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Parent and halogenated polycyclic aromatic hydrocarbons exposure
in aluminum smelter workers: Serum levels, accumulation trends,
and association with health indicators

Chuxuan Zhao -- ^a State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
^b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Xiaoling Guan -- ^c Department of Endocrinology and Metabology, The First Affiliated Hospital of Shandong First Medical University, Shandong Provincial Qianfoshan Hospital, Jinan, Shandong 250014, China
Qinghua Zhang -- ^a State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
^b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
^d School of Environment, Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou, Zhejiang 310000, China

//doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.169655
Sci. Total Environ., 2024, 913, 169655

ABSTRACT: Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their halogenated derivatives (HPAHs) can be uninten- tionally formed and released during industrial thermal processes. However, information on internal exposure and health risks of PAHs and HPAHs for thermal industry workers is very limited. In this study, serum samples from 220 aluminum smelter workers in East China were analyzed, and the relationship between the levels of these pollutants and various health indicators was also assessed. The workers had markedly higher serum concentra- tions of PAHs and HPAHs than the controls. The serum concentrations of Σ₁₃PAHs and Σ₉HPAHs increased with increasing age and occupational exposure duration in male workers. A positive correlation was observed between the Σ₁₃PAH and Σ₉HPAH serum concentrations, and the concentration of Σ₁₃PAHs was approximately 50 times higher than that of Σ₉HPAHs. For benzo[a]pyrene equivalent (BaPeq)-based risk assessment, the contribu- tion of PAHs and HPAHs to the risk was 80 % and 20 % in the workers. PAHs and HPAHs showed a positive associ- ation with pulmonary hypofunction, hypertension and abnormal electrocardiogram. This study indicates occupa- tional exposure to these toxic pollutants remains a significant issue and provides evidence that elevated serum levels of Σ₁₃PAHs and Σ₉HPAHs may be associated with an increased risk of lung and cardiovascular diseases.

研究背景

多环芳烃（PAHs）及其衍生物可能在工业热过程中无意中生成和释放。在PAHs衍生物中，卤代多环芳烃（HPAHs）被认为是新型持久性有机污染物，因其对人类健康和生态系统的潜在不利影响而受到广泛关注。HPAHs具有类二恶英的毒性，并且比其母体PAHs具有更强的持久性和生物累积性，一些环境中，HPAHs对总毒性当量的贡献等于甚至大于二恶英类物质。尽管这些研究结果表明HPAHs应该被纳入人类健康风险评估，但由于HPAHs未被常规检测，目前对HPAHs的研究和了解有限。

金属铝的冶炼是产生PAHs和HPAHs的一个重要来源。PAHs和HPAHs会在阳极生产过程和电解过程中生成，两者在高温下挥发或者附着于颗粒物，经呼吸、皮肤暴露，据报道，工人在打开通风罩、定期清理除尘设备时出现了高瞬时峰值暴露。因此铝冶炼厂工人具有较高的暴露风险。就目前所知，未有研究报道铝冶炼厂工人血清中未代谢的PAHs与健康风险之间的关联。另一方面，HPAHs的毒性作用和健康风险尚不明确，缺乏毒理学实验和流行病学研究。因此，以具有高暴露风险的人群为研究对象，探究血清中PAHs和HPAHs浓度与各种健康指标或常见不良健康影响之间的关系，将有助于厘清相关的健康风险，为内部过程和引起毒性的机制提供重要的基础。

方法与结论

该研究通过固相萃取和层析柱净化结合的方法对铝冶炼厂工人血清进行前处理，随后使用云顶国际GC-MS TQ8050气相 色谱-三重四极杆质谱联用仪对血清中16种PAHs和23种HPAHs进行分析检测，通过同位素内标法和校准曲线进行定量。使 用SPSS v25.0和OriginPro 2022进行数据分析，采用描述性统计以总结参与者的人口统计学特征以及血清样本中PAHs和 HPAHs的水平，采用χ2检验、t检验和Mann-Whitney U检验比较对照组和暴露组之间以及男女之间的参与者特征和PAHs 及HPAHs浓度的差异。采用Spearman相关分析PAHs和HPAHs单体之间的相关性，以及PAHs/HPAHs浓度与心电图异 常、高血压、肺功能受损、糖尿病、空腹血糖和肝功能指标丙氨酸转氨酶的相关性。采用logistic回归法评估血清 PAHs/HPAHs浓度相关的高血压、心电图异常、肺功能减退、糖尿病等潜在风险，并调整BMI和职业暴露时间等混杂因素 的影响，结果显示为具有95%置信区间（CI）的比值比（OR）。使用苯并[a]芘当量（BaPeq）评估其潜在毒性风险，由 同类物的浓度乘以其相对于BaP的毒性当量因子获得。

图1 PAHs和HPAHs的血清水平和BaPeq及两者关系

共有13种PAHs和9种HPAHs在超过60%的血清样本中被检测到。暴露组PAHs 和HPAHs的平均浓度（∑13PAHs: 1 800 ± 560 ng g-1 lipid；∑9HPAHs: 37 ± 13 ng g-1 lipid）均显著高于对照组（∑13PAHs: 880 ± 370 ng g-1 lipid；∑9HPAHs: 20 ± 8 ng g-1 lipid, p < 0.001），如图1，暴露组血清中PAHs和HPAHs的BaPeq也 显著高于对照组（p < 0.001）。结果表明，铝冶炼厂的工作环境使PAHs和HPAHs 的暴露风险增加。

图1 c显示∑13PAHs与∑9HPAHs的血清浓度呈正相关关系，∑13PAHs的血清 浓度约为∑9HPAHs的50倍，表明HPAHs在血清中的主要来源可能与PAHs相同。∑13PAHs与∑9HPAHs的血清浓度与其相应的BaPeq也呈正相关关系（图1d、e），即血清总浓度在一定程度上可以反映风险程度。

通过性别分层，发现对照组中PAHs和HPAHs总量无性别差异。暴露组男性血清中PAHs和HPAHs的总量显著高于女性，男性工人中具有更高的苊烯（Acy）、苊（Ace）、芴（Fle）、菲（Phe）、蒽（Ant）、芘（Pyr）、2-溴芴（2-BrFle）、3-氯菲（3-ClPhe）、9-氯菲（9-ClPhe）、1,4-二氯蒽（1,4-Cl2Ant）、9,10-二氯蒽（9,10-Cl2Ant）、9,10-二氯菲（9,10-Cl2Phe）和1-氯芘（1-ClPyr），而女性工人血清中的荧蒽（Flu）、苯并[a]蒽（BaA ）、䓛（Chr）、苯并[k]荧蒽（BkF）和苯并[a]芘（BaP）的积累更多（p < 0.05）。

图2（a）各单体和（b）基于浓度和BaPeq的3环、4环和5&6环PAHs和HPAHs的百分比分布以及（c）PAHs和HPAHs浓度与理化参数的关系

铝冶炼厂工人血清中PAHs以3环PAHs为主， H P A H s 在血清中的排序为9 - C l P h e 、1-ClPyr、9,10-Cl2Phe，PAHs和HPAHs单体的分布没有显著的性别差异（图2 a）。使用BaPeq进行风险评估，发现HPAHs从浓度占比到风险占比发生了显著变化（图2 b）。在所有分析物中，HPAHs的浓度占比仅为2% ± 0.6%，但其风险占比则增加至20% ± 6%，即少量的HPAHs带来的风险仍不可忽视。为探究PAHs/HPAHs分布模式的影响因素，进一步考察了其浓度与各自理化性质之间的关联（图2 c）。13种PAHs单体的血清平均浓度与辛醇-水分配系数和辛醇-空气分配系数负相关，与溶解度和蒸汽压正相关（p < 0.01），而9种HPAHs单体的血清平均浓度与理化性质的相关性呈现出与PAHs一致的趋势，但均不显著（p > 0.05）。

随后探究了铝冶炼厂男性和女性工人血清中PAHs和HPAHs浓度分别随年龄和职业暴露时间增加的变化趋势。男性工人血清中PAHs与HPAHs的总浓度均随着年龄和工龄的增加而增加，而女性工人血清中PAHs水平无显著变化趋势，HPAHs的血清水平随着工龄的增加而升高，相应的BaPeq平均值呈现出了相似的变化趋势（图3 a）。以上结果表明，铝冶炼厂职业暴露增加了工人体内相关的健康风险。对单体分层后，发现Ace、Phe、Pyr、3-ClPhe、9-ClPhe、9,10-Cl2Phe血清水平随年龄和职业暴露时间增加而持续上升的趋势明显，如图3 b和3 c。

通过Spearman相关分析，发现Σ13PAHs与Σ9HPAHs浓度与肺功能减退正相关，6种PAHs单体和7种HPAHs单体也显示出与肺功能减退的正相关（p < 0.05，图4）。Logistic回归结果也表明，PAHs和HPAHs均与肺功能减退风险升高显著相关，在男性工人中，Ace、Fle、Phe、Ant、Flu、Pyr、BaP和9-ClPhe、9-ClAnt/2-ClAnt、1,4-Cl2Ant、9,10-Cl2Ant、9,10-Cl2Phe、1-ClPyr的血清水平增加，发生肺功能减退的风险增加（ORs > 1, p < 0.05）。调整职业暴露持续时间和BMI后，10种单体的OR值增加，其中BaP风险最高。这些结果证实了PAHs和HPAHs与男性工人肺功能减退的正相关，但性别差异和其机制仍然未知。

图4 各单体与各种健康指标和不良健康结局的Spearman相关性分析

PAHs与HPAHs的总浓度水平与高血压和心电图异常也呈正相关关系（p < 0.05，图4）。随后发现了性别差异，女性工人中，仅有少数PAHs和HPAHs与高血压和心电图异常显著相关，其中1,4-Cl2Ant与心电图异常负相关，7-ClBaA与高血压负相关；男性工人血清中各单体与高血压和心电图异常的相关性 与总体显示的相关性一致。Logistic回归显示，6种PAHs和4种HPAHs与男性工人高血压风险显著正相关，5种PAHs和3种HPAHs与男性工人心电图异常风险显著正相关。以上结果表明，PAHs和HPAHs暴露与高血压和心电图异常有关，可能增加患心血管病的风险，特别是对于男性。

综上所述，作者探究了人体血清中的多环芳烃及其衍生物卤代多环芳烃在铝冶炼厂工人中的水平、分布及其与健康指标和不良健康结局的关联。研究发现，人血清中PAHs和HPAHs水平与年龄和职业暴露持续时间有关，HPAHs相关的健康风险似乎与PAHs相似，男性工人血清PAHs和HPAHs水平升高均与男性肺部、心血管疾病风险增加有关。这些发现为HPAHs潜在的健康危害提供了早期预警，并可能指导铝冶炼厂工人采取保护措施，以减轻相关疾病的负担。未来应进一步扩大研究人群、评估内外暴露、实际风险以及与不良健康影响的关联，探究HPAHs在人体内的代谢转化，发现致病机制，建立标准化的检测方法和风险评估流程。