ES&T：黑碳对呼吸系统的短期毒性效应影响——相关但非因果

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成果简介

大气颗粒物（ PM _2.5 ）被认为是诱发呼吸系统疾病的首要环境诱因（ The Lancet, 2024 ）。不完全燃烧产生的 元素碳（ Elemental Carbon, EC ）或黑碳（ Black Carbon, BC ）是大气 PM _2.5 的主要组分之一，流行病学和一部分毒理学研究发现其与多种不良健康结局显著相关，包括呼吸系统和心血管等相关疾病。然而，明确 EC/BC 在毒性或者健康效应中具体的作用一直饱受争议。复旦大学大气环境健康团队分离出 EC 同源的痕量有机物、借助人源肺类器官 / 细胞联合模型，（ 1 ）论证了纯 EC 在短期暴露上的低毒性效应；（ 2 ）阐明了 EC 浓度与 PM _2.5 毒性之间的关联性并无因果关系；（ 3 ）揭示了该关联性主要归因于痕量有机毒性组分，如多环芳烃（ PAHs ）。研究成果发表在环境领域著名期刊 Environmental Science & Technology 上，标题为“ Absence of a Causal Link between Elemental Carbon Exposure and Short-term Respiratory Toxicity in Human-derived Organoids and Cellular Models ” 。

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EC 颗粒来源于碳质燃料的不完全燃烧过程，以 char 和 soot 两种不同的化学形式存在，具有高密度的苯环结构。富含 EC 或是来源于不完全燃烧的颗粒物在流行病学和毒理学的研究中均发现具有更强的不良健康影响。然而纯净的 EC 因其化学惰性而在毒性方面的表现并不显著。面对这一矛盾，在 EC 毒性的认知上衍生出两个关键问题：其一， EC 本身的毒性效应缺乏充分的毒理学证据，其二， EC 能否解释颗粒物与不良健康结局之间的关联 。

类器官联合细胞模型确定 EC 的低毒性效应

为确定 EC 的毒性，本研究构建了人源气道类器官，与传统的细胞模型共同对两类 EC 颗粒物，大气颗粒物，不完全燃烧来源颗粒物和苯并 a 芘进行了毒性测试（ 图 1 ）。结果发现， EC 颗粒物对于细胞和类器官的生长影响较低。以暴露于 BEAS-2b 细胞的 IC ₅₀ 值（使细胞活力受到 50% 抑制的污染物浓度）为量化指标， EC 颗粒（ IC _{50 ， char} : 734 mg·L ^-1 ； IC _{50 ， soot} : 1525 mg·L ^-1 ）比大气和 EC 同源颗粒物低（ IC _{50 ， PM} : 36~171 mg·L ^-1 ）大约一个量级，比苯并 a 芘（ IC _{50 ， BaP} : 4.7 mg·L ^-1 ）低大约两个量级。此外，暴露于类器官时也得出了一致的结果，即短期暴露于 EC 仅能引发微弱的呼吸毒性 。

图 1 ： EC 颗粒（ Char 和 Soot ）较于不完全燃烧来源颗粒物（包括来源于船舶尾气 ship ，民用燃烧 Res. 和机动车尾气 Vehicle ），大气颗粒物（ sPM ）和苯并 a 芘（ BaP ）对（ a ）气道类器官和（ b ）气道上皮细胞 BEAS-2b 的低毒性效应。 IC ₅₀ 值越大，其毒性越弱。

基于毒理结果的因果关系论证

图 1 的毒性结果表明， EC 可能不承担环境颗粒物与毒性关联诱因的角色。在因果论证时，我们通常需要三个层次的证据，即观察的关联，实验的干预和反事实的结果，才能实现因果关系的建立。基于此，本研究从毒性测试的结果中选择五个潜在的诱因 - 效应关系去试图架构这三个证据（ 图 2 ）。具体而言，与流行病学结果一致，我们同样也观察到了颗粒物毒性和 EC 浓度之间的正相关关联（ 图 2a ）。不可否认， EC 是毒性相关的因子之一。然而，我们的毒性贡献结果发现， EC 对于大气颗粒物的贡献仅有 1% （ 图 2b ），不足以驱动颗粒物的毒性。至此，从实验的角度我们就已经难以完成因果关系的建立 。

图 2 ： EC 与毒性的因果关系（ C→E ， cause-effect ）。（ a ）大气颗粒物中 EC 浓度与其毒性（ OS ：氧化应激效应）呈现显著的正相关关系；（ b ） EC 对颗粒物的毒性贡献；（ c ）假设颗粒物（仅由不完全燃烧源决定）中 EC 浓度与其毒性显著关联。

EC 面具后的多环芳烃

“宁揭一因，胜为波斯王”。尽管因果关系的论证已经说明 EC 在短期呼吸毒性上只能充当相关因子而非一个诱因，但是并未揭示真实世界里 EC/BC 颗粒物与毒性之间强关联背后的原因。我们在因果关系论证时假设了一系列仅由不完全燃烧源排放的颗粒物，以加和模型计算毒性后发现，其毒性与 EC 的浓度之间具有与大气颗粒物几乎一致的相关关系（ 图 2c ）。基于此，我们从 EC 产生的源头去揭开真正的毒性贡献者。结果发现，与 EC 共同排放的多环芳烃解释了不完全燃烧排放颗粒物的主要毒性（ > 60% ），基本上主导了这些颗粒物的毒性（ 图 3 ）。因此，在图 2c 所观察到的关联性可能归因于 PAHs 。

图 3 ：不完全燃烧（民用生物质 biomass ，烟煤 bitumite 和无烟煤 anthracite 燃烧，船舶 ship 和机动车 vehicle 尾气）排放的细颗粒物（ PM _2.5 ）的（ a ）氧化应激潜力（ EC _1.5 量化）， char 、 soot 和 PAHs 对不完全燃烧排放的 PM _2.5 （ b ）质量和（ c ）毒性的贡献。