近日，南方科技大学环境科学与工程学院讲席教授杨新团队在 Science Advances 发表题为“Reduced Organic Nitrogen Compounds Dominate the Toxicity of PM_2.5 Organics Following Internal Exposure”的研究论文。该研究聚焦大气细颗粒物（PM_2.5）有机组分的内暴露健康风险这一关键科学问题，通过系统解析与评估，全面揭示了不同类别有机化合物在人体内的潜在转运能力及其对多器官的毒性贡献。研究成果首次明确指出，长期被学界忽视的还原性有机氮（RON）化合物，是PM_2.5进入人体后有机组分中最核心的综合毒性贡献者，其毒性占比高达39%。此项研究精准识别了驱动PM_2.5内暴露健康风险的关键有机组分，从分子层面阐明了大气颗粒物的健康危害机制，为全球范围内更精准地识别空气污染健康风险、制定靶向性防控策略提供了重要的科学支撑与理论依据。

大气细颗粒物（PM_2.5）污染是威胁全球公众健康的重要环境问题。长期以来，空气污染防治主要关注PM_2.5浓度及重金属、多环芳烃等已知有毒成分。然而，PM_2.5中还包含成千上万种结构复杂的有机化合物，其潜在健康危害尚未得到充分认识。不同有机组分不仅毒性存在差异，进入人体后还可能通过血液循环影响多个器官。因此，从分子层面识别PM_2.5中的关键有毒物质，揭示其体内暴露特征及多器官毒性，是准确评估空气污染健康风险、推动精准污染防控的重要科学基础。

PM_2.5有机组成十分复杂。研究团队开展了为期一年的大气观测，共采集170份PM_2.5样品，利用四种离子化模式相结合的高分辨质谱非靶向分析技术，对PM_2.5中的有机化学组成进行了全面扫描。研究共检测到11,843个分子特征，并进一步获得了2,221种有机化合物的结构信息，揭示了PM_2.5有机组分的高度复杂性和丰富的分子多样性。研究发现，不同类型有机化合物的组成存在明显差异。含氧有机化合物在分子种类上占据主导地位，而此前关注相对较少的还原性有机氮（RON）化合物虽然分子种类较少，却具有较高的估算浓度。这一发现深化了对PM_2.5有机化学组成的认识，也为进一步分析关键有机组分的体内暴露潜力及多器官毒性奠定了基础。

图1 PM_2.5的有机分子组成谱

PM_2.5中有机化合物的健康危害不仅取决于其在空气中的浓度，还与其进入人体后向不同器官运输和分布的能力密切相关。研究团队以人体血液中重要的运输蛋白——人血清白蛋白（HSA）为研究对象，利用表面等离子体共振（SPR）技术，系统评估了PM_2.5有机组分与血清白蛋白的结合能力，以表征其潜在的体内暴露水平。研究发现，不同类型有机化合物与血清白蛋白的结合能力存在明显差异。其中，还原性有机氮（RON）化合物表现出最强的平均结合能力，表明其具有较高的潜在体内暴露风险。进一步分析发现，含氧有机化合物和还原性有机氮分别占所评估内暴露有机组分的44%和28%。这一发现表明，PM_2.5中有机物的环境含量与其潜在体内暴露水平并不完全一致，为进一步揭示其多器官毒性提供了重要依据。

图2 有机分子的内暴露潜势

除环境浓度与体内暴露能力外，PM_2.5中有机化合物自身的固有毒性同样是决定健康危害的核心变量，且不同类别化合物的毒性水平存在较大差异。研究团队针对2,221种已获得结构信息的有机化合物，利用多种毒性预测模型，系统评估了其呼吸毒性、遗传毒性、神经毒性、肾毒性、致癌相关毒性、肝毒性和血液毒性等七类毒性终点，并结合五种人体细胞模型开展实验验证。进一步分析发现，还原性有机氮（RON）化合物是所评估内暴露有机组分中多器官综合毒性的首要贡献来源，占比高达 39%。RON在呼吸毒性、遗传毒性、神经毒性、肝毒性和肾毒性等多个毒性终点中均表现出较高的贡献。进一步的细胞实验发现，预测为高毒性的代表性化合物通常表现出更强的细胞活力抑制、氧化应激和DNA损伤等效应，为毒性预测结果提供了实验支持。

图3 PM_2.5有机分子的毒性特征

图4 PM_2.5有机分子毒性效应的细胞实验验证

图5 还原性有机氮化合理化性质与毒性关联研究

为进一步揭示还原性有机氮（RON）产生多器官毒性的潜在机制，研究团队系统分析了2,221种有机化合物的分子结构特征与七类毒性终点之间的关系，重点解析了分子脂溶性、水溶性、酸碱性、分子密度及氢键结合能力等19项理化性质。分析表明，RON化合物的多器官毒性与其独特的分子结构密切相关。其中，分子密度、碱性、氢键结合能力及极性等性质与多种毒性终点表现出较强关联。RON所含的胺、亚胺和腈等含氮官能团可能影响其与生物分子的相互作用及细胞内的分布，从而增加其潜在毒性风险。不同毒性终点对应的关键分子特征也存在差异，表明RON的多器官毒性可能受到多种理化性质的共同影响。

论文第一作者为南方科技大学环境科学与工程学院研究副教授曾娅玲，论文通讯作者为杨新，该研究由南方科技大学大气团队和西安交通大学沈振兴教授团队共同完成，南方科技大学为论文第一单位。该研究获得了国家自然科学基金重点项目、深圳市科技计划孔雀团队项目等资助，广东省大湾区滨海大气环境与气候背景野外科学观测研究站、深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室为研究提供了平台支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.aea8654

供稿：环境科学与工程学院