筛选PM2.5中的有效毒性组分，是环境治理工作中首先要解决的关键问题。然而环境样品的复杂多样性，和颗粒物中未知有机物的化学分析都是筛选工作中“卡脖子”的关键难点所在。生物效应导向是筛选复杂环境样品有效毒性组分的最有效的工具，可以有效降低环境样品的复杂性；随着有机地球化学分析手段的突飞猛进，一些有机地球化学分析的先进方法可以让我们得以窥探未知化合物的结构和来源信息，为毒理学的探索提供了关键数据，将大大促进PM2.5中有效毒性组分筛选工作的进展。
本次研究收集了中国十个大型城市，一年四季的PM2.5样品，根据其诱导的大气颗粒物模式细胞--人体肺上皮细胞Beas-2B 的细胞毒性（细胞凋亡数据），分析评估了同等体积空气中，PM2.5水溶性组分和有机组分诱导的细胞毒性能力的大小，然后针对毒性较大的组分中起关键作用的化合物，进行结构和来源解析。主要结论如下：
1）同等体积空气中，PM2.5不同组分诱导细胞凋亡的能力比较：分别提取同等空气中PM2.5的水溶性组分（Water-soluble fraction, WSF）和有机组分（DCM-fraction），暴露于模式细胞，使用流式细胞仪分析不同组分诱导的细胞凋亡能力。由于提取的过程是分别使用水和有机溶剂提取同一张滤膜样品，所以可以很好的表征PM2.5中不同组分诱导毒性的能力大小。结果显示WSF诱导Beas-2B细胞凋亡的能力要强于DCM组分（如下图1所示），并呈现北方强于南方，冬季强于夏季的特点（如图2所示）；
图1 图2
2）诱导细胞凋亡的主要毒性物质的结构信息：针对水溶性组分进行氢谱核磁共振分析（1H NMR）和光谱分析（MAE365）。 由于NMR谱图可以把水溶性样品分成四种含有不同结构的化合物，其中只有NMR4（代表芳香类化合物）的含量与凋亡之间有显著的相关性；此外MAE365数据也与凋亡之间有显著相关性，由于MAE365的数据可以表征化合物结构中的碳碳双键的相对含量，所以上述两个实验数据说明WSF组分中的苯环和双键结构为诱导毒性的主要结构物质。
图3
3）有效毒性组分的来源探索：为了进一步探索WSF中毒性化合物的来源信息，分别检测了WSF组分中的δ13C和14C的相对含量。14C的含量与凋亡有显著相关，说明诱导毒性的物质来源于非化石源，主要包括生物质排放、生物质燃烧，和二次源的化合物。本实验中也发现WSF中的K+与凋亡之间有显著的正相关，考虑到K+为生物质燃烧源的标志物，所以认为本次实验中诱导凋亡的化合物，主要来自生物质燃烧和二次源。此外，研究中也检测了WSF中的δ13C 数据，把δ13C 和14C数据一起进行贝叶斯模型分析，可以把污染源分为四种不同的来源，分别为交通源、煤炭燃烧源、C3植物和C4植物排放源。而C4植物燃烧产物，煤炭燃烧产物和交通源排放所产生的污染物的含量与凋亡之间有显著的线性相关（表1）。 由于在采样期间属于C4植物的玉米秸秆燃烧对中国PM2.5的贡献最大，所以作者认为C4植物中玉米秸秆燃烧对细胞毒性的贡献较大，而来源于玉米秸秆的PM2.5样品也发现了其与细胞凋亡之间有浓度剂量效应关系（图3）。因为大部分交通源排放的产物是不易溶于水的，所以认为筛选出的交通源产物可能来自交通源排放产物产生的二次反应产物。本研究中，由于δ13C存在着同位素分馏的影响，因此贝叶斯模型的结果，可以作为一个辅助证据。由此，我们认为来自于煤炭燃烧、交通源二次污染源和C4植物燃烧所产生的化合物是PM2.5水溶性组分中诱导细胞凋亡的主要来源。
表1：不同污染来源的化合物相对含量与细胞凋亡之间的相关性分析。
综上，本研究利用先进的环境化学分析手段，尝试打开PM2.5中未知毒性物质的“黑盒子”。结果显示了来自于煤炭燃烧，交通源二次污染源和C4植物燃烧所产生的化合物是中国十个大型城市PM2.5样品水溶性组分诱导细胞凋亡的主要来源，其中芳香结构和双键结构起着关键作用。研究结果可以为未来大气可吸入性颗粒物中毒性物质的筛选工作提供可借鉴的研究思路和关键毒性化合物信息。
中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验马慧敏副研究员在张干研究员和李军研究员的指导下完成了本研究工作，研究成果于2月17日在线发表在《环境国际》（Environment International）上。
论文信息：Huimin Ma(马慧敏)*, Wenjing Chen(陈文静), Qianyu Zhang(张倩玉), Cong Wan(万聪), Yangzhi Mo(莫扬之), Fei Liu(刘飞), Guanghui Dong(董光辉), Xiaowen Zeng（曾晓雯）, Duohong Chen(陈多宏), Zhiqiang Yu(于志强), Jun Li(李军), Gan Zhang(张干), 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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