整合健康风险评估、病例交叉与浓度-响应函数分析的南非比勒陀利亚PM2.5及痕量元素呼吸健康风险三角验证

《International Journal of Environmental Health Research》：Triangulating health risks of PM2.5 and trace elements in Pretoria: evidence from health risk assessment, case-crossover, and concentration–response function analyses

　　

细颗粒物（PM2.5）是全球疾病负担的主要贡献因素之一。以往的研究分别采用毒理学筛查或流行病学关联分析来评估健康风险，而对化学成分的关注有限。本研究整合了健康风险评估（HRA）、病例交叉（CCO）分析和浓度-响应函数（CRFs），以量化南非比勒陀利亚PM2.5质量浓度及PM2.5结合态痕量元素造成的呼吸系统疾病负担。研究人员分析了2017年4月至2020年2月期间的二次数据集，包括PM2.5采样浓度、元素组成以及呼吸系统住院数据（ICD-10 J00–J99）。HRA估算了成人、儿童和婴儿的危害商数（HQs）。CCO模型量化了PM2.5每增加10 μg/m3及元素每增加一个四分位距（IQR）所带来的短期关联性。CRFs将系数转化为在南非和世界卫生组织反事实情景下的归因分数和病例数。所有年龄组的PM2.5 HQs均超过1。CCO估计PM2.5每增加10 μg/m3的比值比（OR）为1.027（95%置信区间：1.006–1.049）。若将浓度降至南非标准水平，每年可避免158例住院；若降至WHO日均和年均指南水平，则可分别避免342例和748例住院。元素特异性CRFs估计每年可归因的住院数为110至608例。

论文解读

研究背景与问题提出

空气污染是全球最重要的环境健康决定因素之一，每年约导致800万人过早死亡。其中，细颗粒物（PM_2.5，空气动力学直径≤2.5 μm）因其能深入呼吸道、沉积于肺泡并引发系统性炎症和氧化应激反应而备受关注。全球疾病负担（GBD）研究持续将PM_2.5列为全球死亡率和发病率的主要风险因素之一。

在南非，工业化、煤炭能源、采矿和城市扩张加剧了空气质量挑战。该国正式划定的三个空气质量优先区域（高草原优先区HPA、瓦尔三角空气流域优先区VTAPA和沃特伯格-博贾纳拉优先区WBPA）人口密集，暴露于来自燃煤电厂、石化厂、钢铁生产、采矿、交通排放和固体燃料燃烧的高浓度颗粒物污染中。比勒陀利亚作为豪登省的一个独特城市受体环境，受到来自这三个优先区域的远距离输送影响，自身却不在任何优先区域内。因此，居民暴露于工业、家庭燃烧、交通和区域性污染源的复杂混合物中，使其成为评估综合暴露与健康评估方法的理想场所。

现有研究存在明显的方法割裂：健康风险评估（HRA）仅能识别超出毒理学阈值的污染物，但无法估算疾病负担；病例交叉（CCO）分析虽能量化急性关联，但不能判断观测浓度是否具有毒理学意义；浓度-响应函数（CRFs）虽能估算归因病例数，但完全依赖流行病学系数而不参考毒理学阈值。这种各自独立的应用使得决策者获得的是碎片化证据，而非整合性的暴露-健康风险-疾病负担评估。为此，研究人员首次在南非将HRA、CCO和CRF三种方法整合在一个统一的分析框架内。

研究方法与技术路线

研究人员利用2017年4月至2020年2月期间在比勒陀利亚大学医学园区屋顶（第六层高度）采集的二次数据集进行分析。PM_2.5样品每三天进行一次24小时集成采样，共获得350天的监测数据。呼吸系统住院数据来自比勒陀利亚三家私立医院，共计15,155例ICD-10编码J00–J99的呼吸系统疾病住院记录。

研究采用了三项关键技术方法：第一，健康风险评估（HRA），通过计算危害商数（HQ=平均每日剂量ADD/吸入参考剂量RfD）来评估非致癌风险，按季节和年龄组（成人、儿童、婴儿）进行分层分析；第二，时间分层病例交叉分析（CCO），采用条件准泊松回归模型，每个入院日与同一日历月和年份中相同星期几的对照日进行匹配，以控制长期趋势和季节性混杂因素，同时使用表观温度（TAPP）作为综合生物气象指标来控制气象混杂；第三，浓度-响应函数（CRFs），将CCO得出的比值比转换为暴露系数β，进而计算相对风险（RR）、归因分数（AF）和归因病例数（AC），并在南非年度标准（20 μg/m³）、WHO日均中期指导值（15 μg/m³）和WHO年度指导值（5 μg/m³）三种反事实情景下进行估算。

研究结果

描述性统计与季节变化：PM_2.5质量浓度呈现显著季节性变化，冬季中位数浓度最高（38.5 μg/m³），其次是秋季（19.3 μg/m³）和春季（16.6 μg/m³），夏季最低（10.5 μg/m³）。冬季中位数浓度超过南非年度空气质量标准（20 μg/m³），更是WHO 2021年度指导值（5 μg/m³）的七倍以上。冬季有57天超过WHO 24小时指导值（15 μg/m³），26天超过南非24小时标准（40 μg/m³）。

呼吸系统住院描述性统计：研究期间共记录15,155例呼吸系统疾病住院。女性占8,060例，男性7,095例。儿童（0-14岁）占比最大（平均23.5例/天），其次为成人（15-64岁，14.1例/天）和老年人（≥65岁，5.7例/天）。肺炎和哮喘是儿童的主要诊断类别，而成人和老年人中慢性呼吸系统疾病比例更高。冬季住院人数显著高于夏季（p<0.001）。

病例交叉分析：在单污染物模型中，PM_2.5每增加10 μg/m³与呼吸系统住院增加2.7%（95%置信区间：0.6%-4.9%）相关。多种PM_2.5结合态痕量元素每增加一个四分位距（IQR）也呈正相关，包括钙（4.0%）、铁（3.3%）、钾（1.8%）、硅（1.3%）和氯（0.7%）。黑碳、UV-PM和烟尘的关联总体为正但在全人群中未达统计学显著性。分层分析显示儿童（0-14岁）对PM_2.5和多种痕量元素的关联更强。经总PM_2.5调整后，钙在全人群（3.2%）和儿童（5.2%）中仍保持统计学显著。

健康风险评估：总PM_2.5的非致癌危害商数（HQs）在所有季节和年龄组均超过1。以南非标准计，冬季HQs最高：成人1.93，儿童5.75，婴儿6.27。以WHO指导值计，冬季HQs大幅升高：成人8.35，儿童24.90，婴儿27.13。儿童和婴儿的HQs始终高于成人。在痕量元素方面，硫（S）和硅（Si）的HQs在多个季节超过1，其中成人硫的HQs在春季（5.53）和冬季（4.87）最高。钾（K）和氯（Cl）主要在冬季对儿童和婴儿构成升高风险。铀（U）在秋季表现出异常升高的HQs（成人8.04，儿童23.9，婴儿26.1）。

浓度-响应函数：以平均浓度为基础，将PM_2.5降至南非年度标准（20 μg/m³）可产生1.0%的归因分数，对应每年可避免158例呼吸系统住院。降至WHO 24小时指导值（15 μg/m³）可避免342例/年，降至WHO年度指导值（5 μg/m³）可避免748例/年。元素特异性CRFs估计钙（Ca）的年归因住院数最大（约608例），其次是铁（Fe，约505例）、钾（K，约279例）、硅（Si，约203例）和氯（Cl，约110例）。需注意的是，由于元素间存在相关性且来自单一污染物模型，各元素归因病例数不应简单相加。

讨论与结论

研究人员指出，三项方法的整合价值在于减少方法特异性不确定性。当HRA、CCO和CRF这三种独立方法均指向相同的污染物和季节存在升高风险时，发现由人为假象或模型设定错误驱动的可能性降低，从而增强了因果推断的说服力。

研究结论明确指出：当前南非标准不足以保护公众健康，PM_2.5化学组成与质量浓度同等重要，仅在比勒陀利亚一地每年就有数百例可预防的住院发生。HRA揭示了所有年龄组尤其儿童和婴儿面临不可忽视的毒理学风险；CCO验证了这些暴露确实与真实健康事件相关联；CRFs则将风险转化为可预防的具体病例数。政策层面，研究建议一方面应将南非标准向WHO指导值靠拢以大幅减少疾病负担，另一方面应针对特定排放源实施干预，如扬尘抑制以减少钙和硅、清洁燃料计划以削减钾和氯、工业排放控制以限制铁和镍砷等致癌物。这种基于组成的源头控制策略与单纯的质量浓度减排相结合，有望带来更大的健康收益。