利用呼出气体冷凝物进行非侵入性焊接烟雾暴露评估

《Environmental Research》：Non-invasive Welding Fumes Exposure Assessment using Exhaled Breath Condensate

焊接烟尘暴露与呼出气冷凝物中金属浓度关联性研究。通过对比33名焊工与30名非暴露者的EBC金属水平，发现铁、镍、锰、钴和铬的浓度显著升高，且与累积暴露指数正相关。性别和吸烟习惯是主要预测因素，稀释处理影响检测精度。研究证实EBC可作为非侵入式生物标志物评估短期高暴露风险，但需优化检测方法。

　　

作者：Ata Rafiee、David S. Wishart、Shelby S. Yamamoto、Emily Quecke、Dariya Sadovska、Bernadette Quémerais 所属机构：加拿大阿尔伯塔大学医学院，埃德蒙顿，AB省

引言

焊接是一种技术工艺，其应用范围涵盖多个工业领域，如石油化工、锅炉制造和建筑行业（Zhang等人，2013年）。焊接工艺在工业领域中被广泛使用，其中气体保护金属电弧焊（GMAW）是最常用的焊接方法（Hulo等人，2014年）。焊工及相关从业人员会接触到超过职业暴露限值的焊接烟雾（Dueck等人，2021年；Flynn和Susi，2012年；Korczynski，2000年；St. Pierre，2018年）。已有充分证据表明，这种暴露会增加焊工患呼吸系统疾病的风险（Guha等人，2017年；Loomis等人，2022年）。研究发现，焊工的肺组织中存在高浓度的纳米颗粒，这些颗粒会损害肺部功能（Andujar等人，2014a）。此外，专业焊工接触焊接烟雾还与心血管疾病和DNA损伤增加有关（Ibfelt等人，2010年；Rafiee等人，2022a）。 目前，焊接烟雾的暴露程度主要通过检测尿液和血液中的金属含量来评估（Arrandale等人，2014年；Baker等人，2016年；Bertram等人，2015年；Ellingsen等人，2017年；Galarneau等人，2022年；Pesch等人，2012年）。然而，研究表明，尿液和血液可能无法准确预测锰（Mn）和镍（Ni）的暴露情况，尽管它们在预测铬（Cr）的暴露程度方面表现较好（Arrandale等人，2014年；Baker等人，2016年；Bertram等人，2015年；Ellingsen等人，2017年；Pesch等人，2012年）。虽然尿液和血液可以作为评估急性及慢性焊接烟雾暴露的实用生物样本，但它们无法提供关于金属在呼吸系统（尤其是肺组织）中积累的信息，而这些金属的积累可能导致氧化损伤和炎症，进而引发焊工的肺部疾病（Felix等人，2013年）。 呼出气体冷凝物（EBC）已被广泛用于检测驾驶员体内的酒精含量（Ljungblad等人，2017年；Pham和Beauchamp，2021年），以及评估环境和职业暴露引起的炎症和氧化应激（Bakali等人，2024年；Gong等人，2013年）。EBC主要由水蒸气组成，其中一小部分来自含有挥发性和非挥发性成分的上呼吸道（Horváth等人，2017年）。此外，有研究指出吸入的焊接烟雾会沉积在呼吸道黏膜液（RTLF）中（Bredberg等人，2014年）。因此，检测EBC可以提供有关焊接烟雾暴露后金属在呼吸系统中吸收情况的有用信息。对于通过吸入途径进入体内的颗粒物，沉积在呼吸道的部分取决于颗粒大小，其余颗粒会随呼气排出（Bailey等人，2007年）。焊接烟雾的空气动力学直径中值在0.1至1微米之间（Fuglsang等人，2011年）。根据国际辐射防护委员会的数据，直径在0.1至1微米之间的颗粒中有不到50%会沉积在呼吸道中，这意味着50%的颗粒会被呼出（国际辐射防护委员会，1994年）。由于焊接烟雾颗粒的溶解度较低，它们容易在肺部积累（Andujar等人，2014b），因此可以在EBC中检测到这些颗粒。 总体而言，使用EBC进行职业暴露评估是一种有趣的方法，因为它是一种非侵入性技术，且相比尿液和血液等其他生物样本，其中含有较少的干扰成分（如蛋白质和脂质），这些成分可能会影响金属的检测结果（Gube等人，2010年；Hoffmeyer等人，2012b；Hulo等人，2014年；Leese等人，2023年；Morton和Leese，2023年）。此外，EBC中的金属具有化学稳定性，以元素形式存在，从而避免了分子分解（Fox等人，2013年）。然而，目前关于利用EBC中的金属含量作为焊接烟雾暴露生物标志物的研究还较为有限（Hoffmeyer等人，2011年；Hulo等人，2014年；Leese等人，2017年；Riccelli等人，2018年）。在一项针对德国工业焊工的研究中，发现焊工的EBC样本中铁和镍的浓度高于未暴露组。研究未发现吸烟对焊工EBC样本中金属含量有显著影响（Hoffmeyer等人，2011年）。Hulo等人（2014年）报告称，焊工EBC中的锰和镍含量与累积暴露指数呈正相关。此外，少数研究还观察到下班后EBC中的钴和铬含量比上班前有所增加（Goldoni等人，2004年；Leese等人，2023年）。然而，这些发现基于的研究样本量有限，因此需要进一步验证。 鉴于目前对使用EBC评估焊接烟雾暴露潜在益处的认识不足，我们旨在探讨EBC中的金属含量是否可以作为焊接烟雾暴露的生物标志物。此外，我们还研究了不同暴露环境下焊工EBC中的金属含量，以及不同因素对EBC中金属含量的影响。

参与者招募

参与者由加拿大锅炉制造商协会的健康与安全总监协助招募。所有参与者来自加拿大阿尔伯塔省和萨斯喀彻温省的多家锅炉制造商焊接车间及一家矿业设施，招募时间介于2021年9月至2022年9月之间。未暴露组的参与者则来自焊接车间的健康与安全专业人员以及阿尔伯塔大学埃德蒙顿分校的研究生。所有焊工均属于相关行业。

参与者特征及焊接烟雾暴露情况

我们共招募了33名焊工，其中包括5名女性和11名吸烟者，以及30名未暴露的参与者（其中9名为吸烟者）。表1详细列出了参与者的信息。焊工的平均年龄为36岁（范围：27–64岁），未暴露组的平均年龄为31岁（范围：23–48岁）。焊工组的平均BMI为29±6，未暴露组的平均BMI为25±4。仅有三分之一的焊工为吸烟者。

讨论

本研究旨在探讨将EBC中的金属含量作为焊接烟雾暴露生物标志物的可行性。总体而言，采样滤膜中检测到的金属浓度低于以往研究的结果（Dueck等人，2021年；Flynn和Susi，2010年；Hassani等人，2012年；Hobson等人，2010年；Pesch等人，2012年）。卡尔加里和埃德蒙顿的Boilermaker Lodge 146焊接车间的焊接工作间配备了高效的通风系统，有效降低了焊工的暴露风险。

结论

本研究揭示了利用EBC中的金属含量作为焊接烟雾暴露生物标志物的优势与挑战。结果表明，EBC是一种非侵入性且易于采集的生物样本，适用于评估短期焊接烟雾暴露情况，尤其是在高暴露环境下。我们还研究了不同的暴露场景，并确定了影响焊工上班前后EBC中金属含量的主要因素。

作者贡献声明

David S. Wishart：撰写、审稿与编辑、概念设计 Shelby S. Yamamoto：撰写、审稿与编辑、验证、数据管理 Ata Rafiee：撰写初稿、数据可视化、数据分析、数据管理、概念设计 Bernadette Quémerais：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、方法论设计、数据管理、概念设计 Emily Quecke：数据管理

利益冲突声明

作者声明：他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了WorkSafe BC Innovation at Work（项目编号RS2019-IG02）的资助。作者感谢Jason McInnis（加拿大锅炉制造商协会健康与安全总监）和Jared Bradley（Boilermaker Lodge 146焊接中心协调员及焊接检验员）在项目实施过程中的支持。