PM2.5毒性机理与健康效应研究进展

毛旭,史纯珍

(北京工商大学 食品学院,北京 100048)

摘要：指出了PM2.5 对人体健康具有显著危害,当前我国多个城市PM2.5 严重超标,已成为需重点控制的大气污染物。综述了PM2.5对健康影响的研究方法及毒性机理研究现状,以期为PM2.5的健康效应研究提供参考。

关键词：

中图分类号：X131.1

文章编号：1674-9944(2015)07-0205-03

收稿日期：2015-05-23

基金项目：国家自然科学基金(编号:21407006)资助

作者简介：毛旭(1992—)，男，内蒙古鄂尔多斯人,北京工商大学食品学院环境科学与工程系硕士研究生。

通讯作者：史纯珍(1985—),女,江苏常熟人,博士,实验师,主要从事PM2.5组分分析及毒性机理研究。

1　PM 2.5的组成与危害

随着我国社会城市化进程的加快,经济社会地快速发展,人们的生活环境发生了巨大改变的同时,环境污染问题也变得日益严峻起来。环境污染,特别是PM2.5污染,已成为影响人类健康的重大环境问题,引起了广泛关注。世界卫生组织(WHO)发表了《全球癌症报告2014》,研究显示2012年全球新增癌症病例近一半发生在亚洲,而其中大部分在中国。因此,中国的新增癌症病例人数高居第一位。

PM2.5是指粒径小于2.5 μm的固态或液态颗粒,又称为细颗粒物(fine particles)。吸入体内的颗粒物对人体的危害程度主要取决于其化学成分、粒径大小和质量浓度。研究表明[1,2]:PM2.5浓度每上升 10 μg/m3,因呼吸系统及心血管疾病入院的人数可上升 3.3%。PM2.5与呼吸及心血管系统疾病、生殖系统疾病、胚胎毒性,以及肺癌发生率的增加[3]有关。PM2.5颗粒物粒径越小,其比表面积越大,对空气中的重金属、多环芳烃等污染物的吸附能力越强,而这些污染物是引起呼吸循环系统氧化损伤的主要成分。如PM2.5中的多环芳烃(PAHs),可在人体细胞内形成多环芳烃邻位醌,进而诱导细胞毒性反应,引起早老性痴呆病(Alzheimer' disease,AD)、帕金森病(Parkinson Disease,PD)等[4]。

Aust等[5]研究发现,PM2.5中的过渡金属成分是引起肺上皮细胞(A549)炎症介质释放和氧化应激的主要毒性组分。Hirano等[6]认为PM2.5中的有机组分可诱导内皮细胞氧化应激,引起抗氧化酶如NADPH 脱氢酶、谷胱甘肽硫转移酶等的 mRNA 水平的升高,增加心血管疾病发生率。美国环保局于2003年通过了 PM2.5国家环境空气质量标准(national ambient air quality standards),该标准规定PM2.5的年均浓度和日均浓度限值分别为 15μg/m3和 65μg/m3;WHO在2005年规定的PM2.5限值为15μg/m3。因此,随着PM2.5颗粒物对环境污染的日益严重,PM2.5颗粒物对健康的影响研究迫在眉睫。

2　PM 2.5对健康影响的研究方法

环境流行病学与毒理学是研究PM2.5毒性效应的传统方法。流行病学研究是从人群实际暴露到受控的临床研究,以急性效应为依据,表现在呼吸及心血管系统疾病患病及死亡率等指标。毒理学研究是鉴于流行病学证据,从动物体内试验到细胞的体外试验来证明统计联系的真实可靠性,揭示这种污染暴露下产生可能的致病机制,分析与毒性效应相关的颗粒物主要组分行为机制和剂量-效应关系。

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

毒理学的体内试验是以动物为模型进行气管灌注或烟雾箱暴露。如将采集到的颗粒物配成一定的浓度,通过支气管滴注至实验动物(如大鼠)体内,并进行冲洗,从灌洗液中将靶细胞分离,观察靶细胞的变化。体外试验是将提取的靶细胞,如人体的上皮细胞、肺细胞等进行培养,与一定浓度的PM2.5样品进行不同时间的作用,观察终端细胞的反应,进行时间-效应和剂量-反应的关系研究,探究PM2.5对整体器官和细胞不同水平毒性作用的生物学过程。Abbas[7]等研究了敦克尔克市的PM2.5对肺脏上皮细胞L132的毒性作用,分别暴露了24、48、72h后分析蛋白浓度、细胞数、基因表达的变化。Manteccaa[8]等使用气管滴注方法,研究了颗粒物引起的肺脏的炎症反应。Huang[9]等研究了循环单核细胞暴露于超细颗粒物后基因表达的结果。志愿者在暴露室中进行暴露,并同时监测气溶胶的浓度。暴露后采集人员血样,提取RNA再反转录,使用基因芯片进行基因表达。由于毒理学实验的动物活动受限,且与外界隔离,因此并不能模拟真实环境和进行长期暴露实验。

随着组学技术、分子生物学等学科的快速发展,暴露组学、代谢组学、分子毒理学、表观遗传学等学科正成为环境毒理学及健康效应研究的主要研究手段,见表1。

表1　研究PM 2.5毒性效应的研究方法

3　PM 2.5的毒性机理研究现状

国内外科研工作者已对PM2.5进行了大量健康效应研究,但到目前为止,PM2.5颗粒物对健康影响的生物学效应机制尚不清楚,因此仍然是大气环境对健康影响的研究热点。现有研究表明,颗粒物对人体的毒性主要表现在致突变、DNA损伤及氧化损伤等。而引起这些毒性反应的大气颗粒物可分为全颗粒物、颗粒物的有机提取物和颗粒物的金属元素提取物。其中,PM2.5的有机提取成分具有遗传毒性作用[10]。但是,颗粒物成分复杂,哪种或哪几种有机组分在毒性作用中占主导地位,是如今所关注的重点,目前研究主要集中在芳烃和极性化合物上。但用不同的生物学检测终点试验得出的结论不同。徐海娟[11]对灰霾和非灰霾期间,广州市的PM 10和PM2.5中的烷烃、芳烃和非烃组分进行彗星试验,结果显示芳烃组分是有机提取物各组分里毒性最大组分。这个结论与其他文献用不同的生物监测方法得到的研究结果相一致。Topinka等[12]研究表明:PAHs和nitro-PAHs导致的 DNA 加和量为其他可溶性有机提取物3～9倍。Kawanaka[13]利用 Ames 试验,也认为 PAHs 是主要致突变化合物。徐海娟等[11]研究了广州市PM10中的有机提取物的遗传毒性,发现有机提取物的遗传毒性作用不只由PAHs 作用所致,其它极性组分也占较大比例。非烃组分包括nitro-PAHs在内的许多物质的混合物。这也许是非烃组分显示出相对较高遗传毒性的一个原因。Massolo[14]等同样发现,nitro-PAHs等弱极性组分具有最强的致癌致突变作用,是主要的遗传毒性作用物。另外,某些不致癌的 PAHs 可以改变其他具有致癌性的 PAHs 或 nitro-PAHs 的致突变性[15]。因此,颗粒物中有机混合物的毒性作用并不是简单的单种物质作用的加和,在研究颗粒物有机组分的毒性作用时,要注意考察其中一种物质对整个有机混合物的毒性协同或拮抗效应。

此外,PM2.5颗粒物还具有氧化性损伤作用。PM2.5颗粒物能够刺激肺泡巨噬细胞产生自由基,并对组织细胞造成进一步损伤,如膜上受体与酶类灭活、脂质过氧化、DNA 损伤、蛋白质损伤和诱导细胞凋亡等。Chung[16]等研究结果表明,颗粒物中有机提取成分可导致人支气管上皮细胞的脂质过氧化损伤。Kan[17]等认为颗粒物中的黑碳是导致细胞氧化损伤的主要毒性成分,可导致心血管疾病的死亡率明显升高。张全喜[18]将沙尘暴和正常天气 PM2.5悬浮液作用于大鼠后,通过检测大鼠的 SOD、TBARS、GSH 浓度,发现大鼠的肺、心、肝脏均有不同程度的氧化损伤,因此推论沙尘暴毒性机理之一可能是氧化应激引起的氧性损伤。PM2.5悬浮液对生殖细胞也能产生氧化损伤作用[19]。耿红[20]等选用正常天气和沙尘暴天气的 PM2.5样品,以PM2.5悬液体外处理大鼠肺泡巨噬细胞,发现胞内的丙二醛及游离Ca2+浓度升高,而谷胱甘肽(GSH)的浓度下降。并当颗粒物处理浓度增大、染毒时间延长时,细胞存活率降低,且存在一定的剂量-效应、时间-效应关系,表明氧化损伤可能是细胞毒性的机制之一。但对于PM2.5颗粒物引起细胞脂质过氧化及氧化应激等生物反应的作用机制并未研究透彻。

4　结论与展望

PM2.5颗粒物中的有机提取物(PAHs,极性有机物等)、黑炭、重金属具有致突变、DNA损伤及氧化损伤等毒性作用,但对于颗粒物不同组分的毒性作用及其效应机制目前还未研究透彻。在今后的研究工作中,PM2.5毒性机理研究应重点关注以下方面:PM2.5粒径大小和表面结构对其毒性机制的影响差异;婴幼儿、儿童等易感人群的PM2.5暴露;典型污染区的PM2.5暴露及PM2.5剂量-效应反应关系、染毒技术改进等。

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