【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】空氣污染在全球每年導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)例過(guò)早死亡，是當(dāng)代社會(huì)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一。大氣中除了顆粒物，還有氣體污染物以及生物成分如過(guò)敏原、毒素等。人體呼吸暴露的健康效應(yīng)需要考慮所有這些物質(zhì)的效應(yīng)以及它們可能存在的協(xié)同作用。大氣化學(xué)過(guò)程與污染源變化會(huì)導(dǎo)致空氣毒性快速波動(dòng)。然而，目前主要還是依賴(lài)顆粒物質(zhì)量濃度來(lái)評(píng)估空氣質(zhì)量，難以對(duì)真實(shí)的健康效應(yīng)進(jìn)行考量。此外，目前研究空氣污染健康效應(yīng)的方法通常采用離線技術(shù)，如PM鼻腔灌注、血液注射或富集后再氣溶膠化，并需要進(jìn)行繁瑣、有創(chuàng)的組織或血液取樣分析， 嚴(yán)重缺乏時(shí)效性。這些缺點(diǎn)限制了對(duì)真實(shí)環(huán)境中空氣污染健康危害的精準(zhǔn)的、具有時(shí)效性的評(píng)估和預(yù)警。
 

　　針對(duì)如上難題，北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院要茂盛教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了空氣毒性活體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Air Toxicity in vivo Monitoring System, ATMS)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣污染健康效應(yīng)的原位、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)與各地高校和科研院所合作，團(tuán)隊(duì)在2023年冬季和2024年春季分別在中國(guó)7個(gè)和13個(gè)城市部署了該套系統(tǒng)，并系統(tǒng)開(kāi)展了24小時(shí)全天候大氣污染健康效應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)，時(shí)間分辨率為3秒。通過(guò)監(jiān)測(cè)暴露于不同城市環(huán)境空氣中的大鼠呼出氣中的8種標(biāo)志物(VOCs、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)了不同城市空氣毒性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估(圖1)。
 

圖1 全國(guó)多城市空氣毒性監(jiān)測(cè)示范應(yīng)用
 

　　運(yùn)用EconML因果推斷機(jī)器學(xué)習(xí)模型，研究發(fā)現(xiàn)不同城市相同質(zhì)量濃度的PM2.5-10、PM2.5、O3對(duì)大鼠呼出氣中炎癥和氧化應(yīng)激標(biāo)志物的影響存在明顯差異，提示了來(lái)源、季節(jié)對(duì)顆粒物健康效應(yīng)的重要影響，以及真實(shí)環(huán)境中顆粒物與臭氧間的協(xié)同健康效應(yīng)(圖2)。
 

圖2 不同城市顆粒物和臭氧對(duì)大鼠呼出氣中關(guān)鍵標(biāo)志物的影響差異
 

　　研究基于大鼠呼出氣中的8種標(biāo)志物(VOCs、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)反映空氣綜合毒性的Air Toxic Index(ATI)，并結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)模型與Shapley加法解釋算法(SHAP)解析了驅(qū)動(dòng)ATI變化的關(guān)鍵因素。 結(jié)果顯示，在冬季，北京在11:00、20:00~次日凌晨3:00存在毒性高峰；太原、西安、鄭州在10:00~24:00、0:00~2:00空氣毒性較高；長(zhǎng)沙10:00~16:00空氣毒性較高(圖3)。時(shí)間和城市是ATI的首要影響因素，PM2.5是影響各城市空氣毒性的首要污染物，且影響模式隨濃度增加呈非線性。春季各城市ATI的日內(nèi)波動(dòng)相對(duì)平緩，空氣毒性以O(shè)3為主導(dǎo)，PM2.5則影響較弱(圖4)。在監(jiān)測(cè)結(jié)束后，研究也通過(guò)組織病理學(xué)證實(shí)了不同城市空氣污染對(duì)大鼠肺組織損傷的差異。
 

圖3 冬季各城市空氣毒性綜合指數(shù)(ATI)日變化對(duì)比及影響因素分析
 

圖4 春季各城市空氣毒性綜合指數(shù)(ATI)日變化對(duì)比及影響因素分析
 

　　本研究在國(guó)內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)利用活體大鼠實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)大氣污染健康效應(yīng)，為研究空氣污染健康效應(yīng)開(kāi)啟了新范式。 該研究不僅建立了空氣污染健康效應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法，更在多個(gè)污染水平不同的城市開(kāi)展了大規(guī)模應(yīng)用，揭示了不同城市空氣毒性的時(shí)空差異特征。該技術(shù)體系有望為優(yōu)化空氣污染控制策略和公眾健康防護(hù)提供重要技術(shù)支撐，可推廣用于大范圍日常監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系對(duì)健康效應(yīng)關(guān)注的不足。
 

　　研究成果以“Air Toxicity Surveillance across Thirteen Cities Using Rats ”為題發(fā)表在Environmental Science & Technology刊物上。論文的第一作者為北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生朱晨宇，要茂盛為通訊作者。參與監(jiān)測(cè)的合作單位包括山西大學(xué)、鄭州大學(xué)、蘭州大學(xué)、中南大學(xué)、江蘇省疾病預(yù)防控制中心、中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所、西安交通大學(xué)、四川大學(xué)、浙江中醫(yī)藥大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古師范大學(xué)環(huán)境健康研究院、河北醫(yī)科大學(xué)、華中師范大學(xué)、昆明理工大學(xué)和北京工匠生物科技有限公司。該項(xiàng)目主要得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(NSFC)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(基金號(hào)：22221004)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(基金號(hào)：2023YFC3708200)以及廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào)：GZNL2024A01028和SRPG22-007)的資助。