7日全身吸入暴露下第一代与第二代生物柴油发动机排放对Fischer 344大鼠结肠的影响：柴油颗粒过滤器（DPF）作用的比较研究

《International Journal of Molecular Sciences》：Colon Effects of 7-Day Whole-Body Inhalation Exposure of Fischer 344 Rats to Emissions from First- and Second-Generation Biodiesel Fuels with and Without a Particle Filter

　　

据预测，与石油基柴油（petrodiesel）相比，生物柴油（biodiesel）可减少温室气体与颗粒物（PM，particulate matter）的排放，但生物柴油发动机排放物（DEEs，biodiesel engine emissions）中含有更高水平的氮氧化物（NO_x）、纳米级颗粒以及特定的含氧挥发性有机化合物（oxygenated volatile organic compounds）和芳香烃（aromatics），可能增加健康风险。目前，关于DEE健康效应的研究大多集中于呼吸、心血管、神经退行性以及生殖结局，关于胃肠道（gastrointestinal）效应的研究仍存在相当大的知识空白。因此，研究人员考察并比较了由第一代B7生物燃料（7% v/v脂肪酸甲酯，FAMEs）或第二代SHB20生物燃料（7% v/v FAME加13% v/v加氢植物油，HVOs）燃烧所产生的DEE对结肠（colon）的影响，分别在使用（+DPF）与不使用（-DPF）柴油颗粒过滤器（DPF，diesel particle filter）的条件下进行。雄性Fischer 344大鼠在全身吸入染毒室（whole-body inhalation chambers）中连续7天暴露于DEE（6 h/天；共7个暴露时段，总计42 h），B7与SHB20在不使用DPF时测得的颗粒物浓度分别为2.19与2.13 mg/m³，使用DPF时分别为0.17与0.19 mg/m³。全身DEE暴露诱导了结肠组织中的脂质过氧化（lipid peroxidation）、氧化应激相关及氧化还原状态的变化、抗氧化防御系统（antioxidant defence system）的动员以及炎症相关反应。这些结肠效应具有混合燃料特异性（blend-specific），且仅部分地、依检测终点不同地受到DPF使用的缓解；其中，未使用DPF的SHB20 DEE产生了最强烈的反应。

在欧盟《可再生能源指令II》（RED II）与美国《可再生燃料标准》（RFS）等政策推动下，全球生物燃料消费预计持续增长，人群对生物柴油燃烧的暴露不断增加。尽管生物柴油有望减少温室气体与颗粒物排放，但大量证据表明其发动机排放物（DEEs）含有更高水平的氮氧化物、纳米级颗粒、特定的含氧挥发性有机化合物与芳香烃，可能增加健康风险。现有DEE健康效应研究主要聚焦于呼吸、心血管、神经退行性与生殖结局，DEE对胃肠道（尤其是结肠）的影响仍是显著的知识空白，这正是开展本研究的直接动因。

为此，研究人员将35只购自Charles River Laboratories的雄性Fischer 344大鼠随机分为5组（4个暴露组与1个对照组，每组7只），在全身吸入染毒室中以2%稀释的DEE连续7天（6 h/天，总计42 h）进行暴露。DEE由Fiat Panda 1.3 JTD车辆（Euro 5发动机，底盘测功机运行）分别燃烧第一代B7（7% v/v FAME）或第二代SHB20（7% v/v FAME加13% v/v HVO）生物柴油产生，并比较使用（+DPF）与不使用（-DPF）柴油颗粒过滤器（DPF）的条件。研究首次证实，两类DEE均可诱导结肠脂质过氧化、氧化应激相关及氧化还原相关变化、抗氧化防御系统动员与炎症相关反应；效应具有混合燃料特异性，SHB20（-DPF）最强，DPF仅部分且依终点地缓解结肠效应。这为生物柴油DEE在受控高水平暴露下可到达并影响结肠提供了首个证据。

研究采用2×2析因设计。主要技术方法包括：以硫代巴比妥酸反应物（TBARS）试验检测脂质过氧化，以异前列腺素（ISOPs）酶联免疫吸附试验（ELISA）加以验证；采用分光光度法检测总抗氧化状态（TAS）及谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、超氧化物歧化酶（SOD）活性；以高效液相色谱-电化学检测（HPLC）测定还原型（GSH）与氧化型（GSSG）谷胱甘肽；以竞争性ELISA检测白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-12、IL-10与前列腺素E₂（PGE₂）；行结肠组织苏木精-伊红（H&E）描述性组织病理学评估；统计分析采用双向方差分析（two-way ANOVA）结合Tukey与Dunnett事后检验。

研究结果如下：

2.1 试验舱内选定物质特征：通过舱内空气与颗粒物化学分析发现，B7与SHB20燃烧的CO、二氧化碳（CO₂）、NO_x与PM浓度无显著差异，但B7未燃烃（HC）浓度约为SHB20的1.5倍；DPF显著降低两种燃料的CO与PM（PM降低约13倍）；未过滤排放中B7总多环芳烃（PAH）浓度约为SHB20的2.5倍，DPF使PAH分别降低约1000倍与250倍；SHB20颗粒含更高浓度的过渡金属（铁、锌、铜）及银，且10–90 nm超细颗粒占比更高（85%对55%）。

2.2 诱导结肠脂质过氧化：通过TBARS与ISOPs检测，所有暴露组两者均显著升高（TBARS最高+69%，ISOPs最高+80%），SHB20组显著高于B7；DPF仅部分降低TBARS，对ISOPs无显著影响。

2.3 改变结肠抗氧化状态：B7暴露使TAS、GSH及GR（无DPF时）升高，SHB20暴露则使TAS、GSH、GR降低并升高GSSG；SOD与GPx在两组均显著升高，SHB20更甚；GSH/GSSG比值普遍下降，SHB20组最低。

2.4 促炎与抗炎细胞因子的失调：SHB20暴露显著升高IL-6、TNF-α、IL-12与PGE₂并降低IL-10，呈显著促炎效应；B7仅轻微升高IL-12与PGE₂；DPF对部分因子有降低作用。

2.5 组织病理学改变：无DPF组出现轻微多灶性炎症病变、淋巴细胞浸润及肠隐窝轻度缩短，属最小严重程度；对照组与有DPF组组织形态正常。

讨论部分认为，SHB20更强的毒性可能与其更高的PAH总量（过滤后）、氧化还原活性过渡金属与银、以及更多超细颗粒相关；双因素分析显示14个生物标志物中8个存在生物燃料×DPF交互作用，故DPF对结肠的作用不能独立于燃料类型解释，PM或PAH的减少并未转化为生物学反应的正常化；组织学改变仅为定性描述。鉴于暴露浓度高于典型城市水平与欧盟职业接触限值、单一染毒舱设计且样本量有限，结果应视为探索性。

结论部分指出：即使短期（7天）全身暴露也可诱导结肠氧化应激相关与氧化还原相关改变、改变抗氧化防御机制、促发炎症相关反应并伴轻微形态学改变；SHB20效应大于B7；DPF虽显著降低PM与PAH总量，但对结肠终点的缓解作用不完全且依赖终点；7天的高水平暴露能否转化为临床相关的炎症性结肠疾病风险尚不能确定，需更长暴露、易感模型以及屏障功能与菌群评估加以验证。