芳香族有机气溶胶形成机制与细胞毒性探讨

工程论文哪里有？本文以毒性较高的多氯联苯（Polychlorinated Biphenyls, PCBs）为例系统研究SOA的细胞毒性机制。

第一章 绪论

1.2 大气气溶胶

1.2.1 气溶胶的化学成分

大气中的气溶胶以微粒形式存在，化学成分极其复杂且种类繁多。这些气溶胶的形成过程主要取决于其成分，并且可以在大气传输过程的凝结和光化学反应过程中迅速变化。气溶胶根据种类可以分为一次气溶胶和二次气溶胶。一次气溶胶是指以粒子相直接排放进入大气，二次气溶胶是指在大气中通过光氧化反应，由气体转化而形成的颗粒[17]。气溶胶的化学成分主要由含碳物质、无机离子、地壳元素和水[17]。含碳物质是指有机碳（Organic carbon, OC）和元素碳（Elemental carbon, EC）的总和，在小粒径气溶胶质量中占很大一部分，而且通常是主要部分[17,34-37]。OC一般来自初级或次级气溶胶，而EC仅来自不完全燃烧的初级排放[7,17]。无机离子作为一次气溶胶主要由海水蒸发和生物质燃烧排放到大气中[38-39]，包括钾（K+）、钠（Na+）和氯化物（Cl-）等。硫酸盐（SO42-），硝酸盐（NO3-）和铵（NH4+）主要是通过二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）和氨气（NH3）等气体的光化学反应形成[7,40]。钙（Ca）、铝（Al）、硅（Si）和铁（Fe）是由风吹作用而使土壤和灰尘中的成分进入到大气中，这些元素还会促成气溶胶的生长[17]。这些地壳元素也能在工业锅炉燃烧煤和几种生物质排放的气溶胶中检测到[41]。气溶胶的化学成分和形成过程很复杂[34]，因此了解气溶胶的化学成分和形成过程将有助于预测其对人类健康和环境的影响。

第三章 芳香族甲苯二次有机气溶胶形成机制

3.2 研究方法

3.2.1 模型构建

所有MD模拟和轨迹分析均使用GROMACS 2019.6软件包[129]，使用硫酸和有机成分的全原子优化液体模拟（OPLS）力场进行[130-133]。采用氮和氧分子的刚性模型可以重现流体的热力学特性[134-135]。使用简单点电荷扩展（SPC/E）水模型，并在模拟盒子的三个维度上采用周期性边界条件[129]。运用Packmol软件将所有分子随机散布在模拟盒子中；氮气和氧气分子遵循4:1的体积比，而硫酸与水的摩尔比范围为0.1～0.4[136]。为了探索化学成分对甲苯SOA的影响，本章研究了有机物的不同摩尔比。根据模拟室实验结果[137]，本研究采用的有机物摩尔比与报道的研究一致[138-140]。此外，Qi等人[55,137]探索了不同摩尔比的有机物，包括苯甲醛、苯甲酸和丙酮酸。与此同时，还在298K的温度下系统地构建这些三元有机混合物以建立多组分甲苯SOA的相图。为了真实再现空气密度，所有系统的模拟盒子的初始尺寸为34.8×34.8×34.8 nm3。如图3.1所示是典型的甲苯SOA模拟盒子系统快照，红色球代表氧原子，蓝色球代表氮原子，灰色球代表刚性模型中氮和氧分子的虚拟位点，黄色球代表硫原子，青色球代表碳原子，白色球代表氢原子。根据模拟结果的代表性快照，可以在原子尺度上观测到H2O-H2SO4团簇和甲苯SOA纳米颗粒的结构。

第四章 芳香族多氯联苯细胞毒性评价

4.1 引言

有机气溶胶通过呼吸作用进入人体肺部之后会对人体健康造成极大的影响，会导致肺功能下降、呼吸道感染和哮喘等，所以本章以芳香族有机气溶胶中毒性较大的多氯联苯为例研究气溶胶的细胞毒性机制。有机气溶胶的细胞毒性是跟细胞膜之间的非共价结合所产生的。分子间的非共价结合，包括由氢、卤素和离子部分产生的结合，对于各种共晶[157]、酶催化[158]、功能材料[159-160]和生物活性化合物[161]的结构、稳定性和反应性至关重要且普遍存在。尽管普遍认为非共价结合是很弱的，但非共价结合实际上具有0.0~100.0 kcal/mol的广泛强度范围，具体取决于相互作用类型[162]。重要的是，控制生物活性化学物质细胞转运的关键因素之一也是分子间的非共价结合[163-164]。通过细胞易位行为，有机气溶胶最终可以触发一系列关键生物学事件，例如细胞毒性[163-165]、生物膜转运[166-167]、脂质代谢[168]和细胞信号传导[169]。

本质上，细胞易位依赖于非共价结合，因为生物膜与极性或带电部分修饰的芳香族有机气溶胶会发生相互作用。例如，研究人员发现由生物膜和有机气溶胶形成的氢键可将易位能垒减少约4.0 kcal/mol，从而补偿有机气溶胶渗透到生物膜中引起的去溶剂化损失[170]。Vermaas等人还发现，由于生物膜分别与羧基和羟基部分相互作用而产生差异氢键，导致木质素基有机气溶胶的膜渗透系数增加了近1.35~2.05倍[171]。Nunes等人[172]的另一个有趣发现是由卤素键介导的磷脂-卤素识别（通常，I-O<3.5 Å和C-I-O>140）对配体膜渗透曲线有显著影响。此外，当生物大分子与生物膜相互作用时，这些氢键通过将两个相邻脂质分子的头部基团聚集在一起，特异性地引起负曲率膜，这有助于它们通过“囊泡出芽和塌陷”机制成功穿透细胞膜[173-174]。然而，查询大环前药部分表明，非共价结合可能通过掩蔽氢键供体来促进有机气溶胶渗透[175]，这却与上述结论相反。因此，有必要研究非共价结合介导的细胞易位。

4.2 研究方法

4.2.1 模型构建

本研究搭建了10种不同的芳香族有机气溶胶PCB1-10（如图4.1B）与磷脂双分子层作用的模型，如图4.3所示，左侧为一维和二维自由能采样模型，右侧为平衡状态动力学模型，随后进行了微秒级的分子动力学模拟。自由能采样模型由1个PCBs与64个二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）分子构成，模拟盒子体积为4.54.510.0 nm3。平衡状态动力学模型由50个PCBs与256个DPPC分子构成，模拟盒子体积为10.010.018.0 nm3，模拟盒子中都填充了0.15 mol/L的NaCl溶液以模拟真实的细胞环境。

结论与展望

本论文耦合了分子动力学模拟和密度泛函理论，深入地研究了甲苯二次有机气溶胶分子层面的形成机制和多氯联苯的细胞毒性评价，并通过密度泛函理论和实验的结果对分子动力学模拟的结果进行相互验证，结果呈现出良好的一致性。通过分析数据得到的结论主要有以下几点：

（1） 在对甲苯SOA成核能量进行对比分析后，我们发现在甲苯SOA纳米颗粒形成的过程中静电相互作用起支配作用，而非范德华相互作用。

（2） 通过缺组分实验和多组分相图发现在众多甲苯光氧化产物中，丙酮酸是稳定甲苯SOA纳米颗粒的关键组分。甲苯光氧化产物与H2O-H2SO4簇的结合能力遵循等级顺序：丙酮酸>苯甲醛>苯甲酸。分子之间的能量差异就呈现出一种分子分级协同效应。在成核过程中丙酮酸充当“桥梁”，促进苯甲醛和苯甲酸在H2SO4-H2O团簇表面富集，形成一种典型的核-壳结构。

（3） 在对多氯联苯一维和二位自由能图分析后发现，补偿良好的非共价键(氢键/卤键）的多氯联苯能够通过“翻转（IIII）-插入-吸收”五步路径实现跨膜。在跨膜过程中都是PCB上的羟基朝下吸附在生物膜上，而后卧倒在膜表面，最后氯原子朝下发生渗透。氢键和卤键之间虽然存在竞争，但是协同跨膜才是主旋律。

（4） 当非共价键严重差异化时（离子键/卤键），多氯联苯与生物膜表面之间仅显现出活性结合而不发生渗透。此时离子键与卤键之间的竞争大过协同，导致PCB无法实现跨膜。

参考文献（略）