金属加工与燃烧过程是某一国家级造船产业集群中特定来源细颗粒物（PM2.5）氧化潜力的主要来源

《Atmospheric Pollution Research》：Metal Processing and Combustion Dominate Source-Specific PM 2.5 Oxidative Potential in a National Shipbuilding Complex

　　

摘要

本研究考察了韩国大堡国家工业区内PM_2.5的化学组成、来源贡献及其氧化潜力。通过对离子、碳质组分、金属和有机分子示踪物的详细测量，并结合正交矩阵分解（PMF）模型和来源方向分析，确定了六个主要来源：废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和木材燃烧、工业钢铁加工、工业过渡金属排放、道路尘埃、二次硝酸盐以及二次硫酸盐和有机气溶胶。燃烧相关来源占主导地位，贡献了近60%的PMF解析质量，由于西南风风力较弱，夜间这种贡献明显增加。相比之下，白天的气溶胶主要含有来自工业和地壳来源的富Fe-, Mn-和Si的颗粒。PM_2.5的氧化潜力与燃烧和钢铁加工因素的变化密切相关，这表明富含醌的有机物和过渡金属显著影响了颗粒的氧化还原活性。PMF来源与挥发性有机化合物（VOCs）（如萘、叔丁基苯和氯化溶剂）之间的显著关联进一步证实了这种机制关系。这些发现表明，混合塑料-生物质燃烧和工业金属排放是影响PM_2.5质量和氧化潜力的主要因素，后者通过二硫苏糖醇（DTT）测定法进行评估，并表示为9,10-菲醌当量氧化潜力（QDTT-OP），为工业化地区的有针对性减排策略提供了科学依据。

引言

空气污染因工业化和城市化而加剧，继续成为全球性的重大环境挑战（Huang等人，2024年；Hammer等人，2020年）。它由气体和颗粒物组成，通常被分类为一次污染物或二次污染物（Cao等人，2024年；Zhang等人，2024年）。一次污染物——包括细颗粒物（PM_2.5）、挥发性有机化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO₂）、一氧化碳（CO）和痕量金属——直接从燃烧、车辆和工业操作等源头排放。二次污染物如臭氧（O₃）、硝酸盐、硫酸盐、铵和二次有机气溶胶（SOA）则通过涉及一次污染物的化学和光化学转化在大气中生成。由于PM_2.5的微小尺寸，它可以深入呼吸系统并进入血液，带来相当大的健康风险（Xiao等人，2025年；Riggs等人，2020年）。PM_2.5的毒性不仅取决于其浓度，还取决于其化学组成和氧化潜力（OP），后者反映了其产生活性氧物种（ROS）并在生物体内诱导氧化应激的能力（Cho等人，2022年；Gao等人，2020年；Delfino等人，2011年）。过渡金属（包括铁（Fe）、铜（Cu）和锰（Mn）以及醌和多环芳烃（PAHs）等有机物被认为是PM_2.5氧化潜力的主要贡献者（Gao等人，2017年）。对OP的机制评估为特定化学成分的生物学影响提供了更深入的见解，补充了基于质量的暴露评估所获得的信息。

工业操作在涉及高温和溶剂的过程中排放含金属和有机污染物（Shi等人，2025年；Sidor等人，2025年）。金属来自焊接、切割、熔炼和喷砂等活动，而VOC排放主要来自涂层、油漆和脱脂应用中的溶剂使用。造船设施中的焊接过程产生的烟雾富含Fe、Mn和Cr，这些元素附着在细颗粒上并保持悬浮在空气中，通过反复的氧化还原反应增加氧化潜力（Nirmalkar等人，2023年；Ghanem等人，2021年）。主要VOCs（如甲苯、乙苯和二甲苯）显著影响大气氧化过程，导致二次有机气溶胶的形成（Lv等人，2021年）。在韩国进行的研究表明，造船业是同时释放溶剂衍生VOCs和富含金属的PM_2.5的显著行业。Had?i?等人（2025年）的研究发现，油漆、涂层和焊接过程占造船设施总排放量的70%以上，而Celebi等人（2008年）认为涂层和表面处理操作是造船修理活动中VOC排放的主要来源。总体而言，这些研究强调了结合化学组成、空间变异性和毒理学特征的综合排放评估的重要性。

韩国的沿海工业区，如蔚山、巨济、木浦（大堡）和釜山，是国际造船和修船中心。这些综合体支持广泛的焊接、表面处理、油漆和组装操作，产生了复杂的VOCs、金属和PM_2.5排放混合体。蔚山在众多研究中被公认为典型的工业城市。Kim等人（2025年）报告称，甲苯、乙苯和间对二甲苯占总VOCs的56.9%。Lee等人（2024年）报告称，造船和汽车工业区的芳香族VOC水平较高。城市地区的VOC污染受到附近特定类型工业的影响。总体而言，这些研究表明造船综合体是具有增强氧化潜力和健康影响的污染物的重要来源。国际调查的结果证实了这些趋势——造船厂的VOC和PM排放主要来自油漆和焊接操作。除了工业排放外，废物燃烧也成为韩国PM_2.5和氧化潜力的重要来源。常用的分子标记物包括对苯二甲酸（TPA）和左旋葡聚糖（Levo）用于识别燃烧源。TPA是在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料热解过程中产生的，而Levo指示生物质燃烧活动（Bae等人，2012年）。Oh等人（2024年）证明了首尔地区TPA浓度与通过二硫苏糖醇（DTT）测定法评估的氧化潜力之间存在强相关性（R² = 0.92），表明塑料废物燃烧增加了PM的毒性。Barabad等人（2018年）报告称，塑料燃烧每克材料产生20.6毫克PM_2.5以及大量的VOCs和半挥发性化合物。总体而言，这些研究强调了与燃烧相关的活动对工业化环境中PM_2.5毒性的影响。

尽管有这些见解，但目前的研究尚未解决工业和燃烧排放对韩国造船综合体内氧化潜力的综合影响。基于溶剂的涂层、焊接和废物燃烧的存在表明，这些设施可能是氧化活性颗粒产生的重要中心。因此，本研究的目的是全面评估大堡国家造船工业区内PM_2.5的来源特定氧化潜力和化学特征。该研究分析了PM_2.5的化学成分（包括金属、VOCs和有机分子标记物如TPA和Levo），以确定排放特征。使用受体模型和来源分配技术来区分造船、燃烧和二次过程的贡献。DTT测定法用于量化氧化潜力，并将其与特定化学物种和排放源相关联。通过整合化学表征、来源分配和氧化毒性评估，本研究旨在阐明工业和燃烧源对PM_2.5毒性的影响，并为韩国造船地区的有针对性空气污染缓解和公共卫生工作提供关键证据。

部分片段

采样地点和采样时间

使用从移动空气质量监测站收集的数据，评估了国家造船工业区内一次排放对环境空气质量的影响。位于韩国庆尚南道英岩郡的英岩大堡国家工业区于1996年建成，总面积约为21 × 10⁶平方米。该工业区靠近木浦新港，该港口设有六个可处理30,000吨级船舶的泊位。

有机标记物和金属的日变化模式

对大堡国家工业区内PM_2.5及其化学成分的时间序列测量（图2）显示，由于气象和排放条件的变化，存在显著的短期变异性。表1和表S1–S2展示了大堡国家工业区内夜间和白天的PM_2.5浓度、气体物种、VOCs以及PMF解析的来源贡献的比较。

结论

本研究使用高分辨率化学分析和PMF对大堡国家工业区内PM_2.5的组成、来源贡献和氧化潜力（QDTT-OP）进行了全面评估。确定了六个主要来源：废弃PET和木材燃烧、工业钢铁加工、工业过渡金属排放、道路尘埃、二次硝酸盐以及二次硫酸盐和有机气溶胶。燃烧相关来源占主导地位，贡献了近60%。

作者贡献声明

Hajeong Jeon： 方法论、调查、数据管理。Dong-Hoon Ko： 编写——初稿、调查、数据管理。Min-Suk Bae： 编写——审稿与编辑、验证、方法论、数据管理、概念化

未引用的参考文献

Celebi和Vardar，2008年。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了木浦国家大学的研究基金的支持，时间为2025年。

Dong-Hoon Ko | Hajeong Jeon | Min-Suk Bae韩国木浦国立大学环境工程系，木浦，58554