環境空氣PM2.5化學成分暴露及其健康效應研究進展

吳海盛，曾慶輝，余曉琳，陳煜亮，馮文如，郭 貔

(1.汕頭大學醫學院公共衛生與預防醫學教研室，廣東 汕頭 515041；2.廣州市疾病預防控制中心，廣東 廣州 510080)

細顆粒物(particulate matter 2.5，PM2.5)是指環境空氣中空氣動力學直徑小于等于2.5 μm、大于0.1 μm的顆粒物，目前已經成為嚴重威脅公共健康的環境風險因子，其對全球疾病負擔的貢獻率位列第6[1]，在我國PM2.5則是排名前5的致死風險因素。大量的流行病學研究表明環境PM2.5暴露與人類健康存在顯著的關聯性，特別是心血管和呼吸系統疾病[2]。這些研究的一個主要假設是認為PM2.5的毒性與其成分構成無關，而不考慮其化學成分的異質性[3-4]。然而，PM2.5與疾病的關聯性估計卻呈現出時空異質性[5]。一個潛在的原因是，在不同時空嵌入的PM2.5化學成分的可變性驅動了PM2.5毒性的差異[6]。而僅通過質量測量難以最好地量化PM2.5對健康最有害的方面。因此，了解PM2.5的構成及其物理化學特性、識別出PM2.5的有害成分尤為重要。因此，本文在對環境PM2.5及其成分的物理化學特性、來源解析、PM2.5成分暴露評估方法、暴露—反應統計分析模型、健康影響作系統的回顧和綜述，旨在為PM2.5成分暴露的健康風險評價提供基礎資料。

1 PM2.5及其成分的物理、化學特性

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

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

2 PM2.5成分來源解析

PM源解釋研究旨在分析不同地區、時間的PM2.5構成和成分來源。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、交通運輸、生物質燃燒、工業排放和二次氣溶膠[8]。

環境PM2.5暴露的成分構成和來源取決于地理位置、社會經濟水平、人類生活方式及氣象條件等，因而表現為顯著的時空異質性。譬如，我國北方地區因冬季住宅供暖而導致燃煤的貢獻比東部和南部地區更高[11]；在珠三角地區，由于城市化進程加快、機動車保有量快速增長，加之該地區太陽輻射強、大氣氧化性高，導致了交通運輸污染及二次顆粒物為主的PM2.5污染；在香港，PM2.5成分除了來源于機動車、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的區域傳輸[12]。此外，鈉離子、氯離子和鎂離子被認為是沿海地區海鹽顆粒物的標志性元素。時間維度上，Zhu等[8]的PM源解釋研究表明近年來化石燃料和工業源的貢獻呈下降趨勢。PM2.5成分的來源和構成影響其毒性。例如，我國一項多城市的研究[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的大氣PM2.5暴露對居民呼吸系統和心腦血管系統疾病死亡的貢獻率在全國排第1位。雖然廣州地區空氣質量指數不一定比北方地區高，但大氣PM2.5污染造成的疾病負擔可能更嚴重。

3 PM2.5成分暴露及其健康效應

PM2.5及其成分的物理結構、化學組成及來源差異，決定了PM2.5質量測量難以最好地量化PM2.5對健康最有害的方面，這就要求我們在PM2.5成分的層面進行健康風險評價。然而，在PM2.5成分暴露評估方法以及統計分析模型方面，仍然存在較大的挑戰。

3.1 PM2.5成分的暴露評估方法

分析暴露問題以進行健康風險評價，一方面要考慮污染物的時空分布，另一方面要考慮人群的暴露行為模式(如移動軌跡、室內外暴露時間等)[14]，對于這兩個方面了解得越精細越有利于準確地估計暴露—效應關系。大多數暴露研究往往集中在以下兩個視角：一是基于個體暴露采樣和內暴露標志物化驗等方法，這些方法是評估個體暴露水平的“黃金標準”，但這類研究受成本約束往往難以在大規模的流行病學研究中實施[14]。此外，目前該方法已在常見污染物的研究中使用，但受制于技術原因，尚未有研究采用該方法來測量個體層面的PM2.5成分暴露水平；二是基于監測站點的方法，即采用PM2.5成分監測站點的測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，已被廣泛應用[15-16]。然而，基于站點的方法忽略了污染物的空間分布和動態變化，從而在估計暴露—效應關系時造成偏倚。另外，目前我國PM2.5成分監測站點也十分稀少，難以滿足精準暴露評估需求。

為了克服以上兩個研究視角的局限性并實現個體化暴露評估，一些前沿的研究采用數學建模的方法來對PM2.5成分進行精細時空的區域模擬，然后通過時空匹配來評估個體層面的暴露水平。譬如，van Donkelaar等[17]采用了結合衛星遙感數據、化學傳輸模型和監測站點數據的地球科學—統計學聯合方法(combined geoscience-statistical method，CGSM)，對歐洲的PM2.5化學成分暴露進行估計；Chen等[18]基于監督線性回歸和隨機森林算法開發了全歐洲PM2.5成分暴露估計模型。目前我國關于PM2.5成分精準暴露評估的研究還沒有系統展開，主要原因是PM2.5成分監測數據的匱乏。我國PM2.5成分暴露健康風險評價研究常用的方法包括：基于監測站點、化學傳輸模型[19]和直接應用CGSM模型[20-21]，但均存在難以同時兼顧時間和空間分辨率的問題，限制了PM2.5成分暴露的健康風險評價研究的開展。

3.2 PM2.5成分暴露—效應的統計分析模型

表1中總結了目前PM2.5成分暴露的健康風險評價的統計分析模型。所有模型以廣義線性模型形式表示，以適應不同的回歸函數形式(線性回歸、Logistic回歸、Cox模型等)，健康結局(y)表示為特定PM2.5成分(c)、PM2.5質量和其他協變量矩陣[γ′x]的函數。模型1是單一成分模型，也是應用最為廣泛的分析模式[15]。然而，PM2.5通常與其化學成分濃度及健康結局均存在一定程度的相關性。對于模型1，與PM2.5強相關的成分可能比其他成分的風險估計更為顯著，而這是由于它們與PM2.5的相關性，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相關性，也會產生類似的影響。為了避免在健康風險評價中出現類似的“假陽性”，需要在統計分析模型中適當考慮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、應用和拓展的。如表1所示，所有模型均有一定的優缺點，且不同模型的估計有略微不同的解釋，對于特定的數據難以確定最佳的統計模型。我們認為，未來的研究應同時建立多個模型進行對比和分析，因為可靠的統計關聯在不同的模型之間應該是一致的。

表1 PM2.5成分暴露的健康風險評價的統計分析模型

3.3 PM2.5成分暴露的健康效應

Yang等[2]系統回顧了短期和長期暴露于各種PM2.5成分與發病率和死亡率的相關性研究，發現黑炭和有機碳是PM2.5主要的有害成分，且黑炭對健康的不良影響證據最充足，特別是對心血管疾病的發病和死亡風險。

PM2.5中包含的眾多金屬元素也被證明與健康相關，其中流行病學證據最為充分的為鉀、硅、鋅、釩和鎳[2,22]。譬如，來自生物質燃燒的鉀被報道與心血管及呼吸健康相關[23]；釩和鎳與心血管疾病的死亡率升高有關[20]；Guo等[16]最近的一項研究表明廣州市大氣釩暴露與神經系統疾病急診人數具有因果關聯。此外，毒理學證據與流行病學研究結果互為補充，并為PM2.5中的有害重金屬/類金屬元素對人體健康的毒性及生物學致病機制提供了有力證據。Zhang等[24]的毒理學研究表明，環境鎳暴露能夠誘發心率變異性改變、遲發性心律失常、心動過緩和低體溫癥等，而釩則會導致人體氣道上皮細胞的不良反應。Lippmann等[25]的毒理研究則表明鋅與血管擴張和收縮呈現顯著的負相關關聯。

PM2.5中多環芳烴對人類健康的急性影響主要取決于多環芳烴暴露濃度、暴露時間、多環芳烴的毒性以及接觸途徑(吸入、攝入或皮膚接觸)。短期暴露于多環芳烴會導致哮喘患者肺功能受損，以及冠心病患者產生血栓效應；另一方面，多環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，對于長期職業性暴露于多環芳烴的個體，其患皮膚癌、肺癌、膀胱癌和胃腸道癌的風險增加。進一步識別出具有危害效應的多環芳烴種類仍尤為關鍵。得益于PM2.5成分濃度檢測技術的進步，目前已確定PM2.5中的危害最大的多環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]的薈萃分析證實了二次無機氣溶膠對疾病發病率和死亡率的不良影響，在調整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，而呼吸系統發病率只與暴露顯著相關。Guo等[16]的研究也證明是導致呼吸系統疾病急診人數增加的一個風險因素，而和Cl-是導致循環系統疾病急診人數增加的危害因子。Cl-作為沿海地區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[15]。

總體來說，現有的研究關注的健康結局比較單一，主要集中在呼吸、循環和神經系統相關疾病的發病及死亡。對于PM2.5中的多環芳烴類成分則著重關注其長期暴露的致癌性、致畸形和基因毒性。最近，PM2.5成分暴露對人類生殖健康的影響也開始得到了關注：Yu等[20]開展的一項全國性流行病學研究發現，孕婦在孕期期間的黑炭、有機碳和暴露會增加糖尿病發病風險；Cai等[21]的研究則表明孕婦在孕中期的黑炭暴露與早產有關；Huang等[27]發現空氣中銻、鎘、鉛、錳和鎳的暴露與男性精子濃度下降顯著相關，而錳暴露與男性精子總活動性下降顯著相關。盡管如此，由于關注的健康結局還不夠全面、PM2.5監測數據的匱乏限制了其精準暴露評估方法的發展、以及對統計分析模型的應用缺乏規范性，PM2.5成分暴露的健康風險評價仍然任重而道遠。

4 小結

目前已有流行病學研究證明不同PM2.5成分對人類健康的有害影響，這為制定有效的公共衛生決策和干預措施、預防相關疾病的發生及降低其疾病負擔提供了一定的科學依據。然而，由于PM2.5及其成分的物理結構、化學組成的復雜性及來源的差異性，對PM2.5成分的研究必須有堅實的理論框架和實驗證據作為指導。為了更全面更系統地開展PM2.5暴露的健康風險評價，以下的問題亟須進一步研究：(1)完善PM2.5成分的監測體系，開發我國PM2.5成分個體化精準暴露評估模型；(2)多種暴露—效應統計模型應被考慮和規范使用，以提高健康效應估計的準確性、穩健性和有效性；(3)開展大規模、多中心的研究，以全面識別和確定各PM2.5成分的短期、長期暴露對多種健康結局的影響。