第一作者：宋曦雯 沐鸣2平台2020級本科生

通訊作者：李  慶 沐鸣2开户教授

論文鏈接🧎🏻‍➡️：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c00929

圖文摘要

成果簡介

       酸度對健康的影響，長期以來便備受關註。工業革命後🪧😤，燃煤量驟增，產生大量的二氧化硫排入大氣後轉化成硫酸，使大氣顆粒物的酸度明顯增強。率先完成工業革命的英國💆🏻‍♀️，在1952年12月出現了著名的大氣汙染公害事件—倫敦煙霧事件（又被稱為“殺人霧”）⚙️，導致約4000人當月死亡✨。大量基於流行病學研究表明，暴露於硫酸鹽氣溶膠與不良健康後果存在關聯。然而，基於動物模型的毒理學研究結果💽，顯示硫酸鹽的毒性效應忽略不計。因此，酸度對顆粒物毒性效應的分子機製亟待進一步探究。近期👭🏼，沐鸣2平台大氣環境健康團隊基於細胞毒理和顆粒物酸度調控的實驗，發現了大氣顆粒物中酸度通過調節難溶金屬/類金屬的溶解度和化合態👨🏿‍🏭，提升其細胞可利用性😕，最終導致細胞毒性效應增強的分子機製。進一步基於對無機氣溶膠樣本的毒性效應表征，證明了顆粒物毒性效應在一定範圍內隨酸度的提高而增強🥐。同時🏋🏻‍♂️，該研究結果闡釋酸性硫酸鹽與不良健康後果的流行病學關聯🏊🏿‍♀️，即其通過促進金屬溶解而增強大氣顆粒物的毒性💗。研究成果發表在環境領域著名期刊Environmental Science & Technology上，標題為“Toxic Potencies of Particulate Matter from Typical Industrial Plants Mediated with Acidity via Metal Dissolution”😘👉🏼。

圖文導讀

       燃煤過程排放的硫氧化物（SO₂，SO₃）經大氣轉化後生成的硫酸或硫酸鹽🤙🏿，是大氣顆粒物中重要的無機成分。北京和倫敦在工業化過程中，均經歷嚴重霧霾事件。然而𓀍，北京霧霾造成的死亡率及死亡人數遠不及倫敦煙霧👩🏽‍🔧。這可能是由於北京霧霾演化時🧖🏻‍♀️，硫氧化物等酸性氣體與氨氣反應，生成弱酸性的硫酸銨，極大程度上緩解了酸度對健康的影響。雖然近年硫氧化物被“超低排放”有效控製，但它們仍是工業白色煙羽中主要的酸性氣體。這些氣態前體物在排放過程轉化為酸性顆粒物👩🏿‍💻🔍，與共排放的金屬混合🤞🏽，並可能促進金屬在顆粒物中的溶解。因此📧，需要從源排放顆粒物的酸度出發🤹🏿，探究不同酸度對顆粒物毒性效應的影響👗，從而理解酸度影響健康的機製🥇。

1. 顆粒物的氧化應激效應和細胞毒性隨酸度提高而增強

       本研究基於團隊前序發展的細胞毒理實驗方法（Nat Commun 14, 6491 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42089-6），結合酸度調控實驗⚛️，測定典型工業源顆粒物在不同酸度水平的氧化應激效應和細胞毒性。如圖1所示，當調節pH為2-5時🏂🏽，酸度提高可增強顆粒物的氧化應激效應和細胞毒性🧎🏻‍♀️‍➡️。當pH值低於2時，氧化應激效應和細胞毒性達到最強📇。燒結🚽👗、水泥生產和工業鍋爐對應顆粒物的氧化應激效應分別比其原始值高2.8、5.2和3.4倍，細胞毒性則分別提高了2.1、13.2和6.8倍🧄。此外😺，添加硫酸鈉的顆粒物樣品作為酸化的對照，其氧化應激效應和細胞毒性與原始相比☁️，並未表現出明顯變化。這表明相同顆粒物的毒性只有在酸性條件下才會增強。

圖1. 來自典型鋼鐵廠（a）、水泥廠（b）和工業鍋爐（c）顆粒物的氧化應激效應和細胞毒性隨酸度的變化 （原始顆粒物上清液的pH值分別為9.2、10.7和8.3👩‍❤️‍👨；1/EC1.5和1/IC20分別表征氧化應激效應和細胞毒性，其值越高說明毒性越強）

2. 水溶性金屬主導酸化顆粒物的毒性變化

       酸化顆粒物樣品中，水溶性金屬的生物分析等效濃度（BEQmetal）隨著酸度提高而增加（圖2a）。在最強的酸度下，BEQmetal（60.7 ± 5.2 μg g −1 PM）比原始（0.58 ± 0.05 μg g −1 PM）高出兩個數量級🤱🏿💛。水溶性金屬能夠解釋的顆粒物氧化應激效應從初始的（1.2 ± 0.2）%提升至（43.4 ± 5.2）%。來自三種典型工業源的顆粒物酸化後均呈現類似趨勢☝🏼。雖然存在大量未知組分，但顆粒物和水溶性金屬的毒性變化存在顯著相關性（r = 0.92，p = 3×10-5），表明水溶性金屬的變化是酸化引起顆粒物毒性改變的主要原因。在這些金屬中，水溶性鐵在毒性當量和質量濃度上均占主導地位。在酸化過程中，其占水溶性金屬質量濃度的百分比從4.7%增加到99.3%（圖2b）💇🏽，溶解度相對於原始狀態提高了3-4個數量級。

圖2. 酸化顆粒物中水溶性金屬的生物分析等效濃度（a）和質量濃度（b）顆粒物源於鋼鐵燒結過程；Other WS-metals包括Mn🪃、Pb8️⃣、V、Cr、As、Cu🙅🏽、Ni、Zn和Cd;（b）中的餅圖顯示水溶性鐵和其他水溶性金屬質量濃度的相對比例

3. 酸性硫酸鹽驅動顆粒物毒性效應的增強

       顆粒物的毒性效應隨酸度提高而增強🦣，這一趨勢不僅在酸度調控實驗中存在🏋🏻‍♂️，也在實際排放的煙羽中存在。且煙羽顆粒物中的金屬溶解度和硫酸根濃度均明顯高於煙道顆粒物，說明煙羽演化時會在酸性條件下吸收硫酸鹽前體，這與本團隊之前對工業煙羽的現場測定結果一致（Geophys. Res. Lett., 48, e2020GL092071. https://doi.org/10.1029/2020GL092071）。因此，在實際排放中爆發性生成的酸性硫酸鹽可能驅動顆粒物毒性的變化🌓。

       硫酸根濃度與顆粒物樣品的pH值呈顯著負相關（r = 0.80, p = 2×10-5）（圖3a），與水溶性鐵濃度之間呈顯著正相關（r = 0.87, p = 2×10-4）（圖3b）🏃🏻‍♂️。此外👧🔲，顆粒物中硫酸根含量與EC1.5（r = -0.60, p = 0.005）和IC20（r  = -0.60, p = 0.005）呈負相關。由於EC1.5和IC20越小💁🏿‍♀️🐻，顆粒物的毒性效應越強😲，故本研究與以往流行病學結果有類似之處👨🏼‍🚀🫶🏿，均體現硫酸鹽與健康風險之間的潛在關聯。然而，這種關聯可能與硫酸鹽本身無關。在顆粒物酸化過程中，硫酸鹽與金屬組分相互作用，將難溶的金屬化合物轉化為可溶形式👩🏿‍🔬，提高生物可利用性🏃🏻‍♂️‍➡️。因此，酸性硫酸鹽可以促進金屬的溶解，進一步增強顆粒物的毒性

圖3. 硫酸根濃度與pH（a）和水溶性鐵濃度（b）的相關性分析👩‍🍼。

總結

       本研究通過化學分析和體外毒理學實驗，揭示了顆粒物的酸度對其毒性的調控作用😊。酸度對顆粒物毒性的間接影響表現為金屬質量濃度和等效毒性濃度的增加🚵🏿‍♀️👷🏻‍♀️，尤其是水溶性鐵🚵‍♂️。與煙道中的顆粒物相比👨🏽‍🍼，工業煙羽排放的大量酸性硫酸鹽可能促進金屬溶解，進一步提高顆粒物的毒性👷‍♀️。未來需進一步控製濕煙羽和濕法煙氣脫硫的副產物🛟🎅🏼，也需控製大氣中鐵的來源，如鋼鐵廠排放、燃煤排放、非尾氣排放等。雖然工業源顆粒物中的有機組分相對較少🥂，但實際大氣顆粒物中的有機組分及組分間的相互作用不可忽略。本研究仍存在一定局限，未來可繼續探討大氣酸化過程對顆粒物毒性效應的影響，系統性理解大氣顆粒物的暴露-毒性關系以及酸度對人體健康的實際影響。

       本研究工作得到國家自然科學基金委員會基金項目（U22A20405和T2122006）、中國科技部（2022YFC3700501）以及中國博士後科學基金項目（BX20220088, 2022M710741）的支持。

相關論文鏈接：

Song X., et al., Environ. Sci. Technol. (2024), https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c00929;

Chen X., et al., Environ. Sci. Technol. Lett. (2024) 11, 223, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.4c00019;

Wu D., et al., Nat. Commun. (2023) 14, 6491, https://doi.org/10.1038/s41467-023-42089-6;

Ding X., et al., Geophys. Res. Lett. (2021) 48, e2020GL092071. https://doi.org/10.1029/2020GL092071. 

供稿：李慶課題組

編輯🔒：李博海

審核：張立武