城市和高山大气气溶胶中游离态和结合态氨基酸的单体氮同位素研究

Organic nitrogen in atmospheric aerosols has important impacts on environmental issues. Free and combined amino acids are important components of aerosol organic nitrogen; they participate in atmospheric chemical processes, affect atmospheric radiation and climate, provide nitrogen sources for ecosystems, and endanger human health. There are very few studies focus on the characteristics and sources of aerosol amino acids, especially their source apportionment, at the molecular level in China. Stable isotope analysis is an ideal tool to indicate the source of aerosol components. In this study, we will collect daytime and night-time aerosol samples from urban Tianjin and a high mountain site at the summit of Mt. Tai. Gas Chromatography- Mass Spectrometry (GC-MS) will be used to determine the abundances of free and combined amino acids, and Gas Chromatography- Combustion- Isotope Ratio Mass Spectrometry (GC-C-IRMS) will be used to conduct compound-specific nitrogen isotope analysis of amino acids. Based on the data of atmospheric abundances, we will analyze the transport and conversion process of aerosol free and combined amino acids and their contribution to regional nitrogen cycle. An isotope mixture model will be used in the source apportionment of aerosol free and combined amino acids. We will pay special attention to the relative contributions of local emissions and regional transport. This proposal introduces compound-specific nitrogen isotope analysis of amino acids to the study of atmospheric aerosols from urban and high mountain regions, and will provide basic information for accurate and quantitative assessment of the eco-environment and health effects of aerosol free and combined amino acids.

大气气溶胶中的有机氮具有重要的环境效应。游离态和结合态的氨基酸是有机氮的重要组分，它们参与大气化学过程，影响大气辐射和气候，为生态系统提供氮源，危害人体健康。目前，在分子层面上分析我国大气气溶胶中氨基酸特征与来源的研究比较少，定量源解析尤其缺乏。稳定同位素分析是解析气溶胶来源的有效手段。本研究拟在典型城市（天津）和高山（泰山）采集昼夜大气气溶胶样品，使用气相色谱-质谱和气相色谱-燃烧-同位素质谱测试游离态和结合态氨基酸的含量与单体氨基酸氮同位素值。根据含量分析气溶胶氨基酸的传输与转化过程，以及气溶胶氨基酸对区域氮循环的贡献。根据气溶胶和代表性源样品同位素值的测试结果，建立同位素源解析模型，计算各种来源对气溶胶氨基酸的贡献，包括本地排放/区域传输的相对贡献。本项目把单体氨基酸同位素分析引入城市和高山地区的气溶胶研究中，为准确量化评估气溶胶中游离态和结合态氨基酸的生态环境和健康效应奠定基础。

作为大气气溶胶中重要的有含氮有机物，氨基酸参与大气化学过程，影响大气辐射和气候，为生态系统提供氮源，危害人体健康。城市和高山地区有关气溶胶氨基酸的报道还较少，限制了我们对其生态环境效应的认识。本研究在华北平原典型城市（天津）和高山（泰山）不同季节采集一段时间的昼、夜大气气溶胶样品，测试了气溶胶中蛋白质和十几种氨基酸的含量，以及单体氨基酸的氮同位素组成，部分样品进行了氨基酸手性异构体的分析。基于测得的大气气溶胶氨基酸含量，结合其他无机和有机化学组成，使用相关性分析等手段初步分析了各种氨基酸的可能来源。根据测得的甘氨酸氮同位素组成数据，结合各种来源的甘氨酸氮同位素组成，建立了贝叶斯稳定同位素混合模型（MixSIAR），定量解析了各种来源对大气气溶胶中氨基酸的贡献。结果表明，甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸等是最重要的几类氨基酸。无论冬、夏季节，生物质燃烧对天津大气中的氨基酸都有约50%的贡献，其次是土壤扬尘和植被。夏季露天烧烤使得生物质燃烧在夜晚的贡献更大。不同于餐饮活动，开放式的生物质燃烧（野火、秸秆燃烧等）可以导致土壤向大气中悬浮传输细菌源氨基酸。对于泰山样品，春、秋季节的氨基酸的来源有很大不同。春季植物的贡献显著多于秋季，而秋季强烈的生物质燃烧成为了氨基酸的首要来源。对比城市和高山地区，氨基酸的来源整体是相似的，具有很强的季节性，但局地的空气质量和大气环流会影响氨基酸的浓度。此外，考虑到游离态和结合态氨基酸是有机氮的重要组分，本研究使用稳定同位素分析解析了泰山气溶胶中有机氮的来源，使用超高分辨质谱探究了天津气溶胶中有机氮的分子组成及其影响因素。该项目初步探究了华北平原城市和高山地区大气气溶胶中氨基酸的来源及时空变化规律，为准确量化评估气溶胶中氨基酸的生态环境奠定了基础。