基于DTT 法評估大氣顆粒物氧化潛勢的研究進展

王嘉琦, 趙時真 , 田樂樂, 蔣昊余, 李軍, 張干

1. 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室,廣州 510640

2. 鄭州大學電氣工程學院,鄭州 450001

3. 中國科學院大學,北京 100049

大量的流行病學研究證實了大氣顆粒物(particulate matter, PM)暴露與人群發(fā)病率和死亡率上升有關(guān),尤其是呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病和嬰幼兒疾病[1-4]。 目前,學界普遍認為由活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)引發(fā)的氧化應(yīng)激(oxidative stress)是大氣顆粒物導(dǎo)致人體健康效應(yīng)的核心機制假說[5]。 大氣顆粒物進入人體后作為脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的促氧化劑誘導(dǎo)生成過量的ROS,引起細胞氧化還原狀態(tài)的改變,產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng),進而觸發(fā)局部和全身系統(tǒng)性炎癥,最終導(dǎo)致呼吸和心臟疾病(CHD)、哮喘、慢性阻塞性疾病(COPD)甚至癌癥等的發(fā)生[6-7]。 ROS 通常具有一個或多個不成對電子,是一類高活性含氧分子,該術(shù)語于1945年首次提出,主要包括單線態(tài)氧分子(1O2)、超氧自由基(·O2-)、過氧化氫(H2O2)、超氧化氫(HO2)以及羥基自由基(·OH)等[8-9]。 PM 誘導(dǎo) ROS 生成的能力稱為氧化潛勢(oxidative potential, OP),是指示大氣顆粒物內(nèi)在健康風險的重要參數(shù)[3]。 目前有多種基于細胞和非細胞體系評價顆粒物氧化潛勢的方法,其中二硫蘇糖醇(dithiothreitol, DTT)法可操作性強,能更全面地反映顆粒物的物理化學特征,被廣泛地應(yīng)用于大氣顆粒物氧化潛勢的測定(OPDTT)[10]。 本文從OPDTT的基本原理,OPDTT與顆粒物化學組成、粒徑和來源的關(guān)系,OPDTT與健康效應(yīng)的關(guān)系及其局限性和挑戰(zhàn)等6個方面,開展基于DTT 法的大氣顆粒物氧化潛勢測定方法的綜述,可為我國大氣顆粒物健康效應(yīng)的研究提供參考。

1 DTT 法的原理(General principle of OPDTT)

DTT 是一種小分子還原型醇類化合物,與細胞體系中的還原型谷胱甘肽(GSH)類似,化學式為C4H10O2S2。 DTT 在還原狀態(tài)下為線性分子,被氧化后變?yōu)榘蜴I的六元環(huán)結(jié)構(gòu),DTT 的強還原性正是來自于該結(jié)構(gòu)的構(gòu)象穩(wěn)定。 DTT 的還原能力與pH 值密切相關(guān),僅在pH＞7 時體現(xiàn)其還原性,這是由于只有脫去質(zhì)子的硫醇鹽負離子(—S—)才具有反應(yīng)活性,硫醇(—SH—)則沒有。

如圖1 所示,大氣顆粒物中具有氧化還原活性的成分可捕獲 DTT 中的電子,催化 DTT 氧化為DTT 的硫代物。 顆粒物上的電子進一步轉(zhuǎn)移到O2,將其還原成超氧陰離子(·O2-),·O2-進一步生成H2O2和O2

圖1 二硫蘇糖醇(DTT)法的反應(yīng)機理[6]注:PM 表示大氣顆粒物,DTT 與5,5’-二硫雙(2-硝基苯甲酸) (DTNB)反應(yīng)生成黃色化合物2-硝基-5-硫代苯甲酸(TNB),該物質(zhì)在412 nm 處有最大吸收波長,通過分光光度計可確定其含量。Fig.1 The reaction mechanism of the dithiothreitol (DTT) assay[6]Note: PM indicates particulate matter; at each designated time,5,5’-dethiobis-2-nitrobenzoic acid (DTNB) reacted with DTT to form 2-nitro-5-thiobenzoic acid (TNB); TNB has the maximum absorption at 412 nm that could be measured by UV-visible spectrophotometer.

[6]。 顆粒物在整個氧化還原過程中起到催化劑的作用,DTT 的消耗速率在一定線性范圍內(nèi)(DTT 的消耗量低于50%)與顆粒物的催化能力成正比,通過測定反應(yīng)前后DTT 的消耗速率來評價顆粒物的氧化潛勢大小[11]。

常見DTT 法檢測顆粒物氧化潛勢的基本流程如下[12-14]:首先配制0.1 mol·L-1磷酸鹽緩沖液(77.8 mmol·L-1Na2HPO4和 22.2 mmol·L-1KH2PO4;pH 7.4);以緩沖溶液分別配制 10 mmol·L-1的 DTT 儲備液和 10 mmol·L-1的 5,5’-二硫雙(2-硝基苯甲酸)(5,5’-dethiobis-2-nitrobenzoic acid, DTNB)儲備液(2周內(nèi)使用完畢)并儲存于4 ℃冰箱中待用;在測定樣品之前用緩沖液分別稀釋為0.1 mmol·L-1DTT 工作液和0.1 mmol·L-1DTNB 工作液(2 h 之內(nèi)完成實驗)。 測定過程中將DTT 工作液加入至顆粒物萃取液中開始計時,37 ℃下避光振蕩混勻。 分別在給定時間點內(nèi)加入DTNB 工作液使反應(yīng)終止,然后采用分光光度計在412 nm 處檢測吸光值。 以不同時間對應(yīng)的DTT 濃度做出一條直線,將所得斜率扣除空白斜率,標準化后即為DTT 活性數(shù)據(jù)。

大氣顆粒物氧化潛勢的計算公式主要分為2 種表達形式,將DTT 的消耗速率進行質(zhì)量標準化,即單位時間內(nèi)DTT 消耗量與參與反應(yīng)顆粒物質(zhì)量的比值,以 OPm表示,單位為 pmol DTT·min-1·μg-1PM,表征單位質(zhì)量顆粒物的氧化潛勢,可類比為氧化潛勢的“密度”。 將DTT 的消耗速率進行體積標準化,即單位時間內(nèi)DTT 消耗量與空氣采樣體積的比值,以 OPv表示,單位為 nmol DTT·min-1·m-3,該值被認為與流行病學中顆粒物暴露導(dǎo)致的健康效應(yīng)密切相關(guān)。 此外,為了比較不同實驗條件下從不同研究中所獲得的OPDTT數(shù)據(jù),研究者常以1,4-萘醌(1,4-NQN)作為標準物質(zhì),將OPDTT數(shù)據(jù)進行歸一化處理為氧化劑生成和毒性的標準化指標(the normalized index of oxidant generation and toxicity, NIOG)[11,15]。

2002年,Kumagai 等[16]首次利用 DTT 法分析了柴油廢氣顆粒物誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS 的水平,并發(fā)現(xiàn)顆粒物中的醌類物質(zhì)能夠促進生物系統(tǒng)中ROS 的生成。2005年,Cho 等[14]基于DTT 法分析了美國洛杉磯盆地不同站點大氣顆粒物粒徑(2.5 ~10 μm、＜2.5 μm和＜0.15 μm)、化學組成與 ROS 生成水平的關(guān)系,結(jié)果表明,顆粒物的氧化還原活性隨粒徑的增大而減小,元素碳、有機碳及多環(huán)芳烴與顆粒物的氧化還原活性呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,而硫酸鹽、硝酸鹽等與氧化還原活性無顯著相關(guān)關(guān)系。 此后,DTT 法被廣泛應(yīng)用于評價大氣顆粒物、柴油尾氣顆粒物和納米顆粒物等各類顆粒物的氧化潛勢。 2015年,Fang 等[17]基于DTT 法設(shè)計開發(fā)了一套半自動化系統(tǒng),該系統(tǒng)的測定效果與手動測量結(jié)果具有很好的一致性(r2=0.92),該系統(tǒng)的建立有助于未來開展大尺度環(huán)境顆粒物的氧化潛勢評估。

2 顆粒物化學組成對OPDTT 的影響(Effects of PM chemical compositions on OPDTT)

大氣顆粒物的化學組成是決定OPDTT最根本的因素,目前國內(nèi)外已有研究發(fā)現(xiàn)大氣顆粒物誘導(dǎo)ROS 生成水平主要與過渡金屬及以醌類化合物為代表的碳質(zhì)組分相關(guān)。 其中過渡金屬(如Fe、Cu、V和Mn)主要通過Fenton 反應(yīng)誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)從而生成過量的 ROS,如式(4) ~ (6),M 為金屬簡稱[11-12]。 此外,Fe2+還可以通過還原 H2O2生成·OH(式(5))[18]。

不同種類過渡金屬的 OPDTT不同(表1)。 See等[19]通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),水溶性金屬與OPDTT的相關(guān)性要高于用酸提取的總金屬,其中Mn 與OPDTT呈現(xiàn)顯著正相關(guān),其次是V 和Zn,研究還發(fā)現(xiàn)更易溶于水的 Cd、Co、Cu、Fe、Mn 和 Ni 等痕量金屬均能夠誘導(dǎo) ROS 生成。 Shinyashiki 等[20]對 7 種柴油尾氣顆粒物的物理化學特征進行定量分析,并采用DTT 方法測定了顆粒物的ROS 生成水平(OPDTT),估測出可溶性金屬的貢獻約占OPm的45%,其中Cu 和 Fe 的貢獻較為顯著。 Verma 等[21]利用 Chelex樹脂(金屬螯合劑)調(diào)控顆粒物提取物中重金屬含量,研究了重型卡車尾氣中的重金屬對顆粒物OPDTT的影響,其多元線性回歸模型結(jié)果顯示過渡金屬 Fe、Co 和 Ni 對顆粒物 OPDTT的貢獻最大。Charrier 和Anastasio[12]基于DTT 法對美國加利福尼亞州圣華金谷區(qū)域的城市及鄉(xiāng)村PM2.5的ROS 生成水平進行定量分析,驗證了過渡金屬會影響顆粒物的OPDTT,并估測過渡金屬的貢獻約占DTT 損失的80%以上,其中Cu 和Mn 的貢獻較為顯著,醌類物質(zhì)約占DTT 損失的20%,此外研究還發(fā)現(xiàn)金屬螯合劑乙二胺四乙酸(EDTA)能夠抑制金屬與醌類物質(zhì)在DTT 實驗中的響應(yīng),應(yīng)當避免在DTT 實驗中添加EDTA[12]。

大量研究發(fā)現(xiàn)醌類化合物具有較強的氧化活性(表1),其氧化還原循環(huán)與過渡金屬的反應(yīng)方程式相似,即式(4) ~ (6)[15,18,21-22]。 如圖 2 所示,在還原劑DTT(作用同細胞內(nèi)NADPH 氧化酶)存在的條件下,醌類化合物能夠催化電子的轉(zhuǎn)移引發(fā)氧化還原循環(huán),從而形成半醌自由基、對苯二酚和DTT-二硫化物(DTT-disulfide)。 隨后半醌自由基和對苯二酚與溶解態(tài)的O2反應(yīng)再次生成醌以及超氧陰離子,并可進一步生成H2O2。 此外,有研究者采用DTT 法測定發(fā)現(xiàn),不同醌類化合物的ROS 生成水平不同。Chung 等[23]采集了美國加利福尼亞州弗雷斯諾市全年的總懸浮顆粒物樣品(TSP),采用氣相色譜-質(zhì)譜定量分析了樣品中12 種醌類化合物濃度,同時使用DTT 方法評估了樣品中ROS 生成水平,研究發(fā)現(xiàn)醌類化合物濃度的總量與OPDTT無相關(guān)性,其中僅1,2-萘醌、1,4-萘醌和菲醌與 OPDTT線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.39 和0.76。

圖2 醌類化合物在細胞內(nèi)和DTT 實驗中誘導(dǎo)活性氧(ROS)產(chǎn)生的氧化還原循環(huán)[15]注:NAD(P)+表示煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸,NAD(P)H 表示還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,PAH 表示多環(huán)芳烴,GSH 表示谷胱甘肽,RNA 表示核糖核酸,DNA 表示脫氧核糖核酸。Fig.2 The redox cycling of quinones generating reactive oxygen species (ROS) in vivo, and the similar cycling in DTT assay[15]Note: NAD(P)+ indicates nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NAD(P)H indicates triphosphopyridine nucleotide, PAH indicates polycyclic aromatic hydrocarbon, GSH indicates glutathione, RNA indicates ribonucleic acid, and DNA indicates deoxyribonucleic acid.

表1 大氣顆粒物中具有DTT 活性化合物匯總Table 1 The summary of DTT responses of oxidative compounds in particulate matter

多環(huán)芳烴(PAHs)是醌類化合物在大氣中的重要前體物,Ntziachristos 等[24]對美國加利福尼亞地區(qū)大氣顆粒物不同化學組分與OPDTT進行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)PAHs 與OPDTT具有很高的正相關(guān)性,并提出PAHs 濃度是 OPDTT的良好指示物。 Verma 等[25]通過對美國洛杉磯地區(qū)大氣顆粒物中半揮發(fā)性組分OPDTT的研究也得到了類似的結(jié)論。 事實上PAHs自身幾乎沒有氧化還原活性,但其能夠與大氣中的氧化物質(zhì)(如·OH、NO3和O3)發(fā)生光化學氧化還原反應(yīng)或在顆粒物上發(fā)生多相反應(yīng)轉(zhuǎn)化為醌,從而與OPDTT呈現(xiàn)較好的相關(guān)性[14,26]。 Verma 等[27]采用DTT 法對比了大氣顆粒物中水溶性有機物和非水溶性有機物(甲醇相)以及親水性組分和憎水性組分之間的ROS 生成水平,發(fā)現(xiàn)顆粒物的OPDTT與棕色碳(BrC)的含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系,而BrC 主要由腐殖質(zhì)類物質(zhì)(HULIS)組成。 Lin 和Yu[28]對中國珠江三角洲大氣顆粒物中HULIS 的研究也得到了相似的結(jié)論。 HULIS 本身的氧化還原活性很低,但是在1,4-萘醌或大氣顆粒物中其他無氧化還原活性有機組分(如吡啶、咪唑及其烷基衍生物)的催化作用下,會增加其對DTT 的消耗,原因是未質(zhì)子化的氮原子可作為氫鍵的接收者,在ROS 的生成過程中促進氫原子的轉(zhuǎn)移[29]。

二次有機氣溶膠(SOA)是大氣顆粒物中的重要組成部分,它的生成會加劇與顆粒物污染相關(guān)的人群健康危害(尤其是嬰兒和兒童),由于SOA 化學組成極其復(fù)雜,對SOA 進行有效的識別和健康效應(yīng)評估一直是國際氣溶膠研究領(lǐng)域的熱點和難點[30-31]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)相較于生物源 SOA(如異戊二烯SOA、α-蒎烯 SOA 和β-石竹烯 SOA),人為源 SOA(如間二甲苯SOA、甲苯SOA 和萘SOA)通常具有更高的OPm,同時研究者還指出該類由芳香族前體物產(chǎn)生的人為源SOA 中的醌含量幾乎可以忽略不計,并推測SOA 主要通過非催化途徑消耗DTT[32-33]。這種推測隨后被研究者證實,并提出芳香族SOA 中的 Michael 受體(如 CHO、COR、COOH 和 COOR)可通過親核加成或共軛加成與DTT 反應(yīng)并形成DTT的加合物,從而消耗 DTT[34-35]。 此外,Gant 等[36]使用體外肝細胞實驗,揭示了醌類也可與DTT 上的硫醇基發(fā)生芳構(gòu)化反應(yīng),即通過非氧化還原途徑消耗DTT。 McWhinney 等[22]采用 DTT 法評估了低濃度NOx下,·OH 和萘的光化學反應(yīng)體系下生成 SOA的ROS 生成水平,結(jié)果表明,1,2-萘醌、1,4-萘醌和5-羥基-1,4-萘醌的貢獻僅占萘SOA 的OPDTT的(30±5)%,研究同時發(fā)現(xiàn)除上述3 種醌類化合物外還存在大量未知的具有氧化還原活性的萘SOA 組分。Tobias 和Ziemann[37]向煙霧箱中通入三亞乙基四胺、烯烴、酸類和臭氧,充分反應(yīng)后,在生成的顆粒物中檢測到了有機過氧化物,同時采用熱解析-氣相色譜-質(zhì)譜檢測驗證了該類反應(yīng)產(chǎn)物,研究同時發(fā)現(xiàn)生成的有機過氧化物更易附著于顆粒相中;并推測大氣有機物可作為氣溶膠成核核心,同時產(chǎn)生有機活性氧物質(zhì)。 Wang 等[38]采用煙霧箱實驗?zāi)Mα-蒎烯和β-蒎烯的臭氧化反應(yīng)及其甲苯光化學反應(yīng),他們將生成的SOA 通入水相中,并使用液相色譜-熒光檢測器檢測到了大量H2O2的存在。 Docherty 等[39]通過實驗室模擬發(fā)現(xiàn)在1-丙醇、環(huán)己烯和甲醛存在條件下,單萜烯與臭氧可生成SOA 和過氧化物,其中過氧化物占氣溶膠質(zhì)量分數(shù)的47% ~85%,在大氣中的半衰期為1 周。 上述研究揭示了SOA 通過非氧化還原途徑消耗DTT,同時大量的毒理學研究證實了SOA 中的過氧化物可通過結(jié)合生物分子上的親核試劑或親核試劑位點,來導(dǎo)致DNA 損傷及對蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的修飾[35,40]。 因此未來關(guān)于SOA 的ROS 生成水平研究可從非催化性途徑進行深入探究。

3 顆粒物粒徑對OPDTT 的影響(Effects of PM size on OPDTT)

顆粒物粒徑不同,空氣動力學行為不同,對于身體內(nèi)屏障的穿透力也不同,較大的顆粒物進入人體后會停留在支氣管上,較小的顆粒物則會穿透呼吸屏障進入肺部,而一些超細顆粒物則更可能進入呼吸系統(tǒng)深部甚至參與血液循環(huán)[42-43]。 目前關(guān)于顆粒物粒徑大小與OPDTT的關(guān)系,大多數(shù)研究都表明,OPm伴隨著顆粒物粒徑的減小而增大。 例如,Li等[44]利用DTT 法研究了美國加利福尼亞地區(qū)不同粒徑大氣顆粒物的ROS 生成水平,結(jié)果表明超細顆粒物(＜0.1 μm)的 OPm分別是粗顆粒物(2.5 ~10 μm)和細顆粒物(＜2.5 μm)OPm的 21.7 倍和 8.6 倍。 另外,研究人員在美國弗吉尼亞州[45]和佐治亞州[46]開展的相關(guān)研究也取得相似的結(jié)論。

然而,另外一些研究也表明,與超細顆粒物相比,亞微米級顆粒物具有更高的OPm。 例如,Samara[47]在希臘塞薩洛尼基的研究發(fā)現(xiàn),單位質(zhì)量亞微米級顆粒物(0.49 ~1.0 μm)的DTT 活性高于超細顆粒物(＜0.49 μm),這種差異性可能來自于亞微米級顆粒物上富集了更多具有DTT 活性的化學組分。此外,一些研究發(fā)現(xiàn),與人類暴露水平密切相關(guān)的OPv,其峰值通常出現(xiàn)在顆粒物粒徑范圍為1 ~10 μm 左右[46,48],其中顆粒物水溶性組分OPv呈單峰態(tài),而非水溶性組分OPv則呈雙峰態(tài)分布,這種分布的差異性主要與顆粒物中金屬元素與含氧有機物的相對含量有關(guān)[4]。

4 顆粒物排放源對OPDTT 的影響(Effects PM emission sources on OPDTT)

近年來流行病學的研究也發(fā)現(xiàn),大氣顆粒物的健康效應(yīng)與其來源密切相關(guān),并且一些特殊來源的顆粒物具有更高的毒性。 已有研究發(fā)現(xiàn),短期暴露于交通源會引起哮喘患者肺功能下降,增加過敏源的反應(yīng)[49-50],也會影響健康人群的血管功能[51]。 木柴燃燒排放的顆粒物會加劇肺功能惡化[52]。 燃油和燃煤飛灰排放的顆粒物也表現(xiàn)出毒性效應(yīng)[53-54]。Wang 等[55]研究發(fā)現(xiàn),SOA、柴油車尾氣和生物柴油車尾氣產(chǎn)生的顆粒物的ROS 生成水平與環(huán)境大氣顆粒物相當,甚至高于環(huán)境大氣顆粒物。 Charrier等[56]通過特制的源導(dǎo)向型采樣系統(tǒng)采集不同來源的顆粒,使用DTT 法測定了不同來源顆粒物的ROS生成水平,結(jié)果表明不同來源顆粒物的OPm具有顯著差異:香煙＞焚香＞機動車尾氣＞室外大氣顆粒物樣品＞餐飲源＞室內(nèi)顆粒物樣品。 Daellenbach 等[57]通過評估瑞士多地大氣顆粒物的化學組成和OPDTT,并結(jié)合歐洲空氣質(zhì)量模型,提出歐洲大氣顆粒物質(zhì)量濃度來源與OPDTT來源并不相同,即降低顆粒物濃度的政策并不一定能降低顆粒物的氧化潛勢。 因此,對OPDTT的排放源進行識別和定量是制定區(qū)域和城市人體健康保護措施的前提。

隨著近年來機動車保有量的不斷增加,以機動車排放顆粒物為代表的道路交通排放正日益受到全球的普遍關(guān)注。 大量的實驗室模擬和外場觀測表明,柴油機顆粒(DEP)對OPDTT具有顯著貢獻(表2)。McWhinney 等[61]基于 DTT 法測定了 DEP 顆粒與城市背景點大氣顆粒物的ROS 生成水平,結(jié)果表明,DEP 顆粒的DTT 消耗速率比環(huán)境顆粒物的DTT 消耗速率高一個數(shù)量級,且DEP 顆粒上81% ~92%的引發(fā)DTT 反應(yīng)的活性組分存在于水不溶相。 Shinyashiki 等[20]也報道了DEP 中水不溶性成分貢獻了DTT 活性的90%以上。 DEP 顆粒含有PAHs、硝基-PAHs(NPAHs)及含 S、N、O 雜原子的 PAHs 衍生物,一般認為DEP 顆粒的氧化性和毒性來源于此,此外研究還發(fā)現(xiàn),DEP 的顆粒提取物具有致突變性和致癌性[15,63]。 根據(jù) Bates 等[4]的綜述,DEP 顆粒的OPDTT主要與發(fā)動機參數(shù)、行駛工況、尾氣的光化學老化及燃料類型密切相關(guān)。 Fox 等[64]基于DTT 法對比了不同發(fā)動機負荷對DEP 顆粒的ROS 生成能力的影響,結(jié)果表明降低發(fā)動機負荷可以顯著降低顆粒的 OPDTT。 Li 等[15]采用 DTT 法對比了通入臭氧前后煙霧箱中DEP 顆粒的ROS 生成水平,發(fā)現(xiàn)新鮮和老化的顆粒物都具有引發(fā)ROS 生成的能力,且老化的OPDTT更高。 Verma 等[65]研究了美國洛杉磯地區(qū)夏季晝夜變化對道路交通大氣顆粒物OPDTT的影響,結(jié)果表明,下午(11:00—14:00,太平洋夏季時間)收集到的顆粒物OPDTT明顯高于早晨(6:00—9:00,太平洋夏季時間),顆粒物中水溶性有機碳(WSOC)和OPDTT呈顯著相關(guān),而WSOC 主要來自于大氣的二次反應(yīng)產(chǎn)物或生物質(zhì)燃燒。 Karavalakis等[66]也嘗試探索不同混合燃料對DEP 顆粒的ROS生成水平的影響,結(jié)果表明使用生物柴油混合燃料可以顯著降低排放顆粒的OPDTT。

表2 不同排放源顆粒物的DTT 活性匯總Table 2 The summary of DTT responses of PM from various emission sources

此外,道路交通排放和汽油車排放也常與OPDTT呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系。 Shirmohammadi 等[67]在美國洛杉磯盆地(3 條具有代表性的道路上和背景點南加利福尼亞大學內(nèi))利用移動采樣平臺采集大氣顆粒物,結(jié)果顯示公路上顆粒物的OPDTT最大,高于背景點2.1 倍,且OPDTT與機動車磨損排放的示蹤物具有強相關(guān)性。 Verma 等[68]發(fā)現(xiàn)美國亞特蘭大地區(qū)大氣顆粒物的污染來源與其OPDTT呈線性關(guān)系,并利用正定矩陣因子分解法(PMF)將OPDTT與其他顆粒物的化學組分濃度相結(jié)合,解析出機動車排放對全年OPDTT均有貢獻,所占比例為12% ~25%。 Yu 等[69]將我國北京市大氣細顆粒物的PMF源解析結(jié)果與OPDTT以及多元線性回歸模型相結(jié)合,有效地解析出4個OPDTT的貢獻源和貢獻率,分別為機動車排放(35.4% ~63.7%)、二次硫酸鹽和工業(yè)排放(3.5% ~11.9%)、煤燃燒(13.8% ~32.8%)和揚塵(3.5% ~40.6%)。 Bates 等[70]利用化學質(zhì)量平衡法(CMB)解析出不同來源對美國亞特蘭大地區(qū)大氣細顆粒物的貢獻,再結(jié)合多元線性統(tǒng)計分析探討不同來源的顆粒物與OPDTT的相關(guān)性,結(jié)果表明輕型汽油車的OPm最高,其次是生物質(zhì)燃燒和重型柴油車。 以上研究表明,道路交通排放是OPDTT的重要來源,其中不同機動車尾氣排放的OPDTT具有較大差異,因此未來工作可聚焦于機動車燃料類型、道路車輛構(gòu)成及機動車排放標準等方面對OPDTT影響的綜合評價上。

生物質(zhì)燃燒是OPDTT的另一類重要來源。 生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源,其燃燒過程可產(chǎn)生或伴生大量有毒有機污染物(如PAHs和醛類)[71]。 Verma 等[58]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃燒排放的有機氣溶膠(BBOA)與氧化程度較高的有機氣溶膠(MO-OOA),與 DTT 活性最相關(guān)。 Saffari 等[72]分別采集了2012年和2013年冬季希臘塞薩洛尼基地區(qū)的細顆粒物樣品,并分析了顆粒物上的化學成分與ROS 生成水平的關(guān)系,受2012年希臘經(jīng)濟危機影響,當?shù)鼐用裨?012年取暖季時選擇了價格更為廉價的木柴來代替燃料油,研究結(jié)果表明,塞薩洛尼基地區(qū)2013年生物質(zhì)燃燒示蹤物(左旋葡聚糖和半乳聚糖)的濃度比2013年升高了2 倍~3 倍,顆粒物的ROS 生成水平與生物質(zhì)燃燒示蹤物線性相關(guān),證實了大量使用生物質(zhì)燃料會增加顆粒物的ROS 生成水平。 Verma 等[73]比較了美國南加利福尼亞州山林大火期間和火災(zāi)后大氣顆粒物中生物質(zhì)燃燒示蹤物(鉀離子和左旋葡聚糖)以及OPDTT的差異,也得到了類似的結(jié)論。 然而,Fushimi 等[62]發(fā)現(xiàn)不同生物質(zhì)(稻草、大麥秸稈、小麥秸稈和稻殼)燃燒排放顆粒物的OPm明顯低于機動車排放來源。 此外,Vreeland等[74]發(fā)現(xiàn)路邊垃圾焚燒可顯著增加大氣細顆粒物的OPv,但該來源對顆粒物的OPm無明顯影響。

一些研究顯示揚塵源也可能是OPDTT的重要來源。 Verma 等[68]發(fā)現(xiàn)夏季和秋季道路揚塵對美國東南部地區(qū)大氣細顆粒物OPDTT的貢獻約為12%。Liu 等[75]對中國北京市沙塵天氣前后大氣顆粒物OPDTT對比研究發(fā)現(xiàn),沙塵天氣發(fā)生時顆粒物中水溶性金屬元素增加,從而導(dǎo)致顆粒物的OPDTT顯著增加。 Secrest 等[76]研究了中國內(nèi)蒙古和四川地區(qū)使用家庭固體燃料排放的大氣細顆粒物對農(nóng)村婦女顆粒物暴露的影響,結(jié)果顯示揚塵、生物質(zhì)燃燒和煤炭燃燒是室內(nèi)細顆粒物的主要來源,其中僅有揚塵與OPm呈顯著正相關(guān),而后兩者則與OPm無相關(guān)性。 然而,Chirizzi 等[77]研究發(fā)現(xiàn)撒哈拉沙漠沙塵爆發(fā)對意大利東南部城市背景點(萊切環(huán)境氣候觀測站)大氣顆粒物OPDTT無顯著貢獻。 上述研究中,揚塵源對顆粒物OPDTT影響的差異性主要與顆粒物的化學組成和老化程度有關(guān),首先撒哈拉沙漠沙塵對大氣顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻可能主要集中于地殼元素、海鹽和胺類等不易產(chǎn)生氧化性的化學物質(zhì),因此不會對OPDTT產(chǎn)生顯著貢獻[6];其次,顆粒物老化會有助于硫酸銨等酸性物質(zhì)的形成,進而加速金屬元素的溶解度增加 OPDTT[48],因此,Chirizzi 等[77]收集到的這次顆粒物可能較之于其他研究較為特殊。 此外,一些采樣點因其獨特的地理位置及產(chǎn)業(yè)模式,也會有一些顯著影響 OPDTT的其他排放源。 Wang等[13]基于PMF 法和多元線性回歸模型解析出泰國曼谷地區(qū)不同來源的顆粒物對OPDTT的貢獻,發(fā)現(xiàn)船舶排放對OPDTT的貢獻最高可達28%。 值得注意的是,Samake 等[78]發(fā)現(xiàn)生物氣溶膠也能夠顯著影響粗顆粒物的OPDTT,其中真菌孢子的ROS 生成水平是細菌的10 倍。 但考慮生物氣溶膠中包含來自化石燃料燃燒所產(chǎn)生的黑碳(BC)[4],且研究已證實黑碳具有較高的氧化還原活性[63],因此這種生物氣溶膠的源分擔可能并不準確。

5 OPDTT 與健康效應(yīng)的關(guān)系(Relationship between health effect and OPDTT)

研究者發(fā)現(xiàn)利用模型估算的和實測的大氣顆粒物OPDTT,均與心肺系統(tǒng)健康效應(yīng)終點相關(guān)[1,3,70]。同時研究者也指出,相同健康效應(yīng)終點下,OPDTT表現(xiàn)出的相關(guān)性比顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)性更強[1,3,70,79],且有研究發(fā)現(xiàn)顆粒物質(zhì)量濃度未表現(xiàn)出與效應(yīng)終點的相關(guān)性[70]。 這佐證了氧化應(yīng)激是大氣顆粒物導(dǎo)致人體健康效應(yīng)的核心機制假說[4]。 目前在流行病學中,使用呼出氣NO(fractional exhaled nitric oxide, FENO)作為OPDTT生物標記物的研究越來越多,FENO通常作為臨床上判斷呼吸系統(tǒng)炎性效應(yīng)以及急性呼吸系統(tǒng)疾病(如哮喘)診斷的輔助指標[2,79-80]。

在流行病學中,通常使用土地回歸模型和源-效應(yīng)多元回歸模型來估算大尺度和長時間的OPDTT。其估算過程如下:假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)OPm(區(qū)域內(nèi)某一點測量值)在時間或空間上無顯著變化,該研究OPDTT即為該區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物質(zhì)量濃度均值與OPm的乘積[4]。 Janssen 等[79]利用土地回歸模型估計了荷蘭境內(nèi)OPDTT,并選擇31 名健康成年人于境內(nèi)不同區(qū)域大氣顆粒物中暴露4 h,結(jié)果顯示4 h 內(nèi)OPDTT與 FENO存在顯著正相關(guān)性。 Yang 等[2]利用2009—2010年荷蘭與比利時的顆粒物組分觀測數(shù)據(jù)及土地回歸模型估算的OPDTT建立時間序列分析模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),OPDTT與哮喘發(fā)病率、哮喘患病率和鼻炎發(fā)病率呈顯著相關(guān),且對上述健康效應(yīng)終點來說,顆粒物每增加一個四分位距(μg·m-3)對應(yīng)的發(fā)病率分別增加1.10%、1.08%和1.15%,在多污染物模型中OPDTT與上述健康終點的相關(guān)性依然存在。 Bates 等[70]利用1998—2009年美國亞特蘭大的顆粒物組分連續(xù)觀測數(shù)據(jù)與相應(yīng)OPDTT及具體疾病效應(yīng)終點建立時間序列分析模型,發(fā)現(xiàn)OPDTT與呼吸醫(yī)院就診率、心血管疾病醫(yī)院就診率密切相關(guān),且這種相關(guān)性也體現(xiàn)在雙污染物模型中。

6 使用OPDTT 評估顆粒物健康效應(yīng)的局限性與挑戰(zhàn)(Limitations and challenges of OPDTT to evaluate PM health effects)

顆粒物誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激是顆粒物驅(qū)動下游一系列信號途徑的起始事件,是其引發(fā)健康效應(yīng)的源頭。OPDTT僅體現(xiàn)了一種ROS 生成的化學機理,代表了顆粒物的化學氧化潛勢,并不能代表總的胞內(nèi)或胞外 ROS 生成量[81]。

顆粒物進入呼吸系統(tǒng)后,對人體ROS 累積的貢獻可分為內(nèi)源性ROS(PM-induced ROS)和外源性ROS(PM-bound ROS)[82]。 其中內(nèi)源性 ROS 是指顆粒物沉積在呼吸系統(tǒng)中,進入人體后通過參與機體內(nèi)的生物化學反應(yīng)(即酶促反應(yīng)或免疫反應(yīng)),誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生過量ROS,其濃度水平反映了顆粒物的生物氧化性[11,83],因此該部分ROS 的評估通?；趧游锛毎Ｐ烷_展,目前3 種最常見的細胞模型包括生長在氣管和肺泡部分的表皮細胞、巨噬細胞和樹狀細胞。 但基于細胞模型的氧化潛勢測定方法通常表現(xiàn)出周期長、穩(wěn)定性差、測定結(jié)果易受細胞狀態(tài)和細胞類型的影響等缺點,受環(huán)境影響不可控。

外源性ROS 主要是指具有氧化活性的成分(如過渡金屬及醌類等物質(zhì))隨顆粒物直接進入機體靶器官,在O2存在下通過Fenton 反應(yīng)及半醌自由基的氧化還原過程而產(chǎn)生過量的ROS,其濃度水平反映了顆粒物的化學氧化性。 而DTT 法正是基于非細胞體系評價顆粒物化學氧化潛勢的方法,它的出現(xiàn)使得研究者能夠快速靈敏地檢測顆粒物組分的氧化性能[6]。 此外顆粒物本身還可能攜帶一定量的ROS,該部分ROS 也屬于外源性ROS,如木材燃燒與機動車尾氣等一次排放以及烴類前體物發(fā)生的光化學氧化反應(yīng)等二次排放均能產(chǎn)生一定量的ROS[83-84],最近瑞士保羅謝勒研究所的研究者利用高分辨率X 射線顯微鏡觀察到這些ROS 可以在干燥環(huán)境下(相對濕度低于60%,20 ℃)穩(wěn)定沉積于顆粒物中,加劇大氣顆粒物暴露風險[85]。 但由于大部分ROS的反應(yīng)活性極強,半衰期非常短,直接測定較為困難,通常采用熒光探針對該部分ROS(顆粒物本身攜帶的ROS)進行捕獲,并通過測定氧化副產(chǎn)物的光譜實現(xiàn)對ROS 濃度的估測,常見的熒光探針主要有二氯二氫熒光素(DCFH)探針、氨基苯基熒光胺(APF)探針和10-乙?；?3,7-二羥基吩嗪(Amplex Red)探針等[4,86]。

因此,OPDTT與生物學效應(yīng)指標(如細胞毒性、炎癥響應(yīng)和氧化應(yīng)激標志物等)之間的關(guān)系存在不太統(tǒng)一甚至完全對立的觀點。 例如,Akhtar 等[81]采用DTT 法評估了加拿大多倫多市區(qū)大氣顆粒物的ROS 生成水平,并分別進行了人肺泡上皮細胞(A549)的細胞存活率和白細胞介素-8(IL-8)含量測試,結(jié)果顯示OPDTT與上述2個生物學效應(yīng)指標之間相關(guān)性較差。 然而,Velali 等[87]通過對希臘塞薩洛尼基地區(qū)大氣顆粒物的氧化性及細胞毒性研究發(fā)現(xiàn)OPDTT與細胞存活率及乳酸脫氫酶(LDH)活性呈顯著相關(guān)性。 顆粒物在細胞水平上產(chǎn)生的毒性和人體健康的負面效應(yīng)在一定程度上是由于顆粒物上存在較強的催化生成ROS 的能力。 然而OPDTT僅代表大氣顆粒物與硫醇之間的孤立化學反應(yīng),而細胞測定法則更多涉及顆粒物暴露后的生理過程。

可以預(yù)見,未來顆粒物氧化潛勢的評估將會從內(nèi)源性ROS 和外源性ROS 整體出發(fā),集合細胞及非細胞方法(DTT 法、熒光探針等),從而實現(xiàn)對顆粒物健康效應(yīng)的源頭把控,因此在我國開展大氣顆粒物氧化潛勢的研究,定量不同排放源的OPDTT及其對環(huán)境大氣顆粒物OPDTT的貢獻,對于制定保護人體健康的源頭減排政策,具有重要的現(xiàn)實意義。 目前國內(nèi)外DTT 標準化流程尚不統(tǒng)一(反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和顆粒物萃取方式等),難以對全球范圍內(nèi)不同研究獲得大氣顆粒物OPDTT觀測結(jié)果進行系統(tǒng)比較,因此未來亟需制定標準化方法,保證OPDTT數(shù)據(jù)的可比性[11]。 此外,OPDTT指標對顆粒物的健康效應(yīng)解釋遠比顆粒物質(zhì)量濃度更直接,但是在大尺度區(qū)域及長時間序列的調(diào)查背景下,往往需要相應(yīng)的模型來估算OPDTT,而該類相關(guān)研究在國內(nèi)開展較少[4]。