曼谷城区总悬浮颗粒物的化学组成特征、来源解析及其人肺上皮细胞A549毒性.pdf
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1、第 52 卷 第 2 期 Vol.52,No.2,135146 2023 年 3 月 GEOCHIMICA Mar.,2023 收稿日期:2021-04-13;改回日期:2021-08-17 项目资助:国家自然科学基金项目(42030715、42107120)和“一带一路”国际科学组织联盟项目(ANSO-CR-KP-2021-05)共同资助。第一作者简介:王嘉琦(1993),女,博士研究生,环境科学专业。E-mail: 通信作者:赵时真(1989),女,副研究员,从事区域毒害有机污染物研究。E-mail: Geochimica Vol.52 No.2 pp.135146 Mar.,2023 曼
2、谷城区总悬浮颗粒物的化学组成特征、来源解析 及其人肺上皮细胞A549毒性 王嘉琦1,2,赵时真1*,张倩玉1,梁耀辉1,马慧敏1,李 军1,张 干1(1.中国科学院 广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;2.郑州大学 电气与信息工程学院,河南 郑州 450001)摘 要:城市大气颗粒物暴露与人群健康不利效应密切相关,由于颗粒物来源广泛、组成复杂,其引致的健康毒性效应不尽相同。本研究旨在探查城市颗粒物的化学组成、来源及其对人体细胞的毒性效应。采集泰国曼谷城区一年的大气总悬浮颗粒物(TSP)样品,分析水溶性离子、微量金属元素、碳质组分及有机分子标志物含量,并利用
3、正定矩阵因子(PMF)模型解析曼谷 TSP 来源;测定人肺上皮细胞 A549 暴露于 TSP 水萃取组分和有机萃取组分后细胞毒性的变化,包括细胞存活率、活性氧(ROS)生成、白细胞介素-8(IL-8)及细胞凋亡。结果表明,曼谷 TSP 浓度呈现干季高、湿季低的季节趋势,有机组分和水溶性离子是 TSP 的主要组分(50%)。PMF 模型解析结果显示,生物质燃烧(24.7%)、陆地化石燃料燃烧(21.1%)和土壤扬尘(20.6%)是干季内曼谷TSP 质量浓度的主要贡献者,而湿季内曼谷 TSP 的主要来源为陆地化石燃料燃烧(29.5%)、生物质燃烧(16.6%)及海盐(16.0%)。曼谷 TSP 水
4、萃取组分和有机萃取组分均可引起 A549 细胞毒性,其中 TSP 有机萃取组分暴露后的细胞具有更高的死亡率、ROS 水平和凋亡率,而 TSP 水萃取组分暴露后的细胞则具有更高的 IL-8 水平,这种差异表明诱导胞内 ROS(即氧化应激响应)和细胞死亡(细胞存活率与凋亡率)的主导活性组分与诱导 IL-8的主导活性成分不同。关键词:总悬浮颗粒物;水萃取组分;有机萃取组分;A549 细胞;细胞毒性;源解析 中图分类号:X142 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0135-12 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.001 Chemical ch
5、aracteristics and source apportionment of total suspended particles and their cytotoxicity towards human lung epithelial A549 cells in urban Bangkok WANG Jiaqi1,2,ZHAO Shizhen1*,ZHANG Qianyu1,LIANG Yaohui1,MA Huimin1,LI Jun1,ZHANG Gan1(1.State Key Laboratory of Organic Geochemistry,Guangzhou Institu
6、te of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.School of Electrical and Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,China)Abstract:Exposure to ambient particulate matter(PM)is associated with a range of adverse health impacts.PM is a complex
7、,heterogeneous mixture that shows wide variations in time and space and contains numerous toxic and carcinogenic compounds that induce variable levels of cytotoxicity.This study was conducted to determine the chemical characteristics,source apportionment,and in vitro cytotoxicity of total suspended
8、particulates(TSP).TSP samples were collected for one year in Bangkok,Thailand and analyzed to determine their chemical constituents including water-soluble ions,trace metals elements,organic and elemental carbon,and organic molecular markers.The cytotoxicity induced by the water-soluble and organic-
9、solvent extracts of TSP on cell viability,136 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.135146 Mar.,2023 reactive oxygen species(ROS)generation,interleukin(IL)-8,and apoptosis was investigated in human lung epithelial A549 cells.Higher TSP concentrations were observed in the dry season,with lower levels in t
10、he wet season.Water-soluble ions and organic matter were the main components of TSP in all samples.Both extracts of TSP reduced the viability of A549,induced the formation of ROS and production of IL-8,and altered apoptosis.Compared with the water-soluble extracts of TSP,the organic-solvent extracts
11、 caused a greater decrease in viability,ROS production,and apoptosis in A549 cells,but did not decrease IL-8 release.This difference indicates that the dominant active components inducing intracellular ROS(i.e.oxidative stress)and cell death(cell viability and apoptosis rate)differ from those induci
12、ng IL-8 release.Key words:total suspended particle;water-soluble extract;organic-solvent extract;A549 cell;cytotoxicity;source apportionment 0 引 言 大气颗粒物已成为影响全球人类健康的主要环境危害因素之一。柳叶刀杂志发表的 2015 年全球疾病负担研究数据分析显示,大气颗粒物已成为全球第五大风险致死因素,大气颗粒物的长期暴露造成 420 万死亡和 1.031 亿伤残调整寿命年(disability adjusted life years,DALYs),
13、分别占全球死亡和 DALYs 的 7.6%和 4.2%,其中 59%的死亡发生在亚洲东部和南部(Cohen et al.,2017)。世界卫生组织(WHO)下属的国际癌症研究机构(IARC)根据流行病学和毒理学的大量研究结果,于 2013 年正式将大气颗粒物(PM)列为可导致肺癌的 I 类致癌物(Loomis et al.,2013)。目前学术界尚无法阐明颗粒物引发健康效应的完整机制通路,但基本达成共识的假说为,由活性氧自由基(ROS)引发的氧化应激效应是大气颗粒物导致人体健康效应的核心机制假说(Ayres et al.,2008;Shiraiwa et al.,2017;Bates et a
14、l.,2019)。大气颗粒物可作为 ROS 的携带者或诱导者进入人体导致过量 ROS 的生成,使得细胞氧化还原状态失衡,产生氧化应激效应(也称氧化损伤)。氧化应激效应可激活转录因子参与的一系列信号通路,产生各种生物学效应(如炎症反应、细胞凋亡、坏死等),最终造成机体损伤(Taniyama and Griendling,2003;Andreau et al.,2012)。虽然大气颗粒物的化学组分十分复杂,随时间和空间的变化而变化,但已有联合毒性和效应导向分析等相关研究证实大气颗粒物吸附的有机组分和无机组分与其致毒效应密切相关(Zou et al.,2016;Velali et al.,2016a
15、,b)。Rashed(2008)发现,微量金属如 Fe、V、Ni、Cu、Zn 等能够诱导细胞氧化损伤,引起细胞毒性,尤其是 Zn、Pb 等金属元素与 A549 的炎性细胞因子 IL-6、TNF-的产生有很强的相关性,其中 IL-6 可促进炎症反应引起的肺部组织损伤,而TNF-可通过直接作用于血管内皮细胞,增强其通透性,最终引发肺水肿(Liu et al.,2014)。此外,Huang et al.(2015)发现颗粒物水提取物中的 SO2 4及NO 3可在细胞暴露时,通过调节溶液 pH 值改变细胞活力。Furuyama et al.(2006)分别采用 10 g/mL 的柴油机颗粒(DEP)和
16、城市 PM2.5有机萃取组分对大鼠心脏微血管内皮细胞暴露 12 h,暴露后内皮细胞中凝血酶元激活物抑制因子(PAI-1)的合成均显著下降,指出有机萃取组分能够通过改变内皮细胞功能进而影响人体的心血管活性,并提示 DEP 有机萃取组分比城市PM2.5的诱导细胞ROS生成能力更强。Su et al.(2017)经气管内滴注射 PM2.5不同萃取组分于小鼠单核巨噬细胞白血病细胞(RAW264.7),结果表明醌类化合物是导致细胞存活率下降、乳酸脱氢酶(LDH)分泌、ROS 生成的关键化学组分。此外,大气颗粒物中的微生物、内毒素也对细胞活力、氧化应激及炎性效应产生一定的影响。如 Samake et al
17、.(2017)发现真菌孢子可显著增强大气颗粒物的 ROS 生成水平。Gualtieri et al.(2010)使用 A549 和 BEAS-2B 细胞的 IL-8 释放水平研究了意大利米兰的颗粒物毒性,结果表明 PM10引起的炎性效应更强,金属、元素碳(elemental carbon,EC)、有机碳(organic carbon,OC)、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)等含量较高的 PM2.5并没有产生较强的炎性效应,提出 PM10可导致较强的炎性效应与其含有较高的内毒素有关。颗粒物的组成与其来源密切相关。一方面,一些特殊来源的颗粒物可
18、能具有更高的毒性(Charrier et al.,2015);另一方面,细胞毒性是多种大气颗粒物成分联合作用的结果,并伴随大气扩散迁移发生时空变化,因此需将大气颗粒物的化学组分和毒性 第 2 期 王嘉琦等:曼谷城区总悬浮颗粒物的化学组成特征、来源解析及其人肺上皮细胞 A549 毒性 137 Geochimica Vol.52 No.2 pp.135146 Mar.,2023 研究,同其来源的研究共同开展、协调推进,为制定区域和城市人体健康保护措施提供合理的科学依据(Bates et al.,2019)。中南半岛地区是亚洲乃至全球最典型的生物质燃烧区之一,存在较严重的大气颗粒物污染问题(Lin
19、et al.,2013;Yadav et al.,2017)。因此,本研究选取中南半岛典型城市曼谷,开展一年的总悬浮颗粒物(TSP)样品采集,在传统的空气质量监测和化学组分分析的基础上,对比 TSP 水萃取组分和有机萃取组分的人肺上皮 A549 细胞毒性(包括细胞存活率、ROS 生成量、白细胞介素 8(IL-8)分泌量和细胞凋亡);同时运用正定矩阵因子(PMF)模型确定 TSP 的排放源,并分析不同组分细胞毒性与排放源的关系,以期为进一步评价和预测区域大气颗粒物的健康效应提供新视角。1 材料与方法 1.1 主要仪器与试剂 仪器:大流量颗粒物采样器(XT-1025,上海新拓分析仪器科技有限公司,
20、中国);离子色谱(761 Compact IC,Metrohm 公司,瑞士);电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,ELAN DRCII,香港铂金埃尔默公司,中国);有机碳元素碳分析仪(MODEL 5,Sunset Laboratory Inc 公司,美国);CO2培养箱(2406-2 型,SHEL-LAB 公司,美国);超净工作台(Airstream Class,ESCO公司,新加坡);倒置显微镜(CKX41,Olympus 公司,日本);多功能酶标仪(Thermo Scientific Varioskan Flash,Thermo 公司,美国);流式细胞仪(BD FACSCelestal,
21、BD 公司,美国);低速离心机(TD4-11,湖南长沙平凡仪器仪表有限公司,中国)。试剂:RPMI-1640 培养基(Gibco 公司);胎牛血清(Gibco公司);CCK-8细胞增殖检测试剂盒(日本同仁化学研究所);活性氧检测试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司);Annexin V-FITC/PI 细胞凋亡检测试剂盒(日本同仁化学研究所);IL-8 检测试剂盒(上海安迪生物科技有限公司);二甲基亚砜(DMSO,Sigma 公司);PBS 缓冲液(Gibco 公司);二氯甲烷(色谱纯,Oceanpak 公司);甲醇(色谱纯,Merk 公司)。1.2 样品采集 TSP 采集于曼谷泰国农业大学环境
22、学院楼顶(10057E,1385N),采样点海拔高度 57 m。采样点周边无明显人为污染源和高大建筑物遮蔽,能够较好地反映该区域的空气质量。采样时间分别为 2016年 13 月及 2016 年 11 月2017 年 1 月(干季,n=51)、2016 年 46 月及 10 月(湿季,n=35)当地时间 9:00次日 9:00,24 h,300 L/min。TSP 采样前,所需石英纤维滤膜需置于 450 马弗炉内烘烤 6 h,冷却后装入密实袋并置于20 冷库中待用。样品采集完成后,将滤膜对半折叠,包于铝箔,装于密封袋,存放于冷库中。1.3 颗粒物化学组分分析 1.3.1 水溶性离子、微量金属元素
23、、OC 及 EC 分析 用直径为 2.5 cm 的切刀取滤膜置于离心管中,称取约 10 g 超纯水加入离心管后超声萃取 30 min,静置后取上清液,并通过 0.22 m 聚四氟乙烯(PTFE)微针式滤器过滤后转移至 PTFE 瓶。重复上述步骤,合并 2 次滤液用于 IC 分析水溶性离子组成(Na+、K+、NH4+、Mg2+和 Ca2+;Cl、NO 3和 SO2 4)(Mo et al.,2018)。用直径为 4.7 cm 的切刀取滤膜置于 PTFE 罐中,以二次纯化硝酸(保证酸液完全浸没膜)在 120 下密闭消化 10 h。消解完毕后,将消解液转移定容,加入 50 ng/mL 的 Re 作为
24、内标,利用 ICP-MS 测量微量金属元素(Zong et al.,2018;Wang et al.,2020)。OC和 EC 分析采用热分解光学分析法,使用的热/光OC/EC 分析方法是 National Institute of Occupational Safety and Health(NIOSH)870(Chow et al.,2001;Wu et al.,2016)。本研究中水溶性离子、金属元素、OC 和 EC 的检测限(Wang et al.,2020)分别为 0.01 0.08 g/m3、0.01 ng/mL、0.13 g/m3和 0.025 g/m3。1.3.2 有机分子标志
25、物分析 用直径为 4.5 cm 的切刀切取滤膜装入索氏抽提管中,抽提试剂为二氯甲烷和甲醇混合液(体积比937),加入回收率指示剂左旋葡聚糖-13C6和正二十四烷-d50。将索氏抽提管与平底烧瓶组装好置于水浴锅中抽提 24 h。将烧瓶中的抽提液过无水硫酸钠柱,旋转蒸发约 1 mL,后氮吹浓缩至细胞瓶中,加入甲基-L-木吡喃糖苷(m-XP)作为内标物。将细胞瓶中的浓缩液分成 2 份,一份过硅胶氧化铝层析柱分离净化,并用二氯甲烷和正己烷的混合溶剂(体积比 11)淋洗,淋洗液收集于样品瓶中,氮吹浓缩至 0.5 mL,上机前加入内标物六甲基苯。该组分为非极性化合物,用气相色谱质谱仪(GC/MS-QP20
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