京津唐城市群大气颗粒物的微观形貌、元素组成及毒理学研究

京津唐作为中国北方的大型城市群，随着经济高速发展，已经出现了严重的区域性复合型大气污染问题，经常出现的灰霾及沙尘暴天气更是对人们健康及日常生活交通等造成了很大的影响。本项目拟利用高分辨率的场发射扫描电镜（FESEM）及图像分析软件、透射电镜、电感耦合等离子质谱（ICP-MS）、X射线衍射矿物分析、质粒DNA 损伤实验等先进技术这一城市群的大气颗粒物的物理化学特征和生物活性进行研究，对比分析不同污染类型城市大气颗粒物(PM10/PM2.5/UFP)的毒性变化特征，结合颗粒物的微观形貌类型、粒度分布特征、有害元素及有机物组成等分析结果，提出导致颗粒物毒性强弱的原因。对灰霾及沙尘暴等极端天气条件下京津唐城市群及周边地区的区域性复合污染机理、污染物输送转化过程、颗粒物表面气-液-固相反应机理及其气候-健康效应进行调查。研究成果可为京津唐区域性细粒子及超细粒子污染控制及健康效应评价提供理论依据。

本项目利用高分辨率的场发射扫描电镜（FESEM）及图像分析软件、透射电镜（TEM）、电感耦合等离子质谱（ICP-MS）、质粒DNA 损伤实验等先进技术对京津唐城市群及周边华北地区的大气颗粒物(PM10和PM2.5)的物理化学特征、灰霾颗粒物混合状态、新粒子生成机理以及颗粒物生物活性进行研究，取得成果如下：. 1）完善和发展了单颗粒理化特征表征方法，提出单颗粒微观形貌及成因分类系统。将大气单颗粒分为三大来源类型：人为来源、地壳来源及生物来源，其中人为来源的颗粒又进一步分为烟尘集合体、飞灰、二次粒子、有机颗粒、金属颗粒和未知的超细粒子等类型，地壳来源的颗粒以规则的和不规则的矿物颗粒为主，生物来源的颗粒以孢子、花粉及细菌等为主。京津唐地区各城市大气颗粒物的各类单颗粒类型比例有明显不同。. 2）提出京津唐地区灰霾颗粒化学成分类型及灰霾颗粒成因机制，将内部混合颗粒分为核-壳结构、均相结构、粘贴型结构和表面膜结构等混合类型。霾在形成过程中不仅伴随有二次生成颗粒的颗粒质量和数量增加，而且一次排放的人为源颗粒也有明显增加，此外，一次排放的细颗粒多与二次硫酸盐及有机颗粒发生内部混合。北京地区的霾的化学组成显示与来自其南部地区的气团有关。. 3）在国内建立首家质粒DNA 损伤毒理学评价实验室，对燃煤排放PM10的氧化性损伤能力进行重点研究。发现燃烧散煤会比燃烧蜂窝煤排放更多的颗粒物，燃烧蜂窝煤排放的PM10比燃烧散煤排放的PM10具有更高的氧化性损伤能力，颗粒物的氧化性损伤能力与其所含的水溶性重金属元素有关，燃烧散煤比燃烧蜂窝煤的暴露风险大得多。. 4）将DNA 损伤的毒理学研究方法用于研究灰霾天PM2.5的氧化性损伤能力。灰霾天的As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, Se, Tl, 及Zn等11种水溶性重金属元素的质量浓度明显高于非灰霾天；灰霾天颗粒物的氧化性损伤能力明显高于非灰霾天；总的水溶性元素含量与氧化性损伤能力成正相关关系，水溶性的Zn、Cu、V、Co、Ni等重金属元素相关性最为明显；同时还发现水溶性重金属元素及氧化性损伤能力多聚集在粒径0.56–1.0 μm的颗粒物中。. 上述研究成果可为揭示华北地区灰霾颗粒的聚集机制及健康效应研究提供理论依据。