基于中空纤维流场流分级的不同粒径大气颗粒物中重金属污染特征、溶出特性和生物有效性研究

The concentration, dissolution, and bioaccessibility of heavy metals in atmospheric particles are strongly dependent on the particle size. However, most of the currently available methods suffer from low fractionation ability, requiring large amounts of samples, and off-line operation, limiting the application in the continuous fractionation and on-line analysis of heavy metals in fractionated particles. In this proposal, we plan to (i) develop an on-line coupled hollow fiber flow field-flow fractionation (HF FlFFF) with multiple sensitive detectors for analyzing heavy metals in different sized atmospheric particles (from nm to μm) based on the excellent separation, wide applicability, and convenient operation of HF FlFFF; (ii) study the impact of dissolved organic matter, pH, ionic strength, temperature, and redox potential on dissolution characteristics of heavy metals in different size atmospheric particles; (iii) evaluate bioaccessibility of heavy metals using simulated body fluid. The implement of this project will reveal the mechanism for environmental effects resulted from the various environmental parameters and bioaccessibility of heavy metals within body liquid in different sized atmospheric particles, which are helpful to evaluate the environmental and health risks related to heavy metals in atmospheric particles.

大气颗粒物中重金属污染特征、环境效应和与生物毒性与其粒径密切相关。但现有的不同粒径大气颗粒物中重金属的分级分析方法多存在粒径分级有限、样品需求量大、非在线等不足，难以实现大气颗粒物的连续分级和分级组分中重金属的在线分析。本项目拟利用中空纤维流场流分级技术所具有的分级效率高、适用范围广、操作简便等优势，结合高灵敏的多元检测系统，建立不同粒径（从纳米级到微米级）大气颗粒物中重金属污染特征的在线分析方法；深入研究水环境中溶解性有机质、pH、离子强度、温度及氧化还原电位等因素对大气颗粒物中重金属溶出特性的影响；通过进一步研究大气颗粒物中重金属在模拟体液中的溶出情况，评价重金属进入人体后的生物有效性。项目的实施，可望深入了解颗粒物粒径与重金属污染特征的关系、揭示环境和体液相关因素对大气颗粒物中重金属的环境效应和生物有效性的影响机制，为科学评估大气颗粒物中重金属的环境安全及和健康风险提供重要依据。

大气颗粒物中重金属污染水平和溶出规律研究是科学评价其环境过程和健康风险的前提，而目前相关研究方法和数据非常匮乏。本项目围绕颗粒物中可溶态重金属的定量分析和不溶态颗粒的粒径表征新方法、不同功能区微米级大气颗粒物中重金属在不同提取剂中的溶出规律、典型功能区大气细颗粒中组分之间的相关性等方面的若干关键科学问题，开展了较为系统的研究，主要取得了以下代表性成果：.（1）发展了纳米级和微米级颗粒物中可溶态重金属的定量分析和不溶态颗粒的粒径表征的新方法。将中空纤维流场流分离技术与紫外可见吸收光谱、电感耦合等离子体质谱、电感耦合等离子体光谱等检测技术联用，发展了纳米级和微米级颗粒物中可溶态重金属的定量分析、不溶态颗粒的粒径表征的新方法，并进一步研究了不同形态重金属之间的转化行为。.（2）揭示了大气颗粒物中典型重金属在不同提取剂中的溶出规律。考察了标准颗粒物（NIST 1648a）中的三种高含量重金属（铜、铁、锌）在纯水、模拟天然水、模拟肺液中的溶出规律，发现锌元素的平均溶出率明显高于其他两种重金属，且其在模拟肺液中的平均溶出率最大（53.5%），在模拟天然水中的平均溶出率最低（14.4%）。.（3）评估了不同功能区大气细颗粒中锌元素的污染水平和溶出规律。研究发现居民区大气细颗粒中锌元素的浓度水平高于医院和商业区的样品，且锌元素在纯水、模拟天然水、模拟肺液中的平均溶出率分别为15.4~16.7%、10.6~12.7%、43.1~46.9%。.（4）考察了居民区大气细颗粒中重金属浓度水平与自由基浓度的关系。通过分析居民区全年大气细颗粒物中重金属和自由基浓度水平及相关性，发现自由基与重金属之间并没有明显的相关性。.上述研究成果已撰写标注本项目资助的SCI论文5篇（4篇已发表，1篇在审稿中），EI论文1篇，中文核心期刊1篇；申请国家发明专利3件；在国内和国际学术会议作了10余次学术报告。项目培养博士和硕士研究生共3人。项目成果可为科学评估大气颗粒物（特别是PM2.5）的环境安全性提供关键技术和基础数据。