无机及有机气态污染物在黑碳颗粒物界面的反应过程及其毒性效应研究

Heterogeneous reactions on aerosol particles forming substantial amounts of secondary aerosols are generally regarded as the principal factors for the formation of severe PM2.5 pollution. Black carbon (BC) is one of the main component in PM2.5 and a major contributor to the thick haze pollution in China. Understanding the chemical processes on BC surface during heterogeneous reactions is important for pollution control strategies and health hazard evaluation. In this study, the synchrotron radiation based analytical techniques, including XPS, XAS, QXAFS for exploring the interface processes of heterogeneous reactions on surface of BC will be established. We will investigate the following subjects: the effects of shape, structure and different sources of BC on the heterogeneous reactions with the mainly inorganic and organic air pollutants; the transformation and transformed pathway of the polluted compounds on the surface of BC; the catalytic centers of BC during the heterogeneous reactions and their relations with the surface property of BC. The toxic effects of the formed BC secondary aerosols will be estimated by using the human bronchial epithelial cell lines 16HBE and BEAS-2B. Our study will provide the dynastic processes of the heterogeneous reactions on BC with air pollutants and help to the mechanistic understanding of the effects of shape and structure characterization of BC on the reactivity and toxic effects.

大气颗粒物界面的多相反应过程是PM2.5形成和演化的关键途径，是大气污染控制、健康风险评价的基础。高灵敏度和原位、在线的分析技术是此项研究的迫切需求。本课题将针对我国灰霾污染形成过程中重要的黑碳气溶胶组分的界面多相反应过程及其毒性效应开展研究。课题将建立基于同步辐射光源的多种分析技术，包括XPS，XAS，QXAFS等进行黑碳气溶胶颗粒物界面多相反应研究的实验方法，深入研究不同形貌、结构和来源的黑碳细颗粒物与大气典型无机和有机气态污染物的界面反应性和反应动力学；污染物在黑碳颗粒物表面发生化学转化的过程及路径；黑碳颗粒物非均相反应过程中表面活性中心及催化作用；通过体外细胞毒性实验评价形成的黑碳二次颗粒物诱导的细胞毒性效应。通过上述研究揭示黑碳气溶胶形貌、表面微结构在大气非均相反应过程中的作用机制及与其毒性效应的构效关系。研究结果将为评估气溶胶的健康风险、环境影响和污染控制提供重要的实验依据。

黑碳气溶胶加剧空气污染，以PM2.5为主要污染特征的大气复合污染问题是当前困扰我国的重大环境挑战。本课题针对黑碳气溶胶组分的界面多相反应过程及其毒性效应开展了研究工作。课题建立了基于同步辐射多种分析技术，包括XPS，XAS，QXAFS等进行黑碳气溶胶颗粒物界面多相反应研究。研究结果如下：（1）揭示了黑碳气溶胶的形貌和表面微结构对界面非均相反应效应的影响，研究表明球形的Printex-2B（粒径 ~ 30 nm）和片状的SAPC超细碳颗粒均可高速催化吸附于表面的SO2氧化生成亚硫酸酸盐和高氧化态的硫酸盐，其催化氧化的速率为SAPC > Printex-2B。UV光照和O3存在下明显促进SO2在Printex-2B表面氧化形成硫酸盐；NO2和UV作用下，可明显促进SO2在SAPC表面向硫酸盐的转化；（2）揭示了超细碳颗粒物中Fe2O3纳米颗粒（NPs）在40%湿度，NO2和UV作用下可催化SO2快速转化成硫酸盐；研究发现超细碳颗粒物中较高含量的TiO2纳米颗粒表面端羟基（OHt）和氧空位（VOs）是其吸附SO2和发生催化氧化反应的活性位点，揭示了污染物SO2在TiO2纳米颗粒表面发生化学转化的过程及路径；（3）研究了黑碳颗粒物与有机物的界面反应性，揭示氧化石墨烯（GO）类黑碳超细颗粒物表面边缘处富含羟基、环氧基团、羰基和羧基，因而容易与众多有机化合物通过共价键、层间氢键、离子键等发生反应，形成稳定的络合物；（4）通过动物实验研究了石墨烯类黑碳超细颗粒物（GO-PEG和GO-PVP）通过血液循环后在动物体内的血液清除动力学差异及靶器官蓄积、转运和清除特征差异，结果表明这些片状的黑碳超细颗粒物在体内可以发生褶皱、卷曲、折叠等形态改变，在体内组织器官中发生转运和蓄积，对健康造成潜在影响；（5）研究了GO类黑碳超细颗粒物的肺部靶向性，研究发现GO-PVP在肺脏有明显的蓄积效应，结合分子动力学（MD）模拟计算，揭示GO-PEG和GO-PVP颗粒物结构的可变形性和弹性差异是造成其在体内聚集性和靶向性差异的重要原因。上述研究结果为评估气溶胶的健康风险、环境影响和污染控制提供重要的实验依据。