PM2.5毒性機(jī)理與健康效應(yīng)研究進(jìn)展

毛旭,史純珍

(北京工商大學(xué) 食品學(xué)院,北京 100048)

摘要：指出了PM2.5 對(duì)人體健康具有顯著危害,當(dāng)前我國多個(gè)城市PM2.5 嚴(yán)重超標(biāo),已成為需重點(diǎn)控制的大氣污染物。綜述了PM2.5對(duì)健康影響的研究方法及毒性機(jī)理研究現(xiàn)狀,以期為PM2.5的健康效應(yīng)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：

中圖分類號(hào)：X131.1

文章編號(hào)：1674-9944(2015)07-0205-03

收稿日期：2015-05-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(編號(hào):21407006)資助

作者簡(jiǎn)介：毛旭(1992—)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,北京工商大學(xué)食品學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系碩士研究生。

通訊作者：史純珍(1985—),女,江蘇常熟人,博士,實(shí)驗(yàn)師,主要從事PM2.5組分分析及毒性機(jī)理研究。

1　PM 2.5的組成與危害

隨著我國社會(huì)城市化進(jìn)程的加快,經(jīng)濟(jì)社會(huì)地快速發(fā)展,人們的生活環(huán)境發(fā)生了巨大改變的同時(shí),環(huán)境污染問題也變得日益嚴(yán)峻起來。環(huán)境污染,特別是PM2.5污染,已成為影響人類健康的重大環(huán)境問題,引起了廣泛關(guān)注。世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)表了《全球癌癥報(bào)告2014》,研究顯示2012年全球新增癌癥病例近一半發(fā)生在亞洲,而其中大部分在中國。因此,中國的新增癌癥病例人數(shù)高居第一位。

PM2.5是指粒徑小于2.5 μm的固態(tài)或液態(tài)顆粒,又稱為細(xì)顆粒物(fine particles)。吸入體內(nèi)的顆粒物對(duì)人體的危害程度主要取決于其化學(xué)成分、粒徑大小和質(zhì)量濃度。研究表明[1,2]:PM2.5濃度每上升 10 μg/m3,因呼吸系統(tǒng)及心血管疾病入院的人數(shù)可上升 3.3%。PM2.5與呼吸及心血管系統(tǒng)疾病、生殖系統(tǒng)疾病、胚胎毒性,以及肺癌發(fā)生率的增加[3]有關(guān)。PM2.5顆粒物粒徑越小,其比表面積越大,對(duì)空氣中的重金屬、多環(huán)芳烴等污染物的吸附能力越強(qiáng),而這些污染物是引起呼吸循環(huán)系統(tǒng)氧化損傷的主要成分。如PM2.5中的多環(huán)芳烴(PAHs),可在人體細(xì)胞內(nèi)形成多環(huán)芳烴鄰位醌,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞毒性反應(yīng),引起早老性癡呆病(Alzheimer' disease,AD)、帕金森病(Parkinson Disease,PD)等[4]。

Aust等[5]研究發(fā)現(xiàn),PM2.5中的過渡金屬成分是引起肺上皮細(xì)胞(A549)炎癥介質(zhì)釋放和氧化應(yīng)激的主要毒性組分。Hirano等[6]認(rèn)為PM2.5中的有機(jī)組分可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激,引起抗氧化酶如NADPH 脫氫酶、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶等的 mRNA 水平的升高,增加心血管疾病發(fā)生率。美國環(huán)保局于2003年通過了 PM2.5國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(national ambient air quality standards),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PM2.5的年均濃度和日均濃度限值分別為 15μg/m3和 65μg/m3;WHO在2005年規(guī)定的PM2.5限值為15μg/m3。因此,隨著PM2.5顆粒物對(duì)環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,PM2.5顆粒物對(duì)健康的影響研究迫在眉睫。

2　PM 2.5對(duì)健康影響的研究方法

環(huán)境流行病學(xué)與毒理學(xué)是研究PM2.5毒性效應(yīng)的傳統(tǒng)方法。流行病學(xué)研究是從人群實(shí)際暴露到受控的臨床研究,以急性效應(yīng)為依據(jù),表現(xiàn)在呼吸及心血管系統(tǒng)疾病患病及死亡率等指標(biāo)。毒理學(xué)研究是鑒于流行病學(xué)證據(jù),從動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)到細(xì)胞的體外試驗(yàn)來證明統(tǒng)計(jì)聯(lián)系的真實(shí)可靠性,揭示這種污染暴露下產(chǎn)生可能的致病機(jī)制,分析與毒性效應(yīng)相關(guān)的顆粒物主要組分行為機(jī)制和劑量-效應(yīng)關(guān)系。

The Cooperation between Environmental Protection Department and

Meteorology Department for Improving Forecast Accuracy of Urban

Air Quality

Zeng Yu,Huang Zhongting

(HunanEnvironmentMonitoringCenter,Changsha410014,China)

Abstract:As the urban air pollution is worsening,the air quality forecast is closely related to the urban economic development and people's life.The cooperation between of environmental protection department and meteorological department can effectively improve the forecast capacity of urban air quality.

Key words:urban air quality forecast;environmental protection department;meteorology department

毒理學(xué)的體內(nèi)試驗(yàn)是以動(dòng)物為模型進(jìn)行氣管灌注或煙霧箱暴露。如將采集到的顆粒物配成一定的濃度,通過支氣管滴注至實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(如大鼠)體內(nèi),并進(jìn)行沖洗,從灌洗液中將靶細(xì)胞分離,觀察靶細(xì)胞的變化。體外試驗(yàn)是將提取的靶細(xì)胞,如人體的上皮細(xì)胞、肺細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng),與一定濃度的PM2.5樣品進(jìn)行不同時(shí)間的作用,觀察終端細(xì)胞的反應(yīng),進(jìn)行時(shí)間-效應(yīng)和劑量-反應(yīng)的關(guān)系研究,探究PM2.5對(duì)整體器官和細(xì)胞不同水平毒性作用的生物學(xué)過程。Abbas[7]等研究了敦克爾克市的PM2.5對(duì)肺臟上皮細(xì)胞L132的毒性作用,分別暴露了24、48、72h后分析蛋白濃度、細(xì)胞數(shù)、基因表達(dá)的變化。Manteccaa[8]等使用氣管滴注方法,研究了顆粒物引起的肺臟的炎癥反應(yīng)。Huang[9]等研究了循環(huán)單核細(xì)胞暴露于超細(xì)顆粒物后基因表達(dá)的結(jié)果。志愿者在暴露室中進(jìn)行暴露,并同時(shí)監(jiān)測(cè)氣溶膠的濃度。暴露后采集人員血樣,提取RNA再反轉(zhuǎn)錄,使用基因芯片進(jìn)行基因表達(dá)。由于毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物活動(dòng)受限,且與外界隔離,因此并不能模擬真實(shí)環(huán)境和進(jìn)行長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)。

隨著組學(xué)技術(shù)、分子生物學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展,暴露組學(xué)、代謝組學(xué)、分子毒理學(xué)、表觀遺傳學(xué)等學(xué)科正成為環(huán)境毒理學(xué)及健康效應(yīng)研究的主要研究手段,見表1。

表1　研究PM 2.5毒性效應(yīng)的研究方法

3　PM 2.5的毒性機(jī)理研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外科研工作者已對(duì)PM2.5進(jìn)行了大量健康效應(yīng)研究,但到目前為止,PM2.5顆粒物對(duì)健康影響的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制尚不清楚,因此仍然是大氣環(huán)境對(duì)健康影響的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有研究表明,顆粒物對(duì)人體的毒性主要表現(xiàn)在致突變、DNA損傷及氧化損傷等。而引起這些毒性反應(yīng)的大氣顆粒物可分為全顆粒物、顆粒物的有機(jī)提取物和顆粒物的金屬元素提取物。其中,PM2.5的有機(jī)提取成分具有遺傳毒性作用[10]。但是,顆粒物成分復(fù)雜,哪種或哪幾種有機(jī)組分在毒性作用中占主導(dǎo)地位,是如今所關(guān)注的重點(diǎn),目前研究主要集中在芳烴和極性化合物上。但用不同的生物學(xué)檢測(cè)終點(diǎn)試驗(yàn)得出的結(jié)論不同。徐海娟[11]對(duì)灰霾和非灰霾期間,廣州市的PM 10和PM2.5中的烷烴、芳烴和非烴組分進(jìn)行彗星試驗(yàn),結(jié)果顯示芳烴組分是有機(jī)提取物各組分里毒性最大組分。這個(gè)結(jié)論與其他文獻(xiàn)用不同的生物監(jiān)測(cè)方法得到的研究結(jié)果相一致。Topinka等[12]研究表明:PAHs和nitro-PAHs導(dǎo)致的 DNA 加和量為其他可溶性有機(jī)提取物3～9倍。Kawanaka[13]利用 Ames 試驗(yàn),也認(rèn)為 PAHs 是主要致突變化合物。徐海娟等[11]研究了廣州市PM10中的有機(jī)提取物的遺傳毒性,發(fā)現(xiàn)有機(jī)提取物的遺傳毒性作用不只由PAHs 作用所致,其它極性組分也占較大比例。非烴組分包括nitro-PAHs在內(nèi)的許多物質(zhì)的混合物。這也許是非烴組分顯示出相對(duì)較高遺傳毒性的一個(gè)原因。Massolo[14]等同樣發(fā)現(xiàn),nitro-PAHs等弱極性組分具有最強(qiáng)的致癌致突變作用,是主要的遺傳毒性作用物。另外,某些不致癌的 PAHs 可以改變其他具有致癌性的 PAHs 或 nitro-PAHs 的致突變性[15]。因此,顆粒物中有機(jī)混合物的毒性作用并不是簡(jiǎn)單的單種物質(zhì)作用的加和,在研究顆粒物有機(jī)組分的毒性作用時(shí),要注意考察其中一種物質(zhì)對(duì)整個(gè)有機(jī)混合物的毒性協(xié)同或拮抗效應(yīng)。

此外,PM2.5顆粒物還具有氧化性損傷作用。PM2.5顆粒物能夠刺激肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生自由基,并對(duì)組織細(xì)胞造成進(jìn)一步損傷,如膜上受體與酶類滅活、脂質(zhì)過氧化、DNA 損傷、蛋白質(zhì)損傷和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等。Chung[16]等研究結(jié)果表明,顆粒物中有機(jī)提取成分可導(dǎo)致人支氣管上皮細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化損傷。Kan[17]等認(rèn)為顆粒物中的黑碳是導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷的主要毒性成分,可導(dǎo)致心血管疾病的死亡率明顯升高。張全喜[18]將沙塵暴和正常天氣 PM2.5懸浮液作用于大鼠后,通過檢測(cè)大鼠的 SOD、TBARS、GSH 濃度,發(fā)現(xiàn)大鼠的肺、心、肝臟均有不同程度的氧化損傷,因此推論沙塵暴毒性機(jī)理之一可能是氧化應(yīng)激引起的氧性損傷。PM2.5懸浮液對(duì)生殖細(xì)胞也能產(chǎn)生氧化損傷作用[19]。耿紅[20]等選用正常天氣和沙塵暴天氣的 PM2.5樣品,以PM2.5懸液體外處理大鼠肺泡巨噬細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)的丙二醛及游離Ca2+濃度升高,而谷胱甘肽(GSH)的濃度下降。并當(dāng)顆粒物處理濃度增大、染毒時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),細(xì)胞存活率降低,且存在一定的劑量-效應(yīng)、時(shí)間-效應(yīng)關(guān)系,表明氧化損傷可能是細(xì)胞毒性的機(jī)制之一。但對(duì)于PM2.5顆粒物引起細(xì)胞脂質(zhì)過氧化及氧化應(yīng)激等生物反應(yīng)的作用機(jī)制并未研究透徹。

4　結(jié)論與展望

PM2.5顆粒物中的有機(jī)提取物(PAHs,極性有機(jī)物等)、黑炭、重金屬具有致突變、DNA損傷及氧化損傷等毒性作用,但對(duì)于顆粒物不同組分的毒性作用及其效應(yīng)機(jī)制目前還未研究透徹。在今后的研究工作中,PM2.5毒性機(jī)理研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面:PM2.5粒徑大小和表面結(jié)構(gòu)對(duì)其毒性機(jī)制的影響差異;嬰幼兒、兒童等易感人群的PM2.5暴露;典型污染區(qū)的PM2.5暴露及PM2.5劑量-效應(yīng)反應(yīng)關(guān)系、染毒技術(shù)改進(jìn)等。

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