《Atmospheric Environment》：Oxidative toxicity and cytotoxicity of toluene combustion soot particles mediated by their microstructure
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燃料/氧气比主导着烟尘的纳米结构和表面化学性质。含氧官能团和石墨状边缘位点促进了氧化还原活性。基于DTT的氧化潜能对预测细胞毒性具有局限性。表面含氧基团、碳无序度和分散性决定了烟尘的毒性。引言烟尘颗粒由含碳材料的不完全燃烧产生，对空气质量、大气辐射平衡和人类健康构成重大威胁（
燃料/氧气比主导着烟尘的纳米结构和表面化学性质。
含氧官能团和石墨状边缘位点促进了氧化还原活性。
基于DTT的氧化潜能对预测细胞毒性具有局限性。
表面含氧基团、碳无序度和分散性决定了烟尘的毒性。
引言
烟尘颗粒由含碳材料的不完全燃烧产生，对空气质量、大气辐射平衡和人类健康构成重大威胁（Hornstein等，2025；Liu等，2020）。流行病学研究表明，暴露于烟尘颗粒可破坏肺部微生物群并加剧氧化应激（Wang等，2022），导致急性和慢性下呼吸道感染（Wu等，2021），与心血管疾病、癌症和呼吸系统疾病等多种疾病相关（You等，2017）。基于长期观测，烟尘或黑碳（BC）已被确认为北京PM2.5氧化毒性和致癌风险的重要贡献因素（Hua等，2024；Li等，2024）。
烟尘中的有机碳（OC）和元素碳（EC）成分均可通过其相关的氧化还原活性物质和表面结构贡献氧化活性。在有机成分中，多环芳烃（PAHs）、含氧PAH衍生物，尤其是醌类结构和共轭芳香基团，可通过氧化还原循环以及与分子氧和细胞氧化物的相互作用促进活性氧（ROS）的产生（Pietrogrande等，2022）。PAHs的代谢活化进一步生成亲电中间体，导致氧化应激和DNA损伤（Wang等，2024）。因此，含氧和不饱和结构，尤其是含羰基和芳香基团的结构，已被确定为烟尘诱导ROS产生的重要决定因素。除了与OC相关的物质外，EC中的无序碳结构和含氧表面基团也可表现出固有的氧化潜能和生物反应性（Liu等，2019）。
烟尘的物理性质，包括粒径、吸湿性和表面电荷，可通过影响颗粒分散、细胞相互作用和胞内转运进一步调节毒性（Hsiao等，2023）。较小的烟尘颗粒与增强的ROS产生、更强的炎症反应和更大的细胞渗透性相关（Das等，2024）。大气氧化和异相反应可通过形成极性有机物和硫酸盐涂层增加烟尘的吸湿性，从而改变其在呼吸道中的分散和生物利用度（Su等，2024）。类焦炭EC的表面氧化同样可增强亲水性和生物相互作用（Xu等，2025）。Zeta电位也影响颗粒与细胞膜的相互作用和胶体行为，从而影响细胞反应（Buck等，2019）。这些观察结果表明，烟尘的毒性不仅取决于化学成分，还取决于控制反应性组分对生物系统可及性的物理状态。
重要的是，这些化学和物理性质强烈耦合，并随排放源和燃烧条件而变化。化石燃料烟尘通常含有比生物质燃烧颗粒更高的EC分数（Annareddy等，2025），但交通源和生物质源颗粒之间的毒性差异不能仅用颗粒质量或总体组成来解释（Luo等，2024）。燃烧条件，特别是燃料类型和燃料/氧气（F/O）比，同时调节颗粒尺寸、纳米结构、吸湿性（Attah等，2025；Han等，2012；Zhao等，2017）、OC/EC比、元素组成和含氧官能团（OFGs），从而影响烟尘的炎症和氧化潜能（Chen等，2019；Malmborg等，2019）。先前的研究将富燃料条件与增加的OC/EC比和PAH丰度联系起来，而富氧条件可促进表面氧化和亲水性（Yadav等，2023；Zhu等，2019b）。由于这些理化性质同步演变，烟尘毒性的变化不能轻易归因于单一描述参数（Wang等，2023）。研究发现，从新鲜烟尘到老化烟尘的转变可能增强或减弱其毒性，这是由于颗粒形态、化学性质和表面反应性的变化所致（Cai等，2025；Faruqui等，2025）。这些耦合效应凸显了阐明燃烧条件和后续理化转化如何共同调节烟尘颗粒毒理学反应的必要性。因此，尽管理解并降低相关排放的氧化毒性具有重要意义，但决定烟尘颗粒氧化潜能的关键因素仍是一个开放性问题。
颗粒物的氧化潜能可通过体外或体内方法表征（Vaccarella等，2025）。前者通过还原剂（如抗坏血酸（AA）和二硫苏糖醇（DTT））的消耗速率或活性氧（ROS）浓度来测量颗粒的氧化还原能力（Bates等，2019）。其中，DTT测定法因其对过渡金属和芳香族有机化合物的高灵敏度而最为广泛使用（D. Vimukthi等，2025）。体内氧化潜能测量方法通过测定活体（如细胞）中的ROS来反映颗粒固有氧化潜能和生物利用度的总体结果。目前，决定烟尘氧化毒性的关键因素尚不清楚，尽管这些知识对于评估健康风险和制定监管策略至关重要（Cai等，2025）。此外，影响体外和体内氧化潜能的主导因素之间的联系也知之甚少。
为了解影响烟尘氧化潜能的关键因素，我们系统研究了在不同F/O比下甲苯火焰燃烧产生的烟尘颗粒的体外和体内氧化潜能。通过对氧化潜能、热碳分数和理化性质（包括含氧官能团、OC/EC比和结构无序度）的综合表征，我们揭示了燃烧参数通过改变表面化学和碳纳米结构系统性地控制烟尘的氧化还原活性。这些发现强调了燃烧条件作为烟尘氧化潜能的主要决定因素，为燃烧产生的颗粒物的健康风险评估提供了机制基础。
章节摘要
烟尘生成和热处理
烟尘样品通过在共流燃烧器系统中燃烧甲苯（AR，国药试剂股份有限公司）制备，如Han等所述（Han等，2012）。气流由高纯氧和氮气的混合物组成。燃料通过浸入液态燃料储罐中的棉芯输送。F/O比为燃料（通过消耗的燃料质量测量）与氧气（通过夹带气流体积获得）的摩尔比，范围为（0.14-0.07）。烟尘
不同F/O比下生成的烟尘的理化性质
粒径分布和Zeta电位。在不同F/O比下生成的烟尘颗粒表现出不同的粒径分布，反映了成核、表面生长和凝并动力学的差异。如图1a所示，新鲜生成的T08烟尘具有较窄的体积基流体动力学粒径分布，Z平均直径为189 nm（表S3）。所有烟尘样品的跨度值在0.62到0.73之间，表明粒径分布普遍较窄
结论
本研究系统阐明了燃烧条件、理化演变与烟尘颗粒毒理学结果之间的机制联系。结果表明，F/O比通过控制颗粒纳米结构和表面化学性质成为烟尘毒性的主要决定因素，而热处理则通过取决于初始燃烧机制的不同途径进一步调节这些效应。
烟尘颗粒的毒性并非单调的
CRediT作者贡献声明
刘永春：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，经费获取，概念化。马伟：方法论。张怡涵：验证，方法论，数据管理。童一刚：资源。李文静：方法论。陈凯云：写作 – 原稿撰写，可视化，验证，资源，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金委员会（42275117）和中央高校基础研究基金（PT2026-01）的支持。
陈凯云|张怡涵|马伟|李文静|童一刚|刘永春
