空氣污染對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。根據(jù)2021年全球疾病負(fù)擔(dān)報(bào)告，空氣污染導(dǎo)致全球范圍內(nèi)810萬(wàn)人的死亡，其中顆粒物(PM)污染是全球疾病負(fù)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(wèn)題，這嚴(yán)重妨礙了對(duì)健康效應(yīng)的準(zhǔn)確評(píng)估，造成世界范圍內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)估的不公平。此外，在PM健康效應(yīng)機(jī)制上，大部分研究也是主要基于個(gè)別城市顆粒物的結(jié)果，不能全面地了解PM在機(jī)制上地區(qū)和城市差異，得到的結(jié)果也只能代表個(gè)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(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問(wèn)題，用以前建立的方法采集了31個(gè)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(tuán)隊(duì)將50μg/mlPM濃度暴露于酵母細(xì)胞3小時(shí)，通過(guò)多組學(xué)技術(shù)系統(tǒng)解析PM誘導(dǎo)的酵母細(xì)胞響應(yīng)差異。
 

　　研究結(jié)果顯示，通過(guò)GC-IMS氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，檢測(cè)到60種差異表達(dá)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(gè)基因中差異表達(dá)基因數(shù)量從16個(gè)(濟(jì)南)到884個(gè)(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(jī)制(圖1)。蛋白質(zhì)組分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，5個(gè)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(gè)蛋白差異化表達(dá)，其中北京組特有的74個(gè)差異表達(dá)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(dú)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(guó)31個(gè)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(qiáng)相關(guān)性(如Cu元素與CTR1基因表達(dá)的Spearman相關(guān)系數(shù)達(dá)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(xiǎn)評(píng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)和高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤PM暴露后的生命體狀態(tài)。該研究系統(tǒng)揭示了中國(guó)31個(gè)主要城市PM在細(xì)胞水平上的毒性機(jī)制差異，同時(shí)為利用VOC譜來(lái)實(shí)時(shí)追蹤探測(cè)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(cè)提供了創(chuàng)新性解決方案。也為基于活體VOC監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)“煙霧報(bào)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(xiàng)目主要得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(基金號(hào)22221004)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFC3702801和2023YFC3708200)以及廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SRPG22-007)的資助。