健康效应差异提供了全面理解，并为基于城市特征的健康导向PM的控制策略奠定了科学基础。同时，研究揭示了不同城市颗粒物成分与健康风险之间的复杂关系，为更精细的污染控制策略提供了科学依据。
图2 等质量浓度下PM中有害组分的质量浓度与健康风险分析
以往的大多数研究涉及的城市PM来源数量有限，因此对一个国家或世界的PM毒性和健康影响的理解存在偏见。本研究利用31个不同城市来源的PM样本，研究了PM的空间毒性差异，从而在大空间尺度上获得了PM健康影响的全面机理视图，同时为城市和特定成分的PM控制制定了理论基础和参考，以最大限度地提高健康和经济效益。研究成果以“Toxicological analysis and organ damages of rats injected with soluble ambient particulate matter from 31 cities in China”为题发表在Atmospheric Environment刊物上。
论文第一作者为北大环境学院博士生邢颀颂，北大要茂盛教授为通讯作者。该项目主要得到了国家自然科学基金（NSFC）创新研究群体项目（基金号22221004）和国家重点研发计划（项目号SQ2022YFC3700094）以及广州国家实验室项目（项目编号：SRPG22-007；GZNL2024A01028）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.121005
