参考区域内PM2.5水溶性部分的突变作用及其对大气污染的影响

《Chemosphere》：Mutagenesis of PM2.5 water-bioavailable fraction in reference area for atmospheric pollution

PM2.5水溶性无机化合物增强有机提取物致突变性，通过沙门氏菌试验（TA97a/98/102）验证，金属元素（Al/Zn/Cu）存在但未达显著毒性水平，该地区不再列为空气污染参考区。

　　

Cristiane Silva da Silva | Vera Maria Ferr?o Vargas

南里奥格兰德联邦大学（UFRGS）生态学研究生项目，地址：Av. Bento Gon?alves, CEP 91501-970, 9500, Porto Alegre, RS, 巴西

摘要

空气中的颗粒物（PM）是一种由有机和无机悬浮化合物组成的污染物。细小的可吸入颗粒物（PM2.5）与对人类健康的不良影响有关。虽然有机化合物的遗传毒性受到最多关注，但吸附在PM2.5上的无机物质也可能产生这些影响。本研究旨在评估水溶性无机化合物是否加剧了突变反应，与在巴西南部空气污染参考区域分析的有机提取物中的情况相比。通过水提取方法分析了空气过滤器中的PM2.5无机化合物，特别是金属，并将其水溶性部分（WSF）分离出来。通过使用沙门氏菌/微粒体试验（microsuspension）和TA97a、TA98及TA102菌株，在有无大鼠肝脏代谢组分（±S9）的条件下，对金属进行了定量分析。尽管没有发现明显的遗传毒性活性，但样品中Al、Zn和Cu的含量最高。大多数菌株和条件下的突变结果均为阳性，其中TA102的敏感性最高。比较有机提取物（先前研究中的结果）和无机提取物（TA98±S9）的突变结果，发现WSF提取物中的反应最为强烈。因此，WSF的阳性结果表明其具有叠加效应，加剧了PM2.5有机部分的突变性。根据这些结果，该地区已不再适合作为空气污染的参考区域。

引言

空气污染是全球主要的环境风险因素（世界卫生组织，2021年）。大气中的颗粒物（PM）是由具有不同化学和物理特性的多种成分组成的混合物，包括有机和无机化合物（世界卫生组织，2021年）。其中许多成分具有致突变性、遗传毒性和/或致癌性（Fajersztajn等人，2013年；Palacio等人，2016a年）。PM具有动态特性，在大气中可能发生化学和物理变化（世界卫生组织，2021年）。国际癌症研究机构（IARC）将大气颗粒物列为人类致癌物（IARC，2016年）。

直径小于2.5微米的细小可吸入颗粒物（PM2.5）来源于香烟烟雾以及工业和车辆排放，可能影响细支气管，导致肺部问题、心血管疾病和肺癌等疾病（De Martinis等人，1999年；Brito等人，2013年；Silva等人，2015年；Palacio等人，2016a年）。这种污染物还会降低环境质量（Wu和Zhang，2018年），产生诸如减少照射到地表的太阳辐射、损害植被、污染土壤和水体、改变生物地球化学循环、影响生物体稳定性（Grantz等人，2003年）以及食物链中的生物累积（Li等人，2023年）等不良影响。温度、降水量和空气湿度等气象条件会影响PM2.5的浓度，使其难以扩散，或增加其在空气中的聚集（Fu等人，2020年；Deng等人，2022年）。

与PM相关的有机化合物，尤其是多环芳烃（PAHs）和硝基多环芳烃（Nitro PAHs），是研究PM致突变性和致癌潜力时最受关注的成分（Carreras等人，2013年；Palacio等人，2016b年）。PAHs是由有机物不完全燃烧产生的，例如森林火灾、刀耕火种和化石燃料燃烧。它们被认为是生物系统中致突变作用的前体（Shannigrahi等人，2005年；Meire等人，2007年；Lemos等人，2012年；Silva等人，2015年）。Nitro PAHs是持久性的环境致突变物，来源于汽油和柴油等燃料的燃烧，或者是由其他大气产物如NO₂和NO₃的反应产生的（De Martinis等人，1999年；Lewtas，2007年；Brito等人，2013年）。尽管空气颗粒物的致突变性通常与PAHs相关，但吸附在PM上的并非只有这些成分具有遗传毒性（Claxton等人，2004年）。

吸附在PM上的水溶性化合物（WSC）至今较少被研究，但也可能具有遗传毒性（Lemos等人，2012年；Palacio等人，2016b年）。WSC中的金属可通过产生自由基和氧化应激、损伤DNA、引发突变以及释放和刺激促炎因子来对细胞产生不良影响（Roubicek等人，2007年；Valavanidis等人，2008年；Velali等人，2016年；Palacio等人，2016b年）。这些金属具有潜在的生物可利用性，可通过呼吸进入肺组织，对人类健康造成不良影响（Fernández-Espinosa等人，2002年；Lemos等人，2012年）。PM的毒性受金属的溶解度和反应性的影响。因此，确定颗粒物样本中可溶性金属的浓度及其遗传毒性潜力对于了解其对人类健康和环境的影响非常重要（Palacio等人，2016a年）。长期暴露于吸附在PM2.5上的金属（如As、Cd、Cu和Pb）可能导致更高的致癌风险和呼吸系统、循环系统和神经系统的慢性不良影响（Hu等人，2012年；Xing等人，2016年；Sharma等人，2020年；Sui等人，2020年；Zang等人，2022年；Tavella等人，2022年）。

世界卫生组织（WHO）制定了全球空气质量指南，建议对各种空气污染物（包括PM2.5）设定浓度限制。目前，WHO建议该污染物的日浓度限制为15 μg/m³，年平均浓度限制为5 μg/m³（世界卫生组织，2021年）。然而，尽管有这些推荐值，WHO警告称不存在一个绝对安全的PM浓度限制，低于该限制也不会对人类健康造成不良影响（世界卫生组织，2021年；Vargas等人，2023年）。

利用遗传毒性生物标志物研究PM的遗传毒性潜力被认为是检测包括金属在内的复杂环境污染混合物污染的早期指标，并有助于采取预防措施来减轻污染造成的损害（Kakimoto等人，2002年）。广泛使用的检测方法之一是沙门氏菌/微粒体试验，该方法可以检测出能够引起基因损伤的各种化学物质（Mortelmans和Zeiger，2000年；Vargas，2003年；Claxton等人，2004年）。

在这种情况下，将生物标志物与颗粒物上吸附的化合物的化学特性相结合的研究有助于了解生物活性污染物的影响，并有助于选择更安全的大气标准（Brito等人，2013年）。

鉴于PM2.5组成的异质性，本研究的目的是利用遗传毒性生物标志物来评估水溶性无机化合物是否加剧了与有机提取物相比的突变反应强度。

研究区域

本研究在巴西南里奥格兰德州（RS）的波尔图阿莱格雷（Porto Alegre）大都会区域的圣安东尼奥-达帕特鲁利亚（Santo Ant?nio da Patrulha）市镇进行（图1）。该市镇面积为1,048.904平方公里，海拔131米，距离州首府73公里（IBGE，2022年）。在收集空气颗粒物的时间段（2011年至2012年），该市镇人口为41,579人，人口密度为

细小可吸入颗粒物（PM2.5）的浓度

采样期间收集的过滤器中PM2.5的浓度结果如表A1所示（Silva等人，2015年）。在2011年9月至2012年8月期间获得的49个过滤器中，有21个（42.8%）的PM2.5浓度超过了WHO当前推荐的日限制值15 μg/m³，其中春季7个，夏季5个，秋季5个，冬季4个。

讨论

空气中的颗粒物被国际癌症研究机构（IARC）列为人类致癌物（IARC，2016年）。尽管WHO对PM2.5的浓度有相关建议（世界卫生组织，2021年），但WHO警告称目前尚无安全的暴露限值，低于该限值也不会对人类健康造成不良影响（世界卫生组织，2021年；Vargas等人，2023年）。WHO估计，约有700万人死亡是由环境和室内空气污染的联合作用引起的，其中主要是非传染性疾病（WHO，2021年）。

结论

本研究表明，含有可生物利用金属的水溶性组分加剧了PM2.5的致突变性。这进一步证实了在同一研究区域中观察到的有机组分的致突变效应。因此，为了评估生物体暴露于与PM2.5相关的多种污染物时的综合影响，分析吸附在PM上的有机和无机化合物组非常重要。

在气象因素的影响下

CRediT作者贡献声明

Cristiane Silva da Silva：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。Vera Maria Ferr?o Vargas：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源协调，项目管理，方法学，研究，资金获取，数据分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Cristiane Silva da Silva表示获得了南里奥格兰德联邦教育科学技术研究所的财务支持。Vera Maria Ferr?o Vargas表示获得了国家科学技术发展委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突。

致谢

我们感谢国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号308272/2015-3；312377/2023-1）的财政支持。本研究得到了南里奥格兰德联邦教育科学技术研究所（IFRS）的支持。