付铠，周启星，胡献刚

南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津300071

大气颗粒物物理化学属性致病效应与损伤机制的研究进展

付铠，周启星，胡献刚*

南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室，天津300071

近些年,我国大气颗粒物所带来的健康问题越发突出,由此产生的环境疾病日益引起人们的广泛关注。大量的流行病学和毒理学研究发现,大气颗粒物能引起呼吸系统、心血管系统、神经系统、免疫系统等的损伤,造成新生儿出生缺陷,增加罹患癌症的风险,且与人群发病率和死亡率上升有关。但是由于大气颗粒物物化属性比较复杂,一种或几种损伤机制并不能完全解释其与致病效应的关系,因此具体的损伤机制目前还没有统一的说法,大气颗粒物物理化学属性与致病效应的关系仍在探索当中。本文从大气颗粒物的粒径、浓度、比表面积、来源、成分等基本属性入手,剖析其基本特点和可能影响健康的原因,探讨大气颗粒物通过氧化损伤途径诱导致病效应,并结合当前大气颗粒物健康影响研究现状提出在未来研究中应注重的相关内容。

颗粒物；环境疾病；损伤机制；氧化损伤；ROS；PM2.5

空气污染可以产生不良的健康影响,引起人群发病率和死亡率上升,诱发呼吸系统和心脑血管疾病[1]。大量的流行病学和毒理学研究表明,空气污染物中的颗粒物物理化学属性起到了关键作用[2]。大气颗粒物中包含化学成分不同、粒径各异的颗粒状物质,粒径较大的颗粒物不是一个粒子,而是一个粒子束,是由多个粒径较小的颗粒构成的组合体[3],因此大气颗粒物实际上是粒径范围宽、物理化学性质复杂的颗粒聚集体[4]。2013年10月,世界卫生组织(World Health Organization,WHO)下属的国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)正式将大气颗粒物列为I级(Group I)致癌物,认为它是产生环境健康问题的主要原因和分布较为广泛的环境致癌物[5]。

大气颗粒物的致病机理非常复杂,一种或几种损伤机制很难完全解释大气颗粒物对人体健康的影响,因此颗粒物对健康影响的毒理学效应并不十分清楚[6]。颗粒物的来源、种类、粒径、化学成分、浓度及暴露时间等都有可能是影响人体健康的原因,基于此假设,国内外利用流行病学、毒理学实验和各类模型针对颗粒物的物理化学属性开展了系统广泛的深入研究,已有的研究成果充分表明颗粒物引起的不利健康影响主要归因于颗粒物的数量、粒径、化学成分、水溶性等物理化学属性[7-8]。最终导致呼吸系统、心脑血管系统疾病,造成神经系统和免疫系统功能降低,对胃肠道和皮肤产生刺激症状,引发儿童出生缺陷、发育迟缓、早逝等[9-11]。表1列出了近几年研究人员针对大气颗粒物对健康影响的最新研究成果。

由于大气颗粒物具有复杂的物理化学属性,每种属性都会导致人体出现损伤,且各种属性之间相互作用,产生协同效果,加重损伤程度,为准确研究大气颗粒物物理化学属性与致病效应的关系增加了难度。本文基于已有研究成果,梳理国内外关于大气颗粒物对人体和动物的各种损伤机制及致病机理,着重分析大气颗粒物的基本属性与其致病性的关系和氧化损伤机制,为今后我国全面深入开展相关研究提供参考。

1 大气颗粒物物理属性的致病效应(The physical properties of atmospheric particulate matters for health effects)

大气中颗粒物的划分通常用空气动力学直径表示,在一定体积空气中,空气动力学直径≤100μm的所有悬浮颗粒物统称为总悬浮颗粒物(total suspended particulate,TSP)。大气中的颗粒物由一系列不同粒径的颗粒构成,包括可吸入颗粒物(inhalable particulate matter,空气动力学直径＜10μm,PM10)、粗颗粒物(coarse particulate matter,空气动力学直径在2.5～10μm之间,PM2.5-10)、细颗粒物或可吸入肺颗粒物(fine particulate matter,空气动力学直径＜2.5μm,PM2.5)和超细颗粒物(ultrafine particles matter, UFPs,空气动力学直径＜0.1μm,PM0.1)[12-13]。大气颗粒物的物理属性主要包括形状、质量、浓度、粒子数目、粒径、表面积和比表面积等,不同的物理属性可能对人体的作用机制不同,下面主要从浓度、粒径和比表面积3个方面简要介绍[14]。

1.1 浓度

流行病学和毒理学的研究表明,颗粒物的质量浓度(mass concentrations,MC)与呼吸系统和心肺疾病的发病率、死亡率存在着正相关关系,对于那些易感人群、儿童和老人这种关系尤为明显[15-16]。我国在1996年颁布的环境空气质量标准(GB3095-1996)规定PM10二级标准为年均值100μg·m-3、日均值150μg·m-3。1997年,美国环境保护署(EnvironmentalProtection Agency,US EPA)率先推出了PM2.5的大气环境质量标准,即年均值15μg·m-3,日均值65μg·m-3[17]。WHO在2005年版《空气质量准则》中指出:当PM2.5年均浓度达到35μg·m-3时,人的死亡风险比10μg·m-3的情形增加约15%,由此可见,大气颗粒物的健康危害不容忽视。将于2016年1月1日正式实施的最新环境空气质量标准(GB3095-2012),规定我国PM2.5的二级标准为日均值75μg·m-3,年均值35μg·m-3,该标准将为评估我国的PM2.5污染水平提供重要参考,加快推进我国大气污染治理,从而切实保障人民群众的身体健康。

大量的流行病学研究发现了大气颗粒物浓度与健康影响的关系。Chen等[18]利用模型对我国16个城市的研究发现,大气PM10每增加10μg·m-3,居民总死亡率增加0.35%,由心血管疾病引发的死亡率增加0.44%,由呼吸系统疾病引发的死亡率增加0.56%。Sorensen等[19]则历时一年多对50名学生进行跟踪研究和分析,发现在适当的浓度下,颗粒物可以发生氧化应激,生成多环芳烃加合物,从而对淋巴细胞的DNA产生损伤。同样,Bernatsky等[20]通过对蒙特利尔237名患者,研究PM2.5浓度对全身性红斑狼疮的临床影响时发现,PM2.5浓度水平可以影响人体自身免疫系统,引发全身性红斑狼疮和风湿性疾病等免疫系统疾病。

表1 大气颗粒物对健康影响的研究成果Table 1 Health effects of atmospheric particulates

数量浓度(number concentrations,NC)是确定大气颗粒物对气候和健康影响的关键参数,但在实际评价过程中多以质量浓度作为衡量指标,因此数量浓度往往被忽略[21]。研究表明,粒径小的颗粒物,其数量浓度占总数量浓度的比例较高,而粒径大的颗粒物,其质量浓度占总质量浓度的比例较高,由于粒径小的颗粒物其致病性更强,由此可推断出颗粒物数量浓度与健康效应的关系比质量浓度更具相关性[21]。Karottki等[22]研究微环境颗粒物对老年人的影响时观察到连续48 h颗粒物数量浓度增加,微血管功能可以降低8%。Strak等[23]将健康的志愿者暴露于大气颗粒物2 h,运用模型研究发现,数量浓度的改变与急性呼吸道炎症和肺功能损伤有密切关联。

1.2 粒径

粒径是研究颗粒物属性及致病性的主要分类依据,其不仅是划分大气颗粒物的重要指标,也是气溶胶行为最重要的参数,颗粒物几乎所有的物化特性和生物有效性都与其粒径尺度有关。颗粒物的粒径分布很广,跨越4个数量级,大量的流行病学和毒理学表明,颗粒物的粒径越小毒性越强,不同粒径的颗粒物由于穿透性不同随人体呼吸分布在呼吸道的不同位置,其中被人体吸入的超细颗粒物60%～80%可以在肺泡被吸收[9,24-26]。PM10通常可以进入鼻腔、咽喉,沉积在上呼吸道、气管和主支气管中；PM2.5-10可以进入呼吸道,但部分会随着人们吐痰、咳嗽、打喷嚏而被排出；75%的PM2.5主要沉积在细支气管、肺泡,但其中更细的成分还可以穿过肺泡进入到血液,渗透到细胞壁[14-15,26-27]；PM0.1甚至可以利用上皮细胞和内皮细胞通过转胞吞作用进入血液和淋巴循环,分布到全身各处,随后影响骨髓、淋巴结、脾脏和心脏等大部分组织和器官的潜在靶点[9,26]。Boman等[28]通过梳理数据库中关于住宅区燃烧木材产生的颗粒物引起各种健康影响的相关文献,发现急性哮喘与粒径小于10μm的颗粒物有关。Oberdorster等[29]则通过实验发现热降解聚四氟乙烯产生的超细颗粒物(直径中值26 nm),老鼠暴露10～30 min后与较大粒径的颗粒物相比更能引起出血性肺炎甚至死亡。同样,Castro等[30]对体育场馆内使用氧化镁干燥剂所产生的颗粒物对馆内人员的影响进行研究,发现所产生的颗粒物粒径大部分大于1μm或亚微米,这些颗粒物并没有到达肺泡,而是主要保留在了气管和支气管内。虽然这些颗粒物由于粒径较大没有进入肺泡,但是研究认为也会使人体产生神经系统紊乱、心脏障碍、呼吸道刺激等症状。

1.3 比表面积

毒理学实验表明,比表面积是大气颗粒物的重要物理化学属性,可以控制人体和动物的有毒有害物质的暴露量,是评价毒理效应的重要参数[31-32]。大气颗粒物尤其是超细颗粒物由于其特殊的纳米特性危害较为明显,在相同质量浓度下,大气颗粒物的粒径越小,其比表面积越大,越易吸附有毒、有害物质,使颗粒物的毒性增强[2]。这些被吸附的有毒、有害物质可直接随呼吸进入人体并沉积于肺部,也可以通过皮肤或毛囊进入体内,进而利用血液循环沉积在肝脏、心脏、脾脏等器官,产生氧化损伤和炎性反应,打破系统的自主平衡,对心肺系统和神经系统等产生更大的危害[1,16]。Chuang等[33]利用3种粒径的黑碳(black carbon,BC)研究对自发性高血压大鼠的毒理效应,发现粒径越小黑碳的比表面积越大,且比表面积的大小与氧化应激、DNA单链损伤和炎性反应存在一定关系,认为比表面可以作为研究黑碳对大鼠毒理效应的剂量标准。同样,Stoeger等[25]定量比较碳质超细颗粒物的急性损伤时发现,比表面积与老鼠的炎性反应存在明显的剂量响应。但是Topinka等[34]对东欧4个城镇大气中致癌性挥发有机物的基因毒性进行研究时发现,虽然超细颗粒物在所研究的4个粒径段中粒径最小,拥有最大的比表面积,但是却没有携带最多的致癌性挥发有机物,也不是诱导基因毒性最主要的物质,这一重要发现与已有研究略有不同,对全面研究大气颗粒物尤其是超细颗粒物的毒性和健康影响具有重要意义。

2 大气颗粒物来源的致病效应(The sources of atmospheric particulate matters for health effects)

大气颗粒物的来源、发生量及暴露水平会因不同国家和地区的地理位置、季节、气象条件、经济发展程度、能源结构、工艺方法、人口结构、生活习俗以及管理水平等的不同而存在很大的差异[10,16]。大气颗粒物的来源主要有2个方面:自然过程和人类活动[35]。自然过程包括火山活动、山林火灾、海啸、沙尘暴、扬尘、土壤和岩石风化以及大气圈的空气运动等；人类活动包括化石燃料燃烧、工业生产、建筑施工、采矿、生物质燃料燃烧等生产活动和生活活动2方面[11,36-37]。

不同来源的大气颗粒物,具有不同的物理化学属性,利用这些属性可以分析特定来源的颗粒物与健康影响之间的关系。Bell等[38]通过研究美国4个城市的孕妇怀孕期暴露的颗粒物,认为汽车燃料燃烧释放的锌(Zn)、硅(Si)、铝(Al)等物质与出生婴儿的体重偏低有关。Wu等[39]则更加全面的研究了各种排放源,通过对21名大学生从郊区到市区迁移过程中早晚呼气流量峰值的跟踪研究,发现交通排放的铜(Cu),工业排放的铜(Cu)和镉(Cd),煤燃烧产生的砷(As),长距离输送的灰尘所含的锡(Sn)可以明显降低肺部功能,对呼吸系统影响显著。Tapanainen等[40]通过分析小型木材燃烧设备,认为其产生的颗粒物可以导致细胞程序性死亡并引起DNA损伤。同样,Taner等[41]对14个采用木炭燃烧的餐厅排放的颗粒物研究发现,砷(As)和铬(Cr(VI))的致癌风险异常高,应引起从业人员的重视。Michael等[42]则对来自城市和农村的大气颗粒物进行实验分析,发现来自城市的颗粒物比来自农村的颗粒物更能降低肺部齿槽上皮细胞(A549)和小鼠巨噬细胞(RAW264.7)的活力,同时更易诱发炎性反应和增加氧化损伤。但是,Libalova等[43]认为不同来源的颗粒物中有机物组分对肺成纤维细胞(HEL12469)染毒后,一些个体基因转录的剂量-应答关系增强,但是这些转录的数据并没有因有机物组分的来源不同而呈现出不同的差异,由此推测不同来源的颗粒物可能有相同的生物效应。

3 大气颗粒物化学属性的致病效应 (The chemical properties of atmospheric particulate matters for health effects)

大气颗粒物的组分复杂,呈现出不均匀的“鸡尾酒”效应[16],各个研究领域对其组分的划分不尽相同,但主要包括有机成分、无机成分、水溶性成分和非水溶性成分等[44]。不同化学组分的颗粒物因其特定的属性对环境、健康的影响亦不尽相同,调整颗粒物各组分的比例,可以发现会产生不同的健康影响[45]。下面主要从碳成分、重金属、水溶性离子3个方面对大气颗粒物的化学组分与其致病性的关系进行分析。

3.1 碳成分

碳成分是大气颗粒物的重要组成部分,约占整个大气颗粒物的10%～70%左右[46],主要由含碳组分经不完全燃烧或光化学反应生成,其分类、主要存在形式及来源如表2所示[47-48]。

3.1.1 有机碳

有机碳(organic carbon,OC)主要来自污染源直接排放的一次有机碳(primary organic carbon,POC)和由挥发性碳氢化合物经过光化学反应形成的二次有机碳(secondary organic carbon,SOC)。大气颗粒物中含有较多的具有“三致”特点的有毒有害有机物,其中危害较大的是多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)及其衍生物,US EPA已将6种多环芳烃归为极可能致癌物,苯并[a]芘(BaP)是致癌性PAHs中致癌强度比较高的一种,通常将其作为所有致癌性PAHs的指示物,WHO规定的BaP日均值标准为1 ng·m-3。

目前,针对有毒有害有机物的健康影响,国内外开展了许多相关的流行病学和毒理学研究。Chen等[49]对12 982例缺血性中风患者研究发现,在暖季OC的急诊率。Faiola等[50]认为颗粒物中的蒽与铁离子具有某种协同作用,可以对线粒体产生一定的损伤。同样,Andreau等[51]通过实验发现PM2.5携带的芳香烃类成分可以模仿细胞凋亡的过程,其通过刺激芳香烃受体参与线粒体抗细胞凋亡过程,这一过程可能会诱导炎性损伤修复过程的延迟。另外, Libalova等[43]通过对实验得到的基因表达谱进行研究分析,认为PM2.5中的有机组分可以刺激人类胚胎肺成纤维细胞中芳香烃受体依赖的基因过度表达。

3.1.2 元素碳

元素碳(elemental carbon,EC)是无机碳(inorganic carbon,IC)的一种,主要以石墨化碳和炭黑形式存在,它们大多存在于小粒子中,具有较大的比表面积。EC既能充当其他物质参与光化学反应的催化剂,同时也可吸附其他有毒有害物质或者作为致病菌的载体携带病菌对人体健康造成危害[52]。运用模型进行分析,在单重或多重模型中EC是和死亡率最相关的颗粒物成分；同时研究也发现,在儿童出生后的2年,EC与儿童在寒冷季节时的咳嗽有关[36]。

3.1.3 黑碳

黑碳可认为是EC的一种,主要是含碳物质(如石油、煤、木炭、柴草、塑料垃圾、动物粪便等)不完全燃烧发生热解的产物,在扫描电镜下黑碳呈现出亚微米级的颗粒物聚合体(团状或者链状)。在研究应用中,BC往往辅助PM2.5等作为指示空气质量标准的指标,对于其致病研究相对较少[53]。其中,Hua等[54]在上海利用模型研究发现,无论是在单污染模型还是复合污染模型,BC对儿童产生的急性哮喘影响要比PM2.5强。Jung等[55]认为,室内较高浓度的PM2.5可以导致5～7岁的儿童出现咳嗽,而BC被认为可能导致了这种症状的出现。Saputra等[56]对吸入黑碳颗粒物的小鼠肺部进行组织病理学研究,发现纤连蛋白mRNA的表达非常显著,最终加重肺部炎症。Chuang[33]等通过研究认为,黑碳可以穿过气血屏障,造成自发性高血压大鼠产生应激反应和周边血液细胞的DNA损伤,引起肺部细胞炎性反应和细胞中毒,同时改变细胞的渗透性等。

3.2 重金属

有毒重金属可以通过水、空气和食物等载体进入人体[57]。在这3种方式中,尤其以空气吸入、皮肤渗透的方式最需要引起人们的关注,但往往由于各种原因此种方式又最容易被忽视。大气颗粒物所含的重金属致毒性极强,很多毒理学实验已经表明金属元素是大气颗粒物中造成危害的重要组分,其可通过呼吸作用进入人体,与人体中的蛋白质、DNA及RNA反应,抑制酶素或改变代谢物质的催化分解速率,或与其他物质反应产生各种机能障碍,导致儿童身体发育迟缓,甚至引发心脏病和各种癌症,对人类健康造成很大威胁[58-59]。不同的暴露方式可以产生不同的健康影响,暴露于高浓度重金属下常会产生不可逆转的急性毒性,即使是在低浓度的重金属环境中,长期暴露也会造成慢性中毒,严重影响健康[60]。

尤其是颗粒物中的可溶性重金属可以加重氧化应激,激活细胞因子、化学因子和其他炎性趋化因子的基因过表达。另外,金属元素可以产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS在体内可以诱发细胞产生炎性反应[61]。重金属的毒性主要表现为2方面:一方面其自身具备毒性,另一方面重金属还可作为活性载体或催化剂,吸附携带病菌或使其他颗粒污染物毒性增强[62]。Wu等[63]运用4种不同的混合影响模型对40名健康大学生进行研究,发现大气颗粒物中的重金属可能是主要污染物,可以影响呼吸系统,降低肺功能。Satsangi等[64]在探究颗粒物的性质时发现,Ni可以结合谷酸胺和天门冬氨酸,并通过形成H3-Ni/H4-Ni复合物来抑制它们的活性,这些复合物可以引起DNA甲基化,并且具有脱乙酰作用,同时可以使蛋白质遍在蛋白化,最终可引起肺癌和鼻癌。

3.3 水溶性离子

水溶性离子及其中的硝酸盐、硫酸盐、铵盐等二次粒子是大气颗粒物尤其是细小颗粒物的主要组成成分,在城市区域其可占到气溶胶颗粒物质量的1/3以上,水溶性离子的分类、主要存在形式及来源如表2所示[14,65]。

表2 含碳颗粒物与水溶性离子的分类、主要存在形式及来源Table 2 Categories,main existing form,and sources of carbon particle and water-soluble ions

酸碱度不仅影响颗粒物的形成,而且可对人体健康产生影响,而颗粒物的酸碱度与其水溶性离子密切相关[66]。相关研究表明,长时间暴露在强酸性大气中,会影响肺部发育和肺部功能；短期暴露则会影响肺部清除功能,导致气道高反应性甚至引起细胞增生[67]。通过对小鼠的暴露研究发现,酸性气溶胶粒子特别是颗粒物中的强酸性组分会引起小鼠的室性早搏和减少呼吸道呼气时间[68]。然而人和动物的对照实验却表明,暴露在强酸性硫酸盐颗粒物中可以引起肺功能的改变,降低对颗粒物的清除率,但是暴露在弱酸性硫酸铵中却没有观察到这些影响[69]。大量动物和人类毒理学实验显示,即使硫酸盐、硝酸盐的浓度超过环境空气的浓度也不会对健康产生显著的影响,因此推测气溶胶的生物学效应主要因为酸性而非颗粒物的阴离子,影响健康的有害成分应该是硫酸、硫酸氢铵和硝酸等强酸性物质,它们可以改变细胞的活性、表面黏附力、流动性、pH值等物化性质,同时可以产生、释放ROS和某些细胞因子(例如,肿瘤坏死因子TNFα、白细胞介素IL-1α、蛋白激酶MAPK)等[70]。目前对水溶性离子的致病性看法不一,究竟是颗粒物酸碱度还是水溶性离子本身对人体健康产生影响还不明确,但从研究成果来看其致病性是毋庸置疑的。

4 大气颗粒物通过氧化损伤途径诱发致病效应(Health effects induced by atmospheric particulate matters through oxidative damage)

氧化损伤是颗粒物进入机体后发挥毒性作用,诱发健康效应的重要机制之一[44,71]。颗粒物中的重金属、有机物和超细颗粒物可以通过催化氧化空气中的氧气和其他成分或刺激巨噬细胞、上皮细胞、中性白细胞、嗜酸细胞对ROS敏感的转录因子进行表达而产生 ROS或通过谷胱甘肽、还原型辅酶Ⅱ(NADPH)、二硫苏糖醇(DTT)、抗坏血酸盐的电子转移产生自由基[50,72]。

大气颗粒物上的重金属离子和产生或吸附的自由基与细胞反复作用,刺激各组织与系统炎性因子和氧自由基的释放,改变细胞的氧化还原态,继而促使氧化损伤发生[73]。图1为氧化损伤对健康影响的作用机制和通路[74]。具体来说,ROS或其他自由基产生后主要作用于脂质、蛋白质和基因:引起细胞膜脂质过氧化,影响膜的通透性和流动性,导致膜结构损伤；ROS或其他自由基可以使蛋白质氧化或水解、诱导或抑制蛋白酶活性；造成DNA损伤及产生致癌效应等[16,75]。

图1 氧化损伤对健康影响的作用机制和通路Fig.1 The mechanisms and pathways of oxidative stress on health effects

颗粒物引起的氧化损伤可以通过细胞内钙信号通路诱导炎性介质表达,细胞内钙主要利用钙调蛋白等蛋白质和蛋白激酶等酶来调节活化T细胞核因子(NFAT)和核转录因子(NF-κB)等关键因子,参与许多基因(特别是与机体防御功能及炎症反应有关的早期应答基因)的表达调控。以肺部细胞为例,当发生过氧化后,氧化应激在肺部靶细胞活化氧化还原信号通路来参与基因表达,导致细胞内出现钙超载并造成细胞凋亡,最终引起病理变化产生相应的疾病[74]。图2为颗粒物诱导ROS生成并对呼吸、心血管、免疫、神经等系统产生不利影响的主要机制[1]。Qi等[76]对小鼠巨噬细胞NR8383细胞束进行研究,认为颗粒物产生的NO和ROS可以引起氧化应激,在导致细胞凋亡时起到重要作用,当细胞存在炎性反应时,这种作用更加显著。同样,Cui等[77]发现颗粒物可以明显降低老鼠循环内皮祖细胞数量,同时ROS可以导致内皮祖细胞凋亡。氧化损伤机制是目前广泛流行且接受度最高的一种损伤机制之一,为研究大气颗粒物的致病机理提供了有利的证据。

图2 颗粒物诱导活性氧生成并对呼吸、心血管、免疫、神经系统等产生不利影响的主要机制Fig.2 Particle matter induced ROS generation as a major mechanism for the adverse effects in the respiratory, cardiovascular,immune,and neural systems

5 未来研究展望(Future research prospects)

随着人们对空气质量重视程度的加深,越来越多的研究者把研究重点聚焦在空气污染物对人体健康的损伤机制和相应的治理策略方面,有关大气颗粒物毒理作用机制的研究正不断地深入开展,在大气颗粒物物理化学属性与健康效应关系的研究上也取得了一定的成绩,但还面临着一系列的挑战与问题。基于目前大气颗粒物健康影响研究现状,未来的研究可从以下几点入手:

(1)深入研究大气颗粒物某一物理化学属性的致病机理和损伤机制,以此为基础拓展到多种属性协同作用可能产生的致病效应。

(2)加快制定大气颗粒物的剂量响应标准,以质量浓度、数量浓度或比表面积等为响应标准,确定颗粒物各种属性的致病阈值。

(3)虽然大气颗粒物的氧化损伤机制目前被广泛接受,但具体的自由基介导过程和信号调控过程还不明晰,且存在一定分歧,因此需要进一步深入研究完善氧化损伤机制。

(4)现有研究大多从单一物理化学属性入手研究对人体的损伤机制,但研究整体颗粒物的作用机制则相对较少,需要加强对全颗粒物致病机理和损伤机制的研究。

[1]Breysse P N,Delfino R J,Dominici F,et al.US EPA particulate matter research centers:Summary of research results for 2005-2011[J].Air Quality Atmosphere and Health,2013,6(2):333-355

[2]Lu S,Feng M,Yao Z,et al.Physicochemical characterization and cytotoxicity of ambient coarse,fine,and ultrafine particulate matters in Shanghai atmosphere[J].Atmospheric Environment,2011,45(3):736-744

[3]Bzdek B R,Pennington M R,Johnston M V.Single particle chemical analysis of ambient ultrafine aerosol:A review[J].Journal of Aerosol Science,2012,52:109-120

[4]Kumar P,Robins A,Vardoulakis S,et al.Technical challenges in tackling regulatory concerns for urban atmospheric nanoparticles[J].Particuology,2011,9(6):566-571

[5]Loomis D,Grosse Y,Lauby-Secretan B,et al.The carcinogenicity of outdoor air pollution[J].Lancet Oncology, 2013,14(13):1262-1263

[6]Kunzi L,Mertes P,Schneider S,et al.Responses of lung cells to realistic exposure of primary and aged carbonaceous aerosols[J].Atmospheric Environment,2013,68: 143-150

[7]Ho M,Wu K Y,Chein H M,et al.Pulmonary toxicity of inhaled nanoscale and fine zinc oxide particles:Mass and surface area as an exposure metric[J].Inhalation Toxicology,2011,23(14):947-956

[8]Hussain S,Boland S,Baeza-Squiban A,et al.Oxidative stress and proinflammatory effects of carbon black and titanium dioxide nanoparticles:Role of particle surface area and internalized amount[J].Toxicology,2009,260(1-3): 142-149

[9]Martins L D,Martins J A,Freitas E D,et al.Potential health impact of ultrafine particles under clean and polluted urban atmospheric conditions:A model-based study [J].Air Quality Atmosphere and Health,2010,3(1):29-39

[10]Chien L C,Alamgir H,Yu H L.Spatial vulnerability of fine particulate matter relative to the prevalence of diabetes in the United States[J].Science of the Total Environment,2015,508:136-144

[11]Mirowsky J E,Jin L,Thurston G,et al.In vitroandin vivotoxicity of urban and rural particulate matter from California[J].Atmospheric Environment,2015,103:256-262

[12]Osornio-Vargas A R,Serrano J,Rojas-Bracho L,et al.In vitrobiological effects of airborne PM2.5and PM10from a semi-desert city on the Mexico-US border[J].Chemosphere,2011,83(4):618-626

[13]Just B,Rogak S,Kandlikar M.Characterization of ultrafine particulate matter from traditional and improved biomass cookstoves[J].Environmental Science&Technology,2013,47(7):3506-3512

[14]Heal M R,Kumar P,Harrison R M.Particles,air quality, policy and health[J].Chemical Society Reviews,2012,41 (19):6606-6630

[15]Cyrys J,Peters A,Soentgen J,et al.Low emission zones reduce PM10mass concentrations and diesel soot in German cities[J].Journal of the Air&Waste Management Association,2014,64(4):481-487

[16]Price H D,Jones T P,BeruBe K A.Resolution of the mediators ofin vitrooxidative reactivity in size-segregated fractions that may be masked in the urban PM10cocktail [J].Science of the Total Environment,2014,485:588-595

[17]Wang J,Hu Z,Chen Y,et al.Contamination characteristics and possible sources of PM10and PM2.5in different functional areas of Shanghai,China[J].Atmospheric Environment,2013,68:221-229

[18]Chen R,Kan H,Chen B,et al.Association of particulate air pollution with daily mortality[J].American Journal of Epidemiology,2012,175(11):1173-1181

[19]Sorensen M,Autrup H,Hertel O,et al.Personal exposure to PM2.5and biomarkers of DNA damage[J].Cancer Epidemiology Biomarkers&Prevention,2003,12(3):191-196

[20]Bernatsky S,Fournier M,Pineau C A,et al.Associations between ambient fine particulate levels and disease activity in patients with systemic lupus erythematosus(SLE) [J].Environmental Health Perspectives,2011,119(1):45-49

[21]Kumar P,Gurjar B R,Nagpure A S,et al.Preliminary estimates of nanoparticle number emissions from road vehicles in megacity delhi and associated health impacts[J]. Environmental Science&Technology,2011,45(13): 5514-5521

[22]Karottki D G,Spilak M,Frederiksen M,et al.Indoor and outdoor exposure to ultrafine,fine and microbiologically derived particulate matter related to cardiovascular and respiratory effects in a panel of Elderly Urban Citizens[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health,2015,12(2):1667-1686

[23]Strak M,Janssen N A H,Godri K J,et al.Respiratory health effects of airborne particulate matter:The role of particle size,composition,and oxidative potential-the RAPTES project[J].Environmental Health Perspectives,2012,120(8):1183-1189

[24]Chow J C,Watson J G,Mauderly J L,et al.Health effects of fine particulate air pollution:Lines that connect[J]. Journal of the Air&Waste Management Association, 2006,56(10):1368-1380

[25]Stoeger T,Reinhard C,Takenaka S,et al.Instillation of six different ultrafine carbon particles indicates a surface area threshold dose for acute lung inflammation in mice [J].Environmental Health Perspectives,2006,114(3): 328-333

[26]Notter D A.Life cycle impact assessment modeling for particulate matter:A new approach based on physicochemical particle properties[J].Environment International,2015,82:10-20

[27]van Berlo D,Hullmann M,Schins R P F.Toxicology of Ambient Particulate Matter[M].Molecular,Clinical and Environmental Toxicology,2012,101:165-217

[28]Boman B C,Forsberg A B,Jarvholm B G.Adverse health effects from ambient air pollution in relation to residential wood combustion in modern society[J].Scandinavian Journal of Work Environment&Health,2003,29(4): 251-260

[29]Oberdorster G,Gelein R M,Ferin J,et al.Association of particulate air pollution and acute mortality:Involvement of ultrafine particles?[J].Inhalation Toxicology,1995,7 (1):111-124

[30]Castro A,Calvo A I,Alves C,et al.Indoor aerosol size distributions in a gymnasium[J].Science of the Total Environment,2015,524:178-186

[31]Oberdorster G,Maynard A,Donaldson K,et al.Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials:Elements of a screening strategy[J].Particle and Fibre Toxicology,2005,2:8-8

[32]O'Shaughnessy P T.Occupational health risk to nanoparticulate exposure[J].Environmental Science-Processes& Impacts,2013,15(1):49-62

[33]Chuang H C,Chen L C,Lei Y C,et al.Surface area as a dose metric for carbon black nanoparticles:A study of oxidative stress,DNA single-strand breakage and inflammation in rats[J].Atmospheric Environment,2015,106: 329-334

[34]Topinka J,Milcova A,Schmuczerova J,et al.Ultrafine particles are not major carriers of carcinogenic PAHs and their genotoxicity in size-segregated aerosols[J].Mutation Research-Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis,2013,754(1-2):1-6

[35]Oh S M,Kim H R,Park Y J,et al.Organic extracts of urban air pollution particulate matter(PM2.5)-induced genotoxicity and oxidative stress in human lung bronchial epithelial cells(BEAS-2B cells)[J].Mutation Research-GeneticToxicology and EnvironmentalMutagenesis, 2011,723(2):142-151

[36]Kelly F J,Fussell J C.Size,source and chemical composition as determinants of toxicity attributable to ambient particulate matter[J].Atmospheric Environment,2012, 60:504-526

[37]Sanderson P,Delgado-Saborit J M,Harrison R M.A review of chemical and physical characterisation of atmospheric metallic nanoparticles[J].Atmospheric Environment,2014,94:353-365

[38]Bell M L,Belanger K,Ebisu K,et al.Prenatal exposure to fine particulate matter and birth weight variations by particulate constituents and sources[J].Epidemiology,2010, 21(6):884-891

[39]Wu S,Deng F,Hao Y,et al.Chemical constituents of fine particulate air pollution and pulmonary function in healthy adults:The healthy volunteer natural relocation study[J]. Journal of Hazardous Materials,2013,260:183-191

[40]Tapanainen M,Jalava P I,Maki-Paakkanen J,et al.In vitroimmunotoxic and genotoxic activities of particles emitted from two different small-scale wood combustion appliances[J].Atmospheric Environment,2011,45(40): 7546-7554

[41]Taner S,Pekey B,Pekey H.Fine particulate matter in the indoor air of barbeque restaurants:Elemental compositions,sources and health risks[J].Science of the Total Environment,2013,454:79-87

[42]Michael S,Montag M,Dott W.Pro-inflammatory effects and oxidative stress in lung macrophages and epithelial cells induced by ambient particulate matter[J].Environmental Pollution,2013,183:19-29

[43]Libalova H,Uhlirova K,Klema J,et al.Global gene expression changes in human embryonic lung fibroblasts induced by organic extracts from respirable air particles[J]. Particle and Fibre Toxicology,2012,9:1

[44]Yi S,Zhang F,Qu F,et al.Water-insoluble fraction of airborne particulate matter(PM10)induces oxidative stress in human lung epithelial A549 Cells[J].Environmental Toxicology,2014,29(2):226-233

[45]Franklin M,Koutrakis P,Schwartz J.The role of particle composition on the association between PM2.5and mortality[J].Epidemiology,2008,19(5):680-689

[46]Wingfors H,Hagglund L,Magnusson R.Characterization of the size-distribution of aerosols and particle-bound content of oxygenated PAHs,PAHs,and n-alkanes in urban environments in Afghanistan[J].Atmospheric Envi-ronment,2011,45(26):4360-4369

[47]Vilcassim M J R,Thurston G D,Peltier R E,et al.Black carbon and particulate matter(PM2.5)concentrations in New York city's subway stations[J].Environmental Science&Technology,2014,48(24):14738-14745

[48]Zhu C S,Cao J J,Tsai C J,et al.Comparison and implications of PM2.5carbon fractions in different environments[J].Science of the Total Environment,2014,466: 203-209

[49]Chen S Y,Lin Y L,Chang W T,et al.Increasing emergency room visits for stroke by elevated levels of fine particulate constituents[J].Science of the Total Environment,2014,473:446-450

[50]Faiola C,Johansen A M,Rybka S,et al.Ultrafine particulate ferrous iron and anthracene associations with mitochondrial dysfunction[J].Aerosol Science and Technology,2011,45(9):1109-1122

[51]Andreau K,Ferecatu I,Leroux M,et al.Polycyclic aromatic hydrocarbon components contribute to the mitochondria-antiapoptotic effect of fine particulate matter on human bronchial epithelial cells via the aryl hydrocarbon receptor[J].Toxicology Letters,2011,205:S180-S180

[52]Reche C,Querol X,Alastuey A,et al.New considerations for PM,black carbon and particle number concentration for air quality monitoring across different European cities [J].Atmospheric Chemistry and Physics,2011,11(13): 6207-6227

[53]Janssen N A H,Hoek G,Simic-Lawson M,et al.Black carbon as an additional indicator of the adverse health effects of airborne particles compared with PM10and PM2.5[J].Environmental Health Perspectives,2011,119 (12):1691-1699

[54]Hua J,Yin Y,Peng L,et al.Acute effects of black carbon and PM2.5on children asthma admissions:A time-series study in a Chinese city[J].Science of the Total Environment,2014,481:433-438

[55]Jung K H,Hsu S I,Yan B,et al.Childhood exposure to fine particulate matter and black carbon and the development of new wheeze between ages 5 and 7 in an urban prospective cohort[J].Environment International,2012, 45:44-50

[56]Saputra D,Yoon J H,Park H,et al.Inhalation of carbon black nanoparticles aggravates pulmonary inflammation in mice[J].Toxicological Research,2014,30(2):83-90

[57]Rai S,Gupta S,Mittal P C.Dietary intakes and health risk of toxic and essential heavy metals through the food chain in agricultural,industrial,and coal mining areas of northern India[J].Human and Ecological Risk Assessment, 2015,21(4):913-933

[58]Cakmak S,Dales R,Kauri L M,et al.Metal composition of fine particulate air pollution and acute changes in cardiorespiratory physiology[J].Environmental Pollution, 2014,189:208-214

[59]Huang H B,Chen G W,Wang C J,et al.Exposure to heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons and DNA damage in Taiwanese traffic conductors[J].Cancer Epidemiology Biomarkers&Prevention,2013,22(1): 102-108

[60]Zhou P,Guo J,Zhou X,et al.PM2.5,PM10and health risk assessment of heavy metals in a typical printed circuit noards manufacturing workshop[J].Journal of Environmental Sciences-China,2014,26(10):2018-2026

[61]Di Pietro A,Baluce B,Visalli G,et al.Ex vivo study for the assessment of behavioral factor and gene polymorphisms in individual susceptibility to oxidative DNA damage metals-induced[J].International Journal of Hygiene and Environmental Health,2011,214(3):210-218

[62]Han Y M,Cao J J,Jin Z D,et al.Elemental composition of aerosols in Daihai,a rural area in the front boundary of the summer Asian monsoon[J].Atmospheric Research, 2009,92(2):229-235

[63]Wu S,Deng F,Wang X,et al.Association of lung function in a panel of young healthy adults with various chemical components of ambient fine particulate air pollution in Beijing,China[J].Atmospheric Environment, 2013,77:873-884

[64]Satsangi P G,Yadav S,Pipal A S,et al.Characteristics of trace metals in fine(PM2.5)and inhalable(PM10)particles and its health risk assessment along with in-silico approach in indoor environment of India[J].Atmospheric Environment,2014,92:384-393

[65]Zhang T,Cao J J,Tie X X,et al.Water-soluble ions in atmospheric aerosols measured in Xi'an,China:Seasonal variations and sources[J].Atmospheric Research,2011, 102(1-2):110-119

[66]Hu G Y,Zhang Y M,Sun J Y,et al.Variability,formation and acidity of water-soluble ions in PM2.5in Beijing based on the semi-continuous observations[J].Atmospheric Research,2014,145:1-11

[67]Gwynn R C,Burnett R T,Thurston G D.A time-series analysis of acidic particulate matter and daily mortality and morbidity in the Buffalo,New York,region[J].Environmental Health Perspectives,2000,108(2):125-133

[68]Wellenius G A,Diaz E A,Gupta T,et al.Electrocardiographic and respiratory responses to coal-fired power plant emissions in a rat model of acute myocardial infarc-tion:Results from the toxicological evaluation of realistic emissions of source aerosols study[J].Inhalation Toxicology,2011,23:84-94

[69]Hazi Y,Heikkinen M S A,Cohen B S.Size distribution of acidic sulfate ions in fine ambient particulate matter and assessment of source region effect[J].Atmospheric Environment,2003,37(38):5403-5413

[70]Reiss R,Anderson E L,Cross C E,et al.Evidence of health impacts of sulfate-and nitrate-containing particles in ambient air[J].Inhalation Toxicology,2007,19(5): 419-449

[71]Yang A,Jedynska A,Hellack B,et al.Measurement of the oxidative potential of PM2.5and its constituents:The effect of extraction solvent and filter type[J].Atmospheric Environment,2014,83:35-42

[72]Jacobi H W,Kleffmann J,Villena G,et al.Role of nitrite in the photochemical formation of radicals in the snow [J].Environmental Science&Technology,2014,48(1): 165-172

[73]Wang D,Pakbin P,Shafer M M,et al.Macrophage reactive oxygen species activity of water-soluble and waterinsoluble fractions of ambient coarse,PM2.5and ultrafine particulate matter(PM)in Los Angeles[J].Atmospheric Environment,2013,77:301-310

[74]Donaldson K,Stone V,Borm P J A,et al.Oxidative stress and calcium signaling in the adverse effects of environmental particles(PM10)[J].Free Radical Biology and Medicine,2003,34(11):1369-1382

[75]Wei Y,Han I K,Shao M,et al.PM2.5constituents and oxidative DNA damage in humans[J].Environmental Science&Technology,2009,43(13):4757-4762

[76]Xiong Q,Ru Q,Chen L,et al.Combined effects of fine particulate matter and lipopolysaccharide on apoptotic responses in NR8383 macrophages[J].Journal of Toxicology and Environmental Health,2015,78(7):443-452

[77]Cui Y,Xie X,Jia F,et al.Ambient fine particulate matter induces apoptosis of endothelial progenitor cells through reactive oxygen species formation[J].Cell Physiol Biochem,2015,35(1):353-363

The Research Progress in Physiochemical Properties of Atmospheric Particulate Matters for Health Effects and Mechanisms

Fu Kai,Zhou Qixing,Hu Xiangang*
Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria(Ministry of Education),Tianjin Key Laboratory of Environmental Remediation and Pollution Control,College of Environmental Science and Engineering,Nankai University,Tianjin 300071,China

1 July 2015 accepted 3 August 2015

Recently,the health effects and environmental implications of atmospheric particulate matters(PM)have attracted much attention around the world,especially in China.PM could induce some serious diseases,for instance,asthma,lung cancer,cardiovascular and cerebrovascular diseases.Many epidemiological and toxicological studies have focused on the adverse effects of PM on respiratory,cardiovascular,nervous and immune systems. Moreover,the promotion of human morbidity and mortality by PM was also reported.The present work reviewed the effects of PM physiochemical properties on the health of human and animals.The studies to illustrate the effect mechanisms by one or two PM properties are not reasonable.Notably,the adverse effects are determined by the multiple properties of PM,and the relevant mechanisms are largely unknown.Herein,the global properties of PM,including particle size,concentration,specific surface area,source and composition,were discussed.The oxidative stress induced by PM is considered as the main mechanism of adverse effects on respiratory,cardiovascular,immune,and neural systems.The oxidative potentials,the metallic contents,and the generation of free radicals linked to the upregulation of oxidative stress.And then,the upregulation of oxidative stress trigged cytotoxicity,inflammation factors and genotoxicity.However,the biological molecular pathways of oxidative stress increasing remain obscure in the studies of PM.Finally,this review proposed the future work that should be emphasized:(i)the synergetic adverse effects of PM induced by their multiple properties together;(ii)the threshold values and standards for the regulation of PM adverse effects according to multiple properties rather than concentration alone;and(iii)the mechanisms of oxidative stress based on free radicals and protein signals.

particulate matter;health effects;mechanisms;oxidative stress;ROS;PM2.5

2015-07-01 录用日期:2015-08-03

1673-5897(2016)1-025-12

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20150701001

付铠,周启星,胡献刚.大气颗粒物物理化学属性致病效应与损伤机制的研究进展[J].生态毒理学报,2016,11(1):25-36

Fu K,Zhou Q X,Hu X G.The Research progress in physiochemical properties of atmospheric particulate matters for health effects and mechanisms[J]. Asian Journal of Ecotoxicology,2016,11(1):25-36(in Chinese)

教育部“污染生态化学”创新团队(IRT13024)基金项目；美国国家地理学会基金项目

付铠(1988—),男,研究方向为大气颗粒物的人体健康影响,Email:fukai1998@126.com

),E-mail:huxiangang@nankai.edu.cn

简介:胡献刚(1983-)，男，博士，副教授。主要从事生态环境健康、环境毒理和污染环境修复等方面的研究。在国内外环境类顶级学术刊物上发表论文二十余篇。