2024年藻类大量繁殖季节期间从宾夕法尼亚州湖泊中采集的生物源挥发性有机化合物

《ACS ES&T Air》：Biogenic Volatile Organic Compounds from Pennsylvanian Lakes Sampled during the 2024 Algal Bloom Season

本研究分析了2024年宾夕法尼亚州南部有害藻华期间18个湖泊样本的生物挥发性有机化合物（BVOCs）水-气交换通量，发现氨、吡咯啉和吡啶为高排放组分，且与叶绿素a及蓝藻浓度无线性关系。采用大气压水合氢化学电离质谱（CIMS）实时监测900种以上化合物，首次报道了水生环境中吡咯啉和吡啶的通量数据，揭示淡水系统在区域气溶胶形成中的潜在贡献。

　　这项研究聚焦于淡水生态系统中生物源挥发性有机化合物（BVOCs）的排放，特别是在有害藻华（HABs）发生时的排放情况。研究团队利用大气压下水合离子化质谱仪（CIMS）对来自宾夕法尼亚州西南部18个湖泊的样本进行了实验，捕捉了超过900种不同的化合物的实时排放数据。研究结果显示，氨（ammonia）、吡咯烷（pyrroline）和吡啶（pyridine）的排放通量在所有样本中都表现出最高的水平，而烷基胺（alkylamines）虽然浓度较低，但它们在大气中新粒子形成过程中扮演着重要角色。这些发现代表了首次对淡水系统中烷基胺、吡咯烷和吡啶的实时排放进行定量分析，为理解HABs对大气化学和空气质量的影响提供了新的视角。

研究发现，BVOCs的排放并不总是与叶绿素a（chl-a）和藻蓝蛋白（phycocyanin）浓度存在明显相关性，而这两者通常被用来代表藻类特别是蓝藻的浓度。这一结果表明，BVOCs的排放可能受到其他生物或化学因素的影响，而这些因素在本研究中并未被充分捕捉。通过主成分分析（PCA），研究人员识别出两个显著的异常样本，这些样本中氨、吡咯烷以及一个未知化合物（质量数为124.101）的浓度异常升高，但其背后的具体原因仍不清楚。其余样本的排放情况则相对一致，这说明大多数湖泊的BVOC排放具有相似的特征。

该研究对氨和烷基胺的排放进行了详细分析。实验结果显示，尽管chl-a浓度常被用作藻类生物量的指标，但氨和烷基胺的排放通量与chl-a浓度没有显著相关性。这表明，影响这些化合物排放的因素可能更为复杂，不仅限于藻类的生物量。此外，实验中还发现，这些化合物的排放通量与已知的水化学参数、藻类类型、地理位置以及采样时间等因素之间也缺乏明显的关联。因此，为了更准确地预测这些化合物的排放行为，还需要进一步研究其背后的生物和化学驱动因素。

研究还探讨了淡水湖泊与其他环境（如海洋）在BVOC排放方面的差异。由于海洋环境的广阔覆盖范围，目前关于海洋中BVOC排放的研究更为丰富，而淡水系统的排放则相对较少被关注。然而，淡水湖泊和河流可能对区域大气化学产生重要影响，特别是在人口密集或农业活动频繁的地区。本研究中，通过CIMS技术对淡水湖泊中多种BVOCs的排放进行测量，首次揭示了淡水系统在HAB期间排放氮化合物的实际情况，为未来在大气化学和空气质量研究中提供了重要的数据基础。

研究团队还对湖水中的多种化合物进行了分类，并讨论了它们的化学特性。例如，氨和烷基胺的排放可能受到温度、pH值和盐度等因素的影响。较高的温度通常会促进这些化合物的挥发，而较高的pH值则可能增加非离子化形式的比例，从而增强其向大气中的迁移。相比之下，吡咯烷和吡啶的排放模式则更为复杂，可能受到水体表面活性物质（如天然的表面活性层）的影响，而这些物质通常由有机物质和微生物分泌物组成。此外，研究中发现，某些化合物的排放表现出显著的时间依赖性，例如C3-胺在部分样本中在24小时内的浓度出现了显著上升，这可能与水体中的生物活动或表面活性层的变化有关。

在实验方法方面，研究团队采用了严格的水样采集和处理流程，以确保测量的准确性和可重复性。水样采集时，若观察到藻华现象，则直接从水面取样；若未观察到，则在多个区域采集并混合成复合水样。此外，实验过程中还采用了多种参数测量设备，如pH计、温度计、溶解氧检测仪等，以确保对水体环境的全面了解。在进行排放测量时，所有水样被置于一个经过清洁的28.5升聚四氟乙烯（PFA）涂层的不锈钢罐中，并与CIMS装置连接，以实时监测气体浓度和通量。为了排除背景干扰，实验前进行了24小时的零空气（zero air）冲洗，并在样本引入前测量了背景信号。

研究团队还特别关注了淡水系统中未被充分研究的化合物，例如质量数为124.101的未知化合物。尽管其在多个样本中表现出较高的排放通量，但其具体化学身份仍不清楚。研究认为，这种化合物可能与藻类的代谢过程有关，但需要进一步的实验和分析来确认。此外，实验中发现，一些化合物的排放模式可能受到多种因素的影响，包括水体的物理化学性质、微生物群落结构以及环境条件的变化。因此，为了更全面地理解这些化合物的排放机制，未来的研究应结合更详细的水体微生物分析和特定的代谢实验。

研究的结论强调了淡水系统在大气化学和空气质量中的重要性，特别是在HAB事件中。虽然目前对淡水系统中BVOCs的排放了解有限，但这些化合物可能在形成新粒子和二次有机气溶胶（SOA）方面发挥关键作用，进而影响云层形成和地球的辐射平衡。此外，氨和烷基胺的高反应性使其在大气中容易与其他酸性物质（如硫酸和硝酸）以及氧化剂（如羟基自由基）发生反应，生成更多的二次污染物。因此，理解这些化合物的排放模式对于评估其对环境和健康的影响至关重要。

本研究的局限性在于其实验条件无法完全模拟自然水体中的复杂环境变化，例如昼夜温度波动、风速变化、水体混合情况以及湿度影响等。因此，研究结果可能与实际环境中的排放情况存在差异。此外，由于未直接测量颗粒物浓度，氨和烷基胺可能通过新粒子形成过程被消耗，这一途径在本研究中并未被考虑。未来的研究应结合更多的现场实验和模型模拟，以更全面地评估这些化合物在大气中的行为和影响。

总的来说，这项研究为理解淡水系统在大气化学中的作用提供了新的数据和视角。通过分析不同湖泊在HAB期间的BVOCs排放情况，研究揭示了某些化合物（如氨、吡咯烷和吡啶）在淡水系统中的重要性，同时也指出了当前研究中仍存在的不足和未来需要进一步探索的方向。这些发现不仅有助于改善空气质量预测模型，还为研究生态系统与大气之间的相互作用提供了重要的科学依据。