密闭环境暴露组学与
人体效能研究
许硕贵 王 川 王子莹 方晶晶 主 编
出版社
北 京
内容简介
本书介绍了国内外环境暴露组学的总体研究情况，重点描述了：密闭环境暴露有害因素、内暴
露和外暴露采样技术、环境暴露组学的分析方法、环境暴露组学的分子实验技术及统计方法、基于多
种生物样本的暴露标志物分析、环境暴露组学的可穿戴设备开发应用以及多组学技术和精准医疗等内
容。内容翔实，实用性强，有助于预防医学和公共卫生管理人员、各类职业卫生专业人员掌握环境暴
露组学的相关知识，提高对环境暴露危险因素的风险评估和控制。也可供预防医学、公共卫生学以及
卫生管理专业本科和研究生使用。
版权所有，侵权必究。举报：010-62782989，beiqinquan@tup.tsinghua.edu.cn。
图书在版编目（CIP）数据
密闭环境暴露组学与人体效能研究/许硕贵等主编．
北京：清华大学出版社，2024.6. --ISBN 978-7-302
-66443-7
Ⅰ．X503
中国国家版本馆 CIP数据核字第 2024RS8760号
责任编辑：肖 军
封面设计：钟 达
责任校对：李建庄
责任印制：沈 露
出版发行：清华大学出版社
网 址：https://www.tup.com.cn，https://www.wqxuetang.com
地 址：北京清华大学学研大厦
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印装者：三河市龙大印装有限公司
经销：全国新华书店
开本：185mm×260mm印 张：17.25字 数：350千字
版次：2024年 6月第 1版印 次：2024年 6月第 1次印刷
定价：198.00元
产品编号：
107894-01
主 编 简 介
主任医师，教授，医学博士，博士＆博士后导师。上海长海
医院战创伤急救中心执行主任兼创伤骨科主任，急诊医学＆创伤
骨科学科带头人。全军科技领军人才、学科拔尖人才，上海市医
学领军人才。负责的海军特殊作业环境人体效能增强技术创新团
队入选“首批海军高端科技创新团队”，海军院士培养对象。兼任
中国医师协会急诊分会副会长、解放军急救专业委员会副主任委
员、上海市医学会急诊专科分会副主任委员。长期从事急性伤病的
临床诊疗与基础科研，以第1完成人获得国家科技进步二等奖1项
、军队科技进步一等奖1项（2014）、上海市科技进步一等奖
；主编专著4部，以第一＆通讯作者共发表论文162篇，
其中SCI论文77篇，授权专利101项，其中发明专利13项，转化后
临床应用获CFDA批件9个（Ⅲ类证7个）。2014年荣立个人二等功
许硕贵
主 编 简 介
主任医师，教授，医学博士，博士＆博士后导师。上海长海
医院战创伤急救中心执行主任兼创伤骨科主任，急诊医学＆创伤
骨科学科带头人。全军科技领军人才、学科拔尖人才，上海市医
学领军人才。负责的海军特殊作业环境人体效能增强技术创新团
队入选“首批海军高端科技创新团队”，海军院士培养对象。兼任
中国医师协会急诊分会副会长、解放军急救专业委员会副主任委
员、上海市医学会急诊专科分会副主任委员。长期从事急性伤病的
临床诊疗与基础科研，以第1完成人获得国家科技进步二等奖1项
、军队科技进步一等奖1项（2014）、上海市科技进步一等奖
；主编专著4部，以第一＆通讯作者共发表论文162篇，
其中SCI论文77篇，授权专利101项，其中发明专利13项，转化后
临床应用获CFDA批件9个（Ⅲ类证7个）。2014年荣立个人二等功
许硕贵
（2016）
1项（2013）
一次。
II
博士，副研究员，硕士生导师，主要从事航海人因工程与特殊
环境作业人员人体效能增强技术研究。担任分子神经生物学教育部
重点实验室副主任，航海人因工程实验平台负责人。中国人类工效
学学会理事兼生物力学专业委员会副主任委员，中国系统工程学会
人-机-环境系统工程专业委员会副秘书长，浙江大学兼职副教授。
入选“首批海军高端科技创新团队”。海军特色医学中心“科技创
新卓越人才”培养对象。主持国家自然科学基金面上项目、国家科
技部重点研发计划、中央军委及海军主管的军事课题、国家重大武
器装备型号科研项目、军民融合项目等各类课题20余项。主持制定
军用标准4项。授权国家发明专利7项、实用新型专利5项、软件著
作权登记11项。主编《生物节律与神经认知》《航海作业中的环境
行为学》《装备人因工程》《密闭环境作业人员健康风险评估》等4
部著作，发表SCI和EI论文40余篇。多次执行深海密闭空间水下长
远航重大军事任务。先后组织完成多批次多人次“潜艇环境模拟舱
大型人体封舱试验”，被央视CCTV-7，央广网、央广军事、中国军
事网、国防时空及《人民海军报》等多家权威媒体报道。2022年完
成国内首次“潜艇环境模拟舱艇员生物节律紊乱调控干预大型人体
试验”，被《科技日报》和《人民海军报》报道。获教育部和中央
军委联合举办的“源创杯”创新创意大赛全国一等奖。
王川
密闭环境暴露组学与人体效能研
究
博士，助理研究员，从事航海特殊环境人因优化与作业工效提
升技术研究。航海人因工程研究团队核心骨干，入选“首批海军高
端科技创新团队”。现任分子神经生物学教育部重点实验室核心骨
干暨认知障碍干预研究方向负责人，中国人类工效学学会生物力学
专业委员会委员，《装备环境工程》审稿人。主持上海市军民融合
项目（省部级）1项、中央军委课题4项、海军课题1项、教学成果
培育项目1项。参与制定军用标准3项。参加中央军委及海军各类
军事课题10余项。多次赴海军一线部队参加重大武器装备演习演训
任务，撰写的多篇建议报告被机关采纳。以第一作者和通讯作者发
表SCI论文10余篇(其中3篇影响因子＞10分)，EI论文7篇，核心
期刊5篇。授权发明专利4项，实用新型专利2项、软件著作权登记
7项。编写著作4部。获军队“四有”优秀文职表彰。
王子莹
博士，助理研究员，从事航海特殊环境人因优化与作业工效提
升技术研究。航海人因工程研究团队核心骨干，入选“首批海军高
端科技创新团队”。现任分子神经生物学教育部重点实验室核心骨
干暨认知障碍干预研究方向负责人，中国人类工效学学会生物力学
专业委员会委员，《装备环境工程》审稿人。主持上海市军民融合
项目（省部级）1项、中央军委课题4项、海军课题1项、教学成果
培育项目1项。参与制定军用标准3项。参加中央军委及海军各类
军事课题10余项。多次赴海军一线部队参加重大武器装备演习演训
任务，撰写的多篇建议报告被机关采纳。以第一作者和通讯作者发
表SCI论文10余篇(其中3篇影响因子＞10分)，EI论文7篇，核心
期刊5篇。授权发明专利4项，实用新型专利2项、软件著作权登记
7项。编写著作4部。获军队“四有”优秀文职表彰。
王子莹
主编简
介
密闭环境暴露组学与人体效能研
究
博士，副研究员，硕士生导师，主要从事舰艇环境有害物质检
测及控制、非金属材料安全评价研究。兼任国家教育部学位中心学
位论文评审专家，中华医学会航海医学分会常任理事，上海人工智
能学会副秘书长。承担国家自然科学基金、国家工信部、军队重点
科研项目及上海市重点课题10余项，主持修订国家军用标准30余
项；获军队科技进步二等奖2项、三等奖5项、授权发明专利8项、
实用新型专利10项。享受军队优秀专业技术人才三类岗位津贴，
海军高新工程关键技术岗位津贴。主编专著1部，发表论文50余
篇。担任Waste Manegement、Journal of the Air & Waste Management
Association、Journal of Chenical Technology & Biotechnology、安全
与环境学报、环境工程学报等十余家国际国内学术期刊审稿人。
方晶晶
编 委 会编 委 会
主 编：许硕贵 王 川 王子莹 方晶晶
副主编：王志鹏 姚向辉 彭 军 王 建
吕 凡 林本成 税光厚
编 委：（按姓氏笔画排序）
王小军 王宝成 王晓茜 丰 斌 石 玥
卢东源 田 蕾 吕 薇 刘 璇 刘晨曦
刘焕亮 李 康 杨 桦 来文庆 吴廉巍
何品晶 张亚萍 张雅宣 张皓宇 陈东宾
赵广宇 周运超 姚 远 聂慧鹏 徐浩丹
高忠峰 康心悦 程航涛 谭 伟
序 一 序 一
密闭工作环境包括封闭式驾驶室、封闭隔间、密闭车厢、飞机、潜艇、航天飞船
等空间。与大气环境或一般室内环境相比，密闭环境中含有更高浓度的有害物质，环
境暴露对人体造成的危害更大。暴露有害因素包括化学有害物质、物理有害物质和其
他有害物质。环境污染物的暴露会导致遗传毒性、代谢紊乱和各种疾病风险。研究环
境污染物暴露的毒性作用机制和影响过程，是评估其健康风险、制定相应管控策略的
基础。
人可能会有在密闭环境中连续数小时乃至数天、数月的职业暴露，或是特定情况
下紧急暴露的情形，因此需要根据特定密闭环境筛选出一定时间内的暴露指导污染物。
人体生物样本是分析人体环境暴露程度的有效途径之一。通过分析样本中的代谢产物
等生物标志物，可获取个体及群体暴露化学环境的种类、水平以及变化趋势。随着高
通量检测技术的发展，组学手段在环境暴露领域得到广泛应用，研究人员利用组学手
段（如基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）来研究环境暴露导致的生物学
变化，揭示复杂的生物学相互作用和信号转导过程。
环境暴露组旨在评价整个生命过程环境因素对机体疾病和健康状态的综合影响，
因此如何系统和全面考察复杂暴露组样本中所有与环境暴露相关的标志物是环境暴露
组学的关键点。暴露组学分析样本覆盖水、空气、土壤、灰尘、植物、食品、人类样
本等，其分析的目标成分包括全氟、多氟烷基物质，水中残留的药物，土壤中残留的
杀虫剂、多环芳香族化合物，空气中挥发性、半挥发性有机物，灰尘中的阻燃剂，食
品包装和人体内的塑化剂、杀虫剂和卤代化合物等。气、液相质谱分析等技术在暴露
组的定性和定量分析方面相对成熟，并且具有高覆盖度、高精度、高灵敏度和高通量
的特点。目前组学分析的研究趋势是开展多组学等联合分析以获得全面、深度的综合
信息。
该书主编许硕贵教授、王川副研究员和王子莹助理研究员来自海军特殊环境作业
人体效能增强创新团队。该团队一直从事特殊环境作业人群人体效能增强技术研究，
近年来主持承担国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、军委和海军
人体效能增强研究领域重大、重点及专项课题研究任务，并多次深入基层一线部队调
研和授课辅导。组织开展了多批次、多人次模拟深海密闭空间水下长远航人体试验等
多项专题研究，熟练掌握深海密闭空间作业人员的作业任务、工作环境、空间布局、
生活保障、昼夜节律、作业工效的变化特点和规律。
2021年以来，该团队在深海极端
环境模拟舱开展人体封舱试验，累计
270余昼夜，被中央电视台
CCTV-7、央广军事、
中国军视网、央广网、国防时空、人民海军报等多家权威媒体报道转载。
2022年组织
完成国内首次“潜艇环境模拟舱艇员生物节律紊乱调控干预大型人体试验”，该试验是
VIII
国内首次利用LED光照技术开展潜艇艇员生物节律紊乱调控干预，开展“关联机制研
究—关键技术突破—实际效应评估”的全系统和全链条研究，完成
LED光谱生物节律
干预样机研发和模拟试验验证，实现对潜艇艇员睡眠障碍等节律紊乱症状的精准干预，
填补国内空白。
2023年团队开展多批次水下长航任务，国内首次构建密闭空间长远航
作业人员人体效能深度表征体系。荣获首届海军高端科技创新团队。
随着科学技术的迅速发展，基因表达分析已成为环境暴露组学研究中最为常用的
手段之一。利用微阵列技术、
RNA定量PCR以及RNA测序可以检测环境暴露物引起的
基因表达谱和转录本的变化，从而预测其潜在的生物学功能和毒理学作用。
DNA甲基
化分析和染色质免疫沉淀等技术可用于检测环境化学物质导致的表观遗传学变化，探
究其表观遗传调控作用机制。此外，蛋白质组学和代谢组学可以分析环境暴露样品中
的蛋白质和代谢物变化，以揭示功能和代谢的重塑过程。系统生物学方法则试图整合
多组学数据，构建环境暴露的网络模型，深入理解复杂的生物学机制。环境暴露领域
多组学和系统生物学研究可以为研究环境健康影响和相关疾病机制提供全新的视角。
本书不仅系统阐述了密闭环境暴露有害因素、暴露采样技术、环境暴露组学分析
方法、环境暴露组学分子实验技术及统计方法、暴露标志物分析，还进一步介绍了环
境暴露组学可穿戴设备开发应用以及多组学技术和精准医疗的研究进展。本书以理论
知识和研究实践为基础，深入浅出，聚焦前沿，衷心希望本书的出版能对暴露组学及
密闭环境人体效能领域的学者、从业人员和广大读者在理论和实践上有所裨益，并为
推动密闭环境暴露组学与人体效能的研究发展带来深远影响。
密闭环境暴露组学与人体效能研
究
中国工程院院士
2024年2月于北京
序 二序 二
健康的奥秘是人类永恒的谜题。健康是维持完整生理机能的动态平衡状态以及对
环境的充分反应和良好适应力。经典的生物医学研究侧重于确定遗传病因并阐明从健
康到疾病转变的致病机制，基因组学的发展革命性地促进了人类对健康和疾病的理解。
但是，虽然基因组学研究揭示了大量健康和疾病相关的基因及其相互作用调控网络，
依然远远不能完全阐明任一复杂性疾病的发生发展机制。事实上，目前单纯遗传因素
只能解释人类疾病病因的一小部分，因为对于大多数复杂性疾病而言，生活方式、化
学物质接触、环境污染、病原体感染、辐射等各种外源性因素与基因相互作用共同影
响着疾病的发生发展过程。
2005年，癌症学家
Christopher Wild首次提出了与基因组相
对应的“暴露组（
exposome）”概念，指生物体全生命过程中接触的所有环境暴露物，
用来代表健康和疾病的非遗传性环境驱动因素。此后，暴露组被进一步定义为全生命
过程中的环境暴露及其导致生物学效应的总和，包括体内暴露，如代谢、激素水平、
肠道菌群、炎症水平、氧化应激和衰老等；环境暴露，如化学暴露、生物暴露、辐射
暴露等；社会人文暴露，如职业、教育、社会地位、心理压力等。
与大规模广泛应用的基因组学研究相比，暴露组学方兴未艾。暴露组学研究面临
的最大挑战在于如何将环境因素对生物体的影响转化成可切实测量的表征。非遗传环
境因素具有超乎想象的多样性，并随着时间推移不断动态变化，例如，世界上绝大多
数化学物质未被人类定义，而新兴化学物质还在不断产生，单就数千万乃至上亿种化
学物质暴露来讲，暴露组学的数据采集和处理就面临巨大挑战。暴露组学研究更重要
的挑战，在于解析暴露组与生物体基因之间复杂的相互作用，建立暴露组与健康和疾
病之间的因果联系。随着技术的进步，利用高分辨率质谱分析、传感器、图像采集设
备、可穿戴设备、单细胞技术、多组学技术、生物信息学、生物统计学等手段，可以
实现对暴露组的检测，逐步系统地绘制暴露组图谱。
许硕贵教授主编的《密闭环境暴露组学与人体效能研究》恰逢其时。该书详细介
绍了国内外环境暴露组学的总体研究情况、最新进展水平和未来发展前景，共分为密
闭环境暴露有害因素、内暴露和外暴露采样技术、环境暴露组学的分析方法、境暴露
组学的分子实验技术及统计方法、基于多种生物样本的暴露标志物分析、环境暴露组
学的可穿戴设备开发应用以及多组学技术和精准医疗等七个章节。全书内容翔实，实
用性强。本书的问世有助于预防医学和公共卫生管理人员、各类职业卫生专业人员掌
握暴露组学这个新兴领域的相关知识，提高对环境暴露危险因素的认识，并指导其进
行风险评估和控制，保障人员的安全和健康，提升社会的公共安全性。此外，本书可
指导环境卫生专业人员对密闭环境的暴露开展健康风险评估，也可作为预防医学、公
共卫生学以及卫生管理专业的相关专业的本科和研究生的参考书使用，帮助他们全面
了解环境暴露组学的研究内容和技术装备。期待未来有更多科研人士和青年才俊加入
到该领域的研究中，相信许硕贵教授带领的海军特殊环境作业人体效能增强创新团队
在相关领域能产出更多重要科研成果。
密闭环境暴露组学与人体效能研
究
专业技术少将
军事科学院军事医学研究院
2024年3月于北京
目 录目 录
第一章 密闭环境暴露有害因素.........................................................................................................1
第一节 密闭环境化学有害物质...................................................................................................3
第二节 密闭环境物理有害物质.................................................................................................33
第三节 密闭环境生物有害物质.................................................................................................38
第二章 内暴露和外暴露采样技术 ..................................................................................................43
第一节 外暴露环境的空气采样技术........................................................................................43
第二节 内暴露环境的生物样本采集技术 ..............................................................................52
第三节 样品的运输和保存技术.................................................................................................60
第四节 样品的质量控制程序......................................................................................................68
第三章 环境暴露组学的分析方法 ..................................................................................................78
第一节 环境暴露组学的气相质谱分析方法..........................................................................78
第二节 环境暴露组学的液相质谱分析方法..........................................................................86
第三节 环境暴露组学的离子迁移谱分析方法...................................................................100
第四节 环境暴露组学的其他分析方法.................................................................................104
第四章 环境暴露组学的分子实验技术及统计方法.............................................................. 119
第一节 环境暴露组学的基因分析方法................................................................................. 119
第二节 环境暴露组学的蛋白分析方法.................................................................................129
第三节 环境暴露组学的单细胞分析技术 ............................................................................151
第四节 环境暴露组学的其他分子生物学方法...................................................................160
第五节 环境暴露组学的统计方法 ..........................................................................................170
第五章 基于多种生物样本的暴露标志物分析........................................................................184
第一节 暴露生物学标志物的概念 ..........................................................................................184
第二节 暴露生物学标志物的分类 ..........................................................................................185
第三节 暴露生物学标志物的用途 ..........................................................................................200
第四节 大气污染物的暴露标志物 ..........................................................................................201
第六章 环境暴露组学的可穿戴设备开发应用........................................................................207
第一节 可穿戴设备相关政策分析 ..........................................................................................207
第二节 可穿戴设备穿戴方式分类 ..........................................................................................224
XII
第三节 可穿戴设备研究的发展阶段......................................................................................226
第四节 智能可穿戴设备在环境暴露组学方面的应用.....................................................229
第七章 多组学技术和精准医疗.....................................................................................................234
第一节 多组学联用的系统生物学方法.................................................................................234
第二节 环境暴露组学数据和机器学习方法........................................................................245
第三节 多组学联用和精准医疗...............................................................................................254
密闭环境暴露组学与人体效能研
究
