大气细颗粒物中有健康风险的关键组分

近日，南方科技大学环境科学与工程学院讲席教授杨新团队在 《科学进展》发表。该研究聚焦大气细颗粒物（PM2.5）有机组分的内暴露健康风险这一关键科学问题，揭示了不同类别有机化合物在人体内的潜在转运能力及其对多器官的毒性贡献。 PM2.5污染是威胁全球公众健康的重要环境问题。长期以来，空气污染防治主要关注PM2.5浓度及重金属、多环芳烃等已知有毒成分。然而，PM2.5中还包含成千上万种结构复杂的有机化合物，其潜在健康危害尚未得到充分认识。不同有机组分不仅毒性存在差异，进入人体后还可能通过血液循环影响多个器官。 因此，从分子层面识别PM2.5中的关键有毒物质，揭示其体内暴露特征及多器官毒性，是准确评估空气污染健康风险、推动精准污染防控的重要科学基础。 研究团队开展了为期一年的大气观测，共采集170份PM2.5样品，利用四种离子化模式相结合的高分辨质谱非靶向分析技术，对PM2.5中的有机化学组成进行了全面扫描。研究共检测到11843个分子特征，并进一步获得了2221种有机化合物的结构信息，揭示了PM2.5有机组分的高度复杂性和丰富的分子多样性。 研究发现，不同类型有机化合物的组成存在明显差异。含氧有机化合物在分子种类上占据主导地位，而此前关注相对较少的还原性有机氮化合物虽然分子种类较少，却具有较高的估算浓度。 此外，研究团队以人体血液中重要的运输蛋白——人血清白蛋白为研究对象，系统评估了PM2.5有机组分与血清白蛋白的结合能力，以表征其潜在的体内暴露水平。发现不同类型有机化合物与血清白蛋白的结合能力存在明显差异。其中，还原性有机氮化合物表现出最强的平均结合能力，表明其具有较高的潜在体内暴露风险。含氧有机化合物和还原性有机氮分别占所评估内暴露有机组分的44%和28%。这表明，PM2.5中有机物的环境含量与其潜在体内暴露水平并不完全一致，为进一步揭示其多器官毒性提供了重要依据。 研究团队针对2221种已获得结构信息的有机化合物，系统评估了其呼吸毒性、遗传毒性、神经毒性、肾毒性、致癌相关毒性、肝毒性和血液毒性等七类毒性终点，并结合五种人体细胞模型开展实验验证。分析发现，还原性有机氮化合物是所评估内暴露有机组分中多器官综合毒性的首要贡献来源，占比高达 39%。此外，预测为高毒性的代表性化合物通常表现出更强的细胞活力抑制、氧化应激和DNA损伤等效应，为毒性预测结果提供了实验支持。 研究人员还指出，还原性有机氮化合物的多器官毒性与其独特的分子结构密切相关。其中，分子密度、碱性、氢键结合能力及极性等性质与多种毒性终点表现出较强关联。还原性有机氮所含的胺、亚胺和腈等含氮官能团可能影响其与生物分子的相互作用及细胞内的分布，从而增加其潜在毒性风险。不同毒性终点对应的关键分子特征也存在差异，表明还原性有机氮的多器官毒性可能受到多种理化性质的共同影响。