阅读说明：本技术 一种雾霾相关多环芳烃毒性评价方法 (haze-related polycyclic aromatic hydrocarbon toxicity evaluation method ) 是由 曹蓉 陈吉平 张亦弛 耿柠波 张海军 于 2018-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于评价雾霾引起的多环芳烃相关毒性的评价方法。该方法是对大气中气态以及颗粒态样品进行一段连续性的采集；对气态以及颗粒态样品经提取浓缩后,对其中的PAHs进行定性定量分析；样品采集时同步观测记录颗粒物(PM<Sub>2.5</Sub>、PM<Sub>10</Sub>)浓度、气态污染物(SO<Sub>2</Sub>、NO<Sub>x</Sub>、CO、O<Sub>3</Sub>)浓度以及气象条件(风向、风速、温度、湿度、气压)变化；通过对大气中多环芳烃浓度及其与颗粒物浓度的比较回归分析,建立起PAHs浓度-PM<Sub>2.5</Sub>浓度线性模型；应用该模型对雾霾引起的PAHs相关毒性进行评估,综合评价雾霾引起的多环芳烃毒性变化。此种评估方法从PAHs浓度-PM<Sub>2.5</Sub>浓度实际测定数据出发,逻辑严密,操作简单,可被用来预估雾霾引起的多环芳烃浓度变化；对不同程度的雾霾下引起的多环芳烃毒性通过简单易得的PM<Sub>2.5</Sub>浓度进行预估。取材方便,且不涉及伦理问题。(The invention provides evaluation methods for evaluating toxicity related to polycyclic aromatic hydrocarbons caused by haze, which are characterized in that sections of continuous collection are carried out on gaseous and granular samples in the atmosphere, PAHs in the gaseous and granular samples are qualitatively and quantitatively analyzed after being extracted and concentrated, and Particulate Matters (PM) are synchronously observed and recorded during sample collection 2.5 、PM 10 ) Concentration, gaseous pollutants (SO) 2 、NO x 、CO、O 3 ) Concentration and meteorological conditions (wind direction, wind speed, temperature, humidity, barometric pressure) changes; establishing PAHs concentration-PM through comparative regression analysis of polycyclic aromatic hydrocarbon concentration in atmosphere and concentration of PAHs and particulate matters 2.5 A concentration linear model; the model is applied to evaluate PAHs related toxicity caused by haze, and polycyclic aromatic hydrocarbon toxicity change caused by haze is comprehensively evaluated. The evaluation method uses PAHs concentration-PM 2.5 The actual measurement data of the concentration is strict in logic,the method is simple to operate, and can be used for estimating concentration change of the polycyclic aromatic hydrocarbon caused by haze; PM capable of easily obtaining toxicity of polycyclic aromatic hydrocarbon caused by haze of different degrees 2.5 And estimating the concentration. Convenient material taking and no ethical problem.)

一种雾霾相关多环芳烃毒性评价方法

技术领域

本发明涉及一种雾霾相关多环芳烃毒性评价方法的研究方法，属于持久性污染物分析领域。具体来说是通过对颗粒物浓度以及大气中PAHs浓度的持续性观测，建立PAHs-PM_2.5线性浓度模型，获得的结果可为通过PM_2.5浓度预测PAHs的大气污染奠定理论基础；应用毒性评价模型对雾霾发生引起的PAHs浓度升高相应的毒性进行评估，可准确评价雾霾引起的高毒性有机污染物多环芳烃的毒性变化。

背景技术

空气污染是危害全球公共健康的主导因素，每年导致2,900,00例过早死亡，其中的85％发生在低中收入国家，主要是受到环境质量以及生活习惯的影响。近年来，受经济快速发展以及能源结构的影响，我国大型城市尤其是北方城市受到雾霾为主的空气污染的频繁侵袭，造成了极大的经济以及健康效应。颗粒物是空气污染中的主要毒性因素，尤其是粒径小于2.5μm的细颗粒物(PM_2.5)，它能够随着呼吸进入人体甚至肺泡部位，参与到血液循环以及呼吸系统循环，造成局部甚至系统的氧化及炎症损伤。

然而目前对于雾霾相关的污染物毒性研究还相对较少。雾霾的发生通常伴随着颗粒物浓度的大量累积，同时，雾霾天气的发生使得颗粒物本身组分、粒径也发生了变化。通常对雾霾相关颗粒物的毒性研究通常是采取颗粒物采集-可溶物超声提取-细胞暴露毒性评价的方法，存在着耗时长，受样品采集时空影响大，手段复杂等缺陷。针对颗粒物中的组分以及组分的毒性研究表明，颗粒物的毒性主要来源于其中的一些高毒性有机污染物，尤其是多环芳烃。颗粒物的干扰癌症相关转录通路的毒性效应由颗粒物中的PAHs浓度决定。

经查阅，与雾霾相关毒性评价的方法相似的专利只有“一种雾霾污染物毒性评价方法”(专利号201410828594.5)该评价主要涉及ECIS技术，该方法虽然是实时在线方法，但存在以下缺陷：1.采用的是颗粒物细胞染毒的方法，直接采用颗粒物进行暴露，受颗粒物可溶解性以及颗粒物本身粒径状态影响较大；2.染毒周期较短，对雾霾的毒性评价较为片面，未考虑长期毒性的影响。相比之下，本发明基于实际测得的实验数据以及线性模型，利用简单易的的PM_2.5浓度数据对雾霾相关的颗粒物多环芳烃的长期毒性进行评价，简单可行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于评价雾霾引起的多环芳烃毒性评估的研究方法，包括以下步骤：

步骤(1)、采用大流量采样器同时采集大气中的颗粒物以及气态样品，使用石英滤膜采集颗粒物样品，利用聚氨酯泡沫采集气态样品，优选采样流量为200L/min，每次采样12小时，连续采样；优选雾霾频繁发生城区，采样时间优选冬季，雾霾事件发生频率较高。

步骤(2)、将步骤(1)所得的颗粒物以及气态样品，进行提取-浓缩-净化-仪器分析，对其中的多环芳烃进行测定；

所述的提取方式优选索氏抽提，浓缩方式优选真空下的旋转蒸发浓缩，净化方式优选聚四氟乙烯滤膜过滤净化，仪器分析优选采用气相色谱-质谱联用；

步骤(3)、在步骤(1)样品采集时同步观测记录该地颗粒物(优选PM_2.5、PM₁₀)浓度、气态污染物(优选SO₂、NO_x、CO、O₃)浓度以及气象条件(优选风向、风速、温度、湿度、气压)变化；

所述的浓度以及气象条件记录时间与步骤(1)中样品采集时间一致；

步骤(4)、将步骤(2)中测定的气态以及颗粒态中多环芳烃浓度加和，得到大气中多环芳烃的总浓度；将该浓度与同采样时间段对应的PM_2.5浓度进行相关性以及回归分析，建立PAHs-PM_2.5线性浓度模型；

步骤(5)应用应用呼吸摄入模型对雾霾发生引起的PAHs浓度升高相应的毒性变化进行评估。

步骤(1)中，采样时间优选冬季，雾霾事件发生频率较高，颗粒物粒径分布范围较广。

步骤(1)中，采用TECORA采样仪在200L·min^-1流速下采样，每次采样事件持续12小时，白天从早八点开始，夜间从晚八点开始；采样事件至少持续两个雾霾周期；

步骤(1)中，在采集样品之前，所用的石英滤膜要经过650℃下高温焙烧12h，聚氨酯泡沫使用加速溶剂萃取，正己烷二氯甲烷(优选1:1，体积比)洗涤；

步骤(2)中，所述的提取多环芳烃目标物，收集颗粒态样品的石英滤膜以及收集样品的聚氨酯泡沫加入多环芳烃提取内标后，加入120mL正己烷/二氯甲烷(优选1:1，体积比)使用多通道索氏抽提仪进行标准索氏提取，至少提取16小时；

步骤(2)中，对其中多环芳烃的测定使用气相色谱-质谱法(GCMS-QP2010，日本岛津)，气相色谱的分离通过DB-EUPAH毛细管色谱柱(优选长30m，粒径0.25mm，膜厚0.25μm)，载气为氦气，流速为1.5mL·min^-1，进样口温度为280℃，不分流模式进样，柱温程序如下：起始温度60℃，保持1min，以15℃·min^-1升温到210℃，以3℃·min^-1升温到310℃，保持10min。使用EI模式(70eV)下的选择离子模式检测，离子源温度220℃。检测目标物优选包括萘(Naphthalene，Nap)，苊烯(acenaphthylene，Ace)，苊(acenaphthene，Acy)，芴(fluorene，Flu)，菲(phenanthrene，Phe)，蒽(anthracene，Ant)，荧蒽(fluoranthene，Fla)，芘(pyrene，Pyr)，苯并(a)蒽(benz[a]anthracene，BaA)，(chrysene，Chr)，苯并(b)荧蒽(benzo[b]fluoranthene，BbF)，苯并(j)荧蒽(benzo[j]fluoranthene，BjF)，苯并(k)荧蒽(benzo[k]fluoranthene，BkF)，苯并(a)芘(benzo[a]pyrene，BaP)，苯并(e)芘(benzo[e]pyrene，BeP)，茚并(1,2,3-cd)芘(indeno[1,2,3-cd]pyrene，Ind)，二苯并(a,h)蒽(dibenz[a,h]anthracene，DahA)，苯并(g,h,i)苝(benzo[g,h,i]perylene，BghiP)，共18种；

步骤(3)中，采用TEOM-1405F震荡天平同步记录PM_2.5实时浓度，采样事件平均PM_2.5浓度范围涵盖几十至几百μg/m³；

步骤(4)中，将每个采样事件中PM_2.5小时平均值平均，得到每个采样事件对应的平均PM_2.5浓度；将气相与颗粒相的18中多环芳烃浓度加和，得到每个采样时间对应的大气多环芳烃的浓度；PM_2.5浓度为自变量，多环芳烃浓度为因变量，利用origin线性回归模拟对其相关关系进行拟合，得到PM_2.5浓度-多环芳烃浓度线性方程以及相关系数；

步骤(4)中，多环芳烃的苯并芘当量(BaP_eq)计算：多环芳烃的苯并芘当量使用如下公式计算：BaP_eq=∑C_i×RPF_i；其中C_i是每种PAHs同系物的浓度，RPF_i是对应PAHs同系物的相对毒性因子，采用EPA2010推荐值。

步骤(5)中，所采用的的呼吸摄入模型计算来源于EPA推荐，人体多环芳烃日摄入率＝沉降系数×呼吸速率×大气多环芳烃浓度；其中，75％大气多环芳烃经呼吸沉降在人体内部；成人呼吸速率为20m3·day^-1。

步骤(5)中，冬季的吸入暴露量被设定为：EI_winter＝EI_nonhaze×Per_nonhaze+EI_haze×Per_haze；EI_winter是冬季PAHs的平均每日摄入量，EI_nonhaze是非雾霾期间PAHs的每日摄入量，Per_nonhaze是冬季非霾期所占时间百分比，EI_haze是雾霾期间PAHs的每日摄入剂量，Per_haze是冬季期间雾霾所占百分比。其相关毒性可以计算如下：Toxicity=BaP_eq×UR_BaP；UR_BaP是苯并芘的单位吸入量毒性，按照EPA推荐的选择1.1×10^-4μg^-1·m³；

本发明提供了一种用于评价雾霾引起的多环芳烃相关毒性的评价方法。通过对大气中多环芳烃浓度及其与颗粒物浓度的比较回归分析，建立起PAHs浓度-PM_2.5浓度线性模型；应用该模型对雾霾引起的PAHs相关毒性进行评估，综合评价雾霾引起的多环芳烃毒性变化。此种评估方法从PAHs浓度-PM_2.5浓度实际测定数据出发，逻辑严密，操作简单，可被用来预估雾霾引起的多环芳烃浓度变化；对不同程度的雾霾下引起的多环芳烃毒性通过简单易得的PM_2.5浓度进行预估。取材方便，且不涉及伦理问题。

本发明的优点和有益效果为：

(1)此种评估方法从PAHs浓度-PM_2.5浓度实际测定数据出发，逻辑严密，操作简单，可被用来预测雾霾引起的多环芳烃浓度变化,

(2)采用的呼吸摄入模型可同时准确评价雾霾引起的高毒性有机污染物多环芳烃的毒性，获得的结果可为预测PAHs的大气污染奠定理论基础，同时也有助于全面深入的了解雾霾的毒性。

附图说明

图1为大气中多环芳烃的选择离子流图。

图2为建立PAHs浓度-PM_2.5浓度线性模型的流程图

图3为建立的PAHs浓度-PM_2.5浓度线性模型

表1为PAHs相关的理化性质

表2为PAHs同系物的RPF值

表3为采样期间记录的气象参数和污染物浓度

表4为采样期间的PAH同系物浓度以及气相颗粒相总浓度

具体实施方式

本发明的目的在于提供本发明的目的在于提供一种用于评价雾霾引起的多环芳烃毒性的研究方法，以下实施例用于对本发明进行进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的范围。

本发明提供的用于评价雾霾引起的多环芳烃毒性的研究方法，包括以下步骤：

(1)样品采集：采用意大利公司TECORA公司的大流量采样器Echo PUF同时采集颗粒物和气态污染物，流速200L·min^-1，颗粒物沉积在石英纤维膜上，气态污染物吸附在聚氨酯泡沫上。每隔12小时采集一组样品。样品采集的同时，华创风云的CAMS620-HM仪器实时测定风向(WD)、风速(WS)、温度(T)、大气压(Pressure)、湿度(RH)等气象因素。其中边界层高度(PBL)从GDAS全球数据再分析中心下载。使用Thermo Fisher系列分析仪器实时测定PM_2.5(颗粒物动力学粒径小于2.5μm)和PM₁₀(颗粒物动力学粒径小于10μm)二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO/NO₂/NO_x)、一氧化碳(CO)以及臭氧(O₃)的大气浓度(表3)。

(2)多环芳烃的分析：使用正己烷、二氯甲烷(1:1体积比)混合溶液对采集的颗粒物以及气相污染物分别进行索氏抽提，提取时间为16h。提取前，在样品中添加一定量的氘代提取内标，对提取物进行浓缩，经聚四氟乙烯滤膜过滤后，加入定量的进样内标定容。对其中多环芳烃的测定使用气相色谱-质谱法(GCMS-QP 2010，日本岛津)，气相色谱的分离通过DB-EUPAH毛细管色谱柱(长30m，粒径0.25mm，膜厚0.25μm)，载气为氦气，流速为1.5mL·min^-1，进样口温度为280℃，不分流模式进样，柱温程序如下：起始温度60℃，保持1min，以15℃·min^-1升温到210℃，以3℃·min^-1升温到310℃，保持10min。使用EI模式(70eV)下的选择离子模式检测，离子源温度220℃(图1)。

表1

(3)PAHs浓度-PM_2.5浓度线性模型：将每个采样事件中PM_2.5小时平均值平均，得到每个采样事件对应的平均PM_2.5浓度；将气相与颗粒相的18中多环芳烃浓度加和，得到每个采样时间对应的大气多环芳烃的浓度；PM_2.5浓度为自变量，多环芳烃浓度为因变量，利用线性回归模拟对其相关关系进行拟合，得到PM_2.5浓度-多环芳烃浓度线性方程以及相关系数(图2)；

(4)多环芳烃的苯并芘当量(BaP_eq)计算：多环芳烃的苯并芘当量使用如下公式计算：BaP_eq=∑C_i×RPF_i；其中C_i是每种PAHs同系物的浓度，RPF_i是对应PAHs同系物的相对毒性因子，采用USEPA2010推荐值。

表2

(5)冬季多环芳烃的毒性计算：对于北京地区的成人来说，经呼吸摄入的BaP_eq可以用如下公式计算：EI＝∑(DF×BaP_eq)×V×T；EI是每日PAHs在体内的沉降量，DF是沉降系数，设定为75％，V是成人呼吸速率，根据WHO推荐的设定为20m³·天^-1；室内外PAHs交换非常快，暴露时间T认为是24小时；冬季的吸入暴露量被设定为：EI_winter＝EI_nonhaze×Per_nonhaze+EI_haze×Per_haze；

EI_winter是冬季PAHs的平均每日摄入量，EI_nonhaze是非雾霾期间PAHs的每日摄入量，Per_nonhaze是冬季非霾期所占时间百分比，EI_haze是雾霾期间PAHs的每日摄入剂量，Per_haze是冬季期间雾霾所占百分比。北京地区雾霾事件占据了冬季总时间的56.8％(2012年至2015年)。

毒性可以计算如下：Toxicity=BaP_eq×UR_BaP；UR_BaP是苯并芘的单位吸入量毒性，按照EPA推荐的选择1.1×10^-4μg^-1·m³；

实施例1

于从2014年12月25日早8点持续到2015年1月5日早8点进行冬季雾霾发生前后连续采样，采样地点位于北京市朝阳区中国环境监测总站三楼平台(40°2'51.8"N，116°25'29.7"E)，采样点离地高度15米，避免了地面悬浮灰尘的干扰。采样点周围分布有商业大厦，住宅地区，超市，离G6高速路200米。在雾霾发生期间，ΣPAHs和PM_2.5浓度分别为1473.1ng·m^-3(864.8～2334.1ng·m^-3)和195.4μg·m^-3(123.0～239.5μg·m^-3)(表4)，ΣPAHs(ng/m³)＝149.6+6.62×PM_2.5(μg/m³)，R²＝0.75(图3)；

多环芳烃的苯并芘当量(BaP_eq)计算：多环芳烃的苯并芘当量使用如下公式计算

BaP_eq=∑C_i×RPF_i (3)

其中C_i是每种PAHs同系物的浓度，RPF_i是对应PAHs同系物的相对毒性因子(表2)。计算得到的BaPeq在采样期平均值是126.8pg/m³(11.8～301.4pg/m³)。

冬季多环芳烃的呼吸暴露相关癌症风险计算：对于北京地区的成人来说，经呼吸摄入的BaP_eq可以用如下公式计算：

EI＝∑(DF×BaP_eq)×V×T (4)

EI是每日PAHs在体内的沉降量，DF是沉降系数，设定为75％，V是成人呼吸速率，忽略性别的影响，V根据WHO推荐的设定为20m³·天^-1；室内外PAHs交换非常快^[34]，暴露时间T认为是24小时；冬季的吸入暴露量被设定为

EI_winter＝EI_nonhaze×Per_nonhaze+EI_haze×Per_haze (5)

EI_winter是冬季PAHs的平均每日摄入量，EI_nonhaze是非雾霾期间PAHs的每日摄入量，Per_nonhaze是冬季非霾期所占时间百分比，EI_haze是雾霾期间PAHs的每日摄入剂量，Per_haze是冬季期间雾霾所占百分比。北京地区雾霾事件占据了冬季总时间的56.8％(2012年至2015年)。北京冬季平均BaPeq为126.8pg/m³，每年暴露152天；

PAHs长期的毒性影响可计算为：

CancerRisK=BaP_eq×UR_BaP (6)

UR_BaP是苯并芘的单位吸入量毒性，按照EPA推荐的选择1.1×10^-4μg^-1·m^3[35]，表明每吸入单位质量浓度(μg·m^-3)其相应的毒性增加1.1×10^-4；

进一步评估了北京城区人群的PAHs吸入毒性，冬季雾霾频繁发生下其毒性为6.2×10^-5。