可吸入颗粒物 (PM10) 指空气动力学直径≤10 μm的颗粒物，其比表面积大且有较强的吸附能力，是多种污染物的“载体”和“催化剂”。由于PM10体积较小、质轻、流动性大等特点，可随呼吸作用进入人体并引发多种疾病。Zhou等[1]对PM10与呼吸系统疾病死亡率关系的研究发现，PM10浓度每增加10 μg/m3，成人因呼吸系统疾病的死亡率增加1.05%(95%CI：0.08~2.04)；在北方寒冷季节 (有中央供暖系统)，PM10浓度每增加10 μg/m3，老年人因呼吸系统疾病的死亡率可增加1.62%(95%CI：0.22~3.46)。PM10对人体的毒害作用不仅取决于浓度，更与其组分密切相关。对此，本文将对PM10不同组分的健康效应及其毒性机制进行综述。
1 PM10中金属组分的健康效应及其机制可吸入颗粒物中的金属组分与其它无机、有机污染物的最大区别在于其具有不可降解的特性。金属组分会随着颗粒物的迁移广泛分布在大气环境中，造成长久的危害。由于金属组分可造成人体氧化损伤，诱导转录调节核因子产生活性，致使呼吸系统疾病及癌症的患病风险大大提高。因此，诸多学者对颗粒物中金属组分与健康效应的关系进行了研究，为今后探讨PM10中金属的毒性机制提供了重要依据。
金属冶炼业作为支柱性产业，在其不断发展壮大的同时，对大气环境的污染起重要作用，其排放的工业废气中含有大量的金属组分，可对人体产生较大危害。据有关报道，长期暴露于冶炼废气环境中，可导致肺功能下降，增加了患感染性肺炎的风险[2]。阿根廷科尔多瓦市的一项流行病学研究结果显示[3]，由于冶金业主要集中在该市东南地区，导致该区大气中的铁、锰、铜和锌等金属含量高于其他地区。居住在该区的六岁以下儿童，咽炎、哮喘等呼吸系统疾病的患病率明显高于该市其他地区的同龄儿童。Bessö等[4]在瑞士某金属冶炼厂周边地区进行了一项病例对照研究，结果显示，居住在靠近冶炼厂的成年男性患肺癌的相对危险度 (RR) 为1.38(95% CI：0.89~2.14)。选取甘肃某一有色金属污染区居民为研究对象，非污染区居民作为对照[5]，结果显示，两区呼吸系统患病率存在显著性差异 (χ2=53.486，P < 0.01)，污染区气管炎、哮喘患病率与对照区相比有显著性差异 (χ2分别为15.007、17.049，P均 < 0.01)。
一些研究认为，可吸入颗粒物中的过渡金属是造成毒性的重要成分，铁、铜、钒等通过芬顿 (Fenton) 反应形成活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS)[6]。他们与铁调节蛋白的交互做用影响了细胞内铁的代谢[7]。铁的化学性质活泼，其胞内浓度变化可直接影响到细胞内氧化还原体系的平衡[8]。Costa等[9]研究认为生物活性金属，特别是铁 (Fe)，直接或间接形成自由基形式造成氧化性损伤。当利用金属螯合剂去除颗粒物中三价铁后可以发现，颗粒物相关的氧化应激、炎性介质均有所减少[10]。贺擎等[11]对冬季和夏季颗粒物中金属元素含量与颗粒物毒性效应进行了线性回归分析，结果显示，除了铬 (Cr) 和镍 (Ni) 外，各金属元素浓度均与颗粒物引起人肺癌细胞系 (A549细胞) 活力呈负相关，而与活性氧族 (ROS) 生成呈正相关。Valavanidis等[12]通过实验证明Fe和钒 (V) 与DNA损伤标志物8-羟脱氧鸟苷 (8-OHdG) 的形成密切相关。由于8-OHdG被广泛应用于各种氧化损伤的研究，因此该实验结果可以说明颗粒物中的无机成分，尤其是过渡金属是诱发氧化损伤的关键因素。
通过大量研究发现，ROS与RNS可诱导转录调节核因子 (NF-κB) 产生活性。作为细胞内最重要的核转录因子，NF-κB被激活后与DNA接触，启动白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8) 等细胞因子的基因转录，在机体的炎症反应、免疫应答等方面发挥着重要的作用[13-16]。Quay等[17]进行体外实验时发现，存在于残油飞灰 (ROFA) 中的过渡金属可调控NF-κB，促进了IL-6的转录，导致了呼吸道上皮细胞炎性因子IL-8的表达。
2 PM10中含碳组分的健康效应及其机制碳是PM10主要的富含元素之一，以有机碳 (organic carbon，OC)、元素碳 (elemental carbon，EC) 和碳酸盐 (carbonate，CC) 等形式存在。CC在颗粒物中的含量很低，一般不予考虑。长期吸入可造成呼吸系统疾病的就诊率上升，亦可增加患癌风险
2.1 有机碳 (OC) 的健康效应及其机制OC主要来自于污染源直接排放的一次有机碳 (POC) 和挥发性碳氢化合物经过光化学反应后形成的二次有机碳 (SOC)。这些有机碳中主要包含多环芳烃 (PAHs)、酞酸脂和醛酮类羧基化合物等有毒有害类物质，危害人类健康。
OC中的PAHs是公认的化学致癌物质之一，具有高毒性、持久性、累积性和流动性的特点，是一种典型的持久性有机污染物 (POPs)。在一项职业性PAHs暴露与肺癌发生关系的调查研究中[18]，暴露人群尿1-羟基芘 (1-OHP) 的对数浓度与肿瘤标志物血清癌胚抗原 (CEA)、细胞角质蛋白19片段 (CYFRA21-1) 的含量呈正相关关系 (r分别为0.4826、0.3938~0.4826；P < 0.05)。杨凯云等[19]在对宣威女性肺癌患者肺组织中PAHs-DNA加合物的表达研究中发现，PAHs-DNA加合物在宣威女性肺癌患者癌组织中的表达比非宣威女性肺癌患者高 (χ2=19.798，P < 0.001)。丛李园等[20]利用超声萃取-固相萃取净化-高效液相色谱法测定人类直肠组织中PAHs的含量。经统计分析发现，芘、2-甲基蒽和苯并 (a) 芘在直肠癌组织和癌旁组织中的含量均高于非直肠癌患者的直肠组织，差异有统计学意义[F(2.63~6.87)，Q(3.101 8~4.7782)；P < 0.05]。
在过去的研究中发现，苯并芘 (BaP) 作为PAHs中第一个被发现的致癌物质，其分布广、毒性最强。anti-BPDE为BaP代谢终产物中毒性最强的物质，在Ⅰ相代谢酶P450的催化下进一步形成苯并 (a) 芘-7, 8-二氢二醇-9, 10-环氧化物 (BPDE)。由于BPDE可与核酸碱基和蛋白质氨基酸的亲核集团共价结合形成加合物，进而构成癌变的物质基础[21]。
PAHs在经人体代谢产生致癌性物质的同时，其自身可刺激机体产生氧化应激反应，导致谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 的过度消耗或合成不足，下调了GSH-Px的作用，从而打破自由基与抗氧化物之间的平衡关系。由于细胞膜得不到及时修复，组织结构受损，最终导致化学致癌物或自然肿瘤的发生、发展[22-23]。周登峰等[24]在暴露于BaP环境的肺癌患者中发现，其血浆中GSH-Px活力与健康组比较明显降低。
2.2 无机碳 (EC) 的健康效应及其机制元素碳又称碳黑 (CB)，是化石或生物质燃料不完全燃烧产物之一，具有较大的比表面积以及很强的吸附能力，更易吸附重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌、病毒等有害成分，可以有效地渗透进入肺的间隙组织，逃避巨噬细胞的清除作用，引发肺部和系统性的氧化应激反应与炎症，影响人类健康。
一项关于美国波士顿地区24857名肺炎患者与CB之间关系的调查，结果显示，大气中CB可使肺炎患者入院风险提高11.7%(95%CI：4.8~17.4)[25]。Mohr等[26]在调查儿童哮喘急诊率与CB的关系时发现，在夏季，CB每升高0.10 g/m3，儿童哮喘急诊率增加9.45%(95%CI：1.02~1.17)。
Gao等[27]通过动物实验发现，小鼠气管滴注CB及臭氧处理的碳黑 (O3-CB) 后，肺组织出现炎性改变，可见肺泡间隔、细支气管管壁增厚、肺泡腔缩小、间质内炎性细胞浸润。将感染呼吸道合胞体病毒 (respiratory syncytial virus，RSV) 的小鼠暴露于CB后，其噬中性粒细胞增多，肿瘤坏死因子-α(TNF-α) 和白细胞介素-13(IL-13) 水平增加[28]。钱孝琳等[29]通过检测大鼠肺灌洗液发现，丙二醛 (MDA) 和一氧化氮合酶 (NOS) 水平的明显升高，提示超细碳黑 (UFCB) 可造成肺组织氧自由基的增加，氧化应激水平的提高，从而使机体发生氧化损伤，脂质过氧化等，进一步引起细胞损伤，以及生物膜通透性的改变。由于CB具有很强的吸附能力，可吸附大气环境中的多环芳烃类物质，并通过碳离子或自由基的链接和重组方式，形成了以1, 4-萘醌老化黑碳 (BC/1, 4-NQ) 为代表的二次污染颗粒物质。体外实验研究显示[30]，人支气管上皮细胞系 (16 HBE细胞系) 经BC/1, 4-NQ染毒后，细胞内ROS水平增高，并引起细胞不同程度的细胞毒性和DNA链断裂损伤。Colicino等[31]对533名长期接触碳黑的男性进行检测，发现在CB的影响下单核苷酸多态性发生了改变。
3 PM10中水溶性无机盐的健康效应及其机制水溶性无机盐是PM10中重要的组成部分。在经过复杂转化和物理化学反应后，其对地球-大气系统平衡和人体健康有着极为重要的影响。PM10中的硫酸盐主要来源于大气中二氧化硫 (SO2) 转化。相关研究表明，在臭氧和水汽存在的条件下，SO2能迅速地在碳酸钙的表面上被臭氧氧化生成硫酸盐。NO3-作为水溶性离子的主要成分之一，主要由汽车尾气排放的氮氧化物 (NOx) 经非均相氧化作用产生。气态硝酸在强烈的太阳辐射下与阳离子反应生成硝酸盐。
流行病学研究显示，PM10中水溶性无机盐组分与健康效应相关。20世纪60年代，美国西南地区四州中，铜冶炼厂作为最主要的硫酸盐排放源，排放量约占总量的90%。在8.5个月的罢工期间，该地区大气硫酸盐悬浮颗粒物浓度下降约60%。基于泊松回归模型，估计罢工期间死亡率降低2.5%(95% CI：1.1~4.0)[32]。在一项大气颗粒物污染与心血管疾病死亡率关系的研究中发现，颗粒物中硫酸盐、硝酸盐和铵均与心血管疾病死亡率显著相关，超额危险度 (ER) 为2.21%(95%CI：1.05~3.38)，1.98%(95%CI：0.54~3.44) 和3.38%(95%CI：1.56~5.23)[33]。
由于水溶性无机盐会随着颗粒物通过呼吸作用进入人体，因此对呼吸系统的损害较为直接。动物实验发现，将ICR小鼠暴露在表面吸附有硫酸盐和硝酸盐的亚洲沙尘暴悬浮颗粒物环境中，小鼠支气管肺泡灌洗液中中性粒细胞数量增高，支气管上皮环状细胞增生，诱导炎症发生[34]。在体外实验中，SO2衍生物能上调人支气管上皮细胞特有的黏蛋白分泌因子MUCSAC和细胞因子IL-13的表达水平。由于IL-13的表达上调，可引起气道高反应性、黏液分泌增多、炎性细胞浸润、免疫球蛋白E (IgE) 合成增多等多种复杂反应[35]。Schlesinger等[36]认为，颗粒物中硫酸、硫酸氢铵成分有损害肺泡巨噬细胞的作用，以及诱导某些细胞因子 (如TNF-α、IL-1α等) 的产生和释放。也有学者认为[37-38]，PM10与细颗粒物 (PM2.5) 表面吸附的硫酸盐、硝酸盐和臭氧还与心脏心率变异性 (HRV) 有关。当污染物浓度增高，血清中超敏C反应蛋白 (hs-CRP) 和8-羟基脱氧鸟苷 (8-OHdG) 水平上升，又可对内源性凝血途径产生较大的影响，促进血栓形成，增加了静脉血栓率。
在过去的研究中发现，水溶性无机盐对神经系统存在着一定的危害。Ejaz等[39]采用免疫组化技术发现，慢性硫酸铝暴露的小鼠其大脑发生神经病变，出现纯皮质神经元消失。由此推测，长期暴露于水溶性无机盐环境中会增加患中风、阿尔茨海默症等神经系统疾病的风险。
4 展望随着工业化进程的加快，机动车保有量的不断攀升，大气颗粒物污染日趋严重。根据世界卫生组织 (WHO) 对空气污染造成的疾病负担的评估，每年有超过两百万的过早死亡归因于室外和室内空气污染。有研究发现，60%~90%的大气有害污染物质存在于PM10中。作为多种污染物质的“载体”和“催化剂”，PM10成为多种污染物的集合体，是导致各种疾病的罪魁祸首。由此，PM10污染已成为亟待解决的重点公共卫生问题。我国在2012年新修订的《环境空气质量指标》(GB 3095-2012)[40]将PM10归入到环境监督体系中[40]。
尽管目前对PM10各组分健康效应关系及毒性机制的研究已取得不少进步，但对于各组分之间联合作用的机制尚未清楚。因此，进一步深入研究PM10毒作用机制及制定切实可行的防治策略，对人群健康的保护具有十分重要的现实意义。
| [1] | Zhou MG, He GJ, Liu YN, et al. The associations between ambient air pollution and adult respiratory mortality in 32 major Chinese cities, 2006-2010[J]. Environ Res, 2015, 137: 278–286. doi: 10.1016/j.envres.2014.12.016 |
| [2] | Søyseth V, Johnsen HL, Kongerud J. Respiratory hazards of metal smelting[J]. Curr Opin Pulm Med, 2013, 19(2): 158–162. doi: 10.1097/MCP.0b013e32835ceeae |
| [3] | Carreras HA, Wannaz ED, Pignata ML. Assessment of human health risk related to metals by the use of biomonitors in the province of Córdoba, Argentina[J]. Environ Pollut, 2009, 157(1): 117–122. doi: 10.1016/j.envpol.2008.07.018 |
| [4] | Bess A, Nyberg F, Pershagen G. Air pollution and lung cancer mortality in the vicinity of a nonferrous metal smelter in Sweden[J]. Int J Cancer, 2003, 107(3): 448–452. doi: 10.1002/ijc.v107:3 |
| [5] | 牛静萍, 丁国武, 刘兴荣, 等. 环境有色金属污染对人群健康影响[J]. 中国公共卫生, 2004, 20 (3): 277–278. |
| [6] | Donaldson K, Stone V, Borm PJA, et al. Oxidative stress and calcium signaling in the adverse effects of environmental particles (PM10)[J]. Free Radic Biol Med, 2003, 34(11): 1369–1382. doi: 10.1016/S0891-5849(03)00150-3 |
| [7] | Mladěnka P, Simunek T, Hübl M, et al. The role of reactive oxygen and nitrogen species in cellular iron metabolism[J]. Free Radic Res, 2006, 40(3): 263–272. doi: 10.1080/10715760500511484 |
| [8] | Elroy-Stein O, Bernstein Y, Groner Y. Overproduction of human Cu/Zn-superoxide dismutase in transfected cells:extenuation of paraquat-mediated cytotoxicity and enhancement of lipid peroxidation[J]. EMBO J, 1986, 5(3): 615–622. |
| [9] | Costa DL, Dreher KL. Bioavailable transition metals in particulate matter mediate cardiopulmonary injury in healthy and compromised animal models[J]. Environ Health Perspect, 1997, 105(Suppl 5): 1053–1060. doi: 10.1289/ehp.97105s51053 |
| [10] | Diabaté S, Bergfeldt B, Plaumann D, et al. Anti-oxidative and inflammatory responses induced by fly ash particles and carbon black in lung epithelial cells[J]. Anal Bioanal Chem, 2011, 401(10): 3197–3212. doi: 10.1007/s00216-011-5102-4 |
| [11] | 贺擎, 丁文军, 芮魏, 等. 冬季和夏季PM10和PM2.5对人肺上皮细胞A549毒性的比较[J]. 中国科学院研究生院学报, 2012, 29 (3): 324–331. |
| [12] | Valavanidis A, Vlahoyianni T, Fiotakis K. Comparative study of the formation of oxidative damage marker 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG) adduct from the nucleoside 2'-deoxyguanosine by transition metals and suspensions of particulate matter in relation to metal content and redox reactivity[J]. Free Radic Res, 2005, 39(10): 1071–1081. doi: 10.1080/10715760500188671 |
| [13] | Lee KM, Kang BS, Lee HL, et al. Spinal NF-κB activation induces COX-2 upregulation and contributes to inflammatory pain hypersensitivity[J]. Eur J Neurosci, 2004, 19(12): 3375–3381. doi: 10.1111/j.0953-816X.2004.03441.x |
| [14] | Choi JH, Kim JS, Kim YC, et al. Comparative study of PM2.5-and PM10-induced oxidative stress in rat lung epithelial cells[J]. J Vet Sci, 2004, 5(1): 11–18. |
| [15] | Pozzi R, De Berardis B, Paoletti L, et al. Inflammatory mediators induced by coarse (PM2.5-10) and fine (PM2.5) urban air particles in RAW 264.7 cells[J]. Toxicology, 2003, 183(1-3): 243–254. doi: 10.1016/S0300-483X(02)00545-0 |
| [16] | Shi X, Ding M, Chen F, et al. Reactive oxygen species and molecular mechanism of silica-induced lung injury[J]. J Environ Pathol Toxicol Oncol, 2001, 20(Suppl 1): 85–93. |
| [17] | Quay JL, Reed W, Samet J, et al. Air pollution particles induce IL-6 gene expression in human airway epithelial cells via NF-kB activation[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 1998, 19(1): 98–106. doi: 10.1165/ajrcmb.19.1.3132 |
| [18] | 刘国红, 刘凤仁, 徐新云, 等. 某市交警多环芳烃暴露肺癌发生风险评估[J]. 卫生研究, 2011, 40 (1): 88–90. |
| [19] | 杨凯云, 黄云超, 赵光强, 等. 宣威女性肺癌患者肺组织中PAHS-DNA加合物的表达[J]. 中国肺癌杂志, 2010, 13 (5): 517–521. |
| [20] | 丛李圆, 伦立民. 多环芳烃水平与人类直肠癌发生相关性的研究[J]. 中华肿瘤防治杂志, 2011, 18 (5): 329–331. |
| [21] | 冯苏妹, 邹晓妮, 魏莲, 等. BPDE诱发16HBE恶性转化过程中eIF3 p36的表达变化[J]. 中国热带医学, 2008, 8 (9): 1492–1494. |
| [22] | 刘宏, 赵金恒. 自由基在理化因素致肺癌中的作用[J]. 环境与健康杂志, 2008, 25 (1): 85–87. |
| [23] | Flores-Mateo G, Carrillo-Santisteve P, Elosua R, et al. Antioxidant enzyme activity and coronary heart disease:meta-analyses of observational studies[J]. Am J Epidemiol, 2009, 170(2): 135–147. doi: 10.1093/aje/kwp112 |
| [24] | 周登峰, 苏艳伟, 邬堂春. PAHs相关肺癌患者血浆GSH-Px/MDA、P21蛋白水平的研究[J]. 工业卫生与职业病, 2011, 37 (4): 221–224. |
| [25] | Zanobetti A, Schwartz J. Air pollution and emergency admissions in Boston, MA[J]. J Epidemiol Community Health, 2006, 60(10): 890–895. doi: 10.1136/jech.2005.039834 |
| [26] | Mohr LB, Luo SH, Mathias E, et al. Influence of season and temperature on the relationship of elemental carbon air pollution to pediatric asthma emergency room visits[J]. J Asthma, 2008, 45(10): 936–943. doi: 10.1080/02770900802404082 |
| [27] | 郜鑫, 尚静, 杨敬林, 等. 黑碳和臭氧处理的黑碳对小鼠遗传损伤的比较研究[J]. 北京大学学报, 2014, 46 (3): 400–404. |
| [28] | Lambert AL, Trasti FS, Mangum JB, et al. Effect of preexposure to ultrafine carbon black on respiratory syncytial virus infection in mice[J]. Toxicol Sci, 2003, 72(2): 331–338. doi: 10.1093/toxsci/kfg031 |
| [29] | 钱孝琳, 宋伟民, 赵金镯. 超细碳黑颗粒对大鼠的急性肺损伤研究[J]. 环境与职业医学, 2007, 24 (2): 150–152. |
| [30] | Zhang WX, Shang J, Gao X, et al. Effect of 1, 4-naphthoquinone aged black carbon on reactive oxygen species and DNA strand breaks in human bronchial epithelial cells[J]. J Peking Univ (Health Sci), 2015, 47(4): 690–696. |
| [31] | Colicino E, Giuliano G, Power MC, et al. Long-term exposure to black carbon, cognition and single nucleotide polymorphisms in microRNA processing genes in older men[J]. Environ Int, 2016, 88: 86–93. doi: 10.1016/j.envint.2015.12.014 |
| [32] | Pope CA Ⅲ, Rodermund DL, Gee MM. Mortality effects of a copper smelter strike and reduced ambient sulfate particulate matter air pollution[J]. Environ Health Perspect, 2007, 115(5): 679–683. doi: 10.1289/ehp.9762 |
| [33] | Lin HL, Tao J, Du YD, et al. Particle size and chemical constituents of ambient particulate pollution associated with cardiovascular mortality in Guangzhou, China[J]. Environ Pollut, 2016, 208: 758–766. doi: 10.1016/j.envpol.2015.10.056 |
| [34] | Ichinose T, Yoshida S, Hiyoshi K, et al. The effects of microbial materials adhered to Asian sand dust on allergic lung inflammation[J]. Arch Environ Contam Toxicol, 2008, 55(3): 348–357. doi: 10.1007/s00244-007-9128-8 |
| [35] | Joza N, Susin S A, Daugas E, et al. Essential role of the mitochondrial apoptosis-inducing factor in programmed cell death[J]. Nature, 2001, 410(6828): 549–554. doi: 10.1038/35069004 |
| [36] | Schlesinger RB, Cassee F. Atmospheric secondary inorganic particulate matter:the toxicological perspective as a basis for health effects risk assessment[J]. Inhal Toxicol, 2003, 15(3): 197–235. doi: 10.1080/08958370304503 |
| [37] | Chuang KJ, Chan CC, Su TC, et al. The effect of urban air pollution on inflammation, oxidative stress, coagulation, and autonomic dysfunction in young adults[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2007, 176(4): 370–376. doi: 10.1164/rccm.200611-1627OC |
| [38] | Strak M, Hoek G, Steenhof M, et al. Components of ambient air pollution affect thrombin generation in healthy humans:the RAPTES project[J]. Occup Environ Med, 2013, 70(5): 332–340. doi: 10.1136/oemed-2012-100992 |
| [39] | Ejaz S, Anwar K, Ashraf M. MRI and neuropathological validations of the involvement of air pollutants in cortical selective neuronal loss[J]. Environ Sci Pollut Res Int, 2014, 21(5): 3351–3362. doi: 10.1007/s11356-013-2294-5 |
| [40] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB 3095-2012环境空气质量标准[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2016. |