空气污染对人体健康构成严重威胁。根据2021年全球疾病负担报告，空气污染导致全球范围内810万人的死亡，其中颗粒物（PM）污染是全球疾病负担的首要因素。PM的健康效很大程度上取决于组分，而世界卫生组织以质量浓度制定标准，大量研究显示PM存在等量不等毒的问题，这严重妨碍了对健康效应的准确评估，造成世界范围内空气质量评估的不公平。此外，在PM健康效应机制上，大部分研究也是主要基于个别城市颗粒物的结果，不能全面的了解PM在机制上地区和城市差异，得到的结果也只能代表个别城市的。
北京大学环境科学与工程学院要茂盛团队针对这一问题，用以前建立的方法采集了31个城市的汽车空调滤芯样本，然后利用人体疾病模式真核生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），团队将50 μg/ml PM浓度暴露于酵母细胞3小时，通过多组学技术系统解析PM诱导的酵母细胞响应差异。
研究结果显示，通过GC-IMS气质联用技术，检测到60种差异表达VOCs，其中17种在不同城市组间呈现显著浓度差异，涉及丙酸代谢、丁酸代谢和硫代谢等关键通路。转录组分析显示，5851个基因中差异表达基因数量从16个（济南）到884个（上海）不等，富集于碳水化合物代谢、核糖体生物合成和赖氨酸生物合成通路，提示能量代谢和抗氧化应激是PM毒性的核心机制（图1）。蛋白质组分析进一步发现，5个代表城市（哈尔滨、北京、西安、南京、广州）的PM暴露导致6-114个蛋白差异化表达，其中北京组特有的74个差异表达蛋白主要与甲烷代谢和核糖体功能相关，表明区域PM组分的独特毒性模式。多组学分析结果表明VOC指纹与KEGG通路中的氧化磷酸化、化学致癌作用等显著关联，部分VOC可作为多种疾病相关通路的潜在标志物。
图1. 中国31个主要城市颗粒物暴露下酿酒酵母的转录组特征
PM的毒性差异本质上是其组分差异的综合体现。PM中的多环芳烃、铜/铁等金属元素与VOC释放量呈强相关性（如Cu元素与CTR1基因表达的Spearman相关系数达0.887，p<0.001），而PM中的微生物组分则影响硫代谢和氨基酸代谢通路的VOC特征。这种从“组分-代谢-标志物”的链条解析，为跨区域PM健康风险评估提供了关键数据支撑。与传统毒理学方法相比，基于VOC的实时监测技术具有无创和高时间分辨率的优势，能够实时跟踪PM暴露后的生命体状态。该研究系统揭示了中国31个主要城市PM在细胞水平上的毒性机制差异，同时为利用VOC谱来实时追踪探测颗粒物在体内的健康影响奠定了基础，为空气污染健康效应监测提供了创新性解决方案。也为基于活体VOC监测来实现“烟雾报警器”式的健康效应预警提供了方案。
研究成果以“Air Particles from 31 Chinese Cities Induced Differential Cellular Responses”为题发表在National Science Open上 (https://www.sciengine.com/doi/10.1360/nso/20240054)。论文第一作者为北大环境学院博士生张璐（现就职于生态环境部大气环境司），要茂盛教授为通讯作者。项目主要得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（基金号22221004）和国家重点研发计划（2022YFC3702801和2023YFC3708200）以及广州国家实验室项目（SRPG22-007）的资助。
