刘倩:溯源技术让环境健康研究如虎添翼

2020年10月27日 18:48:16 来源: 分析测试百科
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——访中国科学院生态环境研究中心刘倩研究员

  光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代,今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后,老中青科学家,克服了严峻的挑战、付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向,希望对广大光谱爱好与从业者有更多的启发。中国科学院生态环境研究中心刘倩研究员为我们讲述了自己最近的科研进展,探寻环境污染与人类健康之间因果关系。

中国科学院生态环境研究中心刘倩研究员

  刘倩首先谈到环境健康的概念和研究手段。环境科学发展的最终目标是提升人类的生存质量。首先是通过控制污染提升周围环境的质量,其次是评价和控制各种可能影响健康的环境因素,旨在预防疾病和创造健康的环境。

  在环境健康研究领域,刘倩主要关注的是污染物溯源技术,包括环境中和人体内的污染物来源解析。研究主要采用稳定同位素质谱技术,即利用多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)对特别元素的同位素组成进行指纹分析,从而甄别其来源。除此之外,研究过程也使用其它光谱技术等,比如对超细颗粒物的分析会用到NTA技术(纳米颗粒追踪分析),用光谱分析来追踪颗粒物的布朗运动。此外还会用到电镜、ICP光谱等技术;在做材料表征时用到红外光谱、能谱等。刘倩表示:环境本身是一个复杂的体系,单一技术很难形成对其完整的表征,需要综合使用多项技术。刘倩团队在颗粒物溯源,尤其是超细颗粒物、纳米材料、PM2.5来源解析方面开展了大量研究工作,近期他们在人体血液循环里检测到外源性的超细颗粒物的存在。刘倩表示:“综合利用包括光谱和同位素质谱等多项技术,证明这些超细颗粒物的来源是大气PM2.5,这回答了一个长期没有定论的问题。这是我觉得最近比较有意义的工作。”

二维硅指纹揭示了北京地区近年PM2.5来源急剧变化的原因

  大气细颗粒物(PM2.5)污染严重影响我国国民健康和社会发展。对PM2.5的精准溯源是污染控制和健康风险消减的前提。但是,PM2.5的来源及成因目前仍存在较大争议,原因之一就在于现有的溯源技术手段不能满足PM2.5精准溯源的需求。

  刘倩团队采用ICP-MS和MC-ICP-MS同位素质谱技术对PM2.5进行溯源分析。通过分析大量PM2.5及污染源样品的Si同位素组成,发现PM2.5的不同一次源具有显著不同的Si同位素指纹特征,证明了Si同位素指纹可以作为追溯PM2.5一次源的指示物,并进一步揭示了燃煤源是北京春冬季雾霾加重的重要原因[1]。进一步的研究阐明PM2.5二次生成过程中的硅稀释效应(Si-dilution effect),从而证明PM2.5的Si元素丰度可以作为PM2.5二次源的一种惰性指示物,并通过该方法发现2013年北京地区重雾霾时二次气溶胶贡献可达到79.2% [2]。

  在近期研究中,刘倩团队将Si同位素和Si丰度结合起来,形成新颖的二维Si指纹技术,对2013年以来北京地区PM2.5的一次源和二次源的年际变化趋势进行了持续的跟踪。研究发现,从2013到2017年间(即”大气污染防治行动计划”实施期间),PM2.5的一次源和二次源贡献都发生了急剧变化。富集轻Si同位素的一次源(即燃煤和工业源)的贡献显著下降,证明了污染控制政策对于燃煤和工业源的有效管控。同时,PM2.5的年平均Si丰度从2013年的1.2%上升到2017年的4.6%,说明二次源污染比重显著降低(从83%降到42%)。值得注意的是,在2015-2017年间,富集轻Si同位素的一次源(即燃煤和工业源)的贡献占比有所轻微反弹,说明未来还需继续加强对这些源的控制,同时需大力降低富集重Si同位素的一次源的排放(如机动车尾气)。

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图1. 二维Si指纹同时示踪PM2.5一次源和二次源示意图

  这一研究一方面为未来制定更为有效的污染控制政策、进一步降低北京地区PM2.5污染水平提供了科学数据,另一方面也为PM2.5研究与控制提供了一种有效的新工具。

人体血液系统中外源性超细颗粒物的赋存

  刘倩、江桂斌院士团队近期首次在普通人群血液和胸腔积液中发现外源性超细颗粒物,为颗粒物的全局健康影响提供了重要科学证据[3]。大气颗粒物污染与多种疾病密切相关。研究表明,粒径越小的颗粒物越能够深入人体,如PM2.5能够进入肺泡,而小于0.1 μm的颗粒物(即超细颗粒物)被认为可以穿透肺泡进入人体的血液循环系统,这已成为了细颗粒毒理学研究的基础假设之一。但到目前为止,还未有过真实人体血液循环中检测到大气超细颗粒物的报道,这意味着这项基础假设仍缺乏关键科学证据。通常认为,PM2.5在人体中的真实存在及其定量描述仍处于一个“黑箱”状态,PM2.5的暴露研究也仍停留在实验动物模拟阶段。

  这项研究利用高效富集净化、高分辨电镜、ICP-MS、NTA等多种技术,首次在普通人群的血液及胸腔积液样本中提取到超细颗粒物。进一步的分析发现人血液中的颗粒物浓度极低,而胸腔积液中的颗粒物浓度远高于血液,二者具有相关性。由此可以借助胸腔积液来研究被吸入人体的颗粒物的状态。为了探明颗粒物的来源,这项工作发展了基于特征元素指纹、超高分辨结构指纹和稳定同位素指纹的多维化学指纹技术,结果证明人体中提取到的超细颗粒物主要为外源性的,特别是相当一部分来自于大气燃烧源PM2.5。这一结论成为PM2.5进入人体循环系统并由此产生健康危害的直接证据,为解释大气颗粒物污染物的全局健康影响提供了重要数据。

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图2. 人胸腔积液中提取出来的超细颗粒物的高分辨结构指纹特征

追踪城市大气中危害人体健康的磁性纳米颗粒

  空气中磁性Fe3O4纳米颗粒的长期暴露与多种心血管疾病及神经退行性疾病具有潜在的关联,如心肌损伤、阿尔兹海默病等疾病。空气中的Fe3O4纳米颗粒有可能穿透肺泡进入血液循环系统,或通过嗅觉神经通路进入大脑中。同时,Fe3O4纳米颗粒是一种高毒性物质,可以在生物体内催化生成强氧化性和反应活性的羟基自由基(·OH),对机体造成严重损伤。但是,目前仍缺乏可靠的Fe3O4纳米颗粒分析方法,对大气中Fe3O4纳米颗粒的赋存状况及其来源还不清楚。

  刘倩团队通过开发PM2.5中磁性Fe3O4纳米颗粒的特异性分离和提取方法,并利用ICP-MS、超高分辨电镜、NTA等技术,对城市大气中广泛存在的Fe3O4纳米颗粒进行了全面的分析表征,为研究空气中Fe3O4纳米颗粒这一高毒性组分的健康风险提供了重要科学数据和方法学支撑。Fe3O4纳米颗粒具有以下特征使其成为一种特殊的空气污染物:

  (1)永磁性:Fe3O4的磁性和高吸附容量有可能增强大气中其它铁磁性或顺磁性物质在人体内的共沉积以及促进体内累积;

  (2)普遍性:在研究的所有天数中均能在大气中检出Fe3O4纳米颗粒,且其交通来源应具有地区广泛性。因此,大气Fe3O4纳米颗粒污染应具有时空普遍性;

  (3)高毒性和生物可用性:Fe3O4对生物体具有高毒性,且其超细的粒径能够深入人体(该课题组近期也报道了在普通人群血液中广泛检出Fe3O4纳米颗粒)。

  (4)持久性:Fe3O4在大气中具有较高的稳定性。考虑到其主要来自交通和燃煤源,Fe3O4纳米颗粒极有可能会成为一个长期存在的空气污染问题。

  到目前为止,磁性颗粒物还未受到任何政策监管或纳入空气污染标准中。一些措施可能能够有效降低这种污染物的排放和健康风险,如在机动车尾气净化系统和燃煤电厂的除尘系统中增加针对磁性纳米颗粒的捕集单元、研发一些针对空气磁性颗粒的个人防护装备等。总之,这种新型的空气污染物在未来的研究和政策制定中值得重点和优先关注。

环境与健康紧密结合

  “我们现在做的很多工作都和健康结合,希望对疾病的病因进行溯源,特别是癌症、阿尔兹海默症、抑郁症还有不良妊娠,这是技术上的延伸。”刘倩说道。

  癌症的发生一般认为有内因和外因。其中特别是环境污染,被公认为诱发癌症发生的因素。但是病因从哪来,有多大贡献,比如癌症到底是由内因主导还是外因主导?风险因素有多大?当前实际上尚没有定论,和医学、生命研究的角度不同,从环境角度切入研究,可通过新的环境分析手段,观测到新的现象、获得新的数据,预期将有新的发现。

  刘倩表示:团队将继续在疾病相关方面开展进一步研究,尤其关注环境污染因素诱导发生疾病过程的机制和监测。整个研究从大的外环境到体内的内环境,研究体系更加复杂。目前团队已在针对一些常见肿瘤的研究方面有了一些新发现:通过利用光谱、质谱手段,找到新的标志物,可以指示病因的来源。希望能够尽快有更多的进展,为面向人民健康的环境科学研究做出贡献。

  未来,刘倩希望利用光谱、质谱发现更可靠更具代表性的标志物,开发更加准确的溯源技术,能针对更多的污染物、能在更多的介质里、能更快速、更准确、更可靠指明它的来源。

不忘初心,牢记使命

  面对国外的技术封锁,刘倩认为形势很严峻。科研人员需要有更多的使命感。刘倩认真地说:“不忘初心,牢记使命。我们必须真正做出一些原创性的工作,在基础研究上有所突破,这样才能不被人在关键技术上卡脖子。我们的目光要更长远,要深层思考在应用层面上的实际问题的根源在哪里,要关注国家和社会发展的真正需求,要勇于做最重要、最前沿、最具挑战性的工作。因为只有这样,科研工作才会更有生命力。”

  参考文献:

  【1】Natural Silicon Isotopic Signatures Reveal the Sources of Airborne Fine Particulate Matter, Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Environ. Sci. Technol.2018, 52, 1088-1095

  【2】Unraveling the role of silicon in atmospheric aerosol secondary formation: a new conservative tracer for aerosol chemistry. Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Atmos. Chem. Phys.2019, 19, 2861-2870

  【3】Chemical multi-fingerprinting of exogenous ultrafine particles in human serum and pleural effusion. Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Nat Commun. 2020 May 22;11(1):2567. doi: 10.1038/s41467-020-16427-x

  【4】Xuezhi Yang, Dawei Lu, Jihua Tan, Xu Sun, Qinghua Zhang, Luyao Zhang, Yong Li, Weichao Wang, Qian Liu, Guibin Jiang, Two-Dimensional Silicon Fingerprints Reveal Dramatic Variations in the Sources of Particulate Matter in Beijing during 2013-2017. Environmental Science & Technology 2020, 54 (12), 7126-7135.

  【5】Qinghua Zhang, Dawei Lu, Dingyi Wang, Xuezhi Yang, Peijie Zuo, Hang Yang, Qiang Fu, Qian Liu, Guibin Jiang, Separation and tracing of anthropogenic magnetite nanoparticles in the urban atmosphere. Environmental Science & Technology 2020, 54, 9274-9284.


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