黑碳的健康效应及其在大气老化过程中的变化

Regional haze pollution is a big challenge and has attracted intense attention in China partially due to the health risks from high fine particle exposure. Black carbon or soot originated from incomplete combustion of fossil fuel and biomass is the important component of the atmospheric particulate matter. Recently, the exhaust (soot) from diesel engines was classified as carcinogenic (Group 1) to humans by the Word Health Organization. China is the largest contributor with a quarter of mass loading to the global emission of black carbon. Therefore, it is very urgent and important to investigate the health effects of black carbon from different emission sources in China. Additionally, black carbon is prone to undergo chemical aging such as heterogeneous oxidation by several oxidants (O3, OH, NOx, etc.) within its atmospheric lifetime, subsequently, its morphology, composition and toxicity should be changed. However, it has been poorly understood yet about the toxicological evolution with atmospheric aging for black carbon. The morphology, particle size, composition and toxicity (cytotoxicity and redox activity) will be investigated for black carbon emitted from mobile engine exhaust, coal combustion and liquid fuel combustion as well as commercial black carbon. The difference in the toxicity among black carbons from different sources will be discussed. Chemical aging by O3, OH, NO2 and light irradiation as well as the toxicological evolution will be further investigated. This study from the sources to processes and then to health effects will be helpful for understanding the health effects of atmospheric particles and the evolution in the atmosphere in China.

我国正面临着严峻的区域性大气颗粒物污染问题。颗粒物的健康效应是社会各界关注的焦点。来源于化石燃料和生物质不完全燃烧的黑碳是大气颗粒物的重要组成。世界卫生组织(WHO)已将其归为一类致癌物。我国向大气排放的黑碳占全球排放总量的四分之一，居世界第一位。研究我国各种来源的黑碳对健康的影响具有重要的现实意义。在大气中，黑碳可与其它污染物(O3, OH, NOx等)发生氧化反应等老化过程，导致黑碳的形貌、化学组成和毒性的变化。目前相关研究还非常有限。本项目将采集机动车尾气、燃煤燃烧、液体燃料燃烧和商品化黑碳，基于形貌、粒径、化学组成和细胞毒性等表征，研究各种来源黑碳的毒性及其毒性差异的化学本质，研究黑碳在大气中被O3、OH、NO2以及光老化过程，化学组成和毒性的变化规律。该研究从源到过程，再到健康效应的思路，对于认识我国大气颗粒物的健康效应及其在大气中的演变规律具有重要意义。

本项目采集或制备了燃煤燃烧、生物质燃烧、正己烷燃烧和商品化模型黑碳等黑碳样品，并利用透射电子显微镜、拉曼光谱仪、X-射线光电子能谱仪、热重差热扫描等多种手段系统表征了不同黑碳样品的形貌、组成和官能团等特征，发现不同来源的黑碳组成结构存在显著差异，从而导致其微观性质的差异，并可能是黑碳毒性存在一定差异的重要原因。研究发现，燃料类型、燃氧比是影响黑碳组成和结构的重要因素。高燃氧比导致黑碳中的有机碳高，且具有较高的不饱和度，同时元素碳一次碳颗粒的无序度较高。.研究了黑碳样品被臭氧氧化、与SO2、NO2和真实环境空气的老化过程。发现不同来源的黑碳对臭氧有显著摄取，同时在黑碳表面生成有机酸、醛酮等官能团。黑碳表面有机碳的不饱和度、元素碳的微观结构对臭氧反应活性有明显影响。高燃氧比条件下制备的黑碳，由于表面有机碳不饱和度高、元素碳的无序度较高而具有较强的臭氧反应活性。二氧化硫和氮氧化物在黑碳表面可生成硫酸盐和硝酸盐，真实大气老化过程既包含氧化过程也包含表面吸附或凝聚其他化合物的过程，其中表面硫酸盐和硝酸盐的生成也是重要的老化过程。.不同来源的黑碳都具有较高的DTT活性和明显的细胞毒性。研究表明黑碳样品进入人体后可产生较强的氧化性损伤。在大气传输过程中，氧化过程生成的羟基和羧基对黑碳的DTT活性和细胞毒性没有显著影响，而环氧化官能团可产生较强的DTT活性。考虑到实际在大气老化1周左右，OH和COOH是大气氧化过程生成的主要官能团，而环氧化官能团含量较低，因此氧化过程对黑碳氧化性损伤性能的影响不大。而经实际大气老化的黑碳，由于表面覆盖了低毒性的硫酸盐、硝酸盐和有机组分等，其DTT活性、细胞毒性都明显降低。单纯的SO2和NO2老化的黑碳进一步证实了表面覆盖硫酸盐和硝酸盐对黑碳DTT活性降低。因此，我们认为黑碳在大气传输过程老化会显著降低其健康风险。本研究对于认识黑碳在大气传输过程中的毒性变化具有重要意义。.项目执行期间发表和接受SCI论文4篇，在投论文2篇，会议论文2篇。培养博士研究生1名，硕士研究生2名。