北京市PM2.5中類(lèi)腐殖質(zhì)的生物氧化應(yīng)激效應(yīng)初探

張 東，張?jiān)獎(jiǎng)?2,3*，尚 晶，薛凱兵，馬 健，陳 琦

1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

2. 北京燕山地球關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 101408

3. 山東大學(xué)生態(tài)環(huán)境損害鑒定研究院，山東 青島 266237

4. 北京城市氣象研究院，北京 100089

5. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100871

大氣顆粒物是化學(xué)成分復(fù)雜的混合物，對(duì)人體健康的影響不僅取決于其粒徑和濃度，還與其組分密切相關(guān)[1]. 研究[2]表明，大氣顆粒物中的有機(jī)物和金屬是兩類(lèi)對(duì)健康影響最重要的組分. 類(lèi)腐殖質(zhì)(humic-like substances, HULIS)是大氣顆粒物中一類(lèi)大分子有機(jī)化合物，具有復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，主要在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中排放并通過(guò)大氣過(guò)程原位形成[3].HULIS的平均分子量在200~700 Da之間[4-6]，是水溶性有機(jī)物(water soluble organic compounds, WSOCs)的重要組成部分[7]，占WSOCs濃度的20%~70%，占PM2.5濃度的10%[8-9]. HULIS廣泛存在于大氣氣溶膠、云、霧中，對(duì)大氣環(huán)境具有重要的影響[10-11]. 與陸生和水生系統(tǒng)中常見(jiàn)的腐殖質(zhì)一樣，大氣顆粒物中的HULIS由疏水性脂肪族和芳香族化合物組成，包含不同的極性官能團(tuán)，如羧基(?COOH)、羥基(?CH2OH)和羰基(?COCH3)等，其中羧基含量較高[12-14]. 由于這些含氧官能團(tuán)的存在，HULIS可以與金屬陽(yáng)離子絡(luò)合，導(dǎo)致生成過(guò)量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，引起機(jī)體氧化應(yīng)激，進(jìn)而誘導(dǎo)各種炎癥效應(yīng)，對(duì)人體健康造成損害[15-16]. 基于HULIS的環(huán)境效應(yīng)和健康危害，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究.

ROS是指機(jī)體內(nèi)或自然環(huán)境中含氧并且性質(zhì)活潑的物質(zhì)的總稱(chēng)，是一類(lèi)短壽命親電化學(xué)物質(zhì)，由超氧化物通過(guò)不完全還原反應(yīng)產(chǎn)生，由于其具有重要的化學(xué)反應(yīng)性，因此被認(rèn)為對(duì)細(xì)胞和組織具有毒性作用[17]. ROS主要包括以下幾種類(lèi)型：激發(fā)態(tài)的氧分子，即單線(xiàn)態(tài)氧分子(1O2)；含氧自由基，包括超氧陰離子自由基(O2?)、羥基自由基(·OH)和氫過(guò)氧自由基(HO2)；過(guò)氧化物，包括過(guò)氧化氫(H2O2)、過(guò)氧化脂質(zhì)(ROOH)等[18-19]. ROS的過(guò)量生成可能會(huì)導(dǎo)致其在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生與降解的失衡，從而使細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高，超過(guò)細(xì)胞耐受性，導(dǎo)致氧化應(yīng)激[20]. 氧化應(yīng)激在空氣污染引起的健康效應(yīng)中起至關(guān)重要的作用，能夠影響機(jī)體正常的生理功能，并誘發(fā)炎癥反應(yīng)[21]. HULIS是顆粒有機(jī)物中的主要氧化還原物質(zhì)，可以作為顆粒物中ROS產(chǎn)生的媒介，起到催化ROS組分形成的作用，從而對(duì)ROS的形成產(chǎn)生間接貢獻(xiàn)[22].

目前，大氣顆粒物化學(xué)組分對(duì)健康的影響仍是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，有關(guān)大氣顆粒物中HULIS誘導(dǎo)ROS生成的研究通常采用化學(xué)法，如二硫蘇糖醇(DTT)法等[9,13]，該方法以DTT來(lái)代替細(xì)胞內(nèi)的輔酶或抗壞血酸，DTT的消耗速率與樣品中氧化還原活性物質(zhì)的濃度成正比，從而測(cè)定污染物本身攜帶的ROS，即外源性ROS. 體外細(xì)胞法測(cè)定的是污染物進(jìn)入機(jī)體后，與細(xì)胞發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)量ROS，即內(nèi)源性ROS. 該研究分析了北京市區(qū)、郊區(qū)不同季節(jié)大氣PM2.5中碳質(zhì)組分的濃度特征，并以大鼠肺泡巨噬細(xì)胞NR8383作為細(xì)胞模型，測(cè)定了PM2.5及HULIS誘導(dǎo)內(nèi)源性ROS的能力，以期對(duì)PM2.5以及HULIS的生物氧化應(yīng)激效應(yīng)做出定量評(píng)價(jià).

1 材料與方法

1.1 PM2.5樣品的采集

該研究布設(shè)了2個(gè)采樣點(diǎn). 采樣點(diǎn)1位于北京大學(xué)城市大氣環(huán)境定位觀測(cè)站(116.31°E、39.99°N)，采樣器架設(shè)在北京大學(xué)理科一號(hào)樓的樓頂，距離地面約20 m，周?chē)鸁o(wú)明顯的局地源排放，屬于典型的市區(qū)站點(diǎn)；采樣點(diǎn)2位于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)教一樓頂(116.69°E、40.40°N)，距離地面約15 m，周?chē)酁樯絽^(qū)，為典型郊區(qū)站點(diǎn).

采樣時(shí)間為2021年1月13日?2月6日(冬季)以及2021年7月31日?8月30日(夏季). 冬季使用大流量大氣顆粒物采樣器(TH-1000CⅡ型，武漢天虹儀表公司)采集石英膜樣品(8 cm×10 cm)，采樣流量為1.05 m3/min，使用個(gè)體采樣器(SKG100-3000型，USA)采集Teflon膜樣品(直徑37 mm)，采樣流量為10 L/min；夏季使用大流量大氣顆粒物采樣器(TH-1000CⅡ型，武漢天虹儀表公司)采集石英膜樣品(8 cm×10 cm)，采樣流量為1.05 m3/min，使用小流量大氣顆粒物采樣器(2030D型，青島嶗應(yīng)環(huán)境科技公司)采集Teflon膜樣品(直徑47 mm)，采樣流量為16.67 L/min.

采樣前，將石英膜在550 ℃的馬弗爐中灼燒5 h，以去除碳本底. Teflon膜在采樣前后均在恒溫〔(23.0±0.6)℃〕、恒濕(40%±3.5%)的超凈室至少平衡48 h，使用自動(dòng)稱(chēng)膜機(jī)(CEWS-AUTO-BE型，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)進(jìn)行稱(chēng)量，每張膜至少稱(chēng)量3次，取相差不超過(guò)0.06 mg的相鄰3次稱(chēng)量結(jié)果的平均值[23]. 冬季采樣時(shí)長(zhǎng)為23.5 h (09:00?翌日08:30)，共采集石英膜53張(空白膜4張)，Teflon膜51張(空白膜4張)；夏季采樣時(shí)長(zhǎng)為47.5 h(09:00?第三日08:30)，共采集石英膜31張(空白膜2張)，Teflon膜32張(空白膜2張). 采集的樣品放入?20 ℃冰箱中保存待分析.

1.2 大氣顆粒物中碳質(zhì)組分的提取與定量

OC和EC的測(cè)定采用EC/OC分析儀(Forest Grove OR型，Sunset Lab，USA)和熱學(xué)/光學(xué)方法. 使用固相萃取法提取分離HULIS樣品，具體步驟為用銃子取3片直徑為47 mm的石英膜溶于超純水中，超聲提取20 min，重復(fù)兩次，將得到的提取液經(jīng)PTFE濾膜(0.22 μm)過(guò)濾得到WSOC溶液，定容至20 mL，其中，10 mL用于WSOC的定量，剩余10 mL WSOC溶液用1.2 mol/L的HCl酸化至pH=2. 用HLB小柱對(duì)酸化后的樣品進(jìn)行固相萃取，具體步驟為先用2 mL超純水和5 mL甲醇活化HLB小柱，然后把酸化后的樣品加入HLB小柱中萃取，用2 mL超純水沖洗萃取柱，之后用6 mL純甲醇溶液洗脫附著在萃取柱上的HULIS，使用高純氮?dú)獯蹈上疵撘?，加?0 mL超純水再次溶解HULIS，用于HULIS的定量測(cè)定[10]. 使用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 3100，JENA，Germany)對(duì)WSOC與HULIS進(jìn)行定量測(cè)定[24-25].

1.3 金屬元素測(cè)定

取1/4的Teflon膜微波消解后，使用激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICAP Qc型，Thermo Fisher，USA)對(duì)樣品中的Li、Na、Mg、Al、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Rb、Sr、Mo、Cd、Cs、Ba、Ce、Tl、Pb元素進(jìn)行檢測(cè)[26].

1.4 體外細(xì)胞試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)源性ROS

1.4.1 暴露液制備

PM2.5暴露液：用銃子取1片直徑為2 cm的石英膜，加入1 mL超純水，漩渦混合儀振蕩30 s后超聲15 min；放入搖床15~18 h，取出后再次超聲15 min，振蕩30 s，用0.22 μm無(wú)菌PTFE過(guò)濾器過(guò)濾除菌后，置于?20 ℃的冰箱中冷凍保存.

HULIS暴露液：用銃子取3片直徑為2 cm的石英膜，每次加入5 mL超純水，超聲提取20 min，重復(fù)2次，其余步驟同1.2節(jié)；最后，將被氮?dú)獯蹈傻臐饪s液溶于1 mL超純水中，并用Na型前處理柱去除其中的金屬，經(jīng)0.22 μm無(wú)菌PTFE過(guò)濾器過(guò)濾除菌后，放置在?20 ℃冰箱中冷凍保存.

1.4.2 細(xì)胞培養(yǎng)

該研究使用的細(xì)胞為大鼠肺泡巨噬細(xì)胞(NR8383)，將其置于5% CO2、37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)到試驗(yàn)要求后，收集細(xì)胞以進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)源ROS的測(cè)定.

1.4.3 PM2.5及HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS的測(cè)定

將培養(yǎng)好的細(xì)胞集中于一個(gè)培養(yǎng)瓶中，用細(xì)胞計(jì)數(shù)板進(jìn)行計(jì)數(shù)，確保細(xì)胞密度達(dá)1 000細(xì)胞/μL后，將細(xì)胞分裝至離心管中，離心后去除上清液，加入10 mL 1×SGM培養(yǎng)基后轉(zhuǎn)移至96孔板中，每孔100 μL，置于培養(yǎng)箱中2 h使細(xì)胞貼壁. 貼壁后的細(xì)胞去除細(xì)胞液并加入提取的暴露液，以2',7'-二氫二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)作為熒光探針，放入培養(yǎng)箱中，避光暴露約2.5 h，用酶標(biāo)儀(SynergyTMH1，BioTek，美國(guó))(發(fā)射波長(zhǎng)為488 nm，激發(fā)波長(zhǎng)為530 nm)進(jìn)行檢測(cè)[27].

1.4.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 25.0軟件對(duì)PM2.5及其化學(xué)組分與ROS進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0.5時(shí)，認(rèn)為兩變量之間具有相關(guān)性.

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5中含碳組分濃度及來(lái)源

2.1.1 PM2.5中含碳組分濃度特征

冬季北京市采樣點(diǎn)1(市區(qū)采樣點(diǎn))、采樣點(diǎn)2(郊區(qū)采樣點(diǎn))的PM2.5濃度分別為(93.94±34.22) (65.45±34.83)μg/m3，夏季分別為(30.45±13.24) (22.55±9.22) μg/m3，冬季市區(qū)采樣點(diǎn)PM2.5濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095?2012)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg/m3)[28]，郊區(qū)采樣點(diǎn)PM2.5濃度未超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值. 由表1可見(jiàn)，對(duì)于同一季節(jié)，與郊區(qū)采樣點(diǎn)相比，市區(qū)采樣點(diǎn)PM2.5中OC、WSOC和HULIS-C (HULIS中的碳)的濃度略高，與PM2.5濃度結(jié)果相同，說(shuō)明市區(qū)污染較嚴(yán)重，這可能是由于市區(qū)的移動(dòng)源以及人為源等排放量更高所致. 對(duì)于同一采樣點(diǎn)，OC、WSOC及HULIS的濃度均呈冬季高、夏季低的特點(diǎn)，這主要是由于冬季供暖導(dǎo)致PM2.5中碳質(zhì)氣溶膠含量增加，并且冬季氣溫較低，促進(jìn)了碳?xì)浠衔锬Y(jié)在顆粒物表面；另外，低溫也會(huì)導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車(chē)燃料的燃燒率降低，使污染物排放量(尤其是碳質(zhì)組分排放量)升高；此外，冬季邊界層高度相對(duì)較低，逆溫天氣頻發(fā)，不利于污染物擴(kuò)散，導(dǎo)致冬季污染較為嚴(yán)重[32].

表1 不同地區(qū)大氣PM2.5中碳質(zhì)組分特征Table 1 Characteristics of carbon compounds in PM2. 5 from different regions

由表1可見(jiàn)，該研究中碳質(zhì)組分濃度與廣州市[29]、西安市[30]等城市較為接近，WSOC濃度高于納木錯(cuò)地區(qū)[24]. 北京市區(qū)和郊區(qū)WSOC/OC (二者濃度之比，下同)在冬季分別為0.56±0.25和0.49±0.20，在夏季分別為0.41±0.06和0.45±0.05. WSOC/OC與氣溶膠的老化程度成正比[33]，因此冬季北京市區(qū)氣溶膠的老化程度高于郊區(qū)，而夏季郊區(qū)氣溶膠的老化程度則高于市區(qū). 北京市區(qū)，HULIS/OC在冬季和夏季均為0.14，HULIS-C/WSOC在冬季和夏季分別為0.24±0.21和0.34±0.03；北京郊區(qū)，HULIS/OC在冬季和夏季分別為0.19±0.17和0.15±0.02，HULIS-C/WSOC分別為0.37±0.20和0.34±0.03. 因此，北京郊區(qū)HULIS對(duì)OC的貢獻(xiàn)要高于市區(qū)，但HULIS對(duì)WSOC的貢獻(xiàn)在市區(qū)與郊區(qū)相當(dāng). 相較于表1中其他地區(qū)的研究結(jié)果，筆者結(jié)果相對(duì)偏低，可能與近年來(lái)北京市空氣質(zhì)量明顯改善，嚴(yán)重污染天氣減少有關(guān)[24,30-32].

2.1.2 OC/EC

OC/EC (二者濃度之比，下同)常被用來(lái)評(píng)價(jià)顆粒物的來(lái)源及排放特征[34]，其值越高，表明大氣二次污染越嚴(yán)重. 北京市區(qū)采樣點(diǎn)冬季和夏季的OC/EC范圍分別為8.94~19.29和3.24~10.37，平均值分別為11.06±2.30和5.84±2.29；郊區(qū)采樣點(diǎn)冬季和夏季的OC/EC范圍分別為5.47~22.48和3.50~12.41，平均值分別為8.14±3.32和6.75±2.66. 兩個(gè)采樣點(diǎn)的OC/EC均呈冬季高于夏季的特征，與董貴明等[32]在北京南部城區(qū)觀測(cè)的結(jié)果一致，表明碳質(zhì)組分的來(lái)源具有明顯的季節(jié)性差異，冬季OC/EC較高可能與生物質(zhì)燃燒源和燃煤源的貢獻(xiàn)有關(guān)，其中生物質(zhì)燃燒是主要原因[35]，而夏季OC/EC則主要受機(jī)動(dòng)車(chē)排放源和燃煤源的影響[36].

2.1.3 一次有機(jī)碳(POC)和二次有機(jī)碳(SOC)的估算

Chow等[37]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OC/EC大于2時(shí)，可能存在SOC污染，目前還沒(méi)有直接測(cè)定顆粒物中SOC含量的方法，常采用OC/EC示蹤比值法來(lái)評(píng)估SOC水平，計(jì)算公式[23]：

式中：CSOC為SOC的濃度，μg/m3；COC為OC的濃度，μg/m3；CEC為EC的濃度，μg/m3；(COC/CEC)min為OC/EC的最小值；CPOC為POC的濃度，μg/m3. 因不同季節(jié)的污染物來(lái)源存在差異[36]，因此該研究選取每個(gè)季節(jié)OC/EC的最小值，根據(jù)式(1)(2)計(jì)算SOC及POC的濃度.

由圖1可見(jiàn)，不同季節(jié)、不同采樣點(diǎn)EC濃度差異不明顯. 兩個(gè)采樣點(diǎn)冬季POC濃度較為接近，夏季北京市區(qū)采樣點(diǎn)略高于郊區(qū)采樣點(diǎn). 采樣期間，SOC/OC均在30%以上，與Zhang等[38-39]研究結(jié)果一致，表明SOC是北京市PM2.5中OC的重要組成部分. 在北京郊區(qū)，SOC濃度的季節(jié)性差異不明顯，SOC/OC呈夏季高于冬季的特征；在市區(qū)，SOC濃度及SOC/OC均呈冬季明顯高于夏季的特征. 與萬(wàn)州城區(qū)同類(lèi)污染物的季節(jié)性變化特征[35]相似，這可能是由于冬季市區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)逆溫天氣，逆溫天氣有利于污染物的積累，且冬季低溫加速了揮發(fā)性有機(jī)物在顆粒物上的冷凝，導(dǎo)致冬季SOC/OC較高[40].

圖1 北京市不同采樣點(diǎn)EC、POC、SOC濃度及SOC/OC的季節(jié)性變化情況Fig.1 Seasonal variations of EC, POC, SOC concentration and SOC/OC in different sampling sites in Beijing

2.2 PM2.5誘導(dǎo)內(nèi)源性ROS生成

2.2.1 PM2.5誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平

該研究測(cè)定內(nèi)源性ROS時(shí)以酵母聚糖(zymosan)作為陽(yáng)性對(duì)照，ROS濃度以μg zymosan/m3和μg zymosan/mg PM來(lái)表示，前者反映了單位體積空氣中顆粒物的氧化能力，即內(nèi)源性ROS在大氣中的暴露濃度，后者則反映了單位質(zhì)量顆粒物的氧化能力. 由圖2可見(jiàn)：觀測(cè)期間PM2.5誘導(dǎo)產(chǎn)生的總內(nèi)源性ROS濃度水平有較大差異. 從暴露角度〔見(jiàn)圖2(a)〕來(lái)看，在相同季節(jié)，北京市區(qū)的內(nèi)源性ROS濃度水平高于郊區(qū)；在相同采樣點(diǎn)，內(nèi)源性ROS濃度變化特征均呈冬季高于夏季的特征. 內(nèi)源性ROS濃度與PM2.5濃度變化特征具有一致性，表明顆粒物濃度越高，其對(duì)健康的影響就越大. 從顆粒物的生物氧化潛力〔見(jiàn)圖2(b)〕來(lái)看，在相同季節(jié)，北京市區(qū)內(nèi)源性ROS濃度水平高于郊區(qū)；在相同采樣點(diǎn)，夏季內(nèi)源性ROS濃度高于冬季，表明夏季郊區(qū)的PM2.5具有更高的生物氧化潛力.

圖2 PM2.5誘導(dǎo)生成的總內(nèi)源性ROS濃度水平Fig.2 Endogenous ROS concentration level of PM2.5 water extract

已有研究使用酵母聚糖作為陽(yáng)性對(duì)照，測(cè)定了不同地區(qū)大氣PM2.5體外誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源性ROS的濃度水平，筆者研究中PM2.5誘導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS濃度水平高于巴格達(dá)[41]，但低于米蘭[34]和首爾[42]，這可能是由于不同地區(qū)PM2.5樣品的濃度以及化學(xué)組分差異較大，因此誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源性ROS的水平具有較大差異[26,34,41-43]. 已有研究[9,16,25,44]表明，PM2.5中過(guò)渡金屬(如Fe、Cu等)以及有機(jī)組分對(duì)內(nèi)源性ROS的生成具有重要貢獻(xiàn)，它們不僅能單獨(dú)促進(jìn)內(nèi)源性ROS的生成，還能夠相互作用，進(jìn)而影響內(nèi)源性ROS的生成. 此外，通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠比一次污染物更有可能引起氧化應(yīng)激，從而生成過(guò)量?jī)?nèi)源性ROS并導(dǎo)致細(xì)胞損傷[26]. 因此，該研究中夏季PM2.5的生物氧化潛力更高，可能與PM2.5組分差異以及夏季光化學(xué)反應(yīng)劇烈導(dǎo)致二次氣溶膠生成等因素有關(guān).

2.2.2 PM2.5及其化學(xué)組分與內(nèi)源性ROS的相關(guān)性分析

為確定PM2.5中對(duì)內(nèi)源性ROS濃度水平貢獻(xiàn)較大的組分，對(duì)PM2.5及不同化學(xué)組分濃度與內(nèi)源性ROS濃度的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示. 由表2可見(jiàn)，北京市兩個(gè)采樣點(diǎn)的內(nèi)源性ROS濃度與碳質(zhì)組分濃度之間均有較高的相關(guān)性，與Park等[42]在韓國(guó)首爾的研究結(jié)果一致，表明一次源和二次源的碳組分在內(nèi)源性ROS的生成中都起重要作用. 金屬元素如K、Fe、Mn、Cu、Zn、As、Se、Cd、Tl和Pb等同樣與內(nèi)源性ROS的生成有關(guān)，其原理主要是金屬能夠通過(guò)Fenton反應(yīng)促進(jìn)ROS的生成，表明PM2.5中的金屬元素也在生物氧化應(yīng)激中具有重要作用.

表2 PM2.5及化學(xué)組分濃度與內(nèi)源性ROS濃度的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficient between PM2.5 and chemical components and ROS

2.3 HULIS誘導(dǎo)內(nèi)源性ROS 生成

相關(guān)性分析表明，北京市兩個(gè)采樣點(diǎn)的HULIS濃度與內(nèi)源性ROS濃度具有較好的相關(guān)性(市區(qū)和郊區(qū)R值分別為0.644和0.628，P均小于0.01). 作為水溶性有機(jī)碳中的重要組分，許多研究[16,22,25,45-48]表明，HULIS中含有可逆的氧化還原位點(diǎn)，可作為電子載體催化ROS的形成，且HULIS中的大量酸性官能團(tuán)還可與金屬陽(yáng)離子絡(luò)合，進(jìn)而促進(jìn)ROS的產(chǎn)生和釋放，因此該研究進(jìn)一步探究了PM2.5中HULIS誘導(dǎo)的內(nèi)源性ROS生成情況.

2.3.1 HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平

由圖3可見(jiàn)，采用不同的計(jì)量單位表征HULIS誘導(dǎo)的內(nèi)源性ROS濃度水平時(shí)，其結(jié)果有所不同. 從暴露的角度〔見(jiàn)圖3(a)〕來(lái)看，HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平表現(xiàn)為冬季市區(qū)>冬季郊區(qū)>夏季市區(qū)>夏季郊區(qū)，與2.2.1節(jié)中PM2.5誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS水平結(jié)果一致，表明冬季HULIS的健康風(fēng)險(xiǎn)更高. 從HULIS的生物氧化潛力〔見(jiàn)圖3(b)〕來(lái)看，HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平表現(xiàn)為冬季郊區(qū)>冬季市區(qū)>夏季市區(qū)>夏季郊區(qū). 研究[48]表明，HULIS是誘導(dǎo)生物氧化應(yīng)激的重要組分之一，能夠促進(jìn)內(nèi)源性ROS的生成. 其機(jī)理是HULIS中可逆的氧化還原位點(diǎn)能夠作為電子載體，將電子從細(xì)胞中的還原物質(zhì)（如NADPH或抗壞血酸）轉(zhuǎn)移到O2中，并導(dǎo)致ROS隨著細(xì)胞的有氧呼吸持續(xù)產(chǎn)生. 核磁共振結(jié)果[49]表明，不同來(lái)源的HULIS所含官能團(tuán)差異較大，通過(guò)二次反應(yīng)生成的HULIS化學(xué)成分更為復(fù)雜，其中芳香性物質(zhì)(如醌等)含量也更高. 已有研究[22]表明，醌基是HULIS中的重要氧化還原活性位點(diǎn). 因此，冬季HULIS的氧化還原活性更強(qiáng)，可能與其成分中醌基較多有關(guān)，因此具有更高的生物氧化潛力.

圖3 HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平Fig.3 Endogenous ROS concentration level of HULIS

2.3.2 HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度的日變化情況

HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平的日變化情況如圖4所示. 由圖4可見(jiàn)，HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度與HULIS濃度變化趨勢(shì)基本一致，二者相關(guān)性(北京市區(qū)和郊區(qū)R值分別為0.775和0.660，P均小于0.01)較高. HULIS濃度升高或降低時(shí)，單位體積空氣中HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度也隨之升高或降低. 在相同季節(jié)，北京市區(qū)的內(nèi)源性ROS濃度與HULIS濃度均高于郊區(qū)，從暴露的角度來(lái)看，HULIS濃度越高，其對(duì)健康的影響越大. 但在北京郊區(qū)，2月2?6日HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度變化與HULIS濃度變化趨勢(shì)相反，可能是由于HULIS樣品中存在過(guò)渡金屬的干擾導(dǎo)致測(cè)定誤差增大. 2月2?6日，過(guò)渡金屬V、Cr、Mn和Fe的濃度平均值分別為(3.76±1.47) (4.94±2.04) (70.68±27.51)(2 044.00±879.95) ng/m3，遠(yuǎn)高于采樣期間的平均值〔V、Cr、Mn和Fe的濃度平均值分別為(3.15±1.73)(3.92±1.92) (53.24±27.28) (1 535.85±863.79) ng/m3〕.盡管在提取HULIS過(guò)程中，已經(jīng)使用Na型前處理小柱對(duì)可能存在的過(guò)渡金屬進(jìn)行處理，但過(guò)渡金屬與HULIS還可以絡(luò)合態(tài)的形式存在，而前處理小柱對(duì)絡(luò)合態(tài)的過(guò)渡金屬的去除率相對(duì)較低，因此可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)定中內(nèi)源性ROS濃度水平過(guò)高.

圖4 HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度水平的時(shí)間序列Fig.4 Time series of endogenous ROS concentration level induced by HULIS

2.1.1節(jié)中OC/EC結(jié)果表明，冬季OC主要來(lái)自生物質(zhì)燃燒源和燃煤源，夏季主要來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)排放源和燃煤源. Ma等[50]分析了HULIS不同來(lái)源對(duì)其氧化還原活性的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，生物質(zhì)燃燒源產(chǎn)生的HULIS具有較高的氧化潛勢(shì)(62.9%)，而通過(guò)二次有機(jī)氣溶膠生成的HULIS氧化潛勢(shì)(12.6%)相對(duì)較低，進(jìn)一步解釋了冬季HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS水平高于夏季的原因. 因此，控制生物質(zhì)燃燒源及二次有機(jī)氣溶膠生成對(duì)于降低HULIS的氧化還原活性，以及由此導(dǎo)致的生物氧化應(yīng)激效應(yīng)具有重要意義.

2.3.3 HULIS對(duì)PM2.5誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS的貢獻(xiàn)率

HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度與PM2.5誘導(dǎo)生成的總內(nèi)源性ROS濃度的相關(guān)性分析如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)，在北京市區(qū)和郊區(qū)二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.771(P<0.01)和0.679(P<0.01)，相關(guān)性均較好. 此外，在北京市區(qū)和郊區(qū)，HULIS對(duì)PM2.5誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS的貢獻(xiàn)率分別為42%和37%，表明HULIS在誘導(dǎo)內(nèi)源性ROS生成中起重要作用. 鑒于HULIS在生物氧化應(yīng)激中起的關(guān)鍵作用，有必要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性控制.

圖5 HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度與PM2.5誘導(dǎo)生成的總內(nèi)源性ROS濃度的相關(guān)性Fig.5 Correlation between endogenous ROS concentration induced by HULIS and total ROS concentration in PM2.5

3 結(jié)論

a)北京市PM2.5中碳質(zhì)組分濃度呈冬季高于夏季、市區(qū)高于郊區(qū)的特征. 冬季生物質(zhì)燃燒源和燃煤源對(duì)OC具有較大貢獻(xiàn)，夏季OC則主要來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)排放源及燃煤源.

b)觀測(cè)期間，PM2.5誘導(dǎo)生成的總內(nèi)源性ROS濃度(μg zymosan/m3)呈冬季高于夏季的特征，但夏季PM2.5具有更高的生物氧化潛力(μg zymosan/mg PM).相關(guān)性分析表明，PM2.5中的碳質(zhì)組分和一些金屬在內(nèi)源性ROS生成中起重要作用.

c) HULIS誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS濃度同樣呈冬季〔市區(qū)和郊區(qū)分別為(55.46±22.69) (43.27±23.89)μg zymosan/m3〕高于夏季〔市區(qū)和郊區(qū)分別為(18.73±11.94) (7.88±3.63) μg zymosan/m3〕的特征，在市區(qū)和郊區(qū)HULIS對(duì)PM2.5誘導(dǎo)生成的內(nèi)源性ROS的貢獻(xiàn)率分別為42%和37%，表明HULIS在誘導(dǎo)內(nèi)源性ROS生成、促進(jìn)生物氧化應(yīng)激中起重要作用，針對(duì)性控制HULIS能夠有效降低大氣PM2.5的生物氧化應(yīng)激效應(yīng).