城市PM2.5与PM10中金属的生物可利用性与毒性评估：基于模拟生物流体的体外与体内研究

本研究针对城市PM2.5和PM10中重金属的毒性风险，通过模拟生物流体（ALF、Gamble溶液等）评估其生物可利用性，并结合Artemia franciscana模型揭示氧化应激机制。结果表明，酸性环境显著增强Cu、Pb、Fe的溶出，PM2.5的毒性更强，为制定针对性空气质量标准提供科学依据。

　　

随着城市化进程加速，空气污染已成为全球公共卫生的重大威胁。在众多污染物中，可吸入颗粒物（PM）因其携带重金属和多环芳烃等有毒成分备受关注。其中，细颗粒物PM_2.5（空气动力学直径≤2.5微米）和可吸入颗粒物PM₁₀（≤10微米）因粒径差异导致其在人体内的沉积部位和毒性效应显著不同。更关键的是，颗粒物中重金属的总浓度并不能完全反映其健康风险——只有可被生物体吸收利用的"生物可利用"部分才能真正参与毒性反应。然而，现有研究对PM中金属的生物可利用性评估缺乏系统性，且不同暴露途径（如呼吸道吸入、口腔摄入、眼部接触）的差异尚未明确。

为解决这一问题，来自意大利的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表最新成果。研究人员创新性地结合模拟生物流体提取法和Artemia franciscana（一种甲壳类浮游生物）活体模型，系统评估了城市PM中8种重金属（包括受监管的Pb、Cd、Ni、As和非监管的Fe、Cu、Zn、V）的生物可利用性及其诱导氧化应激的机制。

研究采用四大关键技术：1）模拟生物流体提取法（ALF模拟肺泡巨噬细胞溶酶体环境，Gamble溶液模拟肺间质液，人工唾液和泪液模拟其他暴露途径）；2）ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）定量金属浓度；3）Artemia franciscana孵化实验评估体内毒性；4）氧化应激标志物检测（包括ROS含量、脂质过氧化物HPs、蛋白质羰基CO及抗氧化酶GPx/GR活性）。

3.1 颗粒物浓度与金属分布

监测数据显示，PM_2.5占PM₁₀的73%，印证了细颗粒在都市气溶胶中的主导地位。金属分析揭示Fe浓度最高（PM_2.5中452±48.0 ng/m³），其次是Pb、Cu等。值得注意的是，V/Ni比值（0.9-1.6）暗示了船舶排放和燃油燃烧的混合污染来源。

3.2 生物可利用性差异

ALF（pH 4.5）对PM_2.5中金属的提取效率显著高于其他流体：Fe、Cu、Pb的溶解度分别达15%、25%和18%，而Gamble溶液（pH 7.4）中仅3-8%。这证实酸性环境促进金属溶出，可能与质子驱动机制相关。唾液对Zn（12%）和泪液对V（9%）的特异性溶解，则揭示了暴露途径依赖性生物可利用性。

3.3 毒性效应验证

Artemia实验显示，PM_2.5提取物使ROS水平提升2.3倍，脂质过氧化（HPs）和蛋白质羰基（CO）分别增加180%和150%，均显著高于PM₁₀组。有趣的是，抗氧化酶GPx和GR活性也同步升高，表明生物体通过激活抗氧化防御系统应对氧化损伤。这种"损伤-防御"动态平衡的打破，正是PM诱发慢性炎症和呼吸疾病的关键机制。

这项研究通过多维度评估体系，首次系统比较了不同粒径PM中金属的生物可利用性差异及其毒性效应。其核心结论在于：PM_2.5因更大的比表面积和酸性环境下的高金属溶出率，比PM_{10具有更强的氧化损伤潜力。这为欧盟新版《环境空气质量指令》将PM2.5列为优先管控对象提供了直接证据。}

研究的创新性体现在三方面：1）标准化模拟生物流体协议，解决既往研究可比性差的难题；2）首次将Artemia franciscana模型用于PM毒性评估，填补了低成本活体实验模型的空白；3）揭示金属生物可利用性与氧化应激的剂量-效应关系。这些发现不仅推动空气毒理学研究方法的进步，更提示未来环境标准应纳入生物可利用性指标，而非仅关注总金属浓度。

从公共卫生视角看，该研究为城市雾霾防控提供了精准靶点——降低PM_2.5排放（尤其是含Fe、Cu等过渡金属的燃烧源颗粒）应成为优先策略。同时，泪液中V的高溶解度这一新发现，提示需要关注PM对眼表健康的潜在威胁，为职业防护开辟了新思路。