可持续航空燃料（SAFs）采用的社区层面空气质量与健康影响：一项范围综述

《Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology》：Community-level air quality and health implications of sustainable aviation fuels adoption: a scoping review

　　

背景：可持续航空燃料（sustainable aviation fuels, SAFs）被认为是相较于常规航空燃料（conventional aviation fuels, CAFs）减少排放并提高可持续性的解决方案。虽然CAFs排放已被较好表征，但关于SAFs排放及其对空气质量和社区健康影响的证据仅在过去十年中出现。目的：开展范围综述（scoping review），系统评估现有证据，以明确SAFs相关排放变化如何转化为社区层面暴露和潜在健康影响。方法：研究人员对2010年1月至2025年9月发表的同行评议研究进行了范围综述，这些研究评估了SAFs相关排放变化、暴露相关污染物和健康相关结局。结果：研究结果显示，SAFs可减少颗粒物（particulate matter, PM），在低推力运行（怠速、滑行、着陆）期间获益最大，并产生较CAFs更低的细胞毒性排放。仍存在关键空白，包括挥发性颗粒物（volatile particulate matter, vPM）数据有限、排放与社区暴露之间真实世界关联较少，以及社区健康结局证据有限。因此，SAFs采用的公共健康协同效益仍不确定。未来研究应优先开展真实世界SAFs评估以及整合暴露与健康评估，以明确社区层面获益。意义：本范围综述首次从公共健康视角综合SAFs采用证据，识别潜在空气质量获益，同时强调暴露和社区健康研究中的关键空白。影响声明：关于SAFs排放的研究正在增长，但SAFs采用的健康协同效益很少被研究。从公共健康视角理解潜在获益和当前研究空白，对于指导研究方向和为政策讨论提供信息至关重要。本范围综述是整合现有证据并突出需进一步研究关键领域的初步步骤。

Introduction：美国航空燃料消费预计年增2–3%，2050年超过2.0百万桶/日。常规航空燃料（CAFs）含硫（<3000 ppm或<0.30 wt%）和芳烃（约20%），燃烧释放SO_x、NO_x、VOCs和PM（含UFPs）。航空PM分为挥发性（vPM）和非挥发性（nvPM），监管转向nvPM数量和质量。地面排放影响机场附近和下风向社区，UFP与呼吸、生殖、炎症、发育和死亡相关。可持续航空燃料（SAFs）可与CAFs混合至50%，主要路径为ATJ、FT和HEFA；硫和芳烃较低，可能降低PM并带来健康协同效益，但证据转化不确定。本综述综合SAF排放证据，评估区域空气质量与健康研究并识别空白。

Materials and methods：方法见补充材料。研究人员检索2010年1月1日至2025年9月1日Web of Science和PubMed英文同行评议文献，遵循PRISMA-ScR，经Covidence去重、筛选和全文审查。SAFs限于ATJ、FT和HEFA，按生产路径分类，未考虑类别内组成变异。数据双人标准化提取，叙述性综合，未正式评估偏倚风险。优先涡轮风扇主发动机LTO研究，排除APU和飞行中campaign研究。

Results: Summary of findings：初始检索大量记录，关键词细化后合计940条，去重后702条筛选，85篇全文评估，55篇排除，最终30项纳入。纳入研究涵盖排放测量、空气质量评估和毒理学；多数评估全尺寸涡轮风扇发动机使用ATJ、FT或HEFA混合或纯燃料，结局包括SO₂、NO_x、CO、UHCs、VOCs及PM质量、数量、粒径和组成。空气质量研究采用监测和建模，健康证据多限于毒理学，未发现SAF流行病学研究。排放研究多在受控测试台，空气质量研究常假设减排可推广，毒理学暴露情景简化。

SAF impacts on emissions：排放指数（EIs）和颗粒形态随发动机运行和燃料组成变化；发动机运行决定CO和NO_x，燃料硫和芳烃影响UFP、SO₂和VOCs。

Particulate emissions：航空PM测量多按ICAO LTO循环在测试台或地面进行。nvPM随推力变化，推力、燃料流量和测量配置差异造成EIs变异。

nvPM number and mass emissions：将nvPM数量（EI_n）和质量（EI_m）归一化至CAF基线后，SAF混合增加通常降低nvPM，ATJ、FT和HEFA均如此但变异大。LTO中EI_n削减在怠速和进近最大（约61±30%和62±30%），爬升和起飞较弱（43±28%和37±30%）；EI_m为怠速64±28%、进近63±24%、爬升50±29%、起飞35±57%。ATJ在怠速和进近EI_n削减高，FT在爬升和起飞更有效；较高混合比通常更优，但低混合下非单调。总体SAF持续降低nvPM数量和质量的EIs，低推力获益最大。

vPM emissions：vPM主要由硫酸盐和有机物组成，在尾焰冷却和大气反应中演化，研究少于nvPM。其在下游形成并贡献二次颗粒，老化羽流总PM EI_n可比排气点高10–100倍。ICAO采样聚焦nvPM并加热抑制vPM。现场研究显示JP-8低推力vPM EI_m最高，FT SAFs全推力更低；暖环境低于冷环境；低推力以有机物为主，高推力硫酸盐比例升高。SAF相关vPM研究尤其稀缺。

Particle size distribution (PSD) properties：PSDs呈对数正态并随推力变化。SAF减少总颗粒排放并使PSD向小粒径移动。几何平均直径（GMD）与推力正相关，CAF从怠速约15 nm至起飞约100 nm，SAF持续降低GMD，表明小颗粒贡献更大。

Particle morphology and effective density：低推力颗粒多无定形、有机碳为主且反应性高；高推力促进石墨化，生成结晶、元素碳丰富且反应性较低的颗粒。SAF通常降低聚集体尺寸并产生更致密颗粒。有效密度为聚集体质量与同迁移直径等效球形颗粒体积之比，影响传输、沉积和大气寿命，报道值400–1100 kg/m³。SAF因硫和芳烃减少产生更小、更高密度聚集体，纯FT SAF颗粒更致密。SAF降低颗粒排放，可能减少氧化应激和炎症。

Gaseous emissions：早期研究涉及N₂O、CH₄或醛类，后续主要关注NO_x、CO、UHCs和VOCs。

SO₂ emissions：燃料硫约98%转化为SO₂，少量为SO₃，并通过硫酸凝结贡献vPM。CAFs含400–800 ppm，SAFs通常<100 ppm，因此SAF持续降低SO₂和硫相关PM。现场测量中纯FT SAF使SO₂ EIs降低>90%。

NO_x emissions：NO_x随推力增加，受燃烧温度、压力和停留时间影响。CAF和SAF的NO_x EIs常为2–40 g/kg_fuel，多数研究显示无一致削减。商业规模发动机与Jet A-1几乎无差异。LTO平均变化为怠速–10±24%、进近–4±8%、爬升0±8%、起飞–2±8。NO_x主要由发动机设计和运行决定，仅燃料替代难为机场附近社区带来显著NO_x改善。

CO and UHC emissions：CO在低推力峰值，CAF EIs从怠速约90 g/kg_fuel至高推力近零。SAF对CO影响小：平均削减为怠速6±10%、进近11±30%、爬升18±29%、起飞21±0%。UHCs在约30%推力以上可忽略，怠速CAF约5–20 g/kg_fuel，SAF最多降低40%。滑行时含氧VOCs约占总VOCs的60%，促进臭氧生成。总体CO和UHCs仅边际削减，改善局地空气质量需结合清洁燃料、发动机优化和先进燃烧技术。

SAF impacts on community air quality：常用框架包括AERMOD、CMAQ、UCD/CIT CTM和PMF，准确性依赖颗粒行为假设。AJFAT链接SAF混合比与减排，已与AERMOD整合但需验证。仅三项建模研究考察区域空气质量。Benosa等用CMAQ显示50% SAF使机场SO_x降低48%、PM_2.5降低55%，NO_x和碳氢化合物影响小，航空归因PM_2.5暴露夏季降约30%、冬季约20%；局限为模拟至50%而现实<10%，未评估nvPM/UFP。Blanco等结合监测和AERMOD，Seattle-Tacoma机场5%、25%、50%混合对应nvPM削减5%、30%、50%，航空PNC由基线约1145 #/cm³降至5%约1088 #/cm³、50%约573 #/cm³，机场周边削减最大；局限包括仅LTO、未区分nvPM与总UFP。Arter等全国建模显示5% SAF使人口加权PM_2.5降低2.4%，50%约降低20%，但NO₂排放增加并推高O₃；需补充气态污染物措施，局限为排放因子、粗分辨率和聚焦PM_2.5。

SAF impacts on community health：健康影响研究有限，仅三项毒理学和一项健康影响评估，无流行病学研究。Jonsdottir等用气液界面暴露人支气管上皮细胞，单次1 h Jet A-1和32% HEFA nvPM暴露增加膜损伤、氧化应激和促炎信号，效应依赖燃料和推力；Jet A-1 nvPM细胞毒性总体高于HEFA，但最高反应见于怠速Jet A-1和85%推力HEFA。Gualiteri等报道SAF混合氧化应激较低，肺沉积剂量显示<30 nm UFP沉积。Melzi等认为毒性更多由燃烧技术等因素驱动，未报告显著细胞毒性但ATM基因表达改变。总体SAF排放可能低于CAF危害，但取决于燃料、燃烧技术和颗粒特征。Blanco等健康影响评估估计King County航空UFP基线约61.9（95% CI：49.1–74.6）例死亡/年，死亡率4.2（3.3–5.0）/100,000成人；5%混合每年减少3.1例死亡，50%减少31例；机场附近高暴露区获益最大。全国研究显示NO₂是健康影响主导，占LTO归因过早死亡91%。CAF研究表明短期航空UFP暴露诱导氧化应激、炎症和肺功能下降，长期暴露与呼吸、心血管、生殖和发育风险相关，儿童可能更脆弱。

Discussion：SAF持续降低UFP和SO₂，低推力怠速、滑行和着陆削减最大，对地面附近社区最重要。即使低混合也有削减，纯FT可使EI_n降约90%，5% ATJ中位降35%，归因于低芳烃、高氢碳比和少萘。推力分辨EIs报告不一致、多用LTO平均，需模式特异性数据。SAF颗粒更小更致密，可能影响呼吸道沉积；有效密度未纳入nvPM监管指标，氧化潜势等指标有价值。着陆排放可能影响飞行路径下更广区域，但研究可比性受限。vPM表征不足，限制总PM削减来源判断。PSD变化影响大气行为和暴露，SAF产生更小颗粒，核模态颗粒约10–30 nm，局部气象调节其行为。公共卫生影响仍大量未探索；毒理学提示低推力SAF毒性较低，但无流行病学验证。低推力靶向SAF可作缓解策略。需整合排放、监测和流行病学。建模工具包括BenMAP-CE、R-LINE和FAA AEDT，AEDT不直接评估SAF但可应用SAF排放因子。关键空白为缺乏流行病学、vPM认识有限和真实暴露表征不足。局限包括路径证据不均、主要涡轮风扇且排除APU、部分使用EIs估计、方法异质性和燃料分类限制可比性。

Conclusions：SAF使用与PM和硫排放降低一致相关，可能带来社区健康协同效益。文献偏重排放表征，较少转化为环境浓度、人群暴露或健康相关性。毒理学和健康影响评估提示地面附近运行可能获益，但证据不足。需协调排放表征、暴露评估和流行病学评价，量化公共健康影响。未来应超越排放测量，结合真实世界部署与靶向监测、跨学科和社区参与方法，支持政策与实施。