中科院生态环境中心Nature Communications｜沙尘暴颗粒物中的氧化潜势和持久性自由基及其与住院治疗的关系

生态环境科学 · 公众号 · · 2025-01-02 08:39

正文

本文研究了沙尘暴（SDS）期间颗粒物的氧化潜势（OP）和环境持久性自由基（EPFRs）及其与住院的关系。研究发现 OP 和 EPFRs 比 PM 对评估 SDS 健康风险更敏感，二者短期暴露会显著增加呼吸道和循环系统疾病的住院风险，造成全因住院的健康负担，且其影响存在区域差异，这对沙尘风险预防具有重要意义。

1 研究背景

沙尘暴危害：沙尘暴是将大量沙尘扬升至对流层的气象灾害，常发生于非洲、中亚、北美和澳大利亚等地，会对人体健康产生不利影响，如增加循环系统和呼吸系统疾病的死亡率和入院率，但以往研究多关注沙尘颗粒（PM）质量浓度，对关键成分的不良影响尚不清楚。

氧化应激机制：氧化应激是 PM 污染毒性作用的潜在机制，具有氧化潜势（OP）的 PM 成分（如金属和有机污染物）及环境持久性自由基（EPFRs）可诱导人体氧化应激，但二者在沙尘暴期间与健康结果的关联有待探索。

研究难点与解决方案：实际沙尘暴事件中 OP 和 EPFRs 浓度数据缺乏，检测耗时费力，本研究通过收集 2021 - 2023 年中国9个城市沙尘暴期间的 PM 样本，检测 OP 和 EPFRs 浓度，建立机器学习模型预测其分布，并结合北京的疾病数据评估二者对健康的影响。

2 研究方法

样本采集与轨迹模拟：在9个城市采集 2021 - 2023 年沙尘暴期间不同粒径的大气 PM 样本，同时利用 HYSPLIT 模型模拟 PM 轨迹和空间分布。

OP 和 EPFRs 定量：用二硫苏糖醇（DTT）法评估 PM 的 OP，通过电子顺磁共振光谱法分析不同粒径大气 PM 表面的 EPFRs。

数据收集：收集空气质量、气象和医院入院数据，包括污染物浓度、气象参数、北京 2015 - 2022 年的住院病例数据（按 ICD - 10 编码分类）。

模型建立与分析：分两阶段分析 OP 和 EPFRs 与住院的关联，先进行区域特定时间序列分析，再用 mvmeta 分析整合估计值；用多项式模型和分布滞后模型探索非线性暴露 - 反应关系，计算归因健康负担。

3 研究结果

随机森林建模：用随机森林（RF）模型预测 OP 和 EPFRs 浓度，通过 Boruta 算法筛选变量，经交叉验证得到最优模型，预测性能良好。

OP 和 EPFRs 水平及地理空间分布：中国沙尘暴期间，内蒙古、山西、云南和贵州等地 EPFRs 浓度较高，OP 在长三角等人为活动频繁地区也较高，二者分布受沙尘分布和人为活动影响，且沙尘暴期间浓度显著高于非沙尘暴时期。

OP/EPFRs 与住院的关联：北京 2015 - 2022 年有多次沙尘暴事件，期间多种疾病住院人数众多。OP 和 EPFRs 浓度与多种疾病显著相关，OP 每增加0.2 nm ol/min/m 3 ，呼吸和循环疾病住院相对风险（RR）分别增加 2.08% 和 3.52%；EPFRs 每增加 10 12 spins/ m 3 ，呼吸和循环疾病 RR 分别增加 2.02% 和 3.05%（TSP 中）或 3.05% 和 4.08%（PM 2.5 中）。

非线性暴露 - 反应关系：北京 16 个区的累积暴露 - 反应曲线呈超线性趋势，OP 和 EPFRs 最低影响阈值分别为 0.3 nm ol/min/m 3 和 10 12 spins/ m 3 。

归因健康负担：估计 2021 年中国沙尘多发城市中 OP 和 EPFRs 暴露导致的全因住院归因分数，分别为 20.47% 和 27.26%，其空间分布因地区而异，OP 在人口密集区、EPFRs 在沙尘量大的地区归因健康负担较高。

4 研究讨论

研究意义：本研究首次评估了 OP 和 EPFRs 与多种疾病住院的关联，发现二者对评估沙尘暴健康风险比 PM 更敏感，且存在区域差异，为沙尘风险预防提供依据。

局限性：未评估回流沙尘暴（ PM 10 < 1000 μg /m 3 的健康风险，且研究主要关注呼吸和循环系统疾病，未来应探索对 OP 和 EPFRs 暴露敏感的疾病亚类。

（翻译水平有限，敬请批评指正）

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