《Toxics》：Spatial Characteristics, Sources of Volatile Organic Compounds and Effects on O3 Formation in Summer in Taiyuan, China
Lili Guo,
Tianyu Gao,
Bingxi Wang,
Yang Cui,
Qiusheng He,
Zhentao Wang,
Xiaojing Hu and
Xinming Wang
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本文探讨了美国北卡罗来纳州达勒姆市不同社区间细颗粒物（PM2.5）暴露水平及其化学成分的差异，并分析了其与社区社会经济脆弱性（SVI）及哮喘健康差异的潜在关联。研究发现，哮喘住院率较高的南达勒姆社区，其环境PM2.5浓度（78.49 μg/m3）显著高于北达勒姆（26.3 μg/m3），且颗粒物元素组成（如Na, S, Ca, Mg, Fe, Ti）存在显著差异，提示环境暴露差异可能是导致呼吸道健康不平等的重要因素。
1. 引言
肺部疾病是全球主要的死亡原因之一，其驱动因素包括烟草使用、过敏原、职业暴露和空气污染。在空气污染物中，被称为细颗粒物的部分（即PM2.5，空气动力学直径小于或等于2.5微米）已被证明会显著增加肺部疾病风险。PM2.5由燃烧木材、煤炭和取暖油等产生，可深入肺部，引发炎症和呼吸系统并发症。其化学组成复杂，常包含硫酸盐、硝酸盐、铵、硅、钠离子以及有机碳和元素碳等，还可能含有与癌症和神经系统问题相关的有毒微量元素。
空气中的PM2.5水平因位置、季节等多种因素而异，在城市地区尤为普遍。大量研究表明，社会经济地位与污染物暴露呈负相关。暴露模式的差异导致了被称为健康差异的不同健康结果。在美国，少数族裔，特别是黑人和西班牙裔人群，更可能居住在污染水平较高的地区，这种不成比例的暴露与更高的哮喘和其他呼吸道疾病发病率相关。社会经济因素，如贫困、历史上的“红线”政策和居住隔离，也在此类健康差异中扮演重要角色。
基于对北卡罗来纳州达勒姆市2012年至2017年住院和急诊数据的先前分析，研究发现邮政编码27701地区的哮喘发病率/恶化负担最高。本研究在同一邮政编码内选择了人口构成差异显著的两个人口普查区，进一步评估PM2.5水平，旨在验证吸入PM2.5等环境污染物导致了这两个达勒姆社区之间肺部疾病发病率差异的假设。
2. 方法
2.1. PurpleAir和个人环境监测器部署
研究站点依据先前工作确定。为测量不同社区的实时PM2.5浓度，在达勒姆的两个不同地点安装了PurpleAir监测器，并与个人环境监测器同步运行，以连续追踪环境PM2.5水平。个人环境监测器用于采集空气样本，随后从滤膜中提取PM2.5进行称重和后续分析。两个空气监测器被固定放置在户外，距离道路约10米，离地高度1.5-2米，以模拟人体呼吸高度。使用特氟龙滤膜，以恒定流速采样。样本采集周期为两周，并考虑季节变化，在两个季节进行了颗粒物采样。
2.5) quantitation. PM2.5was quantitated by PurpleAir systems and PEM collection systems (* p < 0.05).">
2.2. PM2.5分离
采集的PEM滤膜经过重量分析以确定收集的颗粒物质量。通过将滤膜浸入95%乙醇溶液中并在40 kHz下超声处理两分钟来提取PM。提取液经离心、液氮冷冻和冻干浓缩，以备后续分析。
2.3. TEM/EDX分析
干燥的PM2.5提取物在无血清培养基中重悬，随后分别通过透射电子显微镜和能量色散X射线光谱进行物理化学表征。总共分析了约44个颗粒。样品沉积在铜网上，在Hitachi HT7820透射电子显微镜上进行分析，该显微镜配备AMT NanoSprint 1200高清数码相机用于成像，以及Oxford Instruments Ultim Max EDS探测器用于半定量元素表征。TEM在80 kV加速电压、高对比度模式下运行。从两个采集点的样品中识别元素谱，每个样品使用大约30个颗粒来计算样品中各元素的近似相对重量百分比。
2.4. 统计分析
使用GraphPad Prism 10进行统计分析。对包含各地区平均PM2.5水平的柱状图进行非配对t检验和ANOVA分析，以确定相比样本点位置和组别之间是否存在统计学上的显著差异。
3. 结果
监测数据显示，在整个监测期间，南达勒姆的环境PM2.5水平（平均100 μg/m3）持续高于北达勒姆（平均45 μg/m3）。此外，人口普查区14的日平均时间加权暴露值在数周的采集期内有多天超过了美国环保署的PM2.524小时暴露阈值。两季的平均值在不同地点间差异相似，尽管在季节转换期间观察到更多的环境变异性。这些数据与从PEM滤膜收集的PM的重量分析结果一致，滤膜之间测量到显著差异。这些数据表明，南达勒姆的居民可能因长期暴露于更高水平的PM2.5而面临更大的健康风险，这可能导致了该地区较高的呼吸道疾病发病率，并影响预期寿命。
透射电子显微镜分析显示，收集的颗粒物呈现多种形态，主要是球形和不规则形状的无定形结构颗粒。来自南、北达勒姆的聚集体样品的组合EDX分析包含相似的主要元素，但它们的相对丰度不同。北达勒姆样本中镁、镍、铁和钛的浓度较高。相比之下，南达勒姆样本含有更多的硫、钙和钠。
2.5. (B) Representative EDX plot of elemental detection within the sample.">
4. 讨论
研究在邮政编码27701内识别出两个人口普查区，这两个区域根据ICD编码显示具有较高的哮喘恶化率和因肺部炎症导致的长期住院率。人口普查区3.02和人口普查区14因居住人口的差异而被选中进行比较。除了两个人口普查区的健康指标，美国疾控中心计算的社会脆弱性指数也显示两者存在差异，其中人口普查区14的SVI为0.9687，远高于该州平均水平，表明其具有更高的社会脆弱性。
利用人口数据计算的不成比例比率显示，两个人口普查区与州内其他地区相比存在显著的人口构成差异。尽管存在针对达勒姆县的EPA空气质量总体评估，但官方测量仅限于覆盖广大区域的概化地点，导致缺乏可供社区用于批判性评估空气污染物水平和哮喘等健康风险的本地化数据。本研究证明，本地化方法可用于在社区层面更细致地了解空气中的颗粒物，揭示了地理上接近的社区之间的显著差异。这些差异暴露也可以与社会人口因素评估和社区脆弱性评估联系起来，以揭示健康差异的根本原因，在本例中即一个地区哮喘发病率升高与该社区PM2.5水平较高之间的联系。
研究发现，南达勒姆的PM2.5暴露水平不成比例地高于北达勒姆。这些升高的PM2.5浓度可与观察到的炎症反应差异相关联，暗示了环境暴露与两个种族构成不同的社区中观察到的健康结果之间可能存在联系，其中一个社区可被疾控中心归类为弱势群体。
除了颗粒物浓度，颗粒物的成分也可能与增加的不良健康后果风险相关。临床文献综述发现，研究表明硫酸盐、钠和钾的浓度与死亡率和呼吸道住院率呈显著正相关。我们的结果表明，南达勒姆样本中的硫和钠水平升高，而北达勒姆的钛、铁和镁含量较高。这些水平可能与附近的工业以及道路交通有关。先前对路边颗粒物元素组成的研究表明，Si可能作为重新悬浮的道路扬尘的示踪剂，Ti和Ca可能表明来自轮胎磨损或重新悬浮的道路扬尘的贡献，而Ni可能表明来自刹车磨损颗粒的贡献。然而，需要注意的是，此处报告的元素主要是主要成分，未来需要对痕量元素浓度和形态进行更详细的表征，并分析随时间收集的更多样本以及风型模式，才能更详细地分析暴露于颗粒物可能导致的健康风险。
本文的发现与先前的研究一致，表明由于多种因素，包括靠近工业区和高速公路，少数族裔社区往往承受着不成比例的环境污染负担。南达勒姆存在的主要高速公路以及城市规划方法可能导致了这一现象。此外，结果强调需要继续调查不同地区PM2.5的化学成分及其对呼吸系统和整体公共健康的长期影响。
尽管本研究为支持人类健康风险评估提供了重要的环境和化学信息，但几个因素限制了研究发现的广度，可在未来工作中加以解决。天气变异性始终是一个挑战，特别是降水，因为它会加剧PM水平的短期波动并可能损坏仪器。为了缓解当前研究中的这一担忧，所有颗粒物监测均在无降雨日进行，并且有几个样本采集日因意外的暴雨而提前终止。未来的研究中，进行更长时间段的监测可以降低影响结果的风险。
5. 结论
涉及边缘化群体的社区参与式环境健康研究，可能会因缺乏信任和关系建立而遭遇抵制和低参与度。历史和系统性的不公正导致了一些低收入和少数族裔社区对医学和科学研究深深的不信任。这种犹豫不决使得促进合作和获得社区参与变得更加困难，而这对于全面、以公平为中心的研究至关重要。尽管在北达勒姆更容易召集社区合作伙伴，但在南达勒姆与团体和既有组织建立伙伴关系则相当具有挑战性，这主要是由于对科学数据及其可能产生的社会和财务影响的不信任。随着时间的推移建立真诚的关系，并在社区中引入值得信赖的中间人，有助于减轻这对研究执行和研究潜在偏见的影响。这一信任建立过程的一个方面包括通过适合社区成员的方式报告研究发现，并就干预措施和支持社区教育及自决的未来工作保持持续接触。
在本研究中，我们评估了来自哮喘发病率升高社区的颗粒物水平和元素形态。除了对环境水平的颗粒物浓度和总体元素组成进行表征外，健康风险评估可以通过更深入地了解颗粒物中所含的污染物，并研究它们在模型系统中的暴露效应来推进。未来的研究将侧重于微塑料等特定污染物的浓度。我们还将使用体外呼吸细胞模型来研究在达勒姆收集的颗粒物的毒性。结合本文的研究结果，这些数据可以更好地告知社区PM2.5及其来源排放物带来的健康风险。
