雾霾中细/超细颗粒物的健康效应研究

Smog poses serious risks to public health and is becoming a highlighted public concern in our country. In contrast, the comprehensive assessment of its health effects is lagging behind and a definitive conclusion cannot yet be reached to support evidence-based government policy. The larger particles (diameter more than 1 µm, coarse particles and fine particles) constitute the highest percentage of the mass of smog, whereas the smaller particles (diameter less than 1 µm, fine/ultrafine particles) are present in the highest numbers. It has been proposed that fine/ultrafine particles have the greatest potential for toxicity. This project aims to explore the critical scientific issue of how health effects of particles from different sources are influenced by their size, structure and surface properties; to employ synchrotron radiation and nuclear-based analysis techniques for establishing in situ analytical methods at the single-particle and single-cell level with high sensitivity and elemental specificity; to characterize the surface properties of fine/ultrafine particles from two key sources of smog (industrial emission and motor vehicle exhaust) in the region of Beijing-Tianjin-Hebei; and to clarify the differential health effects of diverse particles on respiratory and cardiovascular systems at the cellular and animal level. We will elucidate the relationships among size, structure, surface properties and health effects of different particles, and at the same time, provide the fundamental evidence for smog control and prevention.

大面积的雾霾已成为严重影响我国城市居民身体健康的重大社会问题，但是我国对雾霾颗粒物的健康效应研究却严重滞后。以颗粒物的质量浓度测量，雾霾中大于1.0微米的颗粒物（粗颗粒物和细颗粒物）浓度最大。以颗粒数浓度测量，小于1.0微米的细/超细颗粒物（超细颗粒物即纳米颗粒物）浓度最大，据推测它们对人体健康的损伤也最大。本项目针对雾霾中不同种类细/超细颗粒物尺寸、结构、表面性质与其健康效应的关系这个关键科学问题，利用同步辐射和核分析技术的高灵敏度、原位、特异的优点，建立单颗粒、单细胞的原位检测技术，结合细胞生物学和毒理学动物实验方法，研究京津冀地区雾霾的两个重要来源（工业排放、汽车尾气）中的细/超细颗粒对呼吸系统和心血管系统的健康效应。揭示不同来源颗粒物尺寸、结构、表面性质与其健康效应的关系，以及它们之间健康效应的差异性。在基础科学问题取得突破的同时，对我国雾霾治理方案和防护措施的制定，提供科学依据。

本项目采集并系统表征了不同来源、不同粒径的雾霾细/超细颗粒物，包括交通源、燃煤、机动车尾气颗粒物等，获得了其粒径分布、颗粒数浓度和质量浓度的规律。开发以纳米表征技术、同步辐射和核分析技术为基础的新方法，在微纳尺度上获得了雾霾中的细/超细颗粒物形貌、聚集行为、化学组成以及单颗粒上的元素分布和表面吸附等重要物理化学特征。基于同步辐射高亮度、高能量分辨、高通量、高穿透性等特色，系统发展了基于同步辐射的雾霾单颗粒分析方法，包括XRF、nanoCT、XANES、STXM、NEXAFS等；开发了放射性同位素示踪技术在大气颗粒物源解析方面的应用。阐明了不同粒径的雾霾细/超细颗粒物介导的细胞生物学效应，对呼吸系统与心血管系统的作用途径、转运过程及毒理学效应与机制，其结果将为雾霾的科学治理和防护提供基础理论依据。研究目标按照计划全部顺利完成。取得的研究成果已发表标注项目号的SCI论文34篇。培养4位硕士毕业生，3位博士毕业生。..项目负责人赵宇亮作为“突出贡献者”，其率领的“纳米生物效应与安全性研究集体”获得2019年“中国科学院杰出科技成就奖”，2018年获得国家自然科学二等奖（排名第5），2015年获得中国毒理学会杰出贡献奖，2016年获得发展中国家科学院（TWAS）化学奖。2017年增选为中国科学院院士，2018年入选发展中国家科学院院士。2017年作为负责人获得国家自然科学基金委创新研究群体项目资助。课题组成员王黎明副研究员晋升高能物理研究所青年研究员，李一叶助理研究员晋升副研究员和国家纳米科学中心特聘研究员。组建的“雾霾健康效应与防护北京市重点实验室”是我国建立的第一个以大气颗粒物健康效应为研究方向的专业实验室，2018年考核“优秀”。