中国北方农村地区与家用固体燃料燃烧相关的多环芳烃暴露：菲代谢物与DNA损伤及全身炎症的关联

《Atmospheric Environment》：Household Solid Fuel Combustion-Related PAH Exposure in Rural Northern China: Associations of Phenanthrene Metabolites with DNA Damage and Systemic Inflammation

　　

摘要
尿液中羟基化多环芳烃（OH-PAHs）与氧化应激及炎症生物标志物之间的关联尚不清楚，尤其是在暴露于家用固体燃料燃烧的农村人群中。在本横断面研究中，我们调查了中国北方77名农村居民在冬季期间的尿液OH-PAH谱及其与氧化性DNA损伤、系统性炎症和血管修复生物标志物的关联。十种尿液OH-PAHs的总浓度（ΣOH-PAHs）范围为0.0499至7.0414 μg g?1 UCr。羟基化苯并菲代谢物（OH-PHEs）占最大比例（44%），表明苯并菲是内源性PAH代谢物负担的主要贡献者。在代谢物组别中，ΣOH-PHEs与8-羟基-2'-脱氧鸟苷酸（8-OHdG）和C反应蛋白（CRP）呈最强正相关。这些结果表明，OH-PHEs可作为与氧化性DNA损伤和系统性炎症相关的首选内暴露生物标志物。探索性贝叶斯核机回归进一步揭示了异构体特异性关联模式：1-羟基苯并菲（1-OHPhe）对8-OHdG的信号最为显著，而2-OHPhe和3-OHPhe与CRP的关联更为密切。在一小样本配对空气PAH测量数据中，探索性中介分析得出OH-PHEs在空气中苯并菲与8-OHdG关联中的阳性间接效应估计值。这些发现强调了苯并菲代谢物在农村固体燃料环境中的重要PAH内暴露指标地位，并支持针对来源的暴露减少和健康风险预防。

引言
多环芳烃（PAHs）主要来源于化石燃料和有机物的不完全燃烧，广泛存在于家用固体燃料燃烧、烟草烟雾和交通排放中（Abdel-Shafy & Mansour, 2016）。研究表明，大气中的PAHs主要以气态形式存在或吸附在细颗粒物（PM2.5）上。PAHs已被证明对生物体产生毒性作用，包括致癌性、致畸性、致突变性和免疫抑制作用（Patel, Shaikh, Jain, Desai, & Madamwar, 2020; Yan et al., 2019）。人类通常通过膳食摄入、吸入和皮肤接触暴露于PAHs（Domingo & Nadal, 2015; Fernando et al., 2016; Lao et al., 2018）。吸入——直接与大气排放源相关——在健康效应方面代表了一种尤为紧迫的暴露途径（Y. Zhang, Hu, et al., 2023）。短期暴露于PAHs可引起眼睛和皮肤刺激、头痛、恶心和呕吐等急性症状，而长期暴露与慢性阻塞性肺病（COPD）、糖尿病和心血管疾病等慢性健康结果密切相关（Alshaarawy, Elbaz, & Andrew, 2016; Cao et al., 2020; X. Wu et al., 2022; L. Yang et al., 2017）。

氧化应激和炎症反应是PAHs对人类产生健康效应的两条主要途径（Peters, Nawrot, & Baccarelli, 2021）。PAHs通过呼吸进入人体后，大多数PAHs经过代谢转化形成单羟基化、双羟基化和四羟基化代谢物，其中大部分经尿液排出（Carmella, Chen, Yagi, Jerina, & Hecht, 2004）。在体内的代谢活化过程中，PAHs或其代谢物促进活性氧（ROS）的过量产生，破坏氧化还原平衡，并导致氧化性DNA损伤，表现为尿液中8-羟基-2'-脱氧鸟苷酸（8-OHdG）水平升高（Chiou et al., 2003; Palackal, Lee, Harvey, Blair, & Penning, 2002）。随之而来的氧化应激进一步激活复杂的炎症级联反应，刺激肝脏合成C反应蛋白（CRP），并触发免疫细胞释放如白介素-8（IL-8）等促炎细胞因子，共同推动系统性炎症（Farzan, Chen, Trachtman, & Trasande, 2016; Pope et al., 2016）。值得注意的是，人体在此过程中同时启动补偿性修复机制，其中缺氧诱导的血管内皮生长因子（VEGF）表达上调是关键反应，促进血管新生以恢复组织稳态（Ramakrishnan, Anand, & Roy, 2014）。在上述过程中，PAHs的代谢物——羟基化PAHs（OH-PAHs）——已被广泛认为是评估PAHs内暴露和相关健康风险的可信生物标志物（Guo et al., 2013）。因此，本研究专注于阐明OH-PAHs在介导PAHs引起的8-OHdG、CRP、IL-8和VEGF生物标志物改变中的作用，旨在更深入地理解PAHs暴露的潜在健康影响及其潜在机制。

目前，关于人类暴露于PAHs及其代谢物造成的健康损害的研究大多集中在城市居民和特定职业群体（Lin et al., 2024; Liangle Yang et al., 2017; Yu et al., 2015; Jianheng Zheng et al., 2018）。例如，Ding等人调查了中国城市居民，报告了尿液PAH代谢物与血清尿酸水平升高及高尿酸血症风险增加之间的正相关关系，其中9-羟基苯并菲（9-OHPhe）通过8-OHdG介导与尿酸升高呈纵向关系（Ding et al., 2024）。此外，一项涉及59名葡萄牙森林消防员的前后研究发现，暴露后促炎细胞因子IL-8和白介素-6（IL-6）显著升高，IL-8水平升至暴露前的2.62倍。尽管野火扑救期间的急性暴露未引起血清超敏C反应蛋白（hs-CRP）的显著波动，但暴露前后的平均hs-CRP浓度均超过3.0 mg L?1，表明该人群存在持续性心血管风险（Esteves et al., 2025）。然而，关于中国农村人群的研究仍然匮乏，而这些人群是家用固体燃料不完全燃烧的关键暴露人群（Y. Zhang, Zhi, et al., 2023）。家用固体燃料燃烧恰好是中国人口健康风险的主要来源，其风险贡献效率方面存在显著对比（Yun et al., 2020）。与燃煤电厂相比，2017年中国居住部门仅消耗了十分之一的固体燃料，但其贡献的人口加权毒性效力调整PM2.5暴露风险约为后者的200倍（D. Wu et al., 2022）。

在中国北方，冬季供暖需求量大，但农村地区清洁能源技术的普及率仍然较低（Zhu, Liao, Hou, Cheng, & Li, 2020）。许多家庭仍依赖传统固体燃料取暖，导致不完全燃烧产生大量PAHs排放，构成主要的本地空气污染物暴露来源（Liao, Tang, & Wei, 2016）。尽管此前的研究已分别考察了OH-PAHs与氧化应激、炎症或生活方式之间的关联，但大多数这些研究仅限于单一指标，缺乏多维度和多生物标志物整合。本研究系统考察了农村居民尿液中OH-PAHs与氧化应激（8-OHdG）、炎症（IL-8、CRP）和血管内皮生长因子（VEGF）生物标志物之间的相互关系，同时也评估了生活方式相关混杂因素的影响。研究结果旨在增强对PAHs暴露健康效应机制的理解，并为优化中国农村冬季供暖能源结构提供科学依据。

问卷调查和尿液样本采集
2020年11月18日至12月1日，对中国北方汾渭平原运城地区屈村和燕京村的随机81名参与者进行了基本生理测量——包括身高、体重、脉搏、收缩压和舒张压——（参与者的纳入和排除标准见补充材料S1）。参与者主要为在当地长期居住的中老年个体。

参与者特征
本研究参与的中国运城农村居民的demographic特征见表格1。研究人群的平均年龄为69 ± 10.8岁。性别分布为男性55.8%，女性44.2%。在体重指数（BMI）方面，30.0%的参与者在正常范围内，1.4%为体重过低，52.9%为超重，15.7%为肥胖。在生活方式行为方面，83.1%的参与者报告为非吸烟者或已戒烟。

BKMR模型的敏感性分析和收敛性评估
为评估BKMR结果的稳健性，我们进行了收敛性诊断和敏感性分析。对于每个结局变量，BKMR模型使用六条并行MCMC链拟合，每条链5,000次迭代，关键模型重复了10,000次迭代。使用轨迹图、Gelman-Rubin R-hat值和有效样本量来评估收敛性，参数级诊断信息见补充材料。大多数监测参数显示出良好的收敛性。

结论
本研究系统考察了中国北方运城农村居民尿液中OH-PAHs的暴露特征，并调查了它们与氧化应激、炎症反应和血管功能生物标志物的关联。需要注意以下几点局限性：首先，由于研究设计的限制，流行病学调查的样本量相对较小，这可能限制了研究结果的推广性和外部有效性。其次，……

CRediT作者贡献声明
苏琳·陈：撰写——初稿，软件，方法学，概念化。桂云轩：调查，数据整理，概念化。高明：撰写——审稿与编辑。孙健：撰写——审稿与编辑。沈震星：撰写——审稿与编辑。徐红梅：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。Sadaf Gulzar：方法学。李苗谦：软件，数据整理。许逸飞：软件，正式分析。

未引用参考文献
Chen et al., 2022; Wang et al., 2023; Wu et al., 2022; Yang et al., 2017; Zhang et al., 2023; Zheng et al., 2018.

数据可用性
支持本研究主要发现的处理后数据、图形背后的源数据以及统计分析中使用的分析数据集已存入Mendeley Data，可在 https://doi.org/10.17632/3wmz8kyv5h.1 获取。由于参与者隐私、知情同意限制和伦理限制，原始个体级数据和包含潜在可识别参与者信息的数据不公开。合格的科研人员可……

利益冲突
通讯作者声明所有作者均无利益冲突。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究得到国家自然科学基金（42277422）和中国科学院地球环境研究所黄土和第四纪地质国家重点实验室（SKLLQG2425）的支持。

苏琳·陈 | 桂云轩 | 徐红梅 | Sadaf Gulzar | 李苗谦 | 许逸飞 | 高明 | 孙健 | 沈震星
西安交通大学环境科学与工程学院，西安，710049，中国