曼谷城区总悬浮颗粒物的化学组成特征、来源解析及其人肺上皮细胞A549毒性.pdf

第 52 卷 第 2 期 Vol.52,No.2,135146 2023 年 3 月 GEOCHIMICA Mar.,2023 收稿日期:2021-04-13;改回日期:2021-08-17 项目资助:国家自然科学基金项目(42030715、42107120)和“一带一路”国际科学组织联盟项目(ANSO-CR-KP-2021-05)共同资助。第一作者简介:王嘉琦(1993),女,博士研究生,环境科学专业。E-mail: 通信作者:赵时真(1989),女,副研究员,从事区域毒害有机污染物研究。E-mail: Geochimica Vol.52 No.2 pp.135146 Mar.,2023 曼谷城区总悬浮颗粒物的化学组成特征、来源解析 及其人肺上皮细胞A549毒性 王嘉琦1,2,赵时真1*,张倩玉1,梁耀辉1,马慧敏1,李 军1,张 干1(1.中国科学院 广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;2.郑州大学 电气与信息工程学院,河南 郑州 450001)摘 要:城市大气颗粒物暴露与人群健康不利效应密切相关,由于颗粒物来源广泛、组成复杂,其引致的健康毒性效应不尽相同。本研究旨在探查城市颗粒物的化学组成、来源及其对人体细胞的毒性效应。采集泰国曼谷城区一年的大气总悬浮颗粒物(TSP)样品,分析水溶性离子、微量金属元素、碳质组分及有机分子标志物含量,并利用正定矩阵因子(PMF)模型解析曼谷 TSP 来源;测定人肺上皮细胞 A549 暴露于 TSP 水萃取组分和有机萃取组分后细胞毒性的变化,包括细胞存活率、活性氧(ROS)生成、白细胞介素-8(IL-8)及细胞凋亡。结果表明,曼谷 TSP 浓度呈现干季高、湿季低的季节趋势,有机组分和水溶性离子是 TSP 的主要组分(50%)。PMF 模型解析结果显示,生物质燃烧(24.7%)、陆地化石燃料燃烧(21.1%)和土壤扬尘(20.6%)是干季内曼谷TSP 质量浓度的主要贡献者,而湿季内曼谷 TSP 的主要来源为陆地化石燃料燃烧(29.5%)、生物质燃烧(16.6%)及海盐(16.0%)。曼谷 TSP 水萃取组分和有机萃取组分均可引起 A549 细胞毒性,其中 TSP 有机萃取组分暴露后的细胞具有更高的死亡率、ROS 水平和凋亡率,而 TSP 水萃取组分暴露后的细胞则具有更高的 IL-8 水平,这种差异表明诱导胞内 ROS(即氧化应激响应)和细胞死亡(细胞存活率与凋亡率)的主导活性组分与诱导 IL-8的主导活性成分不同。关键词:总悬浮颗粒物;水萃取组分;有机萃取组分;A549 细胞;细胞毒性;源解析 中图分类号:X142 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0135-12 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.001 Chemical characteristics and source apportionment of total suspended particles and their cytotoxicity towards human lung epithelial A549 cells in urban Bangkok WANG Jiaqi1,2,ZHAO Shizhen1*,ZHANG Qianyu1,LIANG Yaohui1,MA Huimin1,LI Jun1,ZHANG Gan1(1.State Key Laboratory of Organic Geochemistry,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.School of Electrical and Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,China)Abstract:Exposure to ambient particulate matter(PM)is associated with a range of adverse health impacts.PM is a complex,heterogeneous mixture that shows wide variations in time and space and contains numerous toxic and carcinogenic compounds that induce variable levels of cytotoxicity.This study was conducted to determine the chemical characteristics,source apportionment,and in vitro cytotoxicity of total suspended particulates(TSP).TSP samples were collected for one year in Bangkok,Thailand and analyzed to determine their chemical constituents including water-soluble ions,trace metals elements,organic and elemental carbon,and organic molecular markers.The cytotoxicity induced by the water-soluble and organic-solvent extracts of TSP on cell viability,136 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.135146 Mar.,2023 reactive oxygen species(ROS)generation,interleukin(IL)-8,and apoptosis was investigated in human lung epithelial A549 cells.Higher TSP concentrations were observed in the dry season,with lower levels in the wet season.Water-soluble ions and organic matter were the main components of TSP in all samples.Both extracts of TSP reduced the viability of A549,induced the formation of ROS and production of IL-8,and altered apoptosis.Compared with the water-soluble extracts of TSP,the organic-solvent extracts caused a greater decrease in viability,ROS production,and apoptosis in A549 cells,but did not decrease IL-8 release.This difference indicates that the dominant active components inducing intracellular ROS(i.e.oxidative stress)and cell death(cell viability and apoptosis rate)differ from those inducing IL-8 release.Key words:total suspended particle;water-soluble extract;organic-solvent extract;A549 cell;cytotoxicity;source apportionment 0 引 言 大气颗粒物已成为影响全球人类健康的主要环境危害因素之一。柳叶刀杂志发表的 2015 年全球疾病负担研究数据分析显示,大气颗粒物已成为全球第五大风险致死因素,大气颗粒物的长期暴露造成 420 万死亡和 1.031 亿伤残调整寿命年(disability adjusted life years,DALYs),分别占全球死亡和 DALYs 的 7.6%和 4.2%,其中 59%的死亡发生在亚洲东部和南部(Cohen et al.,2017)。世界卫生组织(WHO)下属的国际癌症研究机构(IARC)根据流行病学和毒理学的大量研究结果,于 2013 年正式将大气颗粒物(PM)列为可导致肺癌的 I 类致癌物(Loomis et al.,2013)。目前学术界尚无法阐明颗粒物引发健康效应的完整机制通路,但基本达成共识的假说为,由活性氧自由基(ROS)引发的氧化应激效应是大气颗粒物导致人体健康效应的核心机制假说(Ayres et al.,2008;Shiraiwa et al.,2017;Bates et al.,2019)。大气颗粒物可作为 ROS 的携带者或诱导者进入人体导致过量 ROS 的生成,使得细胞氧化还原状态失衡,产生氧化应激效应(也称氧化损伤)。氧化应激效应可激活转录因子参与的一系列信号通路,产生各种生物学效应(如炎症反应、细胞凋亡、坏死等),最终造成机体损伤(Taniyama and Griendling,2003;Andreau et al.,2012)。虽然大气颗粒物的化学组分十分复杂,随时间和空间的变化而变化,但已有联合毒性和效应导向分析等相关研究证实大气颗粒物吸附的有机组分和无机组分与其致毒效应密切相关(Zou et al.,2016;Velali et al.,2016a,b)。Rashed(2008)发现,微量金属如 Fe、V、Ni、Cu、Zn 等能够诱导细胞氧化损伤,引起细胞毒性,尤其是 Zn、Pb 等金属元素与 A549 的炎性细胞因子 IL-6、TNF-的产生有很强的相关性,其中 IL-6 可促进炎症反应引起的肺部组织损伤,而TNF-可通过直接作用于血管内皮细胞,增强其通透性,最终引发肺水肿(Liu et al.,2014)。此外,Huang et al.(2015)发现颗粒物水提取物中的 SO2 4及NO 3可在细胞暴露时,通过调节溶液 pH 值改变细胞活力。Furuyama et al.(2006)分别采用 10 g/mL 的柴油机颗粒(DEP)和城市 PM2.5有机萃取组分对大鼠心脏微血管内皮细胞暴露 12 h,暴露后内皮细胞中凝血酶元激活物抑制因子(PAI-1)的合成均显著下降,指出有机萃取组分能够通过改变内皮细胞功能进而影响人体的心血管活性,并提示 DEP 有机萃取组分比城市PM2.5的诱导细胞ROS生成能力更强。Su et al.(2017)经气管内滴注射 PM2.5不同萃取组分于小鼠单核巨噬细胞白血病细胞(RAW264.7),结果表明醌类化合物是导致细胞存活率下降、乳酸脱氢酶(LDH)分泌、ROS 生成的关键化学组分。此外,大气颗粒物中的微生物、内毒素也对细胞活力、氧化应激及炎性效应产生一定的影响。如 Samake et al.(2017)发现真菌孢子可显著增强大气颗粒物的 ROS 生成水平。Gualtieri et al.(2010)使用 A549 和 BEAS-2B 细胞的 IL-8 释放水平研究了意大利米兰的颗粒物毒性,结果表明 PM10引起的炎性效应更强,金属、元素碳(elemental carbon,EC)、有机碳(organic carbon,OC)、多环芳烃(polycyclic aromatic hyd