户用固体燃料燃烧PM中的含氮有机化合物与尿液中炎症及靶向氨基酸谱的关联：一项探索性个体暴露研究

《Environment International》：Nitrogen-containing organic compounds in household solid-fuel combustion PM and residential urinary inflammatory and targeted amino-acid profiles: an exploratory personal exposure study

　　

含氮有机化合物（NOCs）是户用固体燃料燃烧排放细颗粒物的重要组分，但其个体暴露特征及潜在生物学意义尚不充分明确。研究人员开展了一项探索性横断面研究，纳入15名农村家庭主妇，包括12名固体燃料使用者和3名电采暖对照者。在两个连续24小时时段内采集了个人呼吸区PM_2.5和PM_0.25样品，并定量分析了滤膜上PM相关NOCs的六类化合物。同时分析了尿液中的炎症及氧化应激相关生物标志物，以及包含62种氨基酸相关代谢物的靶向panel。固体燃料家庭中测得的NOCs各类别个体暴露浓度显著高于电采暖家庭，其中游离氨基酸（FAAs）和C₆-C₂₀烷基腈的差异尤为突出。尿素在测得的总NOCs质量中占主导地位，而在固体燃料组中FAAs构成最大的非尿素组分。相关性和探索性混合物响应分析表明，FAAs和烷基腈是与尿液中C反应蛋白和血管内皮生长因子关联最一致的NOCs类别。靶向尿液氨基酸谱分析显示，固体燃料使用者尿液中4-羟基苯乳酸和甲基胍的浓度基于名义标准较低，同时5-羟色胺呈临界性降低。探索性KEGG分析进一步将所测代谢物归类为广泛的氨基酸相关生化类别，但未被解释为通路激活或损伤的证据。总体而言，户用固体燃料使用与富含NOCs的个体PM暴露谱以及选定的尿液生物标志物和靶向氨基酸相关模式相关。鉴于样本量小且不均衡以及横断面设计，这些发现应被解释为产生假设的关联，而非已确认的生物标志物、因果效应或机制证据。

**论文解读：户用固体燃料燃烧PM中氮有机化合物与尿液炎症及氨基酸谱的探索性关联研究**

**一、研究背景与目的**

全球约有29亿人依赖传统生物质或煤炭进行炊事和取暖，尤其在农村和低收入地区。户用固体燃料燃烧排放的大量细颗粒物（PM_2.5）是室内空气污染的重要来源，与呼吸系统、心血管和代谢性疾病风险升高密切相关。含氮有机化合物（NOCs）约占固体燃料燃烧排放PM_2.5中有机气溶胶质量的一半，其中部分物种如丙烯腈和硝基多环芳烃具有致癌性或致突变性。然而，以往关于NOCs毒理学证据多来自单一化合物控制实验，缺乏真实燃烧场景下个体暴露与生物学效应的整合研究。尿液代谢组作为内外暴露的综合指标，能够反映多种途径的生物学扰动，但将NOCs个体暴露与尿液生物标志物及靶向代谢谱相结合的现场研究仍然有限。为此，研究人员在山西运城农村地区开展了一项探索性横断面研究，旨在刻画户用固体燃料燃烧产生的NOCs个体暴露特征，并探讨其与尿液炎症、氧化应激及氨基酸相关代谢谱的关联。

**二、研究设计与方法概述**

研究于2020年冬季采暖季在汾渭平原运城市曲村和燕京村进行，招募15名农村家庭主妇，其中12人为固体燃料使用者（生物质6人、煤6人），3人为电采暖对照。每位参与者连续两个24小时佩戴便携式采样器，分别采集呼吸区PM_2.5（石英滤膜，流速10 L/min）和PM_0.25（Sioutas级联撞击采样器，流速9 L/min），共获得60个有效滤膜样品。采用高效液相色谱（HPLC）及HPLC-离子阱质谱联用技术定量分析滤膜上六类NOCs（16种游离氨基酸、13种脂肪胺、8种芳香胺、17种烷基酰胺、15种C₆-C₂₀烷基腈和尿素）。尿液样本于第二个采样日晨尿采集，用ELISA试剂盒测定4种生物标志物（8-羟基脱氧鸟苷、血管内皮生长因子、白细胞介素-8和C反应蛋白），并采用LC-ESI-MS/MS方法定量62种氨基酸相关靶向代谢物。基于小样本和非正态分布，采用非参数检验、Spearman相关分析、贝叶斯核机器回归（BKMR）作为探索性混合物响应分析，以及主成分分析（PCA）和KEGG通路富集分析。

**三、主要研究结果**

**3.1 固体燃料燃烧导致PM_2.5中游离氨基酸和腈类显著升高**
固体燃料组个体PM_2.5中各类NOCs浓度均高于电采暖对照组（p<0.05）。尿素占PM_2.5总测得NOCs质量的91.8%，为非尿素组分中最大贡献者；在固体燃料组非尿素NOCs中，FAAs占60.4%，较对照组（30.9%）明显更高。固体燃料组FAAs浓度较对照组高17.2倍，其余五类NOCs平均高3.1至6.8倍。PM_0.25中的分布模式与PM_2.5大体一致。PCA分析显示FAAs和腈类在PM_2.5中对组间区分贡献最大。与文献中城市气溶胶数据相比，本研究中农村固体燃料家庭呼吸区尿素（110±40.3 ng/m3）、FAAs（5.91±4.25 ng/m3）和腈类（0.62±0.47 ng/m3）浓度高出城市背景值一个数量级。

**3.2 FAAs和腈类与尿液炎症生物标志物的关联**
固体燃料组尿液中CRP和8-OHdG水平高于对照组（名义p<0.05），IL-8较低，VEGF有升高趋势但未达名义显著。相关分析显示FAAs、腈类和尿素与VEGF、CRP呈正相关，其中16种FAAs中的6种和15种腈类中的14种与VEGF或CRP存在名义显著关联。BKMR探索性分析显示FAAs和腈类对CRP和VEGF具有较高后验包含概率，并提示可能存在非线性及双暴露响应模式，如腈类与芳香胺对VEGF呈倒U型关系，FAAs与腈类联合水平升高对应CRP估计值升高。作者指出这些仅作为描述性关联模式，不能确认因果或协同效应。

**3.3 靶向尿液氨基酸相关代谢谱**
62种靶向代谢物中，固体燃料组有2种代谢物满足|log2FC|>1且p<0.05的探索性标准：4-羟基苯乳酸（log2FC=-1.872, p=0.01）和甲基胍（log2FC=-1.137, p=0.04）均低于对照组。5-羟色胺呈临界降低（log2FC=-0.985, p=0.05），未严格满足双重标准，仅作为提示性模式。KEGG富集分析将代谢物归入蛋白质消化吸收、氨酰-tRNA生物合成、矿物质吸收和癌症中心碳代谢等宽泛类别，但这些仅用于生物化学归类，不代表通路激活或损伤证据。固体燃料组内相关分析显示甲基胍与CRP呈名义正相关（r=0.706, p=0.010），5-羟色胺与8-OHdG呈名义负相关（r=-0.629, p=0.028）。

**四、讨论与结论**

研究最直接的贡献在于刻画了真实情境下户用固体燃料燃烧产生的NOCs个体暴露谱。与电采暖对照相比，固体燃料使用者暴露于显著更高水平的FAAs和C₆-C₂₀烷基腈，且暴露浓度远高于城市固定站点监测值。尿液生物标志物变化（尤其是CRP和VEGF）与FAAs和腈类的关联具有生物学合理性——氨基酸氧化脱氨可产生活性氧，腈类可能通过耗竭谷胱甘肽影响氧化还原平衡，但这些机制并未在本研究中直接测量。靶向尿液代谢物仅发现有限数目的名义差异，表明未出现广泛的代谢分离，而4-羟基苯乳酸和甲基胍的降低应谨慎解释，可能受饮食、肾功能、微生物代谢和尿液稀释等多因素影响。作者强调，5-羟色胺的临界结果不能推断为神经毒性或色氨酸代谢重编程。研究的主要限制包括样本量小（对照组仅3人）且不均衡、横断面设计无法推断因果、共暴露污染物（PAHs、VOCs、金属等）未完全调整、未使用上游去溶剂器导致气相吸附可能、尿液代谢物未归一化至肌酐等问题。总体结论是，户用固体燃料使用与NOCs丰富的个体PM暴露谱及选定尿液炎症、氧化应激和氨基酸相关模式存在关联，但应当被视为假设生成性发现，而非确认的生物标志物、因果效应或机制证据。未来需更大规模、均衡、多中心、纵向研究纳入重复生物采样、定量膳食评估、共污染物测量、内暴露剂量生物标志物及肾功能指标等进行验证。该研究发表于《Environment International》。