美国PM2.5组分致心血管死亡的空间与种族差异研究：基于gWQS-feglm模型的全境二十年分析

《SCIENCE ADVANCES》：Spatial and racial/ethnic disparities in cardiovascular mortality attributable to PM2.5 components in the contiguous United States

本研究针对PM2.5组分对心血管疾病（CVD）死亡贡献不清及区域与种族差异问题，通过发展gWQS-feglm模型，系统评估了美国本土2001-2020年PM2.5主要组分（BC、NH4+、NO3-、OM、SO42-、DUST）的归因死亡负担。研究发现NH4+与SO42-是CVD死亡的关键驱动组分，其浓度下降是归因死亡减少主因；区域差异显著，2020年高负担区组分构成各异；非西班牙裔黑人与西班牙裔人群归因死亡下降更慢，健康不平等加剧。研究为制定针对性减排策略、促进健康公平提供了关键证据。

　　

长期暴露于细颗粒物（PM_2.5，空气动力学直径小于等于2.5微米的颗粒物）是心血管疾病（Cardiovascular Disease, CVD）死亡的一个明确风险因素，构成了巨大的全球健康负担。然而，PM_2.5并非单一物质，而是由黑碳（Black Carbon, BC）、铵盐（NH₄⁺）、硝酸盐（NO₃^-）、有机物（Organic Matter, OM）、硫酸盐（SO₄^2-）和土壤尘（Dust, DUST）等多种化学组分构成的复杂混合物。这些组分来源各异，毒性也可能不同。尽管美国环境保护署（EPA）不断加严PM_2.5的年均浓度标准，但现有政策和研究多聚焦于总质量浓度，对具体组分，特别是其健康影响在不同地理区域和种族/族裔群体间的差异，仍缺乏清晰的认识。这阻碍了制定更精准、高效的空气污染控制策略，以更有力地保护公众健康，尤其是解决长期存在的健康不平等问题。以往研究在识别PM_2.5关键有害组分时面临方法学挑战，如组分间高度相关性（共线性）以及潜在的未测量混杂因素。尽管已有如广义加权分位数和回归（gWQS）等混合暴露分析方法，但在分析跨越长时间序列和广阔地域的数据时，如何有效控制长期趋势和区域模式等混杂效应，仍是当前模型未能很好解决的难题。

为了更精确地揭示PM_2.5不同组分对心血管疾病死亡负担的贡献，并深入探究其存在的空间和种族/族裔差异，研究人员在美国本土（不包括阿拉斯加和夏威夷）开展了一项大规模研究。这项研究创新性地将gWQS回归与双向固定效应模型相结合，发展了gWQS-feglm模型，用以分析2001年至2020年间美国3103个县的月度心血管疾病死亡率与PM_2.5六种主要组分（BC, NH₄⁺, NO₃^-, OM, SO₄^2-, DUST）12个月移动平均浓度的关联。研究评估了不同CVD亚类（如缺血性心脏病、卒中）、不同人口学群体（种族/族裔、性别、年龄）的关联差异，并估算了这二十年间可归因于PM_2.5各组分的CVD死亡负担及其时空演变和种族/族裔差异。该研究论文发表于《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）期刊。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用基于卫星遥感数据与化学传输模型（GEOS-Chem）相结合再经地理加权回归校正的混合模型，获取了2000-2020年美国本土高空间分辨率（0.01°×0.01°）的月度PM_2.5总质量及其六种主要组分（BC、NH₄⁺、NO₃^-、OM、SO₄^2-、DUST）的表面浓度数据，并计算县域人口加权暴露水平。其次，收集并处理了美国国家卫生统计中心提供的3103个县同期按种族/族裔、性别、年龄分层的月度心血管疾病及其亚类死亡数据，并计算了年龄标化死亡率。核心统计分析方法是自主研发的gWQS-feglm模型，该模型整合了广义加权分位数和回归（用于处理组分共线性并评估混合效应及个体权重）与双向固定效应模型（用于控制县域固定效应和时间固定效应），并通过重复保持验证和自助法保证结果稳健性。最后，基于模型结果估算了PM_2.5组分混合暴露及各个组分可归因的CVD死亡数和死亡率。

PM_2.5组分暴露与CVD死亡率的描述

研究期间（2001-2020年），美国环境PM_2.5的12个月移动平均浓度为8.79 ± 2.88 μg/m³，低于EPA标准。所分析的六种组分约占PM_2.5总质量的90%，其中OM和SO₄^2-是主导组分。多数组分浓度在大部分地区下降，但西部部分地区（如加州北部、俄勒冈州）因BC、OM和DUST增加而呈现上升趋势。非西班牙裔黑人和西班牙裔人群对PM_2.5及多数组分的平均暴露水平高于非西班牙裔白人。年龄标化的CVD死亡率在非西班牙裔黑人和非西班牙裔白人中较高，男性高于女性，65岁及以上人群远高于65岁以下人群。

PM_2.5组分暴露与CVD死亡率的关联

长期暴露于PM₅组分混合物与CVD死亡率显著相关。所有组分十分位数增加导致的每月每百万人额外死亡数（1.75）高于仅基于PM_2.5总质量的估计（1.31），表明忽略组分分析可能低估健康效应。缺血性心脏病（IHD）是PM_2.5组分归因CVD死亡的主要原因。在组分贡献权重上，NH₄⁺（29%）和SO₄^2-（27%）被识别为CVD死亡风险的关键贡献者。这种关联在不同种族/族裔群体中均显著，且对非西班牙裔黑人个体的影响更大。关联在65岁及以上人群中显著，而在65岁以下人群中不显著。

PM_2.5组分归因CVD死亡的趋势

归因于PM_2.5组分暴露的CVD死亡数从2001年的42.2千例下降至2020年的23.5千例。下降主要由NH₄⁺（贡献了下降的40%）和SO₄^2-（贡献了34%）的减少所驱动。随着时间的推移，各组分的贡献比例发生显著变化，到2020年，BC成为最大贡献者（21%）。IHD死亡的趋势与CVD总体相似，而卒中死亡则主要由NO₃^-和DUST贡献。

美国各县归因CVD死亡率

2001年，归因CVD死亡率较高的地区包括中大西洋、南部、东中北部和加州，这些地区主要受NH₄⁺和SO₄^2-主导。到2020年，虽然大多数地区归因死亡率下降，但上述高负担区域依然存在，且主导组分发生区域性转变，例如南部地区更多由SO₄^2-主导，东北部地区BC和SO₄^2-变得更重要，山区则持续由DUST主导。

按种族/族裔和年龄组划分的归因CVD死亡率

从2001年到2020年，非西班牙裔白人的PM_2.5组分归因CVD死亡数下降最为明显（51%），非西班牙裔黑人次之（38%），而西班牙裔人的归因死亡数反而增加了12%。相对而言，与非西班牙裔白人相比，非西班牙裔黑人和西班牙裔人群的归因死亡相对差距（比率）在扩大。这主要由少数族裔人口更快增长以及其归因死亡率下降较慢共同导致。各组分的贡献在不同种族/族裔群体间也存在差异，非西班牙裔黑人群体的死亡负担更易受BC和SO₄^2-影响，而西班牙裔群体则更易受BC、OM和DUST影响。几乎所有归因死亡都发生在65岁及以上成年人中。

敏感性分析

PM_2.5组分暴露与CVD死亡率之间的关联在各种敏感性分析中保持稳健。

该研究结论明确指出，铵盐（NH₄⁺）和硫酸盐（SO₄^2-）是美国PM_2.5相关心血管疾病死亡的关键贡献组分，同时也是过去二十年归因死亡负担下降的主要驱动力。尽管PM_2.5总浓度和相关死亡负担整体呈下降趋势，但区域和种族/族裔间的差异依然显著且在加剧。研究揭示了当前空气污染控制政策在减少某些组分（如BC、OM、NO₃^-、DUST）健康负担方面的不足。区域间PM_2.5组分构成的显著差异呼吁制定基于区域污染特征的针对性减排策略。持续且加剧的种族/族裔健康不平等，突出反映了历史性和系统性的环境不公问题，强调需要采取不仅针对环境暴露，还包括改善医疗保健可及性等综合性措施，以实现健康公平。这项研究为理解PM_2.5健康影响的复杂性提供了重要见解，强调了在空气质量管理中考虑化学组分的重要性，并为未来制定更精准、公平的公共卫生干预措施奠定了科学基础。