空氣污染在全球每年導(dǎo)致數(shù)百萬例過早死亡，是當(dāng)代社會面臨的重大環(huán)境問題之一。大氣中除了顆粒物，還有氣體污染物以及生物成分如過敏原、毒素等。人體呼吸暴露的健康效應(yīng)需要考慮所有這些物質(zhì)的效應(yīng)以及它們可能存在的協(xié)同作用。大氣化學(xué)過程與污染源變化會導(dǎo)致空氣毒性快速波動。然而，目前主要還是依賴顆粒物質(zhì)量濃度來評估空氣質(zhì)量，難以對真實的健康效應(yīng)進行考量。此外，目前研究空氣污染健康效應(yīng)的方法通常采用離線技術(shù)，如PM鼻腔灌注、血液注射或富集后再氣溶膠化，并需要進行繁瑣、有創(chuàng)的組織或血液取樣分析， 嚴(yán)重缺乏時效性。這些缺點限制了對真實環(huán)境中空氣污染健康危害的精準(zhǔn)的、具有時效性的評估和預(yù)警。

針對如上難題，北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院要茂盛教授團隊研發(fā)了空氣毒性活體監(jiān)測系統(tǒng)（Air Toxicity in vivo Monitoring System, ATMS），實現(xiàn)了對空氣污染健康效應(yīng)的原位、實時、在線監(jiān)測。通過與各地高校和科研院所合作，團隊在2023年冬季和2024年春季分別在中國7個和13個城市部署了該套系統(tǒng)，并系統(tǒng)開展了24小時全天候大氣污染健康效應(yīng)實時無人值守的監(jiān)測，時間分辨率為3秒。通過監(jiān)測暴露于不同城市環(huán)境空氣中的大鼠呼出氣中的8種標(biāo)志物（VOCs、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3），結(jié)合機器學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)對了不同城市空氣毒性的實時監(jiān)測和評估（圖1）。

圖1 全國多城市空氣毒性監(jiān)測示范應(yīng)用

運用EconML因果推斷機器學(xué)習(xí)模型，研究發(fā)現(xiàn)不同城市相同質(zhì)量濃度的PM2.5-10、PM2.5、O3對大鼠呼出氣中炎癥和氧化應(yīng)激標(biāo)志物的影響存在明顯差異，提示了來源、季節(jié)對顆粒物健康效應(yīng)的重要影響，以及真實環(huán)境中顆粒物與臭氧間的協(xié)同健康效應(yīng)（圖2）。

圖2 不同城市顆粒物和臭氧對大鼠呼出氣中關(guān)鍵標(biāo)志物的影響差異

研究基于大鼠呼出氣中的8種標(biāo)志物（VOCs、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3），運用機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了一個能夠?qū)崟r反映空氣綜合毒性的Air Toxic Index（ATI），并結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型與Shapley加法解釋算法（SHAP）解析了驅(qū)動ATI變化的關(guān)鍵因素。 結(jié)果顯示，在冬季，北京在11:00、20:00——次日凌晨3:00存在毒性高峰；太原、西安、鄭州在10:00——24:00、0:00——2:00空氣毒性較高；長沙10:00——16:00空氣毒性較高（圖3）。時間和城市是ATI的首要影響因素，PM2.5是影響各城市空氣毒性的首要污染物，且影響模式隨濃度增加呈非線性。春季各城市ATI的日內(nèi)波動相對平緩，空氣毒性以O(shè)3為主導(dǎo)，PM2.5則影響較弱（圖4）。在監(jiān)測結(jié)束后，研究也通過組織病理學(xué)證實了不同城市空氣污染對大鼠肺組織損傷的差異。

圖3 冬季各城市空氣毒性綜合指數(shù)（ATI）日變化對比及影響因素分析

圖4 春季各城市空氣毒性綜合指數(shù)（ATI）日變化對比及影響因素分析

本研究在國內(nèi)外首次實現(xiàn)利用活體大鼠實時在線監(jiān)測大氣污染健康效應(yīng)，為研究空氣污染健康效應(yīng)開啟了新范式。 該研究不僅建立了空氣污染健康效應(yīng)實時監(jiān)測的新方法，更在多個污染水平不同的城市開展了大規(guī)模應(yīng)用，揭示了不同城市空氣毒性的時空差異特征。該技術(shù)體系有望為優(yōu)化空氣污染控制策略和公眾健康防護提供重要技術(shù)支撐，可推廣用于大范圍日常監(jiān)測，彌補現(xiàn)有監(jiān)測體系對健康效應(yīng)關(guān)注的不足。