空氣污染是當代社會面臨的重大環(huán)境問題之一。以PM2.5、O3、生物氣溶膠等為特征的空氣污染對人類健康影響巨大，如引發(fā)炎癥、氧化應激、呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等，甚至是死亡。近日國務院出臺了《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動計劃》，強調(diào)以改善空氣質(zhì)量為核心，以減少重污染天氣和解決人民群眾身邊的突出大氣環(huán)境問題為重點，以降低細顆粒物（PM2.5）濃度為主線，大力推動氮氧化物和揮發(fā)性有機物（VOCs）減排。減排的最終目標是保護人群健康，但目前還是以顆粒物的質(zhì)量濃度來評估空氣質(zhì)量和控制效率，而缺失了實際健康效應的考量。

大氣中除了顆粒物，還有氣體污染物以及生物成分如過敏原、毒素等。人體呼吸暴露的健康效應需要考慮所有這些物質(zhì)的效應以及它們可能存在的協(xié)同作用。此外，目前研究空氣污染健康效應的方法通常采用離線技術(shù)，如PM鼻腔灌注、血液注射或富集后再氣溶膠化，并需要進行繁瑣、有創(chuàng)的組織或血液取樣分析。這些缺點限制了對真實環(huán)境中空氣污染健康危害的精準的、具有時效性的評估和預警。實時在線監(jiān)測大氣污染綜合健康效應的實現(xiàn)能夠更精準地、更時效地評估空氣污染的健康危害，為大氣污染控制的最佳健康收益提供技術(shù)支撐。

針對以上問題，北京大學環(huán)境科學與工程學院要茂盛教授團隊在過去的幾年里一直致力于新一代空氣毒性監(jiān)測方法和技術(shù)的創(chuàng)新，專注于利用早期健康效應生物標志物的無創(chuàng)分析，實現(xiàn)空氣污染健康效應的實時在線監(jiān)測與預警。最近研發(fā)了基于大鼠活體傳感實時在線監(jiān)測空氣污染健康效應的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成活體大鼠、大鼠呼出氣標志物實時監(jiān)測陣列、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了大氣污染健康效應的實時探測與顯示，開啟了新模式的空氣污染監(jiān)測思路（圖1）。該系統(tǒng)已經(jīng)在全國12個重要城市部署示范監(jiān)測空氣污染健康效應。

圖1 基于大鼠呼出氣標志物實時監(jiān)測空氣污染健康效應實物圖

該監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過了實驗室可控研究以及室外環(huán)境大氣監(jiān)測示范，系統(tǒng)包括活體大鼠、大鼠呼出氣標志物監(jiān)測裝置以及網(wǎng)絡顯示系統(tǒng)。研究團隊首次開發(fā)了一種集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS），該傳感器由8個低成本氣體傳感器組成，用于同步實時監(jiān)測活體動物呼出氣中的TVOC、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、NH3和O2。在實驗室可控研究中，將27只Wistar大鼠暴露于9個不同污染時段的室外污染空氣中，并將24只大鼠暴露于實驗室控制的臭氧中（0 μg/m3, 150 μg/m3, 300 μg/m3, 1000 μg/m3），暴露時間均為2小時。使用IEBAS監(jiān)測大鼠呼出氣中8種氣體標志物在污染空氣暴露前后的變化，并使用氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）分析呼出氣體中具體VOCs的變化。在實驗室臭氧暴露后，同時對大鼠進行靜脈采血以檢測傳統(tǒng)的炎癥及氧化應激血液生物標志物，從而對比不同方法在反映空氣毒性上的效果和靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)，在將大鼠暴露于真實室外污染空氣后，使用集成式呼出氣陣列傳感器和GC-IMS實時監(jiān)測到大鼠呼出氣中的多種氣體標志物發(fā)生顯著改變（圖2）。其中，PM2.5污染水平顯著影響了CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3和正丙醇的相對水平，O3污染水平顯著影響了NO、H2S、O2、NH3、庚醛和2-庚酮的相對水平；多種氣體標志物與PM2.5和O3的濃度之間存在顯著相關(guān)性。這些證據(jù)表明，在2 h的暴露窗口中，PM2.5和O3的暴露顯著改變了大鼠呼出氣中多種氣體標志物的釋放模式，并能通過本研究構(gòu)建的方法實時在線監(jiān)測到。研究進一步在實驗室條件下驗證了該方法的可靠性，并發(fā)現(xiàn)合成空氣暴露2 h不會顯著改變大鼠呼出氣中的氣體標志物；而不同濃度的臭氧（150 μg/m3、300 μg/m3、1000 μg/m3）暴露2 h顯著改變了大鼠呼出氣中的多種氣體生物標志物，其中TVOC、CO、H2S、O2和庚醛與臭氧濃度之間具有明顯的劑量-反應關(guān)系（圖3）。這些證據(jù)表明，大鼠呼吸潔凈空氣時所研究的呼出氣標志物改變不顯著，而呼吸毒性空氣時多種標志物會發(fā)生重要變化，且與污染物濃度存在劑量-反應關(guān)系。相比較蛋白標志物，呼出氣氣體生物標志物對毒性空氣暴露的響應更為迅速和靈敏。

圖2 真實室外污染空氣暴露導致大鼠多種呼出氣標志物改變

圖3 臭氧模擬暴露驗證劑量-反應關(guān)系

這項研究通過利用活體大鼠開創(chuàng)了一種實時在線感知空氣污染健康效應的新研究范式，首次揭示了大鼠呼出氣中的多種無機和有機氣體生物標志物在暴露于真實環(huán)境污染空氣后快速發(fā)生顯著改變，同時獲得了PM2.5和O3暴露的重要候選生物標志物信息。通過使用本研究發(fā)明的集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS），可實現(xiàn)基于活體傳感的空氣污染健康效應的實時在線監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)的基于血液和組織的毒理學分析方法，本方法的優(yōu)勢在于呼出氣的在線、簡便、無創(chuàng)、低成本檢測分析，并且能夠提供多維度、高分辨率的健康效應信息。除城市空氣污染監(jiān)測外，該方案也可應用于醫(yī)院、學校、地鐵、海關(guān)等高風險場所以及生化反恐事件中的空氣生物安全預警保障。同樣的呼出氣生物標志物監(jiān)測方案也可用于臨床患者的健康狀況監(jiān)測。

目前，課題組已經(jīng)與國內(nèi)12所大學建立合作，并通過與北京工匠生物科技有限公司合作分別在北京、太原、呼和浩特、西安、蘭州、鄭州、南京、杭州、長沙、成都、昆明、貴陽部署了相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）。通過大鼠原位暴露、呼出氣自動采集、傳感陣列分析和網(wǎng)絡傳輸顯示，該系統(tǒng)可以實時、同步、在線觀測到不同城市24小時的大氣污染健康效應，實現(xiàn)對污染事件的快速預警和不同地區(qū)空氣毒性差異的有效區(qū)分，為大氣污染的精準防控提供了重要的技術(shù)支撐。

圖4 實時在線監(jiān)測全國不同城市空氣污染健康效應

該項研究在大氣污染健康效應方面屬于全新的研究范式，研究成果以“Real-time Monitoring of Air Pollution Health Impacts Using Breath-Borne Gaseous Biomarkers from Rats”為題發(fā)表在Environ. Sci. Technol.刊物上（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c08629）。論文的第一作者為北大環(huán)境學院博士生朱晨宇，北大要茂盛教授為通訊作者。該項目主要得到了國家重點研發(fā)計劃（SQ2022YFC3700094）、NSFC創(chuàng)新研究群體基金（22221004）、廣州實驗室（SRPG22-007） 以及國家重點研發(fā)計劃COVID-19專項基金（2023YFC3041200）的資助。相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)已申報國家專利。

朱晨宇（論文第一作者，北京大學環(huán)境科學與工程學院二年級博士研究生）

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