篩選PM2.5中的有效毒性組分，是環境治理工作中首先要解決的關鍵問題。然而環境樣品的復雜多樣性，和顆粒物中未知有機物的化學分析都是篩選工作中“卡脖子”的關鍵難點所在。生物效應導向是篩選復雜環境樣品有效毒性組分的最有效的工具，可以有效降低環境樣品的復雜性；隨著有機地球化學分析手段的突飛猛進，一些有機地球化學分析的先進方法可以讓我們得以窺探未知化合物的結構和來源信息，為毒理學的探索提供了關鍵數據，將大大促進PM2.5中有效毒性組分篩選工作的進展。
本次研究收集了中國十個大型城市，一年四季的PM2.5樣品，根據其誘導的大氣顆粒物模式細胞--人體肺上皮細胞Beas-2B 的細胞毒性（細胞凋亡數據），分析評估了同等體積空氣中，PM2.5水溶性組分和有機組分誘導的細胞毒性能力的大小，然后針對毒性較大的組分中起關鍵作用的化合物，進行結構和來源解析。主要結論如下：
1）同等體積空氣中，PM2.5不同組分誘導細胞凋亡的能力比較：分別提取同等空氣中PM2.5的水溶性組分（Water-soluble fraction, WSF）和有機組分（DCM-fraction），暴露于模式細胞，使用流式細胞儀分析不同組分誘導的細胞凋亡能力。由于提取的過程是分別使用水和有機溶劑提取同一張濾膜樣品，所以可以很好的表征PM2.5中不同組分誘導毒性的能力大小。結果顯示WSF誘導Beas-2B細胞凋亡的能力要強于DCM組分（如下圖1所示），并呈現北方強于南方，冬季強于夏季的特點（如圖2所示）；
圖1 圖2
2）誘導細胞凋亡的主要毒性物質的結構信息：針對水溶性組分進行氫譜核磁共振分析（1H NMR）和光譜分析（MAE365）。 由于NMR譜圖可以把水溶性樣品分成四種含有不同結構的化合物，其中只有NMR4（代表芳香類化合物）的含量與凋亡之間有顯著的相關性；此外MAE365數據也與凋亡之間有顯著相關性，由于MAE365的數據可以表征化合物結構中的碳碳雙鍵的相對含量，所以上述兩個實驗數據說明WSF組分中的苯環和雙鍵結構為誘導毒性的主要結構物質。
圖3
3）有效毒性組分的來源探索：為了進一步探索WSF中毒性化合物的來源信息，分別檢測了WSF組分中的δ13C和14C的相對含量。14C的含量與凋亡有顯著相關，說明誘導毒性的物質來源于非化石源，主要包括生物質排放、生物質燃燒，和二次源的化合物。本實驗中也發現WSF中的K+與凋亡之間有顯著的正相關，考慮到K+為生物質燃燒源的標志物，所以認為本次實驗中誘導凋亡的化合物，主要來自生物質燃燒和二次源。此外，研究中也檢測了WSF中的δ13C 數據，把δ13C 和14C數據一起進行貝葉斯模型分析，可以把污染源分為四種不同的來源，分別為交通源、煤炭燃燒源、C3植物和C4植物排放源。而C4植物燃燒產物，煤炭燃燒產物和交通源排放所產生的污染物的含量與凋亡之間有顯著的線性相關（表1）。 由于在采樣期間屬于C4植物的玉米秸稈燃燒對中國PM2.5的貢獻最大，所以作者認為C4植物中玉米秸稈燃燒對細胞毒性的貢獻較大，而來源于玉米秸稈的PM2.5樣品也發現了其與細胞凋亡之間有濃度劑量效應關系（圖3）。因為大部分交通源排放的產物是不易溶于水的，所以認為篩選出的交通源產物可能來自交通源排放產物產生的二次反應產物。本研究中，由于δ13C存在著同位素分餾的影響，因此貝葉斯模型的結果，可以作為一個輔助證據。由此，我們認為來自于煤炭燃燒、交通源二次污染源和C4植物燃燒所產生的化合物是PM2.5水溶性組分中誘導細胞凋亡的主要來源。
表1：不同污染來源的化合物相對含量與細胞凋亡之間的相關性分析。
綜上，本研究利用先進的環境化學分析手段，嘗試打開PM2.5中未知毒性物質的“黑盒子”。結果顯示了來自于煤炭燃燒，交通源二次污染源和C4植物燃燒所產生的化合物是中國十個大型城市PM2.5樣品水溶性組分誘導細胞凋亡的主要來源，其中芳香結構和雙鍵結構起著關鍵作用。研究結果可以為未來大氣可吸入性顆粒物中毒性物質的篩選工作提供可借鑒的研究思路和關鍵毒性化合物信息。
中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗馬慧敏副研究員在張干研究員和李軍研究員的指導下完成了本研究工作，研究成果于2月17日在線發表在《環境國際》（Environment International）上。
論文信息：Huimin Ma(馬慧敏)*, Wenjing Chen(陳文靜), Qianyu Zhang(張倩玉), Cong Wan(萬聰), Yangzhi Mo(莫揚之), Fei Liu(劉飛), Guanghui Dong(董光輝), Xiaowen Zeng（曾曉雯）, Duohong Chen(陳多宏), Zhiqiang Yu(于志強), Jun Li(李軍), Gan Zhang(張干), 2023. Pollution source and chemicals structure of the water-soluble fractions in PM2.5 that induce apoptosis in China, Environment International,https://doi.org/10.1016/j.envint.2023.107820.
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