工业建筑环境中金属加工液产生油雾的关键暴露成分及氧化应激驱动的健康风险评估

《Journal of Hazardous Materials》：Key exposure components and oxidative stress-driven health risks assessment of oil mist generated by metalworking fluids in industrial building environment

　　

摘要
金属加工液（MWFs）由基础油、水和添加剂组成，广泛应用于机械加工。加工过程中产生的油雾对健康构成风险，但 MWFs 成分在吸入暴露过程中的转化以及与成分相关的毒性差异仍知之甚少。本研究旨在利用蒸发模型和氧化电位（OP）识别油雾的关键暴露成分并量化与成分相关的健康风险。蒸发模型显示，水基和油基 MWFs 液滴迅速（0.1–60 秒）演变为无水油滴，表明基础油和添加剂主导了吸入暴露。测量了三种含有不同基础油或添加剂的 MWFs 的 OP。OP 与质量浓度和 MWFs 成分均相关。矿物油基 MWFs 在 0.5 mg/m3 以下表现出相对较高的 OP，而三种 MWFs 之间的 OP 差异在 2 mg/m3 时缩小。在约 5 mg/m3 时，含添加剂的 MWFs 显示出 OP 的急剧增加，这可能是由于添加剂中的氧化还原活性物质所致。这些发现表明，MWFs 成分显著影响油雾与氧化应激相关的健康风险，特别是与高氧化性添加剂相关的风险。本研究为 MWFs 油雾的职业暴露风险评估提供了依据。

引言
随着全球工业经济的快速发展，金属加工液（MWFs）正被越来越广泛地使用，以满足润滑、冷却、防锈和清洗的工艺要求 [1], [2]。MWFs 成分复杂，具有多样化的物理和化学性质。它们由三种成分组成：水、基础油和各种功能添加剂 [3]。其中，基础油包括未精炼或轻度精炼的矿物油、高度精炼的矿物油或其他润滑油基础油等。添加剂包括无机盐、酸、有机胺、烷醇酰胺、醇胺等 [4], [5]。在高温切削加工条件下，工件与刀具之间发生剧烈摩擦，加上高速旋转，使得 MWFs 容易雾化形成微米级液滴或油雾 [3], [4], [5], [6]。随后，它们分散在空气中，容易引发各种职业病，特别是呼吸道 [7] 和心血管疾病 [8]，以及相关癌症 [9]。

从全球范围来看，欧洲和美国是最早工业化的地区，并由此产生了关于 MWFs 潜在健康风险的广泛流行病学和毒理学证据。因此，这促进了职业暴露限值（OELs）的发展。例如，1988 年之前，美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）的阈限值建议将矿物油雾的 8 小时时间加权平均容许浓度（TWA）定为 5 mg/m3 [10]。随后，美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）回顾了截至 1997 年的可用流行病学和毒理学证据，评估了 MWFs 的潜在致癌性，并推荐了更严格的暴露限值 0.5 mg/m3 [11]。此外，日本职业健康学会（JSOH）以及瑞典和芬兰等国家，提出了 3 mg/m3 的 8 小时 TWA 暴露限值以加强对呼吸道健康风险的保护 [12], [13]。这些限值在保护工人健康方面发挥着重要作用，主要来源于来自整体油雾暴露研究的流行病学和毒理学证据。因此，现有限值通常作为统一阈值应用于不同类型的 MWFs [14], [15], [16]。

随着职业健康研究的不断进步以及各国 MWFs 配方和添加剂复杂性的增加，这种考虑面临着挑战：一方面，传统的分类方法通常根据 MWFs 的成分和介质状态将 MWFs 分为油基（主要是矿物油）和水基（水为主要成分）[17], [18]。然而，这两种类型在实际加工过程中都表现出蒸发行为，尽管水基和油基 MWFs 的初始成分存在显著差异。水分的快速流失可能导致基础油和高沸点添加剂中残留颗粒的逐渐富集，从而改变最终吸入暴露成分的组成。然而，研究必须探讨在此阶段是否仍有必要在风险划分中区分水基和油基系统 [14]。大多数现有的关于液滴蒸发的研究侧重于从物理传输的角度关注液滴蒸发特性。值得注意的是，Retiz 和 Ra [19] 在研究柴油燃料的蒸发特性时，用包括正十二烷和正十八烷在内的六种混合成分替代了柴油成分。此外，Yang 等 [20] 调查了盐酸和硫酸液滴的蒸发特性，建立了酸性液滴的蒸发模型，并证明了具有不同物理性质的溶质显著影响液滴在环境中的稳定性。此外，Fan 等 [21] 开发了多组分液滴蒸发的数值模型，并检查了近源和远场环境中液滴蒸发行为的差异。然而，需要进一步进行定量分析，以制定工业环境中不同类型 MWFs 液滴的蒸发规律及其与暴露成分的相互作用。因此，有必要引入多组实际 MWFs 成分，初步分析蒸发过程中的动态变化，以揭示工人持续吸入的关键暴露成分 [22], [23]。

另一方面，目前关于油雾健康危害的研究主要集中在整体暴露对呼吸系统损伤和相关慢性健康影响的影响。Skyberg 等 [24] 对接触油雾的工人进行了调查，发现接触油雾的工人胸部 X 光显示的轻度基底肺纤维化患病率增加，即使是低剂量暴露也会对肺功能产生有害影响。此外，Robertson 等 [25] 发现，25 名接触职业性油雾的人中有 13 人患有明显的工作相关哮喘。然而，MWFs 是混合物，其某些成分在单独存在时表现出不同的毒理学特征 [16]。Cooper 和 Cha 等 [26], [27] 指出，锌二烷基二硫代磷酸盐等硫化添加剂在高温分解过程中会产生氧化锌烟雾，从而导致金属烟雾热并引发氧化应激。Self 和 Marchiori 等 [28], [29] 发现，虽然矿物油的急性毒性较低，但长期吸入仍可能导致脂性肺炎等慢性呼吸系统损伤。此外，Van 和 Yuan 等 [30], [31] 发现，氯化石蜡添加剂可以在肺组织中积聚，随后导致细胞毒性甚至潜在的致癌风险。因此，仅设置单一的质量浓度作为限值可能会过度简化并低估某些高风险成分带来的潜在健康风险。此外，油雾对 MWFs 成分造成的整体健康风险是否存在差异仍不清楚。

因此，考虑到 MWFs 暴露评估的复杂性以及相关慢性疾病的潜伏期长，提出了与毒性相关的指标作为表征潜在健康风险的补充工具 [32]。研究表明，在 MWFs 工作场所，从油雾暴露到疾病的途径通常被描述为炎症途径 [33], [34], [35], [36]。当发生炎症时，特定细胞迁移到炎症部位，并促进信号分子和生物活性分子的释放，包括活性氧或活性氮（ROS）[37]。当这些氧化物过量时，它们会破坏氧化剂和抗氧化剂之间的稳态，导致氧化应激。工人吸入的油雾气溶胶进入肺泡区域，并可以积聚在肺泡巨噬细胞中 [33]，触发氧化应激，促进炎症反应，最终导致肺功能下降和肺纤维化。因此，基于 OP 的全面毒性评估具有前景广阔的实际应用。最近，Wang 等 [38] 通过二硫苏糖醇检测了地铁站颗粒物的氧化电位。他们的结果显示，站台层颗粒物的氧化电位是站厅层和通风井的 3.3–5.4 倍。因此，降低站厅层的 PM1 质量浓度比降低 PM2.5 更有益于健康。Liu 等 [39] 检测了金属焊接粉尘的 OP，并推测锌和钡可能是驱动焊接烟雾 OP 的关键元素成分。因此，这些研究表明，OP 可以作为揭示油雾颗粒综合毒性的重要指标。

综上所述，本研究旨在关注“暴露成分识别和风险定量比较”的分析框架。首先，从吸入暴露的转化过程出发，我们阐明了工业建筑环境中多组分 MWFs 液滴的动态变化模式，并识别了蒸发过程中保留的关键暴露成分。其次，通过结合 OP 与气相色谱 - 质谱检测，我们定量比较了不同成分 MWFs 产生的油雾的综合毒性风险。因此，本研究为理解油雾形成机制和推进健康危害分类提供了理论支持，同时也为职业限值标准的科学发展提供了重要的数据基础。

章节片段
材料与方法
本节分为两大部分。子节 2.1 数值计算模型，2.2 案例参数介绍了 MWFs 液滴蒸发的数值计算模型及验证，以及背景环境参数和液滴特征参数。子节 2.3 实验材料与装置，2.4 氧化电位检测方案，2.5 成分检测分别介绍了实验材料和装置，氧化电位检测方案，以及

结果与讨论
本章分为三大部分。3.1 节比较了现有分类模型下油基和水基 MWFs 的蒸发情况，并考虑了不同初始条件对 MWFs 液滴达到平衡粒径所需时间的影响，以识别长期吸入暴露的主要成分来源。此后，3.2 节比较了 MWFs 产生的油雾颗粒的浓度和粒径特性与

结论
本研究定量分析了 MWFs 油雾的蒸发规律和健康风险。具体结论如下：
1. 虽然 MWFs 通常在成分和应用上分为水基（WB）和油基（OB）类型，但从吸入暴露的角度来看，水分含量并不是健康风险的主要决定因素。考虑到环境因素和初始粒径分析的影响，两种 MWFs 类型都经历了一个初始快速挥发阶段。到油

局限性
研究中的蒸发模型采用了一些简化，这可能会低估某些轻挥发性有机成分的蒸发贡献。未来研究将进一步探讨更小液滴的蒸发行为以及水和挥发性油成分之间在更极端条件下的耦合蒸发行为，同时结合热和化学转化途径，以增强模型在各种暴露场景中的适用性。

环境意义
金属加工液（MWFs）产生的油雾是机械加工环境中常见的职业污染物，构成潜在的长期健康风险。传统评估主要依赖于油雾的整体质量浓度，这可能忽略了成分转化和 MWFs 不同配方引起的综合毒性差异的影响。本研究阐明了代表性 MWFs 的蒸发行为，识别了关键暴露成分，并评估了

作者贡献声明
杨洋：方法论，资金获取。乔梦丹：验证。曹庆峰：项目管理。王一：资源。李逸林：写作 - 初稿，软件，调查，数据整理。张玉明：验证，方法论。李旭东：数据整理，概念化。曲逸凡：监督。刘亚琳：资源，方法论。刘明：正式分析，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢
本研究由国家自然科学基金委员会（编号 52478104）、国家自然科学基金委员会（编号 U25A20342）、绿色建筑国家重点实验室自主研发项目（编号 LSZZ-K202504）资助。

杨洋 | 李逸林 | 张玉明 | 王一 | 刘亚琳 | 刘明 | 李旭东 | 曲逸凡 | 乔梦丹 | 曹庆峰
绿色建筑国家重点实验室，西安建筑科技大学，710055，中国西安