環(huán)境空氣PM2.5化學(xué)成分暴露及其健康效應(yīng)研究進(jìn)展

吳海盛，曾慶輝，余曉琳，陳煜亮，馮文如，郭 貔

(1.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)教研室，廣東 汕頭 515041；2.廣州市疾病預(yù)防控制中心，廣東 廣州 510080)

細(xì)顆粒物(particulate matter 2.5，PM2.5)是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于2.5 μm、大于0.1 μm的顆粒物，目前已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅公共健康的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子，其對(duì)全球疾病負(fù)擔(dān)的貢獻(xiàn)率位列第6[1]，在我國PM2.5則是排名前5的致死風(fēng)險(xiǎn)因素。大量的流行病學(xué)研究表明環(huán)境PM2.5暴露與人類健康存在顯著的關(guān)聯(lián)性，特別是心血管和呼吸系統(tǒng)疾病[2]。這些研究的一個(gè)主要假設(shè)是認(rèn)為PM2.5的毒性與其成分構(gòu)成無關(guān)，而不考慮其化學(xué)成分的異質(zhì)性[3-4]。然而，PM2.5與疾病的關(guān)聯(lián)性估計(jì)卻呈現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性[5]。一個(gè)潛在的原因是，在不同時(shí)空嵌入的PM2.5化學(xué)成分的可變性驅(qū)動(dòng)了PM2.5毒性的差異[6]。而僅通過質(zhì)量測(cè)量難以最好地量化PM2.5對(duì)健康最有害的方面。因此，了解PM2.5的構(gòu)成及其物理化學(xué)特性、識(shí)別出PM2.5的有害成分尤為重要。因此，本文在對(duì)環(huán)境PM2.5及其成分的物理化學(xué)特性、來源解析、PM2.5成分暴露評(píng)估方法、暴露—反應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析模型、健康影響作系統(tǒng)的回顧和綜述，旨在為PM2.5成分暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料。

1 PM2.5及其成分的物理、化學(xué)特性

PM2.5是多種化學(xué)成分或物質(zhì)的復(fù)雜混合物[7]，以固態(tài)或液態(tài)的形式存在于大氣中。PM2.5具有較高的表面積/質(zhì)量比以吸附有毒化學(xué)成分，并可以深入滲透進(jìn)肺部、引起呼吸道發(fā)炎并增加心臟以及其他器官的負(fù)擔(dān)。PM2.5成分可劃分為初級(jí)和二次細(xì)顆粒兩大類：直接排放的顆粒物稱為初級(jí)顆粒物，包括元素碳、初級(jí)有機(jī)氣溶膠、礦物等；大氣化學(xué)反應(yīng)將氣態(tài)污染物(NOX、SOX、揮發(fā)性有機(jī)化合物)轉(zhuǎn)化而成的二次無機(jī)氣溶膠和二次有機(jī)氣溶膠[8]。就質(zhì)量占比而言，PM2.5中主要成分為：、海鹽、礦物粉塵、有機(jī)化合物、黑碳或元素碳，各占PM2.5總質(zhì)量的10%～30%。

不同的PM2.5成分有著不同的化學(xué)、生物學(xué)毒性，因此即使是同等質(zhì)量的PM2.5，其毒性和危害也可能存在異質(zhì)性。Jin等[9]開展了PM2.5成分混合建模的毒性實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明在同等質(zhì)量水平下，北京市PM2.5的體外氧化應(yīng)激毒性比廣州市的要高。經(jīng)化學(xué)分析，北京市單位質(zhì)量的PM2.5中金屬和多環(huán)芳烴的含量更高，這兩類物質(zhì)解釋了北京市PM2.5誘導(dǎo)活性氧毒性的38%，而這一數(shù)值在廣州市僅為24%。另外，并非所有成分都對(duì)PM2.5的整體毒性有貢獻(xiàn)，鐵、銅和錳三種金屬成分貢獻(xiàn)了PM2.5中金屬毒性的80%，二苯并[a,l]芘單獨(dú)解釋了65%的多環(huán)芳烴毒性；Sun等[10]的研究也有類似的發(fā)現(xiàn)，在短期暴露于同等PM2.5質(zhì)量濃度的情況下，美國加利福尼亞州的老鼠肺毒性反應(yīng)高于中國地區(qū)，這可能與加利福尼亞州的PM2.5含有更高比例的氧化有機(jī)碳及銅有關(guān)。

2 PM2.5成分來源解析

PM源解釋研究旨在分析不同地區(qū)、時(shí)間的PM2.5構(gòu)成和成分來源。在我國，最常用的PM源解析方法是受體模型，基于此確定的我國PM2.5成分的主要來源為粉塵、化石燃料燃燒、交通運(yùn)輸、生物質(zhì)燃燒、工業(yè)排放和二次氣溶膠[8]。

環(huán)境PM2.5暴露的成分構(gòu)成和來源取決于地理位置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、人類生活方式及氣象條件等，因而表現(xiàn)為顯著的時(shí)空異質(zhì)性。譬如，我國北方地區(qū)因冬季住宅供暖而導(dǎo)致燃煤的貢獻(xiàn)比東部和南部地區(qū)更高[11]；在珠三角地區(qū)，由于城市化進(jìn)程加快、機(jī)動(dòng)車保有量快速增長，加之該地區(qū)太陽輻射強(qiáng)、大氣氧化性高，導(dǎo)致了交通運(yùn)輸污染及二次顆粒物為主的PM2.5污染；在香港，PM2.5成分除了來源于機(jī)動(dòng)車、土壤和道路灰塵、污染的海鹽，還有來自鄰近珠江三角洲地區(qū)的區(qū)域傳輸[12]。此外，鈉離子、氯離子和鎂離子被認(rèn)為是沿海地區(qū)海鹽顆粒物的標(biāo)志性元素。時(shí)間維度上，Zhu等[8]的PM源解釋研究表明近年來化石燃料和工業(yè)源的貢獻(xiàn)呈下降趨勢(shì)。PM2.5成分的來源和構(gòu)成影響其毒性。例如，我國一項(xiàng)多城市的研究[13]顯示，與以煤煙型污染模式為主的北方城市相比，以交通污染為主的廣州地區(qū)的大氣PM2.5暴露對(duì)居民呼吸系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)疾病死亡的貢獻(xiàn)率在全國排第1位。雖然廣州地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)不一定比北方地區(qū)高，但大氣PM2.5污染造成的疾病負(fù)擔(dān)可能更嚴(yán)重。

3 PM2.5成分暴露及其健康效應(yīng)

PM2.5及其成分的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及來源差異，決定了PM2.5質(zhì)量測(cè)量難以最好地量化PM2.5對(duì)健康最有害的方面，這就要求我們?cè)赑M2.5成分的層面進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。然而，在PM2.5成分暴露評(píng)估方法以及統(tǒng)計(jì)分析模型方面，仍然存在較大的挑戰(zhàn)。

3.1 PM2.5成分的暴露評(píng)估方法

分析暴露問題以進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，一方面要考慮污染物的時(shí)空分布，另一方面要考慮人群的暴露行為模式(如移動(dòng)軌跡、室內(nèi)外暴露時(shí)間等)[14]，對(duì)于這兩個(gè)方面了解得越精細(xì)越有利于準(zhǔn)確地估計(jì)暴露—效應(yīng)關(guān)系。大多數(shù)暴露研究往往集中在以下兩個(gè)視角：一是基于個(gè)體暴露采樣和內(nèi)暴露標(biāo)志物化驗(yàn)等方法，這些方法是評(píng)估個(gè)體暴露水平的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，但這類研究受成本約束往往難以在大規(guī)模的流行病學(xué)研究中實(shí)施[14]。此外，目前該方法已在常見污染物的研究中使用，但受制于技術(shù)原因，尚未有研究采用該方法來測(cè)量個(gè)體層面的PM2.5成分暴露水平；二是基于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的方法，即采用PM2.5成分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的測(cè)量值作為研究人群的暴露水平。這種方法簡單并且容易操作，已被廣泛應(yīng)用[15-16]。然而，基于站點(diǎn)的方法忽略了污染物的空間分布和動(dòng)態(tài)變化，從而在估計(jì)暴露—效應(yīng)關(guān)系時(shí)造成偏倚。另外，目前我國PM2.5成分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)也十分稀少，難以滿足精準(zhǔn)暴露評(píng)估需求。

為了克服以上兩個(gè)研究視角的局限性并實(shí)現(xiàn)個(gè)體化暴露評(píng)估，一些前沿的研究采用數(shù)學(xué)建模的方法來對(duì)PM2.5成分進(jìn)行精細(xì)時(shí)空的區(qū)域模擬，然后通過時(shí)空匹配來評(píng)估個(gè)體層面的暴露水平。譬如，van Donkelaar等[17]采用了結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、化學(xué)傳輸模型和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的地球科學(xué)—統(tǒng)計(jì)學(xué)聯(lián)合方法(combined geoscience-statistical method，CGSM)，對(duì)歐洲的PM2.5化學(xué)成分暴露進(jìn)行估計(jì)；Chen等[18]基于監(jiān)督線性回歸和隨機(jī)森林算法開發(fā)了全歐洲PM2.5成分暴露估計(jì)模型。目前我國關(guān)于PM2.5成分精準(zhǔn)暴露評(píng)估的研究還沒有系統(tǒng)展開，主要原因是PM2.5成分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏。我國PM2.5成分暴露健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究常用的方法包括：基于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、化學(xué)傳輸模型[19]和直接應(yīng)用CGSM模型[20-21]，但均存在難以同時(shí)兼顧時(shí)間和空間分辨率的問題，限制了PM2.5成分暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究的開展。

3.2 PM2.5成分暴露—效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析模型

表1中總結(jié)了目前PM2.5成分暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)分析模型。所有模型以廣義線性模型形式表示，以適應(yīng)不同的回歸函數(shù)形式(線性回歸、Logistic回歸、Cox模型等)，健康結(jié)局(y)表示為特定PM2.5成分(c)、PM2.5質(zhì)量和其他協(xié)變量矩陣[γ′x]的函數(shù)。模型1是單一成分模型，也是應(yīng)用最為廣泛的分析模式[15]。然而，PM2.5通常與其化學(xué)成分濃度及健康結(jié)局均存在一定程度的相關(guān)性。對(duì)于模型1，與PM2.5強(qiáng)相關(guān)的成分可能比其他成分的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)更為顯著，而這是由于它們與PM2.5的相關(guān)性，而不是其固有的毒性。此外，若與其他共變的有毒成分具有強(qiáng)相關(guān)性，也會(huì)產(chǎn)生類似的影響。為了避免在健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中出現(xiàn)類似的“假陽性”，需要在統(tǒng)計(jì)分析模型中適當(dāng)考慮PM2.5及共變成分的混淆作用，模型2～模型6正是基于這一考慮而被提出、應(yīng)用和拓展的。如表1所示，所有模型均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，且不同模型的估計(jì)有略微不同的解釋，對(duì)于特定的數(shù)據(jù)難以確定最佳的統(tǒng)計(jì)模型。我們認(rèn)為，未來的研究應(yīng)同時(shí)建立多個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比和分析，因?yàn)榭煽康慕y(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)在不同的模型之間應(yīng)該是一致的。

表1 PM2.5成分暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)分析模型

3.3 PM2.5成分暴露的健康效應(yīng)

Yang等[2]系統(tǒng)回顧了短期和長期暴露于各種PM2.5成分與發(fā)病率和死亡率的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)黑炭和有機(jī)碳是PM2.5主要的有害成分，且黑炭對(duì)健康的不良影響證據(jù)最充足，特別是對(duì)心血管疾病的發(fā)病和死亡風(fēng)險(xiǎn)。

PM2.5中包含的眾多金屬元素也被證明與健康相關(guān)，其中流行病學(xué)證據(jù)最為充分的為鉀、硅、鋅、釩和鎳[2,22]。譬如，來自生物質(zhì)燃燒的鉀被報(bào)道與心血管及呼吸健康相關(guān)[23]；釩和鎳與心血管疾病的死亡率升高有關(guān)[20]；Guo等[16]最近的一項(xiàng)研究表明廣州市大氣釩暴露與神經(jīng)系統(tǒng)疾病急診人數(shù)具有因果關(guān)聯(lián)。此外，毒理學(xué)證據(jù)與流行病學(xué)研究結(jié)果互為補(bǔ)充，并為PM2.5中的有害重金屬/類金屬元素對(duì)人體健康的毒性及生物學(xué)致病機(jī)制提供了有力證據(jù)。Zhang等[24]的毒理學(xué)研究表明，環(huán)境鎳暴露能夠誘發(fā)心率變異性改變、遲發(fā)性心律失常、心動(dòng)過緩和低體溫癥等，而釩則會(huì)導(dǎo)致人體氣道上皮細(xì)胞的不良反應(yīng)。Lippmann等[25]的毒理研究則表明鋅與血管擴(kuò)張和收縮呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)聯(lián)。

PM2.5中多環(huán)芳烴對(duì)人類健康的急性影響主要取決于多環(huán)芳烴暴露濃度、暴露時(shí)間、多環(huán)芳烴的毒性以及接觸途徑(吸入、攝入或皮膚接觸)。短期暴露于多環(huán)芳烴會(huì)導(dǎo)致哮喘患者肺功能受損，以及冠心病患者產(chǎn)生血栓效應(yīng)；另一方面，多環(huán)芳烴長期暴露的危害包括致癌性、致畸形和基因毒性。有研究[26]指出，對(duì)于長期職業(yè)性暴露于多環(huán)芳烴的個(gè)體，其患皮膚癌、肺癌、膀胱癌和胃腸道癌的風(fēng)險(xiǎn)增加。進(jìn)一步識(shí)別出具有危害效應(yīng)的多環(huán)芳烴種類仍尤為關(guān)鍵。得益于PM2.5成分濃度檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，目前已確定PM2.5中的危害最大的多環(huán)芳烴致癌物包括苯并[a]蒽、苯并[a]芘和二苯并[a,h]蒽[26]。

Yang等[2]的薈萃分析證實(shí)了二次無機(jī)氣溶膠對(duì)疾病發(fā)病率和死亡率的不良影響，在調(diào)整PM2.5濃度的混雜影響后，和暴露均與心血管疾病死亡率顯著相關(guān)，而呼吸系統(tǒng)發(fā)病率只與暴露顯著相關(guān)。Guo等[16]的研究也證明是導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病急診人數(shù)增加的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，而和Cl-是導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)疾病急診人數(shù)增加的危害因子。Cl-作為沿海地區(qū)海鹽的一種特征成分，與香港的心血管住院病例增加顯著相關(guān)[15]。

總體來說，現(xiàn)有的研究關(guān)注的健康結(jié)局比較單一，主要集中在呼吸、循環(huán)和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的發(fā)病及死亡。對(duì)于PM2.5中的多環(huán)芳烴類成分則著重關(guān)注其長期暴露的致癌性、致畸形和基因毒性。最近，PM2.5成分暴露對(duì)人類生殖健康的影響也開始得到了關(guān)注：Yu等[20]開展的一項(xiàng)全國性流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，孕婦在孕期期間的黑炭、有機(jī)碳和暴露會(huì)增加糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)；Cai等[21]的研究則表明孕婦在孕中期的黑炭暴露與早產(chǎn)有關(guān)；Huang等[27]發(fā)現(xiàn)空氣中銻、鎘、鉛、錳和鎳的暴露與男性精子濃度下降顯著相關(guān)，而錳暴露與男性精子總活動(dòng)性下降顯著相關(guān)。盡管如此，由于關(guān)注的健康結(jié)局還不夠全面、PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏限制了其精準(zhǔn)暴露評(píng)估方法的發(fā)展、以及對(duì)統(tǒng)計(jì)分析模型的應(yīng)用缺乏規(guī)范性，PM2.5成分暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)仍然任重而道遠(yuǎn)。

4 小結(jié)

目前已有流行病學(xué)研究證明不同PM2.5成分對(duì)人類健康的有害影響，這為制定有效的公共衛(wèi)生決策和干預(yù)措施、預(yù)防相關(guān)疾病的發(fā)生及降低其疾病負(fù)擔(dān)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。然而，由于PM2.5及其成分的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的復(fù)雜性及來源的差異性，對(duì)PM2.5成分的研究必須有堅(jiān)實(shí)的理論框架和實(shí)驗(yàn)證據(jù)作為指導(dǎo)。為了更全面更系統(tǒng)地開展PM2.5暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以下的問題亟須進(jìn)一步研究：(1)完善PM2.5成分的監(jiān)測(cè)體系，開發(fā)我國PM2.5成分個(gè)體化精準(zhǔn)暴露評(píng)估模型；(2)多種暴露—效應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)被考慮和規(guī)范使用，以提高健康效應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)健性和有效性；(3)開展大規(guī)模、多中心的研究，以全面識(shí)別和確定各PM2.5成分的短期、長期暴露對(duì)多種健康結(jié)局的影響。