理解意料之外的臭氧-健康关联：次级氧化性污染物是关键吗？

《Environmental Science & Technology》：Understanding Unexpected Ozone–Health Associations: Are Secondary Oxidative Pollutants Key?

　　

尽管关于臭氧（O₃）如何导致不良健康效应的机制已有充分研究，但在基于人群的流行病学研究中，发现较低O₃水平与较高疾病风险相关的情况并不少见。常见的解释，如交通附近一氧化氮对O₃的清除作用以及差异性测量误差，无法完全解释这些意料之外的关联。因此，研究人员提出了一种针对O₃与假设相反关联的替代性解释。具体而言，研究人员假设，较高水平O₃与较好健康结果之间的关联可能是城市及近城市区域发生的复杂大气化学过程的后果。低O₃可能与活跃的氧化过程同时出现，这既可通过O₃消耗实现，也可通过涉及其他氧化剂的平行途径实现。由于这些过程可产生有毒但未被测量的次级产物，因此发现与O₃的负相关关联并不令人意外。在本观点性文章中，研究人员重点阐述了支持这一假设的关键证据。在此过程中，研究人员希望本观点能为未来空气质量测量计划提供信息，并为流行病学研究中O₃与健康关联的解释提供背景参考。

**论文解读：理解意料之外的臭氧-健康关联——次级氧化性污染物的关键作用**

**一、研究背景与问题提出**

地表臭氧（O₃）是一种常见空气污染物，动物实验已一致证明其对健康具有不良效应。与其他常见污染物（如PM_2.5）不同，O₃是一种次级污染物，几乎完全通过阳光下的大气光化学反应形成。O₃并非这些光化学反应中唯一生成的化学物质，但它是大气中含量较丰富、易于测量的产物，且与其他气相光化学氧化剂具有较好的相关性。因此，科学家和监管机构选择O₃作为大气总光化学氧化负荷的指示物。然而，随着时间推移，O₃作为指示物种和监测目标的定位逐渐被遗忘，科学界转而试图将O₃浓度解释为影响健康的单一污染物。尽管毒理学证据充分支持这一理解，但O₃与其他污染物之间复杂的大气相互作用使观察性流行病学研究中的这种解释复杂化。

在流行病学文献中，虽然许多研究将较高O₃水平与不良健康结果相关联，但这些发现并不完全一致。一些大型队列研究观察到意料之外的关联，即较高O₃浓度与较低死亡或发病风险相关。例如，美国一项大型前瞻性队列研究发现，较高O₃浓度与肺癌和缺血性心脏病死亡风险降低相关；欧洲低水平空气污染效应研究（ELAPSE）项目的两项研究（一项包含超过32,000名成人，另一项包含超过2,800万成人）一致报告了较高O₃浓度与较低全因及特定原因死亡风险相关。其他负相关发现还包括韩国急性心肌梗死患者死亡、香港儿童哮喘住院、中国癫痫门诊就诊和卒中特异性死亡、丹麦COVID-19住院和死亡、美国痴呆以及晚年身体残疾等。这些发现对O₃作为单一污染物的常见解释提出了挑战，凸显了对O₃作为多污染物氧化环境中氧化电位指示物角色进行更细致理解的需求。

**二、现有解释的不足**

文献中针对O₃与健康假设相反关联的最常见解释涉及共污染物残留混杂、时间趋势、空间趋势或暴露错误分类。第一种也是最常见的解释认为，O₃关联存在交通相关污染物的残留混杂。在交通密集的城市区域，新鲜排放的一氧化氮（NO）可迅速清除O₃，将其转化为NO₂，导致在NO_x（NO+NO₂）和其他交通污染物较多的地方O₃水平较低。尽管这一解释具有一定说服力且可能部分解释观察到的关联，但多项研究在调整NO₂和黑碳（BC）后仍记录到O₃的负相关关联，表明仅交通相关空气污染的残留混杂可能无法完全解释这些矛盾关联。另一种解释是O₃关联受PM_2.5混杂影响，因两者存在反向共线性。然而，部分研究在控制PM_2.5后负相关仍然稳健。时间趋势混杂和空间机制也可能起作用，但许多研究已仔细调整时间因素，且在调整共污染物和时空趋势后仍持续报告反直觉关联。阈值效应、差异性测量错误以及毒物兴奋效应（hormesis）假设也被提出，但均无法充分解释文献中强烈的负相关关联。

**三、新假设的提出**

研究人员提出了一种可能但未被充分探索的解释，其核心观点是：环境O₃不应被解释为单一污染物，而应被视为动态氧化性混合物中的一个组成部分。在这一框架下，O₃与NO_x和挥发性有机化合物（VOC）混合物相互作用，生成次级氧化性污染物，如次级有机气溶胶（SOAs）、有机硝酸盐和超细颗粒物，其中许多具有高毒性但未被测量。因此，较低O₃浓度可能并不表示较低的氧化风险。相反，在某些区域（如城市环境），较低O₃浓度（以及升高的NO₂和交通污染物）可能与有毒氧化性次级污染物的增强形成或持续存在同时发生。换言之，文献中观察到的一些O₃-健康负相关是未测量的次级污染物混杂的结果，这些污染物通过涉及O₃的光化学和氧化反应形成。由于有利于活跃次级光化学氧化过程的大气条件在时间和空间上存在差异，这些反应途径的差异也可能有助于解释不同研究中O₃-健康关联的异质性。

在这一复杂混合物中，O₃除了与道路污染物反应外，还可与不饱和有机分子（如树木排放的烯烃和萜烯）反应，形成不稳定分子并迅速分解为高活性中间体。这些中间体与氮氧化物、水蒸气和硫化合物共同生成醛类、酮类、有机酸和SOAs。值得注意的是，即使在低O₃水平下SOA形成仍在继续。夜间，O₃与NO₂相互作用生成硝酸自由基（NO₃），其与持续进行的臭氧分解反应将VOC氧化为可凝聚成SOAs的低挥发性产物。更广泛地看，昼夜光化学过程在白昼促进有机硝酸盐、过氧化物和酸类的产生，在夜间促进易分配到颗粒相的硝基有机化合物的形成。这些过程共同消耗O₃并形成广谱的次级气相和颗粒相产物，包括环境持久性自由基（EPFRs）和活性氧物种（ROS）。

**四、支持假设的证据**

大气化学研究表明，次级污染物的形成在多种大气条件下持续存在甚至加剧，包括O₃较低的时间和地点。例如，中国华北平原的研究显示冬季过氧乙酰硝酸酯（PAN）水平较高而O₃浓度较低；北京的研究报告了PAN与O₃之间的负相关；瑞士的研究表明夏季午后高氧化剂（O_x，即O₃+NO₂）日SOA水平并未升高，反而与低O_x日相似或更低。这些研究表明低O₃可能与高水平的次级氧化性污染物同时出现。毒理学研究显示，SOAs等氧化剂可改变氧化应激相关基因的表达并导致肺组织损伤，还可触发促炎细胞因子释放。美国一项全国性研究表明，SOAs与心肺疾病死亡风险的关联独立于PM_2.5总质量，且按单位质量计算，SOAs的关联强度显著大于PM_2.5总质量。路边研究发现，近道路排放可在数分钟内快速生成次级有机气溶胶；城市道路研究表明交通排放的胺类物质可迅速与硫酸反应形成新颗粒。全球GEOS-Chem模型模拟表明，夜间低O₃时段可伴随升高的PM_2.5。流行病学研究也间接支持该假设：加拿大队列研究发现氧化性气体-死亡率关联在PM_2.5氧化电位高的地区更强；基于全球12个国家监测数据的研究表明，纳入颗粒物和气态污染物的健康空气质量指数（AQHI）能更准确表征急性死亡风险。

**五、主要技术方法**

本文为一篇观点性（perspective）文章，未开展新的实验研究。研究人员通过系统梳理和综合评估现有流行病学研究（包括美国、欧洲、韩国、中国、丹麦、加拿大等多国的大型队列研究）、大气化学现场观测研究（如中国华北平原和北京、瑞士、加拿大、德国、美国南加州等地的研究）、毒理学实验研究以及全球大气化学模型模拟（GEOS-Chem模型）的证据，提出并论证了关于O₃与健康负相关关联的新假设。

**六、研究结论与意义**

研究人员总结认为，城市大气中的O₃应始终被解释为所存在的总氧化性混合物中的一个组成部分，正是这种气体和颗粒物的混合物对健康具有真正的意义。这一观点有助于解释O₃流行病学文献中的一些意外发现。由于较低O₃浓度的时间和/或地点可能与活跃的氧化过程同时发生——无论是通过O₃本身的消耗，还是通过涉及其他氧化剂的平行途径——这些过程可产生标准暴露评估难以捕获的有毒次级污染物。因此，低测量O₃可能与持续甚至升高的氧化负荷同时存在。仅依赖O₃作为暴露指示物将错误分类真实的氧化负担，并可能导致“较低O₃与某些疾病较高风险相关”的反直觉发现。

这一假设具有重要的科学和监管意义。O₃相关的健康效应可能因区域和季节而异，具体取决于共存氧化剂混合物的组成。O₃不应被视为一个充分的单独测量指标，而需要结合局部化学和气候背景进行研究和监管。同时，仅将O₃视为不完善的指示物可能导致低估O₃本身的危害。未来研究应越来越多地采用基于混合物的指标或综合氧化负荷指标来补充基于单一污染物的指标，同时维持现有O₃标准。现有基于混合物的方法如O_x（O₃+NO₂）是朝着捕获氧化环境迈出的一步，但仍不完整，因其排除了颗粒物的氧化电位。更精细的方法可包括使用实时气溶胶质谱仪进行PM_2.5有机 speciation，或评估氧化电位和氧化还原活性以及EPFRs。总之，未来研究应利用先进空气质量评估系统，实现对次级氧化性污染物群体的暴露表征，以更准确评估氧化性污染的健康影响。通过认识到其他次级氧化性污染物作为更广泛光化学氧化剂负荷一部分的作用，空气质量法规有可能更有效地减轻真实健康风险，而非仅依赖O₃。