空氣污染對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。根據(jù)2021年全球疾病負擔(dān)報告，空氣污染導(dǎo)致全球范圍內(nèi)810萬人的死亡，其中顆粒物(PM)污染是全球疾病負擔(dān)的首要因素。PM的健康效應(yīng)很大程度上取決于組分，而世界衛(wèi)生組織以質(zhì)量濃度制定標(biāo)準(zhǔn)，大量研究顯示PM存在等量不等毒的問題，這嚴(yán)重妨礙了對健康效應(yīng)的準(zhǔn)確評估，造成世界范圍內(nèi)空氣質(zhì)量評估的不公平。此外，在PM健康效應(yīng)機制上，大部分研究也是主要基于個別城市顆粒物的結(jié)果，不能全面地了解PM在機制上地區(qū)和城市差異，得到的結(jié)果也只能代表個別城市的情況。
 

　　北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院要茂盛團隊針對這一問題，用以前建立的方法采集了31個城市的汽車空調(diào)濾芯樣本，然后利用人體疾病模式真核生物釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，團隊將50μg/mlPM濃度暴露于酵母細胞3小時，通過多組學(xué)技術(shù)系統(tǒng)解析PM誘導(dǎo)的酵母細胞響應(yīng)差異。
 

　　研究結(jié)果顯示，通過GC-IMS氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，檢測到60種差異表達VOCs，其中17種在不同城市組間呈現(xiàn)顯著濃度差異，涉及丙酸代謝、丁酸代謝和硫代謝等關(guān)鍵通路。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，5851個基因中差異表達基因數(shù)量從16個(濟南)到884個(上海)不等，富集于碳水化合物代謝、核糖體生物合成和賴氨酸生物合成通路，提示能量代謝和抗氧化應(yīng)激是PM毒性的核心機制(圖1)。蛋白質(zhì)組分析進一步發(fā)現(xiàn)，5個代表城市(哈爾濱、北京、西安、南京、廣州)的PM暴露導(dǎo)致6—114個蛋白差異化表達，其中北京組特有的74個差異表達蛋白主要與甲烷代謝和核糖體功能相關(guān)，表明區(qū)域PM組分的獨特毒性模式。多組學(xué)分析結(jié)果表明VOC指紋與KEGG通路中的氧化磷酸化、化學(xué)致癌作用等顯著關(guān)聯(lián)，部分VOC可作為多種疾病相關(guān)通路的潛在標(biāo)志物。
 

圖1. 中國31個主要城市顆粒物暴露下釀酒酵母的轉(zhuǎn)錄組特征
 

　　PM的毒性差異本質(zhì)上是其組分差異的綜合體現(xiàn)。PM中的多環(huán)芳烴、銅/鐵等金屬元素與VOC釋放量呈強相關(guān)性(如Cu元素與CTR1基因表達的Spearman相關(guān)系數(shù)達0.887，p<0.001)，而PM中的微生物組分則影響硫代謝和氨基酸代謝通路的VOC特征。這種從“組分-代謝-標(biāo)志物”的鏈條解析，為跨區(qū)域PM健康風(fēng)險評估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。與傳統(tǒng)毒理學(xué)方法相比，基于VOC的實時監(jiān)測技術(shù)具有無創(chuàng)和高時間分辨率的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r跟蹤PM暴露后的生命體狀態(tài)。該研究系統(tǒng)揭示了中國31個主要城市PM在細胞水平上的毒性機制差異，同時為利用VOC譜來實時追蹤探測顆粒物在體內(nèi)的健康影響奠定了基礎(chǔ)，為空氣污染健康效應(yīng)監(jiān)測提供了創(chuàng)新性解決方案。也為基于活體VOC監(jiān)測來實現(xiàn)“煙霧報警器”式的健康效應(yīng)預(yù)警提供了方案。
 

　　研究成果以“Air Particles from 31 Chinese Cities Induced Differential Cellular Responses”為題發(fā)表在National Science Open上 。論文第一作者為北大環(huán)境學(xué)院博士畢業(yè)生張璐(現(xiàn)就職于生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境司)，要茂盛為通訊作者。項目主要得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目(基金號22221004)和國家重點研發(fā)計劃(2022YFC3702801和2023YFC3708200)以及廣州國家實驗室項目(SRPG22-007)的資助。