當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)顯示 “優(yōu)良”，當(dāng)我們以為可以放心深呼吸時(shí)，一項(xiàng)來自華東師范大學(xué)楊毅教授團(tuán)隊(duì)的研究，卻打破了我們的固有認(rèn)知：符合世衛(wèi)組織和中國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的 “清潔日”，單位質(zhì)量PM2.5的肺部細(xì)胞毒性竟可達(dá)污染日的 8.1 倍！PM2.5中富鐵顆粒結(jié)合的有毒金屬被認(rèn)為是調(diào)控細(xì)胞毒性的首要因素，單顆粒電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（spICP-TOF-MS）技術(shù)，讓隱藏在PM2.5中的含金屬細(xì)顆粒（MCFPs）無所遁形，為解析空氣污染的健康風(fēng)險(xiǎn)提供了全新視角！

楊毅團(tuán)隊(duì)的研究表明，僅依賴于PM2.5質(zhì)量濃度來判斷空氣質(zhì)量，具有較大的局限性，PM2.5 的健康風(fēng)險(xiǎn)并非由濃度單獨(dú)決定，其化學(xué)組成的異質(zhì)性才是關(guān)鍵。盡管MCFPs的數(shù)量濃度在春季高于冬季，并隨著PM2.5污染水平升高而增加，但在清潔日采集的PM2.5卻表現(xiàn)出比污染時(shí)期更強(qiáng)的肺細(xì)胞毒性效應(yīng)。即使PM2.5質(zhì)量濃度符合世衛(wèi)組織指導(dǎo)值，長期暴露于低濃度的MCFPs（尤其是富鐵顆粒）由于其關(guān)鍵器官中的長期生物持久性，仍可能構(gòu)成顯著的健康風(fēng)險(xiǎn)。

不同季節(jié)和污染水平下MCFPs表征

研究團(tuán)隊(duì)在上海閔行區(qū)開展了跨冬春兩季的系統(tǒng)采樣，覆蓋了世衛(wèi)組織標(biāo)準(zhǔn)清潔日WHO（PM2.5<15μg/m³）、國標(biāo)清潔日GB（15-35μg/m³）、霧霾日Haze和沙塵Dust日四種場(chǎng)景。研究顯示，與有毒金屬相關(guān)的富鋁顆粒的數(shù)量濃度在冬季霧霾日顯著高于春季。相反，富鐵顆粒在春季W(wǎng)HO清潔日和沙塵日的濃度高于冬季，春季有毒金屬相關(guān)的富硅顆粒濃度持續(xù)高于冬季。與污染日采集的PM2.5相比，清潔日采集的PM2.5中有更大比例的多金屬顆粒（特別是富鐵顆粒）與有毒金屬相關(guān)聯(lián)，這表明在單顆粒水平上，較低的PM2.5水平可能潛藏著更高的毒性風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同污染水平（WHO：WHO清潔日、GB：國標(biāo)清潔日、Haze霧霾日、Dust沙塵日）與有毒金屬相關(guān)聯(lián)的富鋁(a)、富硅(b)及富鐵顆粒(c)的數(shù)量濃度（黃色箱線圖）及其在對(duì)應(yīng)多金屬顆粒總數(shù)中的比例（藍(lán)色箱線圖）的季節(jié)性對(duì)比。(d) 冬季W(wǎng)HO清潔日PM2.5中典型磁鐵礦聚集體的TEM圖像，顯示其與鋁、硅、鈦、錳、銅和鋅的共存關(guān)系（點(diǎn)擊查看大圖）

不同時(shí)期PM2.5的不平等細(xì)胞毒性

本研究使用BEAS-2B細(xì)胞評(píng)估了不同時(shí)期采集的PM2.5的肺細(xì)胞毒性效應(yīng)。采用EC?.?（引起氧化應(yīng)激增加1.5倍的有效濃度）和IC??（使細(xì)胞活力降低20%的抑制濃度）值來評(píng)估PM2.5的毒性效應(yīng)，更低的EC?.?和IC??值表示單位質(zhì)量濃度具有更高的細(xì)胞毒性。季節(jié)分析顯示，冬季采集的PM2.5的EC?.?和IC??值分別比春季低1.6倍和1.4倍，表明冬季PM2.5表現(xiàn)出更強(qiáng)的肺細(xì)胞毒性，而PM2.5的氧化應(yīng)激潛力傾向于隨著PM2.5污染水平的降低而增加?？傮w而言，不同時(shí)期PM2.5毒性效應(yīng)的顯著差異很可能源于其來源和化學(xué)組成的差異。

圖2. 兩個(gè)季節(jié)不同污染水平PM2.5的EC?.? (a) 和IC?? (b) 比較，以及使用隨機(jī)森林模型得到的EC?.? (c) 和IC?? (d) 變量重要性分析結(jié)果（點(diǎn)擊查看大圖）

綜合分析表明，富含金屬（尤其是鐵）的細(xì)顆粒物及其表面吸附或內(nèi)嵌的有毒金屬是驅(qū)動(dòng)PM2.5肺部毒性的首要因素，其重要性超過了有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度等傳統(tǒng)指標(biāo)。這解釋了為何在PM2.5質(zhì)量濃度較低的"清潔日"，由于特定毒性組分的相對(duì)貢獻(xiàn)更高，反而可能觀察到更強(qiáng)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在評(píng)估PM2.5健康風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，關(guān)注顆粒物化學(xué)組成，特別是金屬組分的重要性。

不同時(shí)期MCFPs的來源解析

研究人員收集了來自自然源（以沙漠沙塵為代表）和人為源（包括燃煤、柴油車排放、汽油車/電動(dòng)車排放以及生物質(zhì)燃燒）的單個(gè)MCFPs的高分辨率元素特征。采用隨機(jī)森林分類器來建立溯源模型，該模型同時(shí)使用了測(cè)試數(shù)據(jù)集和機(jī)械混合樣本進(jìn)行驗(yàn)證。

基于富鐵顆粒的機(jī)器學(xué)習(xí)模型結(jié)果，人為源（特別是交通排放和燃煤）的貢獻(xiàn)通常在冬季高于春季，與污染日相比，其在清潔日的貢獻(xiàn)相對(duì)較高。平均而言，在冬季所有時(shí)期，人為源貢獻(xiàn)了超過80%的富鐵顆粒；在春季（即使在沙塵日），人為源也貢獻(xiàn)了超過71%的富鐵顆粒。

圖3 冬季 (ad) 和春季 (eh) 中，?然源和?為源的 MCFPs 對(duì) WHO、GB、霧霾和沙塵日的貢獻(xiàn)（點(diǎn)擊查看大圖）

毒理學(xué)評(píng)估助力空氣質(zhì)量治理新思路

楊毅團(tuán)隊(duì)利用spICP-TOF-MS分析技術(shù)，闡明了冬季和春季不同PM2.5濃度下單個(gè)含金屬細(xì)顆粒物（MCFPs）的元素特征，為導(dǎo)致PM2.5毒性的顆粒組分提供了關(guān)鍵見解。該研究對(duì)于后續(xù)空氣質(zhì)量政策的調(diào)整，從基于質(zhì)量的控制轉(zhuǎn)向針對(duì)特定排放源的減排策略，對(duì)PM2.5成分進(jìn)行高分辨率表征，考慮單顆粒水平的研究及其毒理學(xué)評(píng)估，制定有效的預(yù)防措施，將顆粒物引起的健康風(fēng)險(xiǎn)降低。

電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（ICP-TOF-MS）能夠在數(shù)十微秒內(nèi)完成全質(zhì)量范圍的快速分析，從而能夠檢測(cè)單個(gè)顆粒中的多個(gè)元素和同位素。結(jié)合碰撞池技術(shù)（CCT），能夠有效提高單顆粒分析的信號(hào)強(qiáng)度，并有效改善同位素比值分析的準(zhǔn)確性和精密度。本研究開發(fā)的方法為單顆粒同位素比值分析提供了全新技術(shù)路徑，有望在環(huán)境科學(xué)、地球化學(xué)、核取證等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。