篩選PM2.5中的有效毒性組分，是環(huán)境治理工作中首先要解決的關(guān)鍵問題。然而環(huán)境樣品的復(fù)雜多樣性，和顆粒物中未知有機物的化學(xué)分析都是篩選工作中“卡脖子”的關(guān)鍵難點所在。生物效應(yīng)導(dǎo)向是篩選復(fù)雜環(huán)境樣品有效毒性組分的最有效的工具，可以有效降低環(huán)境樣品的復(fù)雜性；隨著有機地球化學(xué)分析手段的突飛猛進，一些有機地球化學(xué)分析的先進方法可以讓我們得以窺探未知化合物的結(jié)構(gòu)和來源信息，為毒理學(xué)的探索提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將大大促進PM2.5中有效毒性組分篩選工作的進展。
本次研究收集了中國十個大型城市，一年四季的PM2.5樣品，根據(jù)其誘導(dǎo)的大氣顆粒物模式細胞--人體肺上皮細胞Beas-2B 的細胞毒性（細胞凋亡數(shù)據(jù)），分析評估了同等體積空氣中，PM2.5水溶性組分和有機組分誘導(dǎo)的細胞毒性能力的大小，然后針對毒性較大的組分中起關(guān)鍵作用的化合物，進行結(jié)構(gòu)和來源解析。主要結(jié)論如下：
1）同等體積空氣中，PM2.5不同組分誘導(dǎo)細胞凋亡的能力比較：分別提取同等空氣中PM2.5的水溶性組分（Water-soluble fraction, WSF）和有機組分（DCM-fraction），暴露于模式細胞，使用流式細胞儀分析不同組分誘導(dǎo)的細胞凋亡能力。由于提取的過程是分別使用水和有機溶劑提取同一張濾膜樣品，所以可以很好的表征PM2.5中不同組分誘導(dǎo)毒性的能力大小。結(jié)果顯示W(wǎng)SF誘導(dǎo)Beas-2B細胞凋亡的能力要強于DCM組分（如下圖1所示），并呈現(xiàn)北方強于南方，冬季強于夏季的特點（如圖2所示）；
圖1 圖2
2）誘導(dǎo)細胞凋亡的主要毒性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息：針對水溶性組分進行氫譜核磁共振分析（1H NMR）和光譜分析（MAE365）。 由于NMR譜圖可以把水溶性樣品分成四種含有不同結(jié)構(gòu)的化合物，其中只有NMR4（代表芳香類化合物）的含量與凋亡之間有顯著的相關(guān)性；此外MAE365數(shù)據(jù)也與凋亡之間有顯著相關(guān)性，由于MAE365的數(shù)據(jù)可以表征化合物結(jié)構(gòu)中的碳碳雙鍵的相對含量，所以上述兩個實驗數(shù)據(jù)說明WSF組分中的苯環(huán)和雙鍵結(jié)構(gòu)為誘導(dǎo)毒性的主要結(jié)構(gòu)物質(zhì)。
圖3
3）有效毒性組分的來源探索：為了進一步探索WSF中毒性化合物的來源信息，分別檢測了WSF組分中的δ13C和14C的相對含量。14C的含量與凋亡有顯著相關(guān)，說明誘導(dǎo)毒性的物質(zhì)來源于非化石源，主要包括生物質(zhì)排放、生物質(zhì)燃燒，和二次源的化合物。本實驗中也發(fā)現(xiàn)WSF中的K+與凋亡之間有顯著的正相關(guān)，考慮到K+為生物質(zhì)燃燒源的標志物，所以認為本次實驗中誘導(dǎo)凋亡的化合物，主要來自生物質(zhì)燃燒和二次源。此外，研究中也檢測了WSF中的δ13C 數(shù)據(jù)，把δ13C 和14C數(shù)據(jù)一起進行貝葉斯模型分析，可以把污染源分為四種不同的來源，分別為交通源、煤炭燃燒源、C3植物和C4植物排放源。而C4植物燃燒產(chǎn)物，煤炭燃燒產(chǎn)物和交通源排放所產(chǎn)生的污染物的含量與凋亡之間有顯著的線性相關(guān)（表1）。 由于在采樣期間屬于C4植物的玉米秸稈燃燒對中國PM2.5的貢獻最大，所以作者認為C4植物中玉米秸稈燃燒對細胞毒性的貢獻較大，而來源于玉米秸稈的PM2.5樣品也發(fā)現(xiàn)了其與細胞凋亡之間有濃度劑量效應(yīng)關(guān)系（圖3）。因為大部分交通源排放的產(chǎn)物是不易溶于水的，所以認為篩選出的交通源產(chǎn)物可能來自交通源排放產(chǎn)物產(chǎn)生的二次反應(yīng)產(chǎn)物。本研究中，由于δ13C存在著同位素分餾的影響，因此貝葉斯模型的結(jié)果，可以作為一個輔助證據(jù)。由此，我們認為來自于煤炭燃燒、交通源二次污染源和C4植物燃燒所產(chǎn)生的化合物是PM2.5水溶性組分中誘導(dǎo)細胞凋亡的主要來源。
表1：不同污染來源的化合物相對含量與細胞凋亡之間的相關(guān)性分析。
綜上，本研究利用先進的環(huán)境化學(xué)分析手段，嘗試打開PM2.5中未知毒性物質(zhì)的“黑盒子”。結(jié)果顯示了來自于煤炭燃燒，交通源二次污染源和C4植物燃燒所產(chǎn)生的化合物是中國十個大型城市PM2.5樣品水溶性組分誘導(dǎo)細胞凋亡的主要來源，其中芳香結(jié)構(gòu)和雙鍵結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。研究結(jié)果可以為未來大氣可吸入性顆粒物中毒性物質(zhì)的篩選工作提供可借鑒的研究思路和關(guān)鍵毒性化合物信息。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機地球化學(xué)國家重點實驗馬慧敏副研究員在張干研究員和李軍研究員的指導(dǎo)下完成了本研究工作，研究成果于2月17日在線發(fā)表在《環(huán)境國際》（Environment International）上。
論文信息：Huimin Ma(馬慧敏)*, Wenjing Chen(陳文靜), Qianyu Zhang(張倩玉), Cong Wan(萬聰), Yangzhi Mo(莫揚之), Fei Liu(劉飛), Guanghui Dong(董光輝), Xiaowen Zeng（曾曉雯）, Duohong Chen(陳多宏), Zhiqiang Yu(于志強), Jun Li(李軍), Gan Zhang(張干), 2023. Pollution source and chemicals structure of the water-soluble fractions in PM2.5 that induce apoptosis in China, Environment International,https://doi.org/10.1016/j.envint.2023.107820.
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