空氣污染對人體健康構成嚴重威脅。根據2021年全球疾病負擔報告，空氣污染導致全球范圍內810萬人的死亡，其中顆粒物(PM)污染是全球疾病負擔的首要因素。PM的健康效應很大程度上取決于組分，而世界衛(wèi)生組織以質量濃度制定標準，大量研究顯示PM存在等量不等毒的問題，這嚴重妨礙了對健康效應的準確評估，造成世界范圍內空氣質量評估的不公平。此外，在PM健康效應機制上，大部分研究也是主要基于個別城市顆粒物的結果，不能全面地了解PM在機制上地區(qū)和城市差異，得到的結果也只能代表個別城市的情況。
 
　　北京大學環(huán)境科學與工程學院要茂盛團隊針對這一問題，用以前建立的方法采集了31個城市的汽車空調濾芯樣本，然后利用人體疾病模式真核生物釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，團隊將50μg/mlPM濃度暴露于酵母細胞3小時，通過多組學技術系統解析PM誘導的酵母細胞響應差異。
 
　　研究結果顯示，通過GC-IMS氣質聯用技術，檢測到60種差異表達VOCs，其中17種在不同城市組間呈現顯著濃度差異，涉及丙酸代謝、丁酸代謝和硫代謝等關鍵通路。轉錄組分析顯示，5851個基因中差異表達基因數量從16個(濟南)到884個(上海)不等，富集于碳水化合物代謝、核糖體生物合成和賴氨酸生物合成通路，提示能量代謝和抗氧化應激是PM毒性的核心機制(圖1)。蛋白質組分析進一步發(fā)現，5個代表城市(哈爾濱、北京、西安、南京、廣州)的PM暴露導致6—114個蛋白差異化表達，其中北京組特有的74個差異表達蛋白主要與甲烷代謝和核糖體功能相關，表明區(qū)域PM組分的獨特毒性模式。多組學分析結果表明VOC指紋與KEGG通路中的氧化磷酸化、化學致癌作用等顯著關聯，部分VOC可作為多種疾病相關通路的潛在標志物。
 

圖1. 中國31個主要城市顆粒物暴露下釀酒酵母的轉錄組特征

 
　　PM的毒性差異本質上是其組分差異的綜合體現。PM中的多環(huán)芳烴、銅/鐵等金屬元素與VOC釋放量呈強相關性(如Cu元素與CTR1基因表達的Spearman相關系數達0.887，p<0.001)，而PM中的微生物組分則影響硫代謝和氨基酸代謝通路的VOC特征。這種從“組分-代謝-標志物”的鏈條解析，為跨區(qū)域PM健康風險評估提供了關鍵數據支撐。與傳統毒理學方法相比，基于VOC的實時監(jiān)測技術具有無創(chuàng)和高時間分辨率的優(yōu)勢，能夠實時跟蹤PM暴露后的生命體狀態(tài)。該研究系統揭示了中國31個主要城市PM在細胞水平上的毒性機制差異，同時為利用VOC譜來實時追蹤探測顆粒物在體內的健康影響奠定了基礎，為空氣污染健康效應監(jiān)測提供了創(chuàng)新性解決方案。也為基于活體VOC監(jiān)測來實現“煙霧報警器”式的健康效應預警提供了方案。
 
　　研究成果以“Air Particles from 31 Chinese Cities Induced Differential Cellular Responses”為題發(fā)表在National Science Open上 。論文第一作者為北大環(huán)境學院博士畢業(yè)生張璐(現就職于生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境司)，要茂盛為通訊作者。項目主要得到了國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目(基金號22221004)和國家重點研發(fā)計劃(2022YFC3702801和2023YFC3708200)以及廣州國家實驗室項目(SRPG22-007)的資助。