呼吸是人类的最基本生理需求。然而，空气污染物的存在往往使这一基本需求难以得到保障。更有甚者，在一些特殊环境场所，空气中可能存在高致病微生物如病毒和细菌、生化毒剂、毒素等严重危害人体健康甚至威胁生命。此外，空气中也可能存在一些未知的有毒物质，如不明病原体、化学物质等。目前已有的空气安全预警技术主要针对有限的几种污染物或者有毒物质进行实时监测，无法覆盖包括生物与化学威胁在内的所有潜在威胁。空气中的污染物种类繁多，理论上很难发展一种同时监测上千种污染物的仪器设备。另外，空气毒性安全预警技术需要对空气毒性做出快速响应，以便为采取防御措施争取宝贵的时间。这些要求都是对当前技术的极大挑战，很难实现对空气的综合毒性的实时预警。
呼出气中的生物标志物、挥发性有机物（VOC）常被用作来研究人体病毒如呼吸道炎症、癌症等。近日，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授发现，当大鼠暴露在空气中有毒物质如蓖麻毒素、内毒素、臭氧以及二氧化碳时，会通过呼出气实时排放特征性VOC组分，有的暴露会导致VOC的浓度显著升高，而有的会导致VOC浓度的降低。不同的污染物暴露会导致大鼠通过呼出气排放不同的VOC组分。课题组利用该发现的原理方法，集成活体大鼠、呼出气采样与VOC在线监测创建了空气综合毒性在线监测RSTair（Rats Sniff off Toxic Air）系统，通过该系统实时监测大鼠呼出气VOCs浓度的变化可以预警所呼吸空气毒性的变化。

Rats Sniff off Toxic Air （RSTair）系统示意图 （Chen et al，2020）
为了详细验证该系统，课题组给大鼠暴露了四种不同的空气毒性模拟物——臭氧、二氧化碳（缺氧条件）、蓖麻毒素和内毒素，然后利用RSTair系统实时监测大鼠呼出气中的TVOCs浓度水平。研究发现不同污染物暴露导致大鼠呼出气TVOC水平在数分钟之内即发生显著变化。研究还通过GC-MS对不同物质暴露后大鼠呼出气中的VOCs组分进行分析，发现不同暴露导致大鼠通过呼出气释放了特异性VOCs。例如，蓖麻毒素暴露会释放更多的乙酸乙酯，而臭氧暴露导致丙醛、戊烷、2-丁酮、己烷和2-甲基戊烷浓度发生显著变化。此外，大鼠血液中MicroRNA调控的差异进一步揭示了大鼠在应对空气毒物时存在不同反应机制。通过利用这一发现，RSTair系统开辟一种空气毒性监测的全新思路，为空气生物安全相关领域，如军事防御、海关、反恐和重大活动的安全保障等提供了重要的技术支持。同时也为研究空气污染的健康效应提供前所未有的研究思路。
研究成果以“Rats Sniff Off Toxic Air”为题发表（Just Accepted）在环境领域顶级期刊Environmental Sciences & Technology上 （https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b07592）。北大环境学院研究生陈灏轩和李心月为论文的共同第一作者，北大要茂盛教授为通讯作者。该项目主要得到国家自然科学基金委国家****科学基金（基金号21725701）与重大研究计划培育项目（基金号：91543126）的资助。