打印機使用過程中顆粒物等有害因素釋放及其毒理學效應研究進展

石小飛，陳瑞，霍玲玲，趙琳，白茹，讓蔚清，陳春英

1. 國家納米科學中心 中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室，北京100190 2. 南華大學公共衛(wèi)生學院，衡陽 421001 3. 河北師范大學生命科學學院，石家莊 050016

打印機使用過程中顆粒物等有害因素釋放及其毒理學效應研究進展

石小飛1,2，陳瑞1,#，霍玲玲1,3，趙琳1,2，白茹1，讓蔚清2,*，陳春英1

1. 國家納米科學中心 中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室，北京100190 2. 南華大學公共衛(wèi)生學院，衡陽 421001 3. 河北師范大學生命科學學院，石家莊 050016

打印機的應用日趨廣泛，其釋放的顆粒物質(zhì)尤其是納米顆粒引起人們的高度關注。現(xiàn)有研究已經(jīng)證明納米級顆粒物更容易進入呼吸系統(tǒng)，穿越氣血屏障，隨之引起機體的氧化損傷、炎癥反應和遺傳毒性等。打印機釋放顆粒的暴露水平評價及其毒理學效應識別是評估打印機健康風險的基礎。本文綜述了打印機工作場所顆粒暴露水平的監(jiān)測結(jié)果、實驗室模擬研究進展、人體采樣評價、流行病學調(diào)查、體外細胞或整體動物水平毒理學效應評價方法及結(jié)果，并提出了打印機危害評估過程的標準化方案建議，以利于不同研究間的比較和總結(jié)。

打印機；顆粒物質(zhì)；現(xiàn)場監(jiān)測；細胞毒性；炎癥反應；基因毒性；氧化損傷

人們大部分時間是在室內(nèi)度過的，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量直接影響人們的身體健康。病態(tài)建筑綜合征(sick building syndrome, SBS)是由于通風不足、室內(nèi)外化學污染物(如揮發(fā)性有機溶劑)或生物污染物(如細菌、霉菌、病毒)等多種因素聯(lián)合作用下導致的人群非特異癥侯群，其主要表現(xiàn)為眼鼻喉皮膚不適，咳嗽，疲勞，胸悶，頭痛等。室外空氣污染如機動車尾氣也是間接造成SBS的誘因[1]?，F(xiàn)在打印機(或復印機)日趨廣泛地應用于我們的生活，逐漸成為重要的室內(nèi)空氣污染源之一[2]，并構成SBS的誘因，對人體形成潛在危害。與打印機相關的職業(yè)病案例已屢見報道，早在1979年就有因長期使用濕墨粉造成郵局職員眼部瘙癢、皮膚紅斑等癥狀的報道[3]。表1總結(jié)了打印機相關職業(yè)病案例報道，從已有的案例中可以看出，患者與打印機接觸時間較長時，常見癥狀有皮膚、眼部和上呼吸道不適等。而且，隨著打印機職業(yè)暴露時間的增加，可能出現(xiàn)更加嚴重的癥狀如塵肺病[4]、血栓[5]、碳納米顆粒腹膜沉積[6]等。本文就近年來打印機使用過程中顆粒釋放及其毒理學效應研究進行了綜述。

1 打印機使用過程中顆粒釋放監(jiān)測

按照所采用的技術，打印機一般可分為熱敏式、激光式、噴墨式、靜電式、磁式、發(fā)光二極管式、分柱形、球形等，以激光打印最為常見，其工作原理為，打印機感光鼓上充滿正電荷，打印控制器中光柵位圖圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為激光掃描器的激光束信息，通過反射棱鏡對感光鼓“曝光”，感光鼓表面形成以正電荷表示的與打印圖像完全相同的圖像信息，然后吸附碳粉盒中的碳粉顆粒，形成感光鼓表面的碳粉圖像，打印紙在與感光鼓接觸前被充滿負電荷，當打印紙通過感光鼓時，正負電荷相互吸引使感光鼓的碳粉圖像轉(zhuǎn)印到打印紙上，熱轉(zhuǎn)印單元加熱使碳粉顆粒與紙張纖維吸附，最終形成圖像。墨粉是打印/復印過程中的重要的參與元素，顆粒大小介于2～10 μm[7]，是具有熱塑性的顆粒，主要成分為苯乙烯丙烯酸酯聚合物，可通過加熱固定在紙上。黑色墨粉含有炭黑或氧化鐵，彩色墨粉含有有機色素。此外，墨粉還含有其他添加劑，如充電控制因子(Ba, Cr, Al, B, Fe, Zn, Sn, Zr)、顯影劑(堿性物質(zhì))、添加劑(NaCl)、載體(Fe2+, Fe3+)、硒鼓覆蓋層(As2Se3, SeTe作為光感受器)[8]。

打印/復印過程會產(chǎn)生許多對人體有害的因子，包括紫外線、臭氧、金屬氧化物[5]、揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds/semi-volatile organic compounds, VOC/SVOC)、元素碳等[9]。打印機釋放的顆粒物質(zhì)是一種混合物，包括有機顆粒物和無機金屬氧化物顆粒，它們可能來自墨粉或紙張，所以這些顆粒物質(zhì)的成分通常隨著墨粉成分的變化而變化。評價打印機的危害首先應該對實際工作環(huán)境下顆粒釋放情況進行評估，繼而在實驗室中詳細研究打印機使用中釋放顆粒的特征及機制。

1.1 工作現(xiàn)場監(jiān)測

打印機使用過程中釋放物質(zhì)的危害逐漸呈現(xiàn)在人們面前，越來越多的研究者開始關注顆粒的釋放[10-11]。真實環(huán)境下打印機顆粒暴露水平的評估對于危害評價至關重要，辦公場所或復印中心是比較理想的監(jiān)測地點?？諝忸w粒質(zhì)量濃度是評價空氣質(zhì)量的一個常用標準，對臺灣12家復印中心進行顆粒物監(jiān)測發(fā)現(xiàn)8 h平均PM2.5濃度從10到83 μg·m-3不等，這些差別主要因打印機型號、打印量、空間換氣速率、其他顆粒釋放源等的差異造成，其中2家復印中心24 h PM2.5平均濃度超過臺灣環(huán)境保護署設定的100 μg·m-3濃度限值[7]。Bello等[9]監(jiān)測到某復印中心PM2.5濃度為12.1 μg·m-3，該值低于美國日均濃度標準35 μg·m-3。Tang等[2]監(jiān)測到辦公室顆粒質(zhì)量濃度從19.1到231 μg·m-3不等，這些監(jiān)測結(jié)果相比超細TiO2限值300 μg·m-3(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH, 2011)要低。

表1 打印機/復印機釋放暴露相關病例總結(jié)Table 1 Case report summary of particle release exposure from printer/copier

但其中部分結(jié)果高于我國日均濃度標準75 μg·m-3。打印機使用時釋放的顆粒主要以納米級顆粒直徑(Dp<100 nm)為主[12-14]，而顆粒越小，質(zhì)量占比就越小，所以在超細顆粒物(PM0.1)為主要成分時，僅用顆粒質(zhì)量濃度來評價打印機的危害并不全面?？諝忸w粒個數(shù)是評價空氣質(zhì)量的另一常用指標，選用63臺打印機，每臺打印500頁，監(jiān)測到室內(nèi)空氣納米顆粒平均濃度由打印前的6 503 個·cm-3增加到打印時的18 060 個·cm-3(最高值為1.9×105個·cm-3)[2]。而德國職業(yè)安全與健康研究所(IFA 2012)設定當物質(zhì)密度小于6 000 kg·m-3時，其暴露推薦閾值限值僅為4×104個·cm-3，McGarry等[12]也提出以當?shù)乇尘爸?×103個·cm-3的5倍2×104個·cm-3作為打印機使用時顆粒釋放限值，他們研究了107臺打印機使用過程中的顆粒釋放，發(fā)現(xiàn)顆粒數(shù)量濃度最高值比當?shù)乇尘爸蹈叱?個數(shù)量級。

大部分打印機在剛開始打印時顆粒數(shù)量濃度迅速增加，即發(fā)生“首峰”(initial burst)現(xiàn)象[2]，“首峰”產(chǎn)生的原因并不十分清楚，但有研究表明熱輥溫度變化與顆粒數(shù)量濃度有一定的關系，推測是因為所檢測到的顆粒由不同物質(zhì)的冷凝物和微團聚體組成(如硅樹脂、VOC和SVOC等)[15-16]。部分打印機在“首峰”后就幾乎不再釋放顆粒，而有些則可持續(xù)釋放顆粒物質(zhì)(constant emission)，后者具有更大的危害性。相同型號的打印機的監(jiān)測結(jié)果通常也會存在較大差異，原因來自于打印機使用年限、紙張、房間換氣速率、背景值濃度、環(huán)境溫濕度[17]、熱輥溫控[15]、硒鼓新舊[13]等的不同。為了對打印機使用過程中顆粒釋放的水平有較為直觀的判斷，可根據(jù)打印1頁紙所釋放的顆粒數(shù)目濃度與大氣背景值的比值α的大小，將打印機分為非顆粒源(α≤1)，低顆粒源(1<α≤5)，中顆粒源(5<α≤10)和高顆粒源(α>10)[13]。除了監(jiān)測顆粒質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度，分析空氣顆粒的物理化學性質(zhì)及顆粒形態(tài)特征同樣有助于分析顆粒產(chǎn)生的源頭和機制，并為其毒理學評價提供依據(jù)。打印機使用時釋放的顆粒成分十分復雜，墨粉中添加的納米材料也會經(jīng)打印釋放到空氣中[9]。表2總結(jié)了現(xiàn)場顆粒監(jiān)測文獻，這些數(shù)據(jù)表明，無論從顆粒質(zhì)量濃度還是數(shù)量濃度來看，打印機使用中的顆粒釋放情況都十分顯著，會對人體構成危害。

1.2 實驗室模擬研究

為了深入分析打印機使用過程中顆粒產(chǎn)生的特征，有必要進行實驗室模擬研究。實驗室模擬研究通常將打印機放置于1 m3不銹鋼箱或玻璃箱中，溫度21～23 ℃，相對濕度45%～55%[11]，也可以置于特定房間。圖1為實驗室測定顆粒釋放的示意圖，包含了推薦的檢測內(nèi)容及常用儀器。為了提高不同研究結(jié)果的可比性，歐洲計算機制造商協(xié)會(European Computer Manufacturers Association, ECMA)提出了一個比較詳細的測試流程[18]，這個測試流程可作為評價顆粒釋放的標準流程。實驗室模擬能最大限度地避免周圍環(huán)境的影響，可較為全面深入地測定打印機使用過程中所釋放的顆粒、有機物、臭氧[19]，溫度變化，顆粒釋放速率和顆粒損失效率等諸多問題，進而研究熱輥溫度對打印機顆粒釋放的影響[16]、打印機對真實環(huán)境的影響、過濾附件的過濾效果等[20]。

表2 已有打印機顆粒物釋放的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果總結(jié)Table 2 Summary on the reported field survey of printer particle emission

有研究者指出，打印機工作時產(chǎn)生的顆粒是由于墨粉未完全粘附到感光鼓上，進而散發(fā)到空氣中的[21-22]；但更多研究表明釋放的顆粒形成于墨粉定影階段，這一階段涉及到熱輥加熱及墨粉粘附，并由所釋放的VOC凝聚而成[15,19,23-24]。將墨粉加熱到110 ℃，墨粉失重0.064%，這個過程可用于評估VOC/SVOC的釋放量[24]。Barthel等[20]計算出某2臺打印機每打印1張紙釋放的顆粒數(shù)為1.6×109個和1.5×1010個，而將這些顆粒加熱到400 ℃后，顆粒數(shù)變?yōu)?.7×106個和4.5×107個，所剩顆粒只占原來的0.2%和1.9%，可見可揮發(fā)性成分占很大比例。Castellano等[8]發(fā)現(xiàn)隨著熱輥溫度升高，打印機釋放的顆粒中有機物含量增加，并且打印機剛開始打印時顆粒大小集中在10 nm左右；隨著打印時間推移，顆粒逐漸變大到30～40 nm，進一步形成100～200 nm大小的顆粒，這主要是由顆粒團聚、有機溶劑吸附和大顆粒吸附小顆粒造成的。顆粒釋放速率也是評價打印機的重要指標，Koivisto等[25]檢測3臺打印機最高釋放顆粒速率為4.1×109個·s-1，最高數(shù)量濃度分布為1.15×106個·cm-3、2.02×106個·cm-3和5.30×105個·cm-3；在模擬辦公環(huán)境中納米顆粒最高濃度達2.6×105個·cm-3，6 h加權平均數(shù)量濃度超過背景值11倍，由此可見打印機確實能顯著增加環(huán)境空氣中納米顆粒的數(shù)量濃度。顆粒釋放監(jiān)測結(jié)果可以用多種形式表示，如顆粒數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、顆粒釋放速率等。顆粒損失率系數(shù)β可用于描述相關測試條件；時間-濃度曲線下的面積F可以比較不同打印測試釋放顆粒的絕對量[26]；分形理論也可以很好的用于分析顆粒釋放的監(jiān)測結(jié)果[14]。

圖1 實驗室模擬測定打印機顆粒釋放示意圖注：GC-MS, DustTrak, SMPS, FMPS, OPS, CPC, APS, TEM-EDAX, SEM-EDAX, ICP-MS/OES, XRF, Moudi, CCI, WRASS, Q-Trak 分別表示氣相色譜-質(zhì)譜儀、粉塵測定儀、掃描電遷移率粒徑譜儀、快速電遷移率粒徑譜儀、光學粒徑譜儀、凝聚核粒子計數(shù)器、 空氣動力學粒徑譜儀、能譜儀-透射電鏡聯(lián)用、能譜儀-掃描電鏡聯(lián)用、電感耦合等離子體質(zhì)譜/光譜、X射線熒光光譜儀、 旋轉(zhuǎn)式納米微孔均勻沉積式碰撞采樣器、潔凈室多級碰撞采樣器、寬范圍氣溶膠采樣系統(tǒng)、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀。Fig. 1 Schematic diagram of the laboratory simulation test on printer particle emissionNote: GC-MS, DustTrak, SMPS, FMPS, OPS, CPC, APS, TEM-EDAX, SEM-EDAX, ICP-MS/OES, XRF, Moudi, CCI, WRASS, Q-Trak are Gas chromatography-mass spectrometer, DustTrak aerosol monitor, Scanning mobility particle sizer, Fast mobility particle sizer, Optical particle sizer, Condensation particle counter, Aerodynamic particle sizer, Transmission electron microscope-energy dispersive spectroscopy, Scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy, Inductively coupled plasma mass spectrometer/optical emission spectrometer, X-ray fluorescence spectrometer, Micro-orifice uniform-deposit impactor, Compact cascade impactor, Wide range aerosol sampling system, Q-TRAK indoor air quality monitor.

2 毒理學評價研究

通常情況下，打印機使用中釋放顆粒相關毒理學評價指標包括基因毒性、細胞毒性、氧化損傷、炎癥反應、細胞凋亡、肺纖維化等。評價方法包括個案研究、人體采樣評價、流行病學調(diào)查、細菌共培養(yǎng)實驗、細胞共培養(yǎng)實驗、動物實驗等。表3對這些方法進行了比較。以下從常見的人體采樣評價、流行病學調(diào)查、細菌及細胞水平研究、動物水平研究4個方面進行詳細論述。

2.1 人體采樣評價

對血液、尿液和唾液等人體樣本進行分析是職業(yè)危害評估的常用手段，也適用于打印機相關職業(yè)危害評估。Elango等[27]評價了81名打印機操作人員外周血中胞間粘附分子(ICAM-1)、白三烯B4(LTB4)、嗜酸性陽離子蛋白(ECP)、克拉拉細胞蛋白(CC-16)、白細胞介素-8(IL-8)、C反應蛋白(CRP)、脂質(zhì)過氧化-血清硫代巴比土酸(TBARS)、總抗氧化能力(FRAC)、異前列烷等檢測指標，與正常組相比，TBARS、FRAC、IL-8、LTB4、ICAM-1和ECP明顯升高，提示打印機使用過程中釋放的物質(zhì)可誘發(fā)機體氧化應激和炎癥反應。Khatri等[28]將9名健康個體暴露于某復印中心6 h后，分析尿液中8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)和鼻腔灌洗液中14種細胞因子、總蛋白變化，結(jié)果顯示健康個體短期暴露于納米顆粒(日均濃度5 000～30 000 個·cm-3)同樣可誘發(fā)上呼吸道炎癥和氧化應激。Kleinsorge等[29]評價了26名復印工作人員外周血中谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、過氧化氫酶(CAT)、脂質(zhì)過氧化和淋巴細胞的損傷后得出了相似的結(jié)論。除誘發(fā)機體氧化應激和炎癥反應外，研究還發(fā)現(xiàn)復印工作人員外周血淋巴細胞染色體畸變(CAs)頻率、DNA斷裂均顯著增加[30-31]。Goud等[32]對98名復印機工作人員進行口腔上皮細胞微核試驗、外周血單核胞質(zhì)分裂阻滯分析、染色體畸變分析，結(jié)果提示打印機顆粒物質(zhì)存在基因毒性。人體采樣評價結(jié)果在一定程度上是可信的，但因其樣本量小，且通常無法確認實驗組和對照組的暴露歷史、暴露劑量等關鍵信息，所以輔助采用其他評價方法是必不可少的。

2.2 流行病學調(diào)查 橫斷面研究(cross-sectional study)是用于打印機相關職業(yè)病研究的主要流行病學調(diào)查方法，橫斷面研究結(jié)果可以反映特定時間內(nèi)相關從業(yè)人員的疾病分布及特征與疾病之間的關聯(lián)。Nakadate等[33]對600名墨粉密切接觸的男性工人進行橫斷面研究，選取常見的呼吸系統(tǒng)健康評價指標(咳嗽、痰、氣喘、氣短、肺活量、第1秒用力呼氣容量、平均最大呼氣流量等)和胸片檢查，結(jié)果顯示工人呼吸道癥狀與其墨粉暴露情況并無相關性。Yang等[34]采用同樣的方法對臺灣74名復印店工作人員進行慢性呼吸道癥狀及急性刺激反應調(diào)查，結(jié)果同樣表明暴露于打印機有關的工作環(huán)境與癥狀并無關聯(lián)。Terunuma等[35]在對803名墨粉密切接觸的工人調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，30～40歲組群的咳嗽/吐痰癥狀與墨粉暴露具有很高的關聯(lián)性，其中4人輕度肺纖維化并伴有變態(tài)反應性疾病。該研究小組同時研究了工人的肺功能(肺活量、第1秒用力呼氣容量、平均最大呼氣流量等)，血細胞指標如紅血球(RBC)、紅細胞壓積(HCT)、血紅蛋白(HB)、白細胞(WBC)，血液生化指標如丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)、門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)、γ-三磷酸鳥苷(γ-GTP)、C反應蛋白(CRP)、免疫球蛋白E(IgE)和尿中8-OHdG等，并未發(fā)現(xiàn)異常[36]。橫斷面研究屬于描述性研究，與隊列研究相比，其驗證因果關聯(lián)的能力較弱，為了確定打印機相關職業(yè)暴露與相關職業(yè)病癥狀之間的關系，有必要進行隊列研究。在2013年Terunuma研究小組在已有研究[35-36]的基礎上首次報道了打印機職業(yè)病相關的隊列研究成果[37]。在此次研究中，歷經(jīng)5年，針對墨粉暴露組718名和正常對照組648名樣本，研究了機體炎癥反應標志物的變化，結(jié)果顯示血液中白細胞介素-4(IL-4)、IL-8、干擾素-γ(IFN-γ)、CRP、IgE和尿中8-OHdG均無明顯變化。雖然目前已有的流行病學調(diào)查結(jié)果未能明確顯示打印機/復印機相關從業(yè)人員健康受到工作環(huán)境的直接影響，但現(xiàn)有體內(nèi)體外實驗結(jié)果卻已經(jīng)明確提示打印機使用過程中釋放的顆粒能對機體健康造成危害。

2.3 細菌及細胞水平研究

在體外實驗中，一般將墨粉、墨粉萃取物或打印機工作場所顆粒采集物與細菌或細胞共培養(yǎng)，檢測細菌或細胞相關指標的變化來評價其毒性效應。通常采用沙門氏菌評價其致突變作用或基因毒性(Ames實驗)；采用呼吸系統(tǒng)或免疫系統(tǒng)相關細胞研究顆粒的相關生物學效應，這些細胞包括原代人鼻上皮細胞、原代人氣管上皮細胞、人肺腺癌細胞A549，及單核巨噬細胞THP-1、肺泡巨噬細胞AM等。Gminski等[38-39]將A549暴露于3種墨粉懸浮液及其二甲基亞砜(DMSO)萃取物，結(jié)果顯示墨粉中金屬成份磁性氧化鐵、非金屬、多環(huán)芳烴(PAHs)造成DNA損傷并形成微核，提示墨粉及其DMSO萃取物具有基因毒性；半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3/7(Caspase 3/7)活性增加，且活性氧基團或分子(ROS)與墨粉懸浮液濃度正相關，ROS增多會引起細胞的基因毒性并激活促炎因子通路引起炎癥反應。Khatri等[40-41]采集復印中心空氣中的顆粒物質(zhì)，納米顆粒重懸浮后與細胞共培養(yǎng)，可使THP-1、原代人鼻上皮細胞、原代人氣管上皮細胞的炎癥因子和細胞因子表達上調(diào)，伴有中度凋亡情況發(fā)生，THP-1的炎癥相關基因(TNF-α)、凋亡相關基因(CASP8, p53)和氧化應激相關基因(HO1)的上調(diào)與之相吻合，并證明是納米顆粒直接引起健康人群呼吸道的炎癥反應；研究表明，PM0.25-2.0的生物效應與Khatri等[40-41]提及的納米顆粒有差異：THP-1的白細胞介素-6(IL-6)、IL-8、腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)表達上調(diào)，而原代人鼻上皮細胞和原代人氣管上皮細胞只有IL-8升高，伴有凋亡，2種大小的顆粒均未造成明顯DNA損傷。墨粉與細胞共培養(yǎng)的研究結(jié)果能比較準確地反映墨粉的生物學效應，但墨粉的物理化學性質(zhì)與打印機使用過程釋放的顆粒不同，引起的生物效應也有很大差異，所以墨粉-細胞共培養(yǎng)并不能準確評價其危害。Tang等[42]將打印機置于實驗箱并與氣/液暴露系統(tǒng)直接相連，實現(xiàn)A549直接暴露于打印機使用時所釋放的物質(zhì)，實驗評價5臺打印機，這5臺的打印機釋放的VOC從95到280 μg·m-3不等，顆粒物質(zhì)量濃度小于2.4 μg·m-3，顆粒數(shù)目濃度最高為2.9×105個·cm-3，實驗結(jié)果表明來自這5臺打印機的物質(zhì)均無細胞毒性，2臺有基因毒性，該暴露系統(tǒng)是研究打印機使用過程中釋放的所有物質(zhì)成分對細胞的復合作用，比起墨粉-細胞共培養(yǎng)的實驗結(jié)果更接近于實際暴露情況。

注：THP-1為單核巨噬細胞，EGF為表皮細胞生長因子，G-CSF為粒細胞集落刺激因子，GM-CSF為粒細胞巨噬細胞集落刺激因子，IL-6為白細胞介素-6，IL-8為白細胞介素-8，IL-1β為白細胞介素-1β，IL-1α為白細胞介素-1α，IL-3為白細胞介素-3，TNF-α為腫瘤壞死因子，IFN-γ為干擾素-γ，MCP-1為單核細胞趨化蛋白，VEGF為血管內(nèi)皮生長因子，NF-κ B為細胞核因子κ B，WST-1為細胞增殖/細胞毒性檢測試劑盒，Neutral Red為中性紅細胞增殖及細胞毒性檢測試劑盒，DCFH-DA為二氯二氫熒光素-乙酰乙酸酯，LDH為乳酸脫氫酶，TUNEL為末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導dUTP缺口末端標記測定法，ICAM-1為細胞間黏附分子-1，LTB4為人白三烯B4，ECP為嗜酸粒細胞陽離子蛋白，CC-16為克拉拉細胞分泌蛋白，CRP C為反應蛋白，TBARS為硫代巴比妥酸反應物，F(xiàn)RAC為三價鐵還原抗氧化能力，GSH為谷胱甘肽，GSSG為氧化型谷胱甘肽，CAT為過氧化氫酶活性，IP-10 γ為干擾素誘導蛋白10，KC為角質(zhì)細胞誘導因子，MIG γ為干擾素誘導單核因子，M-CSF為巨噬細胞集落刺激因子，NOS為一氧化氮合成酶，MMP-2為基質(zhì)金屬蛋白酶-2，TIMP-2為金屬蛋白酶抑制因子2。

Note: THP-1 is for human monocytic leukemia cell line, EGF for epidermal growth factor, G-CSF for granulocyte colony-stimulating factor, GM-CSF for granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, IL-6 for interleukin-6, IL-8 for interleukin-8, IL-1β for interleukin-1β, IL-1α for interleukin-1α, IL-3 for interleukin-3, TNF-α for tumor necrosis factor α, IFN-γ for interferon-γ, MCP-1 for monocyte chemotactic protein 1, VEGF for vascular endothelial growth factor, NF-κ B for nuclear factor kappa B, WST-1 for cell proliferation and cytotoxicity assay kit, Neutral Red for neutral red cell proliferation and cytotoxicity assay kit, DCFH-DA for 2'-7'-dichloro-fluorescin diacetate, LDH for lactate dehydrogenase, TUNEL for terminal dexynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick-end labeling, ICAM-1 for intercellular cell adhesion molecule-1, LTB4 for human leukotriene B4, ECP for eosinophilic cationic protein, CC-16 for clara cell protein, CRP for C reactive protein, TBARS for thio-barbituric acid reactive substances, FRAC for ferric reducing antioxidant capacity, GSH for glutathione, GSSG for oxidized glutathione, CAT for catalase activity, IP-10 for interferon gamma induced protein 10, KC for keratinocyte chemoattractant, MIG for monokine-induced by gamma interferon, M-CSF for macrophage-colony stimulating factor, NOS for nitric oxide synthase, MMP-2 for matrix metalloproteinase-2, TIMP-2 for tissue inhibitors of metalloproteinase-2.

2.4 動物水平研究

動物實驗是評價打印機使用過程中釋放物質(zhì)毒性必不可少的方法，暴露方式包括氣管滴注、慢性呼吸、皮膚涂抹、喂食等。Pirela等[43]分粒徑采集復印中心空氣顆粒(PM0.1, PM0.1-2.5)重懸浮，以0.2、0.6、2.0 mg·kg-1(以單位體重計)的劑量對Balb/c小鼠進行氣管滴注，24 h后肺泡灌洗，分析肺泡灌洗液中總細胞數(shù)、肺損傷標志物、炎癥標志物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PM0.1(2.0 mg·kg-1組)可引起嗜中性粒細胞、乳酸脫氫酶(LDH)、白蛋白增多；嗜酸細胞活化趨化因子、粒細胞集落刺激因子(G-CSF)、白細胞介素-1α(IL-1α)、白細胞介素-3(IL-3)、干擾素誘導蛋白10(IP-10)、角質(zhì)化細胞趨化物(KC)、γ干擾素、誘導性單核因子(MIG)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)升高，這一結(jié)果結(jié)合細胞實驗[40]證實復印中心納米顆粒具有毒性，能引起肺部炎癥。Bai等[44]采集打印機使用中釋放的顆粒后重懸浮，以40 mg·kg-1(以單位體重計)隔天氣管滴注，共4次，然后在第9天、第28天、第56天、第84天4個時間點處死小鼠，發(fā)現(xiàn)顆粒能夠長期沉積于肺部，并造成小鼠肺部損傷，并伴有炎癥反應，同時小鼠體重增長受到明顯抑制。Morimoto等[45]將大鼠長時間(1年或2年)于墨粉中(15.2 mg·m-3或5.5 mg·m-3)進行呼吸暴露，大鼠肺纖維化程度呈時間劑量依賴性，肺纖維化相關基因金屬蛋白酶2(MMP-2)和金屬蛋白酶抑制因子2(TIMP-2)表達失調(diào)造成膠原質(zhì)積累引發(fā)肺纖維化，但無8-OHdG產(chǎn)生，無腫瘤形成[46]。當大鼠慢性吸入另一種新型聚合型墨粉1年或2年后，得出了類似的結(jié)果[47]。在此之前，也有研究者對某一種墨粉進行了比較全面的初步評價[48]，評價方法包括大鼠經(jīng)口毒性實驗、兔急性皮膚實驗、大鼠急性呼吸實驗、兔眼部刺激實驗、兔皮膚刺激實驗、豬皮膚過敏實驗、大鼠致畸實驗、大鼠亞慢性吸入毒性實驗、小鼠淋巴瘤細胞TK基因突變試驗、姐妹染色單體交換試驗等，研究表明此種墨粉并無明顯毒性。為了對此種墨粉進行全面評價，作者考慮到了人體接觸墨粉的可能途徑，包括經(jīng)口、皮膚、呼吸、眼睛等，進行了急性和慢性實驗，為我們提供了一種全面進行評價的方案[48]。但作者所選擇的指標相對簡單，如在亞慢性吸入實驗中，僅選擇臟器系數(shù)、白細胞計數(shù)、肺部形態(tài)變化和骨髓微核等作為評價指標[48]，后續(xù)研究中，可以充分利用現(xiàn)代分子生物學技術深入研究墨粉及打印機使用過程中產(chǎn)生物質(zhì)的生物學效應及發(fā)生機制。

3 研究展望

打印機有關的工作場所環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控和流行病學調(diào)查對職業(yè)病防護至關重要，今后應繼續(xù)深入這兩方面的研究。對打印機使用過程中釋放物質(zhì)的生物效應評價方法各有利弊，很難選取單一評價方式來判斷所釋放物質(zhì)的生物學效應，所以在進行相關評估時應該結(jié)合人體采樣評價、流行病學調(diào)查、細菌及細胞水平研究、動物水平研究等幾個方面進行綜合考慮，以期得出更準確全面的結(jié)論。在現(xiàn)有的研究中，有些研究關注打印機使用中釋放的顆粒物質(zhì)[9,49]的影響，而有些研究則關注的是其中的有機物成份[38,50]的作用，而真實環(huán)境中打印機對機體的影響是一個復合效應，需要對多種因素進行充分考慮。在文獻[42]中使用氣/液暴露系統(tǒng)研究打印機使用中所釋放物質(zhì)對細胞的復合影響是一個很好的例子，能夠比較全面的反映顆粒暴露產(chǎn)生的危害性?？傊?，今后的研究重點應是利用體內(nèi)實驗，評價打印機使用中所釋放物質(zhì)的復合生物學效應，從而科學地界定與評估打印機使用中釋放的物質(zhì)對人體所形成的危害。

[1] United States Environmental Protection Agency (US EPA). Indoor Air Facts No. 4 (revised) Sick Building Syndrome [R]. Washionton D C: US EPA, 2009

[2] Tang T, Hurra J, Gminski R, et al. Fine and ultrafine particles emitted from laser printers as indoor air contaminants in German offices [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2012, 19(9): 3840-3849

[3] Jensen M, Rold-Petersen J. Itching erythema among post office workers caused by a photocopying machine with wet toner [J]. Contact Dermatitis, 1979, 5(6): 389-391

[4] Gallardo M, Romero P, Sanchez Q M, et al. Siderosilicosis due to photocopier toner dust [J]. The Lancet, 1994, 344(8919): 412-413

[5] Bar-Sela S, Shoenfeld Y. Photocopy machines and occupational antiphospholipid syndrome [J]. The Israel Medical Association Journal, 2008, 10(1): 52-54

[6] Theegarten D, Boukercha S, Philippou S, et al. Submesothelial deposition of carbon nanoparticles after toner exposition: Case report [J]. Diagnostic Pathology, 2010, 5(1): 77-81

[7] Lee C W, Hsu D J. Measurements of fine and ultrafine particles formation in photocopy centers in Taiwan [J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(31): 6598-6609

[8] Castellano P, Canepari S, Ferrante R, et al. Multiparametric approach for an exemplary study of laser printer emissions [J]. Journal of Environmental Monitoring, 2012, 14(2): 446-454

[9] Bello D, Martin J, Santeufemio C, et al. Physicochemical and morphological characterisation of nanoparticles from photocopiers: Implications for environmental health [J]. Nanotoxicology, 2013, 7(5): 989-1003

[10] H?nninen O, Br?ske H I, Loh M, et al. Occupational and consumer risk estimates for nanoparticles emitted by laser printers [J]. Journal of Nanoparticle Research, 2010, 12(1): 91-99

[11] Destaillats H, Maddalena R L, Singer B C, et al. Indoor pollutants emitted by office equipment: A review of reported data and information needs [J]. Atmospheric Environment, 2008, 42(7): 1371-1388

[12] McGarry P, Morawska L, He C, et al. Exposure to particles from laser printers operating within office workplaces [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(15): 6444-6452

[13] He C, Morawska L, Taplin L. Particle emission characteristics of office printers [J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(17): 6039-6045

[14] 朱維斌, 胡楠, 尹招琴. 室內(nèi)打印機顆粒污染物特性的測量與分析[J]. 環(huán)境科學與技術, 2011, 34(5): 104-107

Zhu W B, Hu N, Yi Z Q. Measurement and analysis on indoor particle pollution characteristics from printer [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 34(5): 104-107 (in Chinese)

[15] Morawska L, He C, Johnson G, et al. An investigation into the characteristics and formation mechanisms of particles originating from the operation of laser printers [J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(4): 1015-1022

[16] He C, Morawska L, Wang H, et al. Quantification of the relationship between fuser roller temperature and laser printer emissions [J]. Journal of Aerosol Science, 2010, 41(6): 523-530

[17] Schripp T, Mulakampilly S, Delius W, et al. Comparison of ultrafine particle release from hardcopy devices in emission test chambers and office rooms [J]. Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft, 2009, 69(3): 71-76

[18] European Computer Manufacturers Association (ECMA). Determination of Chemical Emission Rates from Electronic Equipment, ECMA-328, 5th Edition [S]. Geneva: ECMA, 2010

[19] Wang H, He C, Morawska L, et al. Ozone-initiated particle formation, particle aging, and precursors in a laser printer [J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(2): 704-712

[20] Barthel M, Pedan V, Hahn O, et al. XRF-analysis of fine and ultrafine particles emitted from laser printing devices [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(18): 7819-7825

[21] Lee S, Lam S, Kin Fai H. Characterization of VOCs, ozone, and PM10 emissions from office equipment in an environmental chamber [J]. Building and Environment, 2001, 36(7): 837-842

[22] Wolkoff P. Photocopiers and indoor air pollution [J]. Atmospheric Environment, 1999, 33(13): 2129-2130

[23] Wensing M, Schripp T, Uhde E, et al. Ultra-fine particles release from hardcopy devices: Sources, real-room measurements and efficiency of filter accessories [J]. Science of the Total Environment, 2008, 407(1): 418-427

[24] Wang Z M, Wagner J, Wall S. Characterization of laser printer nanoparticle and VOC emissions, formation mechanisms, and strategies to reduce airborne exposures [J]. Aerosol Science and Technology, 2011, 45(9): 1060-1068

[25] Koivisto A J, Hussein T, Niemel? R, et al. Impact of particle emissions of new laser printers on modeled office room [J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(17): 2140-2146

[26] Schripp T, Wensing M, Uhde E, et al. Evaluation of ultrafine particle emissions from laser printers using emission test chambers [J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(12): 4338-4343

[27] Elango N, Kasi V, Vembhu B, et al. Chronic exposure to emissions from photocopiers in copy shops causes oxidative stress and systematic inflammation among photocopier operators in India [J]. Environmental Health, 2013, 12(1): 78-90

[28] Khatri M, Bello D, Gaines P, et al. Nanoparticles from photocopiers induce oxidative stress and upper respiratory tract inflammation in healthy volunteers [J]. Nanotoxicology, 2013, 7(5): 1014-1027

[29] Kleinsorge E C, Erben M, Galan M G, et al. Assessment of oxidative status and genotoxicity in photocopier operators: A pilot study [J]. Biomarkers, 2011, 16(8): 642-648

[30] Balakrishnan M, Das A. Chromosomal aberration of workers occupationally exposed to photocopying machines in Sulur, South India [J]. International Journal of Pharma and Bio Sciences, 2010, 1(4): B303-B307

[31] Manikantan P, Balachandar V, Sasikala K, et al. DNA damage in workers occupationally exposed to photocopying machines in Coimbatore South India, using comet assay [J]. Internet Journal of Toxicology, 2010, 7(2): 1-9

[32] Goud K I, Hasan Q, Balakrishna N, et al. Genotoxicity evaluation of individuals working with photocopying machines [J]. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 2004, 563(2): 151-158

[33] Nakadate T, Yamano Y, Adachi C, et al. A cross sectional study of the respiratory health of workers handling printing toner dust [J]. Occupational and Environmental Medicine, 2006, 63(4): 244-249

[34] Yang C Y, Haung Y C. A cross-sectional study of respiratory and irritant health symptoms in photocopier workers in Taiwan [J]. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A, 2008, 71(19): 1314-1317

[35] Terunuma N, Kurosaki S, Kitamura H, et al. Cross-sectional study on respiratory effect of toner exposure [J]. Human & Experimental Toxicology, 2009, 28(6-7): 325-330

[36] Kitamura H, Terunuma N, Kurosaki S, et al. Cross-sectional study on respiratory effect of toner-exposed work in manufacturing plants, Japan: Pulmonary function, blood cells, and biochemical markers [J]. Human & Experimental Toxicology, 2009, 28(6-7): 331-338

[37] Murase T, Kitamura H, Kochi T, et al. Distributions and ranges of values of blood and urinary biomarker of inflammation and oxidative stress in the workers engaged in office machine manufactures: Evaluation of reference values [J]. Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, 2013, 51(2): 421-428

[38] Gminski R, Decker K, Heinz C, et al. Genotoxic effects of three selected black toner powders and their dimethyl sulfoxide extracts in cultured human epithelial A549 lung cells in vitro [J]. Environmental and Molecular Mutagenesis, 2011, 52(4): 296-309

[39] Konczol M, Weiss A, Gminski R, et al. Oxidative stress and inflammatory response to printer toner particles in human epithelial A549 lung cells [J]. Toxicology Letters, 2013, 216(2-3): 171-180

[40] Khatri M, Bello D, Pal A K, et al. Evaluation of cytotoxic, genotoxic and inflammatory responses of nanoparticles from photocopiers in three human cell lines [J]. Particle and Fibre Toxicology, 2013, 10(1): 1-22

[41] Khatri M, Bello D, Pal A K, et al. Toxicological effects of PM0.25-2.0 particles collected from a photocopy center in three human cell lines [J]. Inhalation Toxicology, 2013, 25(11): 621-632

[42] Tang T, Gminski R, K?ncz?l M, et al. Investigations on cytotoxic and genotoxic effects of laser printer emissions in human epithelial A549 lung cells using an air/liquid exposure system [J]. Environmental and Molecular Mutagenesis, 2012, 53(2): 125-135

[43] Pirela S, Molina R, Watson C, et al. Effects of copy center particles on the lungs: A toxicological characterization using a Balb/c mouse model [J]. Inhalation Toxicology, 2013, 25(9): 498-508

[44] Bai R, Zhang L, Liu Y, et al. Pulmonary responses to printer toner particles in mice after intratracheal instillation [J]. Toxicology Letters, 2010, 199(3): 288-300

[45] Morimoto Y, Kim H, Oyabu T, et al. Effect of long-term inhalation of toner on extracellular matrix in the lungs of rats in vivo [J]. Inhalation Toxicology, 2005, 17(3): 153-159

[46] Morimoto Y, Kim H, Oyabu T, et al. Negative effect of long-term inhalation of toner on formation of 8-hydroxydeoxyguanosine in DNA in the lungs of rats in vivo [J]. Inhalation Toxicology, 2005, 17(13): 749-753

[47] Morimoto Y, Hirohashi M, Kasai T, et al. Effect of polymerized toner on rat lung in chronic inhalation study [J]. Inhalation Toxicology, 2009, 21(11): 898-905

[48] Lin G H, Wilson J C. Toxicological studies of a representative Xerox reprographic toner [J]. International Journal of Toxicology, 1999, 18(1): 23-34

[49] 王宗爽, 武婷, 車飛, 等. 中外環(huán)境空氣質(zhì)量標準比較[J]. 環(huán)境科學研究, 2010, 23(3): 253-260

Wang Z S, Wu T, Che F, et al. Comparison between domestic and international ambient air quality standards [J]. Research of Environmental Sciences, 2010, 23(3): 253-260 (in Chinese)

[50] Mullins B J, Bertolatti D, Mead-Hunter R. Assessment of polyaromatic hydrocarbon emissions from laser printers [J]. Atmospheric Environment, 2013, 79: 428-432

[52] Wittczak T, Walusiak J, Ruta U, et al. Occupational asthma and allergic rhinitis due to xerographic toner [J]. Allergy, 2003, 58(9): 957-957

[53] Zina A M, Fanan E, Bundino S. Allergic contact dermatitis from formaldehyde and quaternium-15 in photocopier toner [J]. Contact Dermatitis, 2000, 43(4): 241-242

[54] Armbruster C, Dekan G, Hovorka A. Granulomatous pneumonitis and mediastinal lymphadenopathy due to photocopier toner dust [J]. The Lancet, 1996, 348(9028): 690

[55] Skoner D P, Hodgson M J, Doyle W J. Laser-printer rhinitis [J]. The New England Journal of Medicine, 1990, 322(18): 1323

[56] Yassi A, Warrington R J. Allergic eye reaction to photocopier chemicals [J]. Journal of Occupational and Environmental Medicine, 1988, 30(5): 457-458

[57] Tencati J R, Novey H S. Hypersensitivity angiitis caused by fumes from heat-activated photocopy paper [J]. Annals of Internal Medicine, 1983, 98(3): 320-322

[58] Lofroth G, Hefner E, Alfheim I, et al. Mutagenic activity in photocopies [J]. Science, 1980, 209(4460): 1037-1039

[59] Furukawa Y, Aizawa Y, Okada M, et al. Negative effect of photocopier toner on alveolar macrophages determined by in vitro magnetometric evaluation [J]. Industrial Health, 2002, 40(2): 214-221

[60] Gadhia P, Patel D, Solanki K, et al. A preliminary cytogenetic and hematological study of photocopying machine operators [J]. Indian Journal of Occupational and Environmental Medicine, 2005, 9(1): 22-25

[61] Goud K I, Shankarappa K, Vijayashree B, et al. DNA damage and repair studies in individuals working with photocopying machines [J]. International Journal of Human Genetics, 2001, 1(2): 139-143

◆

ResearchProgressonPrinterParticleEmissionandToxicologicalAssessment

Shi Xiaofei1,2, Chen Rui1,#, Huo Lingling1,3, Zhao Lin1,2, Bai Ru1, Rang Weiqing2,*, Chen Chunying1

1. CAS Key Laboratory for Biological Effects of Nanomaterials and Nanosafety, National Center for Nanoscience & Technology, Beijing 100190, China 2. School of Public Health, University of South China, Hengyang 421001, China 3. College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China

24 November 2013accepted23 December 2013

Printer is widely used in our daily life, and the emitted particulate matters especially nanoparticles raised great concerns. It has been demonstrated that nanoparticles can cross the blood-air barrier when entering the lung by inhalation, which has the possibility to induce oxidative damage, inflammatory reaction and genotoxicity in the body. Exposure level of emitted particles and associated toxicological effects were the foundation of health risk assessment of this kind of photocopying equipment. In this paper, we thoroughly reviewed the progress of field monitoring of the printer emission levels in workplaces, simulation test in the laboratory environment, biological sample analysis, epidemiological study and particle-related in vitro or in vivo evaluation. Furthermore, standard processes were suggested to assess the hazard risk of printers with the purpose of having a good comparability within different source studies.

printer; particulate matter; field monitoring; cytotoxicity; inflammatory reaction; genotoxicity; oxidative damage

科技部“973”項目(2011CB933401, 2012CB934003)；“863”項目(2012AA063501)；國家自然科學基金(21277080)；湖南省重點學科(公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學)建設項目

石小飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為納米毒理學，E-mail: ynausxf@126.com

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: nhurwq@126.com；

#共同通訊作者(Co-corresponding author)，E-mail: chenr@nanoctr.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20131124001

石小飛，陳瑞，霍玲玲, 等. 打印機使用過程中顆粒物等有害因素釋放及其毒理學效應研究進展[J]. 生態(tài)毒理學報, 2014, 9(2): 339-352

Peng L L, Yang Y J, Wang X L, et al. Research progress on printer particle emission and toxicological assessment [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(2): 339-352 (in Chinese)

2013-11-24錄用日期2013-12-23

1673-5897(2014)2-339-14

X171.5

A

陳瑞(1976—)，男，博士，助理研究員，主要從事生物體系納米顆粒暴露和效應標志物研究，及易感人群環(huán)境污染物長期暴露的分子毒理學研究。

讓蔚清(1963—)，女，博士，教授，碩士生導師，主要從事食物藥物毒理及安全性評價、分子藥理等方面的研究。