城市灰霾天气发生过程大气细颗粒物(PM2.5)化学成分转化规律与毒性效应研究

灰霾期间大气细颗粒物（PM2.5）质量浓度升高、化学成分改变，但其变化机理以及由此引起的毒性效应目前尚不明了。本课题选择山西省太原市为采样地点，运用改进的MAY颗粒分级采样器及PM2.5大流量大气采样器分别采集春、秋、冬季灰霾初起、发展、鼎盛、消失四个阶段大气气溶胶样品，以定量电子探针微区分析技术并结合碳分析仪、离子色谱仪和原子吸收仪测量大气PM2.5样品形貌与化学组分，以不同浓度颗粒物悬液给大鼠肺泡巨噬细胞（AM）染毒，检测AM氧化损伤、胞内游离钙离子浓度、线粒体融合/分裂状态及融合蛋白（OPA1、Mfn1、Mfn2)与分裂蛋白(Drp1、Fis1)的表达变化，旨在揭示我国北方煤烟型污染城市灰霾天气发生过程大气PM2.5化学成分转化规律及其毒性效应。该研究有助于深入了解灰霾的发生发展过程及灰霾粒子的毒理机制，对于阐明灰霾天气对环境和人体健康的危害具有重要的促进作用。

城市灰霾天气对人体健康造成较大威胁，尤其增加了呼吸系统疾病的患病风险。本课题以太原市冬季灰霾初起、进展、鼎盛、衰退、消失5个阶段采集的大气细颗粒物(PM2.5)为实验材料，通过离子色谱法、原子吸收法、碳分析仪测定其水溶性无机离子、重金属、有机碳（OC）、元素碳（EC）含量，通过电子探针微区分析法测定单颗粒形貌与元素分布。同时，用不同浓度PM2.5悬液给Wistar大鼠进行气管滴注并对体外培养的大鼠肺泡巨噬细胞(AM)进行染毒，用激光共聚焦显微镜检测AM线粒体融合/分裂状态、用实时定量PCR和Western blot技术检测肺组织和AM线粒体融合（OPA1、Mfn1、Mfn2)与分裂蛋白（Drp1、Fis1）的表达状况，并测量细胞氧化损伤、胞内Ca2+浓度变化和凋亡情况，发现：（1）灰霾期间大气PM2.5浓度增加，二次气溶胶大量产生，Hg、Pb、As、OC、SO42-、NO3－、NH4+、K+、Cl－浓度随灰霾进展程度发生改变，而Zn、Ca2+、Mg2+浓度在灰霾各个时期变化较小。（2）随着PM2.5染毒浓度增大，AM存活率下降、氧化损伤程度及Ca2+浓度升高，凋亡率增加；在相同染毒浓度下，灰霾各阶段采集的的PM2.5对AM各指标的影响差异不具有统计学意义（P<0.05）。（3）PM2.5染毒可使Mfn1、Mfn2和OPA1的mRNA表达水平上升、Drp1和Fis1的mRNA表达水平下降，使AM线粒体体积增大，巨型线粒体增多。（4）肺组织线粒体OPA1和Mfn1 mRNA和蛋白表达水平呈现PM2.5染毒浓度较低时增加、染毒浓度较高时降低的变化规律，而Drp1和Fis1 mRNA和蛋白表达水平随染毒浓度增加而升高，灰霾和非灰霾PM2.5染毒组之间的差异无统计学意义。以上结果说明太原市灰霾发生过程中燃煤和生物质燃烧对大气PM2.5的组成影响较大，灰霾天气促进了PM2.5化学成分的转化和新粒子的生成。在灰霾期间，高浓度PM2.5可使AM产生氧化应激，引起细胞脂质过氧化和凋亡发生，降低线粒体融合/分裂频率，产生巨线粒体，而在肺组织中则是通过下调线粒体融合基因、上调分裂基因的表达导致线粒体融合/分裂出现异常。本课题详细分析了灰霾不同阶段PM2.5成分及其对AM和肺组织的毒性作用，可为深入研究城市大气PM2.5对呼吸系统的毒理机制及对人体健康的危害提供理论依据。