中国东南沿海地区按粒径分类的颗粒物氧化潜力受季节性来源变化的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Seasonal Source Shifts Drive Oxidative Potential of Size-Resolved Particulate Matter in Coastal Southeastern China

　　

摘要

在沿海季风过渡地区，环境中的颗粒物氧化毒性日益受到重视，因为长距离传输和大气老化会迅速改变颗粒物的组成与反应性。为此，我们在2024年至2025年间，对中国东南部的城市周边丘陵地区以及沿海低地地区采集了按尺寸分类的颗粒物（PM_0.4–10），旨在研究氧化潜力及环境持久性自由基的季节性变化规律。研究结果表明，颗粒物化学组成的季节性变化以及不同来源物质的贡献，会导致氧化活性和自由基生成的显著变化——与沿海低地地区相比，城市周边丘陵地区的OP^DTT值以及由EPR产生的自由基含量更高，这说明在受内陆影响更强的环境下，颗粒物的氧化毒性更强。此外，两个采样点的EPFR特征也存在差异：沿海地区的样本中半醌类和氧自由基含量较高，而内陆地区的样本则以碳自由基和氧自由基为主，这表明EPFR的种类及其氧化还原循环过程，会影响颗粒物的氧化特性以及与活性氧相关的指标，而不仅仅取决于颗粒物的整体组成。通过源解析，我们确定了六大主要污染源，包括船舶排放、老化海盐、生物质燃烧、交通排放、工业活动以及尘埃，这说明颗粒物氧化特性的变化主要是由多种污染源的交替作用导致的，而非某种单一污染物所致。进一步分析表明，广东-福建沿海地带及其邻近海域是常见的上游污染源区域，这说明陆地与海洋之间的物质传输机制共同影响着福建沿海地区的季节性污染特征与氧化毒性。通过对颗粒物氧化特性及其来源传输驱动因素的深入理解，有助于制定针对性的缓解策略，降低沿海季风地区颗粒物对人类健康的危害。

引言

环境颗粒物已被公认为是影响全球人类健康的最重要环境风险因素之一[10]、[28]。多项研究指出，颗粒物与多种有害健康状况有关，包括糖尿病、呼吸系统疾病、心血管疾病以及癌症[14]、[27]、[29]、[42]。颗粒物是由悬浮在大气中的固体和液体颗粒组成的复杂混合物，其大小分布和化学组成存在较大差异，而这些因素直接决定了颗粒物的环境行为和毒性[2]、[50]。由于PM_0.4–10能够深入呼吸道并造成更大的生理伤害，因此受到了更多关注[40]、[45]。不同尺寸颗粒物的毒性差异还与其形成途径有关，不同的形成途径会导致它们在化学组成和氧化潜力方面存在显著差异[7]、[20]。气象条件以及大气中的氧化剂也在影响气溶胶的形成、转化和清除过程中发挥着重要作用，进而影响颗粒物的组成和毒性[7]、[32]、[36]。鉴于目前对于气溶胶组成变化和大气条件如何共同影响颗粒物毒性的了解仍不充分，有必要进一步研究它们的氧化行为及其驱动机制。

氧化潜力是一种用于评估空气颗粒物毒性的综合指标，它反映了颗粒物在生物或替代介质中生成活性氧物种的能力，以及引发自由基反应的能力[19]、[55]。活性氧是指含有一个或多个未成对电子的含氧分子，具有很强的反应性，其中包括过氧化氢（H₂O₂）、超氧阴离子（O₂?）、羟基自由基（•OH）、单线态氧（¹O₂）以及有机自由基（•R）[62]。它们还是理解后续氧化应激过程的关键，为颗粒物暴露与潜在健康影响之间建立了联系[7]。目前有多种氧化潜力检测方法，其中二硫苏糖醇检测法因与健康指标之间存在正相关关系而被越来越多地应用于流行病学研究之中[62]、[65]、[66]。常用的氧化潜力检测方法包括二硫苏糖醇检测法（OP^DTT）、电子自旋共振检测法（OP^ESR）以及抗坏血酸检测法（OP^AA），此外还有基于二硫苏糖醇检测法的衍生方法，如羟基自由基淬灭检测法（OP^OH）和单线态氧淬灭检测法（OP^1O2）[62]、[66]。虽然结合多种检测方法可以更全面地评估不同颗粒物成分的氧化毒性，但这种方法会增加工作量，且仍难以准确反映实际大气环境中的氧化潜力变化情况[11]。初级颗粒物和次级颗粒物的物理化学性质发生变化时，其氧化潜力也会发生显著改变，而经过老化处理的颗粒物可能具有更高的健康风险[18]、[35]、[58]。

EPFR是一类附着在颗粒物上的有机自由基，它们能够在大气中长期存在，并作为活性氧物种的重要前体，从而增强颗粒物的氧化活性[15]、[16]、[49]、[57]。氧化潜力的变化主要取决于具有氧化还原活性的物质的数量和反应性，这类物质包括过渡金属（如铜、铁、锰）、醌类物质以及环境持久性自由基[17]、[26]、[31]。最新研究还表明，在沿海和海峡环境中，大陆气流与海洋气溶胶之间的多相相互作用，会通过改变这些具有氧化还原活性的物质的数量和转化方式，进一步影响氧化潜力[34]、[44]。然而，台湾海峡地区的氧化潜力及其来源分布的时空变化特征尚未得到充分研究，长距离传输在区域污染事件中对氧化活性的影响机制也尚不清楚。

据我们所知，以往的研究大多仅明确了EPFR和氧化潜力的来源或化学构成因素，而关于季节性污染源变化对氧化潜力影响的定量研究在沿海季风地区仍然较少。本研究旨在探究2024年至2025年间，污染源排放以及大气氧化环境如何影响沿海地区颗粒物的物理化学性质和氧化潜力。研究内容包括分析氧化潜力及EPFR的季节性变化规律，以及它们与颗粒物化学组成、前体物质和气象因素之间的关联。此外，本研究还采用了PMF模型和MeteoInfo轨迹模型，来分析和量化氧化潜力、EPFR以及颗粒物的来源，从而了解导致空气污染的传输路径。这些研究成果有助于阐明中国南方地区颗粒物毒性的季节性变化规律，为制定有效的污染控制措施提供依据。

章节节选

样品采集

在本研究中，我们在中国东南部的城市周边丘陵地区以及沿海低地地区，使用带有81毫米石英纤维过滤器的八级安德森采样器（TE-20-800，Tisch公司，美国），采集了按尺寸分类的颗粒物（PM_0.4–10）。城市周边丘陵采样点位于中国厦门的厦门理工学院附近（北纬24.62°，东经118.09°），而沿海低地采样点则位于厦门的五通客运站附近（北纬24.53°，东经118.19°），具体位置见图S1。总共

大气颗粒物污染特征概述

图1以及表S2–S3总结了2024年至2025年间厦门市的气象参数变化情况，包括温度、相对湿度、风速和风向等，同时还包含了二氧化氮、二氧化硫、臭氧、一氧化碳、颗粒物以及空气质量指数等空气污染物的相关数据。这些数据由厦门市环境监测中心提供。尤其是不利的气象条件

结论与展望

本研究结果表明，中国东南部沿海地区的颗粒物氧化毒性，是由季风环流以及区域传输作用所导致的化学成分季节性变化所引发的。冬季时，由于颗粒物浓度较高且季节性边界层高度较低，氧化潜力也会随之上升；同时，研究还发现某些金属元素的存在也可能对氧化潜力产生一定影响。经过体积归一化处理后的OP^DTT值在0.34到1.26之间变化

伦理审批

无需进行伦理审批。

未引用参考文献

[59]、[67]

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

参与同意书

无需提供参与同意书。

发表同意书

无需提供发表同意书。

研究意义说明

本研究首次对沿海季风过渡地区的颗粒物氧化潜力以及环境持久性自由基进行了比较分析，研究发现，受内陆影响更强的环境条件会提升颗粒物的毒性。通过将季节性污染源的变化，如船舶排放、老化海盐以及生物质燃烧等，与EPFR的种类变化及氧化还原活性联系起来，本研究不仅分析了颗粒物的整体组成，还深入探讨了影响其氧化特性的内在机制

CRediT作者贡献说明

魏凡一：负责原文撰写、方法设计、数据收集以及研究构思工作。谭行刚：负责研究指导、方法设计以及数据分析工作。陈顺强：负责软件应用、数据收集工作。郑志红：负责软件应用、方法设计以及数据分析工作。高碧涵：负责软件应用以及数据整理工作。王苏桐：负责软件应用、数据收集工作。张静云：负责软件应用、资源协调以及数据收集工作。郭辉斌：负责原文审阅与编辑、结果可视化处理、研究指导、项目管理以及资金筹集工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了厦门裕春环保科技有限公司的横向项目支持（项目编号：ZK-HX25184），以及福建省自然科学基金的支持（项目编号：2026J0011513），同时还获得了福建省袋式过滤器材料与技术重点实验室的开放基金支持（项目编号：FJKL-ZC202502；ZK-HX25145）。

Fanyi Wei|Xinggang Tan|Bihan Gao|Sutong Wang|Shunqiang Chen|Zhihong Zheng|Jingyun Zhang|Huibin Guo

中国厦门市361024，厦门理工学院环境工程系