大气颗粒物重金属实际暴露毒性的磁学响应及快速模拟

Urban atmospheric heavy metal pollution is an important environmental issue in China. The aim of this study is to simulate the pollution of particulate-bound heavy metals and diagnose their actual-exposure toxicity by using magnetic analysis methods, taking Nanjing, a typical metropolitan city in the Yangtze River Delta as a case study. First of all, total concentrations and chemical fractions of heavy metals as well as the magnetic characteristics of PM1.0 and PM2.5 will be analyzed, and then the rapid assessment models of heavy metals can be established by using non-linear mathematical methods with particulate matter (PM) concentrations, magnetic parameters and meteorological factors as input parameters. Then the effects of actual exposure of PM on the pathological response, accumulation of heavy metals and magnetic characteristic of tissues of mice will be studied by mouse experiment. The physical and mental-health indicators of people will be tested regularly, and then the response correlations are studied among health indicators of people, heavy metals in the collected PM samples and hair, as well as magnetic parameters of hair. Meanwhile, the health risks caused by particulate-bound heavy metals will be assessed by U.S. EPA's models. This project thus establishes a rapid assessment method for the health risk of heavy metals by combining magnetic assessment models with the results of toxicity and health risks caused by particulate-bound heavy metals based on magnetic characteristics of PM. This project expands the thought of the application of environmental magnetism to the research of urban PM pollution.

城市大气重金属污染是我国面临的重要环境议题。以长三角典型城市——南京为研究区域，使用环境磁学方法对大气颗粒物重金属污染和实际暴露毒性进行模拟及诊断。首先，分析城市四个季节不同功能区PM1.0和PM2.5中重金属总量、形态及其磁学特征，以颗粒物浓度、磁学参数及气象因子作为输入参数，使用非线性数学方法构建大气颗粒物重金属磁学快速评估模型。其次，通过小鼠实验研究大气颗粒物暴露对小鼠病理、组织中重金属积累及组织磁学特征的影响；定期测试人群生理及心理健康指标，同步收集大气颗粒物并分析颗粒物重金属与人群健康指标、头发重金属和磁学参数间的响应关系；同时，采用U.S.EPA模型评价大气颗粒物重金属的健康风险。结合磁学评估模型及颗粒物重金属毒性和健康风险研究结果，以大气颗粒物磁学特征为基础，建立重金属健康风险快速评估方法。项目拓展了环境磁学应用于城市大气颗粒物污染研究的思路。

城市大气重金属污染是我国面临的重要环境议题。本项目围绕着大气颗粒物重金属污染预测及健康效应，开展了如下研究内容。首先，以长三角典型城市——南京的不同功能区为研究区域，分析大气颗粒物PM1和PM2.5中的重金属质量浓度和相对质量浓度的时空分布，测试大气颗粒物的磁学特征，将大气污染物、气象因子和磁学参数作为输入变量，结合机器学习如人工神经网络和支持向量机的方法对重金属浓度进行模拟，并获得了较为理想的模拟结果。结合已经构建的模型，对大气重金属的时间趋势和空间分布进行预测，拓展了环境磁学应用于城市大气颗粒物污染研究的思路。同时，将小鼠分别暴露于实际环境空气和经HEPA过滤网过滤后的空气中，在暴露实验进行至4、8和12周时，分析小鼠肺、心、肝和海马组织中炎性细胞因子、金属硫蛋白和重金属转录因子的mRNA表达水平，通过水迷宫实验、悬尾实验及强迫游泳实验研究大气颗粒物暴露对小鼠抑郁倾向的影响。结果显示，在PM暴露进程中，炎症反应、金属结合蛋白以及组织内金属内稳态平衡三者之间密切关联。试验过程中，初步验证了小鼠组织的磁学参数如饱和等温剩磁与组织中部分重金属含量之间具有一定相关性。通过定组调查及混合线性效应模型分析了大气污染对大学生志愿者生理和心理健康的影响规律。此外，项目还分析了不同季节PM2.5和PM10中微生物的细胞数浓度、细菌和真菌的群落组成，并探讨了大气颗粒物化学成分、大气污染物及环境气象因素对微生物组成的影响，对评估空气污染的致病性具有重要意义。本项目的研究成果可为进一步完善当地大气颗粒物重金属的监测和污染防治提供支持。项目综合了实际空气暴露及人群调查的方法，为开展大气颗粒物健康效应研究提供了参考。在研究成果方面，以项目承担者或主要参与老师为一作或通讯作者、本课题作为资助课题下，在环境科学及地球科学领域一区、二区、三区 SCI 杂志上共发表及接收论文9篇、中文核心论文4 篇，出版学术专著1部。