据有文字记载的历史，人类早在2400年前就已意识到，户外空气质量欠佳可对健康造成危害。被誉为“西方医学奠基人”的古希腊医生希波克拉底（约公元前460 - 370年）在其著作《水、空气和地方》（希腊文原文：De aere aquis et locis；英译：Airs, Waters, and Places）中指出，所有类型的疾病都可能与空气质量欠佳有关，并记录下了自己所观察到的一个现象 — 在空气湿润、西风盛行的城市中，人们“可能因大气影响而嗓音比较低沉嘶哑，因为当地的空气通常不清洁而有害健康。”^[1] 此后两千年间，世界各国相继有文献记录当地的空气污染情况。^[2] 然而，直到18世纪，现代科学测量方法开始涌现后，人们才真正有能力揭开大气中气体和颗粒物的面纱，从而了解城市中心和工业区周边地带空气污染的真实状况。随着工业革命不断扩张，越来越多的地方出现空气质量恶化，最终导致了1952年伦敦烟雾这一标志性事件，造成数周内约12000人过早死亡。^[3] 伦敦和其他地区的严重空气污染事件，促使有关国家出台相应法律以控制污染，如英美两国相继于1956年和1963年颁布《清洁空气法案》。为保障公众健康，美国《国家环境空气质量标准》（NAAQS）对标准空气污染物设定了浓度限值，首批于1971年纳入监管的污染物包括臭氧、一氧化碳、二氧化硫和二氧化氮。Clair C. Patterson发现含铅汽油造成大气铅污染后，NAAQS又于1977年将铅纳入了监管范围。^[4,5] 

进入1990年代，耗费了数十年心血的哈佛大学“六城研究”终告完成，这一里程碑式的研究确立了细颗粒物（PM_2.5）污染与超额死亡之间的关联。此后，采用类似方法开展的环境流行病学研究，揭示了发达国家和发展中国家空气污染对人群健康的影响。自此，空气污染被确立为全球人口过早死亡的一大主因，而造成健康危害的空气污染物浓度远低于伦敦烟雾等重污染事件所观测到的。此类研究推动了世界各国进一步收紧空气质量标准，并将PM₁₀和PM_2.5纳入了监管范围。^[6] 得益于空气质量相关法规的实施和技术的进步，发达国家的空气污染水平在最近几十年里呈不断下降趋势。在过去二、三十年间，相关治理措施也成为中印等发展中国家的重要研究议题和政策焦点。近年来，中国研究人员开展的一系列大规模队列研究则显示，PM_2.5污染更为严重的发展中国家，PM_2.5暴露与有害健康结局之间存在着与发达国家显著不同的剂量-效应关系，PM_2.5污染处于中低水平的发达国家所推算出的风险评估值可能不适用于发展中国家。^[7,8] 这一重大差异促使研究人员不断探索其背后的一系列流行病学和毒理学问题。

据“全球疾病负担研究”的最新统计结果显示，2019年，空气污染是全球第四大过早死亡诱因，仅排在生活方式因素（即高血压、吸烟和不合理饮食）之后，是最大的环境风险因素，导致了全球667万人过早死亡。^[9] 越来越多的证据显示，空气污染在远低于以往认定的浓度水平时也可产生健康危害。^[10] 此外，城市交通中出行方式的变革正在全球上演，也使得人类面临交通源空气污染带来的潜在健康影响。过去两年间，新冠病毒肆虐全球，世界各国经历了前所未有的社会经济停摆，却以意想不到的方式让人们清晰地看到人类活动对大气环境的深刻影响，促使人们思考应当如何采取行动以改善空气质量。^[11-13]  在此背景下，我们在ES&T组织城市空气污染与人体健康特刊，旨在汇总该领域内多学科发展的最新成果，内容涵盖城市空气污染的来源、化学和微生物学特征、健康效应、消减与控制、以及相关政策分析。在特刊征稿期间，全球仍不断取得新的进展，其中最突出的便是世界卫生组织(WHO)于2021年9月针对主要空气污染物修订并发布了更为严格的指导值。^[14] 我们共收到350多份投稿，并从中精心挑选出52篇具代表性的论文。在此，我们以部分论文为例，提出若干前沿科学问题，冀与广大读者共同探讨。

随着法规完善和科技进步，发达国家的空气质量在近几十年不断提高。因此，有必要了解低浓度空气污染是否仍会造成健康危害，建立低浓度水平暴露与不良健康效应之间的剂量-效应关系。而这些问题恰恰是当前订立空气质量标准时所面临的不确定性之所在。Shi等人（点此阅读文章解读）的研究发现，PM_2.5 和二氧化氮在浓度低于美国 NAAQS 现行标准时，其长期暴露与老年人口死亡风险呈现线性剂量-效应关系且不存在明显的阈值。暴露于低浓度 PM_2.5、二氧化氮和暖季臭氧可导致死亡风险上升。这些研究结果使得人们重新思考现行标准在PM_2.5、二氧化氮和臭氧单一或者复合暴露情景下对公众健康是否具有足够的保护效力。另一方面，相关研究能够成功开展，得益于各类创新技术的兴起，特别是利用含有海量记录的健康数据库实现大空间尺度上的暴露评估与精细的统计分析。例如，由 Sun 等人（点此阅读文章解读）开发的贝叶斯神经网络框架，实现了臭氧在十年尺度上的高空间分辨率追踪，为长期暴露评估提供方法支撑。日渐成熟中的低成本传感器（如Yang 等人）与移动监测网络（如 Kerckhoffs 等人）网络，为大数据分析实时反馈高分辨率的空气质量数据，并为数据融合与降尺度提供可行方案，从而推动基于可解释深度学习的环境健康研究不断发展。

流行病学分析所得到的低暴露水平健康效应，引起了研究人员对于其生物学或毒理学机制方面的研究兴趣。尽管不少人认为毒理学机制的确认并非评估流行病学观察结果的必要条件，但毒理学机制对流行病学结果的合理性和因果关系的证据权重评估大有裨益。因此，需要开展更多真实环境条件下的体外或活体暴露研究。另一个亟待解决的问题，则是颗粒物毒性差异的根本原因，即厘清特定理化特征的贡献作用，这正是制定针对性环境污染控制策略的前提。美国于二十多年前启动的全国颗粒物组分毒性研究（NPACT）^[15]，结合了毒理学、流行病学和暴露评估研究，旨在确定和对比颗粒物中各组分的毒性。但最终的研究结果“未能提供强有力的证据，无法将任何特定的PM来源、组分或粒径排除在PM毒性贡献因素之外”，从而合理化了当前基于PM总质量浓度的监管方案。

然而，大气颗粒物中的不同组分，对暴露人群产生的危害是不可能完全相同的。研究人员也因此为找出PM最具健康危害效应的理化特性、组分及其来源而不懈努力着。^[16,17] PM_2.5是由化学与生物组分构成的复杂混合物，从多项流行病学研究的结果来看，PM_2.5暴露与不良效应间的剂量-效应关系是非线性的，这与单一污染物二氧化氮或臭氧的近线性剂量-反应关系有着明显差别，^[18] 说明同质量不同组分PM_2.5 的毒性差异。大量毒理学研究也表明，不同城市和不同来源的相同质量 PM_2.5 具有不同的毒性强度，并已对某些特定组分（如金属、多环芳烃）量化其对颗粒物整体毒性的贡献，从而部分解释了等质量 PM_2.5 的毒性强度分异。^[19,20] 在本特刊中，Colonna等人的综述总结了PM_2.5的毒性差异及其与污染物和组分的关系，若干研究论文报道了PM_2.5 特定组分、来源与各类健康结局之间的关联。Pond 等人借助美国《全国健康访问调查》，发现了元素碳、二次有机气溶胶以及车辆源排放是 PM_2.5致死的重要组分及来源。Han 等人、 Chen 等人、Song 等人的研究则表明，铜等重金属与多种健康结局或生物标志物存在关联。这些最新的毒理学和流行病学研究成果有力证明了，毒性组分的不同组合对PM_2.5的健康效应起了相当重要的作用。WHO建议将黑碳和超细颗粒物等特定成分纳入常规监测。^[14] Calderon-Garciduenas 和 Ayala 对超细颗粒物在神经退行性疾病发展方面所起的作用做了深度综述。然而，要建立基于组分和来源的管理框架，就需要厘清主导 PM_2.5 毒性的组分及其来源。我们很高兴地看到靶标和非靶标分析手段在不断发展，为揭示 PM_2.5的化学分子多样性（Ma等人）、定向筛查各类已知有害组分（Qiao等人）、阐明PM_2.5和其他污染物的来源（如Seltzer 等人、Hu 等人、Kong 等人、Hu 等人的研究）提供了有力的方法学支撑。

拆解毒性成分PM_2.5整体毒性的定量贡献，需要从复合毒性效应的视角出发，只有先厘清这一点，才能实现PM_2.5健康效应的精准溯源。要攻克这一难题，就需要大型科研计划的顶层设计，如中国国家自然科学基金委资助的“大气细颗粒物的毒理与健康效应”重大研究计划（2016-2024）（Wang等人）（点此阅读文章解读）。随着近年来环境毒理学和分子流行病学的不断发展，有望通过高通量体外效应导向分析、复合污染联合毒性计算预测、以及优化的活体与流行病学验证，来解决PM_2.5污染与公共健康之间的长期黑盒难题。而且需要从收益和成本两方面，进一步对比基于PM_2.5 毒性组分来源的治理框架与基于PM_2.5 质量浓度的现行框架，从而形成更有效、更经济的空气质量和公共健康管理方案。上述研究若能在PM_2.5 上获得成功，则可推广至日趋复杂的气体-颗粒物复合污染上，从而全面评估人体总呼吸暴露的健康效应，厘清关键毒性组分究竟是气态的还是颗粒态的、是化学性的还是生物性的。Carlston 等人和 Xie 等人（点此阅读文章解读）开展的研究，也促使其他研究人员持续关注 PM_2.5 中的微生物成分（如过敏原、病原体）与化学组分的交互作用。

伦敦烟雾事件等重大空气污染事件过去后的七十年里，大量发电厂和其他污染性工业被移出城市中心。此后，车辆排放成为城市空气污染的焦点。得益于清洁燃料和车辆更新迭代，与交通相关的空气质量得到了明显改善。然而，交通量的增长以及老旧车辆无管控的持续排放，仍是值得关注的问题。在用车辆大幅超限排放，导致各种问题层出不穷（例如Phantawesak 等人、Betancourt 等人的研究）。随着海运业与航运业迅猛发展，人们开始关注海港和机场附近居民的健康状况，尤其是经济社会地位相对较低、对空气污染健康危害易感的人群（如 Hudda 等人的研究）。新兴出行技术（如电动车和自动驾驶汽车）和服务（如优步）正在重塑北美、欧洲乃至全世界的城市交通。^[21] Hsieh 等人对中国向电动车过渡时的排放量、空气质量和公共健康影响进行了综合政策评估，分析结果显示，传统内燃机车排放主要源于汽油生产，而不是尾气排放；提高电动车普及率，尤其与清洁发电相结合后，可大幅改善空气质量并带来明显的健康收益。Farahani 等人发现，洛杉矶高速公路周边的 PM₁₀ 排放来源中，道路灰尘、轮胎和刹车磨损等非尾气排放贡献近半。上述研究均表明，向电动车过渡期间，尾气排放将大幅减少，非尾气排放则有可能成为路边空气污染的主要来源。因此，需运用全生命周期思维，才能有效解决向电动车和其他替代能源领域全面过渡时的空气污染问题。正如Fussell等人的综述所指，未来新趋势要求我们开展更多综合性、创新性的暴露与健康研究，为今后制定出台相关政策措施提供依据，最终消减有害暴露及其健康影响（如Bein等人、Cheng 等人、Tang 等人的研究）。另外值得一提的是，尽管本期特刊没有收录关于民用和商业能源（如烹饪、取暖）的文章，但其仍是发展中国家空气污染健康影响的一大重要来源。^[22] 因此，亟需发展针对空气污染与人体健康在室内外连续体上的全息评估方法，并出台民用清洁能源转型等相关政策措施。

(1) Jones, W. H. S., translator. Hippocrates (transl.), Vol. 1; Loeb Classical Library; W. Heinemann, Ltd,: London, UK, 1923. https://archive.org/details/hippocrates0000hipp/page/n7/mode/2up.

 (2) Fowler, D.; Brimblecombe, P.; Burrows, J.; Heal,M. R.; Grennfelt, P.; Stevenson, D. S.; Jowett, A.; Nemitz, E.; Coyle, M.; Liu, X.; Chang, Y.; Fuller, G. W.; Sutton, M. A.; Klimont, Z.; Unsworth, M. H.; Vieno, M. A. chronology of global air quality. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 2020, 378, 20190314.

 (3) Bell, M. L.; Davis, D. L. Reassessment of the lethal London fog of 1952: novel indicators of acute and chronic consequences of acute exposure to air pollution. Environ. Health Perspect. 2001, 109, 389−394.

 (4) Hirao, Y.; Patterson, C. C. Lead aerosol pollution in high Sierra overrides natural mechanisms which exclude lead from a food-chain. Science 1974, 184, 989−992.

 (5) Ericson, J. E.; Shirahata, H.; Patterson, C. C. Skeletal concentrations of lead in ancient Peruvians. N. Engl. J. Med. 1979,300, 946−951.

 (6) Dockery, D. W.; Pope, C. A.; Xu, X. P.; Spengler, J. D.; Ware, J. H.; Fay, M. E.; Ferris, B. G.; Speizer, F. E. An association between air pollution and mortality in six U.S. cities. N. Engl. J. Med. 1993, 329, 1753−1759.

 (7) Chen, R. J.; Yin, P.; Meng, X.; Liu, C.; Wang, L. J.; Xu, X. H.; Ross, J. A.; Tse, L. A.; Zhao, Z. H.; Kan, H. D.; Zhou, M. G. Fine particulate air pollution and daily mortality. A nationwide analysis in 272 Chinese cities. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2017, 196, 73−81.

 (8) Burnett, R.; Chen, H.; Szyszkowicz, M.; Fann, N.; Hubbell, B.; Pope, C. A.; Apte, J. S.; Brauer, M.; Cohen, A.; Weichenthal, S.; Coggins, J.; Di, Q.; Brunekreef, B.; Frostad, J.; Lim, S. S.; Kan, H. D.; Walker, K. D.; Thurston, G. D.; Hayes, R. B.; Lim, C. C.; Turner, M. C.; Jerrett, M.; Krewski, D.; Gapstur, S. M.; Diver, W. R.; Ostro, B.; Goldberg, D.; Crouse, D. L.; Martin, R. V.; Peters, P.; Pinault, L.; Tjepkema, M.; van Donkelaar, A.; Villeneuve, P. J.; Miller, A. B.; Yin, P.; Zhou, M. G.; Wang, L. J.; Janssen, N. A. H.; Marra, M.; Atkinson, R. W.; Tsang, H.; Quoc Thach, T.; Cannon, J. B.; Allen, R. T.; Hart, J. E.; Laden, F.; Cesaroni, G.; Forastiere, F.; Weinmayr, G.; Jaensch, A.; Nagel, G.; Concin, H.; Spadaro, J. V. Global estimates of mortality associated with long-term exposure to outdoor fine particulate matter. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2018, 115 (38), 9592−9597.

 (9) GBD 2019 Risk Factors Collaborators. Global burden of 87 risk factors in 204 countries and territories, 1990−2019: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet 2020, 396, P1223−P1249.

(10) Strak, M.; Weinmayr, G.; Rodopoulou, S.; Chen, J.; de Hoogh, K.; Andersen, Z. J.; Atkinson, R.; Bauwelinck, M.; Bekkevold, T.; Bellander, T.; Boutron-Ruault, M. C.; Brandt, J.; Cesaroni, G.; Concin, H.; Fecht, D.; Forastiere, F.; Gulliver, J.; Hertel, O.; Hoffmann, B.; Hvidtfeldt, U. A.; Janssen, N. A. H.; Jöckel, K. H.; Jørgensen, J. T.; Ketzel, M.; Klompmaker, J. O.; Lager, A.; Leander, K.; Liu, S.; Ljungman, P.; Magnusson, P. K. E.; Mehta, A. J.; Nagel, G.; Oftedal, B.; Pershagen,G.; Peters, A.; Raaschou-Nielsen, O.; Renzi, M.; Rizzuto,D.; van der Schouw, Y. T.; Schramm, S.; Severi, G.; Sigsgaard, T.; Sørensen, M.; Stafoggia, M.; Tjønneland, A.; Verschuren, W. M. M.; Vienneau, D.; Wolf, K.; Katsouyanni, K.; Brunekreef, B.; Hoek, G.; Samoli, E. Long term exposure to low level air pollution and mortality in eight European cohorts within the ELAPSE project: pooled analysis. BMJ. 2021, 374, n1904.

(11) Venter, Z. S.; Aunan, K.; Chowdhury, S.; Lelieveld, J. COVID-19 lockdowns cause global air pollution declines. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020, 117, 18984−18990.

(12) Laughner, J. L.; Neu, J. L.; Schimel, D.; Wennberg, P. O.; Barsanti, K.; Bowman, K. W.; Chatterjee, A.; Croes, B. E.; Fitzmaurice, H. L.; Henze, D. K.; Kim, J.; Kort, E. A.; Liu, Z.; Miyazaki, K.; Turner, A. J.; Anenberg, S.; Avise, J.; Cao, H.; Crisp, D.; De Gouw, J.; Eldering, A.; Fyfe, J. C.; Goldberg, D. L.;Gurney, K. R.; Hasheminassab, S.; Hopkins, F.; Ivey, C. E.; Jones, D. B. A.; Liu, J. J.; Lovenduski, N. S.; Martin, R. V.; McKinley, G. A.; Ott, L.; Poulter, B.; Ru, M. Y.; Sander, S. P.; Swart, N.; Yung, Y. L.; Zeng, Z. C. Societal shifts due to COVID-19 reveal large-scale complexities and feedbacks between atmospheric chemistry and

climate change. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021, 118, No. e2109481118.

(13) Kroll, J. H.; Heald, C. L.; Cappa, C. D.; Farmer, D. K.; Fry, J. L.; Murphy, J. G.; Steiner, A. L. The complex chemical effects of COVID-19 shutdowns on air quality. Nat. Chem. 2020, 12, 777−779.

(14) WHO. Particulate matter (PM_2.5 and PM₁₀), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide, and carbon monoxide.WHO Global Air Quality Guidelines; World Health Organization: Geneva, 2021.

(15) Lippmann, M.; Chen, L. C.; Gordon, T.; Ito, K.; Thurston, G. D. National Particle Component Toxicity (NPACT) Initiative: Integrated Epidemiologic and Toxicologic Studies of the Health Effects of Particulate Matter Components, Research Report 177; Health Effects Institute: Boston, MA, 2013.

(16) Li, X. D.; Jin, L.; Kan, H. D. Air pollution: a global problem needs local fixes. Nature 2019, 570, 437−439.

(17) Kelly, F. J.; Fussell, J. C. Toxicity of airborne particles established evidence, knowledge gaps and emerging areas of importance. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 2020, 378, 20190322.

(18) Liu, C.; Chen, R. J.; Sera, F.; Vicedo-Cabrera, A.M.; Guo, Y. M.; Tong, S. L.; Coelho, M. S. Z. S.; Saldiva, P.H. N.; Lavigne, E.; Matus, P.; Valdes Ortega, N.; Osorio Garcia, S.; Pascal, M.; Stafoggia, M.; Scortichini, M.; Hashizume, M.; Honda, Y.; Hurtado-Díaz, M.; Cruz, J.;  Nunes, B.; Teixeira, J. P.; Kim, H.; Tobias, A.; Íñiguez, C.; Forsberg, B.; Åström, C.; Ragettli,M.; Guo, Y. L.; Chen, B. Y.; Bell, M. L.; Wright, C. Y.; Scovronick, N.; Garland, R. M.; Milojevic, A.; Kysely,́ J.; Urban, A.; Orru, H.; Indermitte, E.; Jaakkola, J. J. K.; Ryti, N. R. I. K.; Analitis, A.; Zanobetti, A.; Schwartz, J.; Chen, J. M.; Wu, T. C.; Cohen, A.; Gasparrini, A.; Kan, H. D.; et al. Ambient particulate air pollution and daily mortality in 652 cities. N. Engl. J. Med. 2019, 381, 705−715.

(19) Jin, L.; Xie, J. W.; Wong, C. K. C.; Chan, S.; Abbaszade, G.; Schnelle-Kreis, J.; Zimmermann, R.; Li, J.; Zhang, G.; Fu, P. Q.; Li, X. D. Contributions of city-specific fine particulate matter (PM2.5) to differential in vitro oxidative stress and toxicity implications between Beijing and Guangzhou of China. Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 2881−2891.

(20) Wu, D.; Zheng, H.; Li, Q.; Jin, L.; Lyu, R.; Ding, X.; Huo, Y. Q.; Zhao, B.; Jiang, J. K.; Chen, J.M.; Li, X. D.;Wang, S. X. Toxic potency-adjusted control of air pollution for solid fuel combustion. Nat. Energy 2022, 7, 194−202.

(21) Hancock, P. A.; Nourbakhsh, I.; Stewart, J. On the future of transportation in an era of automated and autonomous vehicles. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.  2019, 116, 7684−7691.

 (22) Lelieveld, J.; Evans, J. S.; Fnais, M.; Giannadaki, D.; Pozzer, A. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale. Nature 2015, 525, 367−371.

 (23) Zhang, Q.; Jiang, X. J.; Tong, D.; Davis, S. J.; Zhao, H. Y.; Geng, G. N.; Feng, T.; Zheng, B.; Lu, Z. F.; Streets, D. G.; Ni, R. J.; Brauer, M.; van Donkelaar, A.; Martin, R. V.; Huo, H.; Liu, Z.; Pan, D.; Kan, H. D.; Yan, Y. Y.; Lin, J. T.; He, K. B.; Guan, D. B. Transboundary health impacts of transported global air pollution and international trade. Nature 2017, 543, 705−709.

(24) Lane, H. M.; Morello-Frosch, R.; Marshall, J. D.; Apte, J. S. Historical redlining is associated with present-day air pollution disparities in U.S. cities. Environ. Sci. Technol. Lett. 2022, 9, 345-350

(25) Gardner-Frolick, R.; Boyd, D.; Giang, A. Selecting data analytic and modeling methods to support air pollution and environmental justice investigations: A critical review and guidance framework. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 2843−2860.