新鲜与老化飞机涡轮及船舶发动机颗粒物排放的氧化潜力和活性氧在线表征

《Environmental Science: Atmospheres》：Online characterisation of oxidative potential and reactive oxygen species of fresh and aged aircraft turbine and ship engine particulate emissionsOpen Access

　　

交通运输部门的人为源颗粒物（Particulate Matter, PM）排放是全球空气污染及相关不良健康效应的重要贡献者。尽管PM的健康影响已有充分记录，但驱动其毒性的特定化学和物理性质，如氧化潜力（Oxidative Potential, OP），仍鲜有认知且缺乏量化。本研究考察了小型喷气发动机燃烧室（使用JP-8燃料）和船用柴油发动机（使用低硫重油 Low Sulfur Heavy Fuel Oil, LS-HFO 和船用汽油 Marine Gas Oil, MGO）在新鲜和光化学老化条件下PM的OP活性。研究人员采用一种新型在线仪器——在线氧化潜力抗坏血酸仪器（Online Oxidative Potential Ascorbic Acid Instrument, OOPAAI）——实时量化了PM的OP活性。新鲜排放被直接采样，而老化排放则通过光化学反应器进行处理，以模拟1至12个等效天的大气老化。结果表明，船舶排放的质量归一化OP活性随颗粒老化无显著变化，但飞机排放的OP活性则显著增加。由有机质量分数平均O/C和H/C比表征的PM平均化学组成显示，老化过程中氧化程度增加，这与飞机排放更高的OP活性具有良好的相关性。这些发现强调了在评估化石燃料来源PM排放的健康影响时，同时考虑新鲜和老化排放的重要性，因为大气老化过程可显著改变其氧化特性。

交通运输部门的人为源颗粒物（particulate matter, PM）排放是全球空气污染和相关不良健康效应的重要贡献者。流行病学研究表明空气污染与心血管、呼吸系统疾病和癌症相关，每年约670万人过早死亡可归因于空气污染。PM的毒性与其化学和物理性质密切相关，其中氧化潜力（oxidative potential, OP）被认为是介导氧化应激和健康损害的关键指标，但OP的定量认知仍十分有限。船舶排放对沿海地区PM_2.5贡献可达15%（欧洲）至25%（东亚），并关联心血管疾病和约0.5%的全球死亡率。飞机排放则显著提高机场周边PM浓度，其健康效应可能与柴油机排气相当。此外，船舶和飞机排放的气态前体物在大气中经氧化可形成大量二次有机气溶胶（secondary organic aerosol, SOA），尤其在飞机慢车工况下SOA生成量比一次排放高数个数量级。然而，现行排放法规主要基于PM质量，未考虑OP等毒性相关特性。传统离线OP测量因样品在采集和储存过程中发生降解（60–99%信号损失），可能严重低估OP。因此，实时在线测量OP和活性氧（reactive oxygen species, ROS）对于准确评估排放健康风险至关重要。

基于此，研究人员在ULTHRAS项目框架下，使用小喷气发动机燃烧室（JP-8燃料，恒定7%负荷代表着陆-起飞循环）和船用四冲程单缸柴油发动机（使用低硫重油LS-HFO和船用汽油MGO，按25%至100%变化负荷循环）作为排放源。排气经两阶段稀释系统后，一部分作为新鲜排放直接分析，另一部分通过光化学老化流动管反应器（Photochemical Emission Ageing flow tube Reactor, PEAR）模拟等效1–12天的大气光化学老化。采用自主搭建的在线氧化潜力抗坏血酸仪器（OOPAAI）实时量化PM的OP活性，利用在线颗粒物结合活性氧仪器（Online Particle-bound Reactive Oxygen Species Instrument, OPROSI）测量H₂O₂和有机过氧化物总和。同时，使用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪（High-Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer, HR-ToF-AMS）获得有机组分的平均O/C和H/C比，以扫描迁移率粒径谱仪（Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS）测量粒径分布。

研究结果如下：

船舶发动机（Ship engine）：对于新鲜排放，MGO和LS-HFO两种燃料的粒径分布无明显差异，但负荷变化引起较大波动。光化学老化导致粒径分布和粒子质量大幅增加，在约5–6等效天后达到稳定。质量归一化OP随发动机负荷变化显著：新鲜颗粒在高负荷时OP较高，老化后低负荷升高而高负荷降低，可能与高负荷下二次无机气溶胶（如硫酸盐）含量增加有关。在恒定25%负荷、老化时间1–10天的实验中，OP未表现出老化趋势，尽管O/C比线性增加、H/C比降低且硫酸盐含量上升，氧化程度的变化未反映在OP活性中。

飞机发动机燃烧室（Jet engine combustion chamber）：老化后粒子数浓度和粒径分布发生显著变化，显示新粒子形成和质量增加。OP随老化时间线性增加（R²=0.9），老化12等效天后OP比新鲜排放提高约6–7倍。AMS数据显示O/C比持续增加、H/C比降低，且老化1天后的O/C值高于船舶排放。飞机排放OP随老化增加与氧化程度相关，与船舶排放的无趋势形成对比，表明不同来源的OP活性成分可能不同。

在线颗粒物结合ROS分析（Online particle-bound ROS analysis）：OPROSI量化了H₂O₂和有机过氧化物。新鲜排放的ROS信号因高浓度碳烟干扰无法准确测定，但光化学老化后船舶和飞机排放的颗粒物质量归一化ROS均显著增加。

总结讨论与结论：本研究采用的在线测量技术避免了离线方法中OP活性物质的降解，从而更真实地量化了颗粒物氧化特性。结果显示，大气老化显著增强飞机排放的OP活性，而对船舶排放无显著影响，且OP变化与有机组分氧化程度相关。然而，船舶排放的OP不随氧化程度改变，说明颗粒物氧化状态并非OP的普遍决定因素，源特定组成和测定法敏感性起重要作用。该发现强调仅依靠PM质量无法全面评估健康效应，应同时考虑新鲜与老化排放的氧化特性。与Utinger等（2025）报告的汽油车、木柴炉排放数据对比，老化约3天时各化石燃料源（汽车、船、飞机）的OP活性范围相近（约0.3–0.5 nmol DHA/μg），而木柴炉排放的OP活性高1–2个数量级，说明不同燃烧源颗粒物毒性潜力差异巨大。本研究表明，未来排放标准应纳入OP等毒性特定指标，并充分考虑大气转化的影响，同时需要更多在线OP/ROS测量及分子级组成分析，以完善交通排放健康风险评估。