朱慧晓,朱仁果*,程丽琴,潘媛媛,鲁承绍,吴智辉,李静雯 (.东华理工大学水资源与环境工程学院,江西 南昌 33003；2.东华理工大学,江西省大气污染成因与控制重点实验室,江西 南昌 33003)

氨基酸是最重要的有机氮化合物之一,在大气气溶胶中主要以游离氨基酸(FAAs)和结合氨基酸(CAAs,例如蛋白质和多肽等)的形式存在[1-2].研究表明,蛋白类物质可能影响有机气溶胶的形成、吸湿性、微观结构重构、酸度和碱度[3-6];一些气溶胶氨基酸化合物甚至可以通过控制云层形成过程(充当云凝结核)来改变气候[2,7-8].然而,气溶胶中氨基酸的变化和来源目前还尚不清楚.

大气气溶胶中 CAAs的水平和来源非常复杂.研究表明,这些来源包括生物源(如花粉、动植物残骸、细菌、真菌、孢子等)、人为源(生物质燃烧、农业活动、道路扬尘等)[9-13].近年来,有研究表明气溶胶中 CAAs的组成成分与其来源密切相关,且已被用于确定主要气溶胶的排放源[9,14-16].不同来源可能导致氨基酸的组成不同.目前,对影响气溶胶中CAAs来源的相关研究还很有限.

稳定同位素(δ15N)是追踪不同大气氮源的可靠技术[17-18].Gly是大气中最丰富和最稳定的氨基酸之一,且由于缺少侧链,在大气光化学过程中不会被进一步破坏[19-20].研究表明,不同排放源中 Gly的δ15N值有很大的差异,生物质燃烧源的 δ15N值比自然源的 δ15N值偏正,可以有效区分生物质燃烧和自然来源[21].因此 Gly的稳定氮同位素组成可作为气溶胶氨基酸起源的潜在示踪剂[15,21].目前,对PM2.5中结合态甘氨酸的δ15N值及其潜在排放源的了解有限.

本研究通过对南昌市城市和森林地区采集的PM2.5样品进行分析,研究样品中CAAs的水平,并与不同区域的研究和周围环境潜在排放源(土壤和植物)中的 CAAs进行比较.此外,同时测定了 PM2.5中结合态Gly的δ15N值来示踪大气中氨基酸的来源,分析了氨基酸在大气环境中的转化过程.以期通过对比分析城市和森林地区PM2.5中CAAs的浓度水平、百分占比组成以及其单体甘氨酸的氮同位素值,来示踪不同特征区域PM2.5中CAAs潜在排放源以及其大气化学过程.

1 材料与方法

1.1 采样方法

2021年3月20日～4月17日在南昌市城市和森林地区采集PM2.5样品.采样仪器为大流量TSP采样器 KC-1000,采样流量为1050L/min.采样滤膜为石英滤膜,采样之前为去除滤膜中的杂质,用铝箔纸将滤膜包好放入马弗炉中,450℃加热 5h,然后放入预先烧好(450℃)的铝箔袋中,并单独装入自封袋中.采样器位于每个场地建筑物的屋顶上,大约离地面10m,采样时间为每天早上 9:30～次日早上 9:00(共23.5h)(其中4月1日因停电暂停采1d).

在土壤表层10cm处采集土壤样品,对于每种类型的土壤样品,各采集了3个具有代表性的土壤样品.

在研究区域采集常见植被樟树,在樟树的外枝采集约 5～6g的樟树叶子,收集 5～6个具有代表性的样品.所采集的新鲜样品放入自封袋里,贴上标签并储存在冰箱内.所有的植物和土壤样品均要冻干,冷冻干燥的样品在-20℃下保存,直到下一步分析使用.

1.2 样品分析

对于PM2.5中CAAs的分析,采用高温酸水解将气溶胶中蛋白质和多肽的总水解氨基酸释放出来的方法.使用 Mandalakis等[11]和Ren等[22]修改版本方法来处理样品.在实验室中,将每个 PM2.5样品的1/4转移到玻璃水解管中,为避免氨基酸氧化,向每个提取物中添加浓度为20µg/µL的25µL抗坏血酸,再加入20mL的6mol/L盐酸,超声30min,随后,样品在110℃下加热水解24h.

对于植物和土壤样品,称取0.15g左右的植物样品和1g左右的土壤样品,分别用液氮研磨成细粉.然后,用与气溶胶样品相同的方法对植物和土壤样品进行水解.

在室温下冷却后,用 Milli-Q超纯水进行溶解,60℃蒸干,然后重新溶解在0.1mol/L盐酸中,并用阳离子交换柱纯化(Dowex 50W×8H+,200—400mesh size;Sigma-Aldrich,St Louis,MO,USA).纯化后的氨基酸用9mL 4mol/L的氨水洗脱,然后加入α-氨基丁酸(AABA)作为内标,蒸发至干.然后制备叔丁基二甲基硅基(tBDMS)衍生物[23],无水硫酸钠 70℃烘0.5h以上,依次加入少许无水硫酸钠、50µL吡啶和50µL衍生剂,最后将混合物在70℃下加热1h.最后,使用气相色谱-质谱仪-同位素比值质谱仪(GCMS-IRMS)测定CAAs浓度和氮同位素值.

实验过程中同时对空白滤膜进行了水解,使得所有的总水解氨基酸浓度都可以进行空白校正.CAAs的浓度计算为总水解氨基酸和 FAAs浓度之间的差值.FAAs测定采用Zhu等[20]的Milli-Q水直接提取方法.

1.3 辅助数据

本次实验使用到的气象参数(温度和相对湿度)来自全球天气和气候信息网(http://www.weatherandclimate.info/),空气质量参数(包括 O3和NO2浓度)来自中国空气质量在线监测分析平台(https://www.aqistudy.cn/).

利用TrajStat和MeteoInfoMap软件计算了海拔1000m处气团的3d(72h)后向轨迹.用于计算后向轨迹的气象数据来自 NOAA空气资源实验室(https://ready.arl.noaa.gov/archives.php).

1.4 统计分析

使用 SPSS 26.0(SPSS Science, USA)和 Origin 2021(OriginLab Corporation, USA)软件进行统计分析和画图.利用相关性分析研究氨基酸在大气环境中的转化过程.

2 结果与讨论

2.1 城市和森林地区PM2.5中CAAs的浓度和组成

2.1.1 城市和森林地区PM2.5中CAAs的浓度 本文研究的PM2.5样品在酸水解过程中共检测到15种氨基酸,分别为丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、氨基丁酸(GABA)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、蛋氨酸(Met)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、赖氨酸(Lys)、组氨酸(His),在样品中未检测出谷氨酰胺(Gln)和天冬酰胺(Asn),可能是因为在酸水解过程中这两种氨基酸被水解成相应的Glu和Asp[24-25].

采样期间城市和森林地区PM2.5中CAAs的浓度变化如图1(a)所示.城市地区CAAs的浓度变化为0.507～3.912nmol/m3,平均浓度为(1.38±0.86)nmol/m3;森林地区CAAs的浓度变化为0.497～2.647nmol/m3,平均浓度为(1.41±0.56)nmol/m3.通过单因素方差分析发现城市和森林地区 PM2.5滤膜样品中总CAAs浓度差异不显著(P＞0.05),可能与春季自然源排放(如花粉)的增强有关[26].

图1 城市和森林地区总CAAs、O3和NO2浓度以及气象条件随时间变化Fig.1 Temporal variation in the total CAAs, O3 and NO2 concentrations and meteorological conditions in the urban and forest areas

由于气溶胶中氨基酸受气象条件、多种来源等各种因素的影响,不同地区气溶胶中氨基酸水平有很大差异.与其他地区的研究结果相比,本研究区域PM2.5中 CAAs浓度明显高于大西洋(0.02～0.4nmol/m3)[27],与加州戴维斯农村(0.85～3.260nmol/m3)[6]、南昌森林地区(0.27～4.7nmol/m3)[28]相近,但低于北京(1.73～25.7nmol/m3)[22]、合肥(15.2～268nmol/m3)[29]、青岛(2.4～40.9nmol/m3)[30]、上海(1.73nmol/m3)[31].此外,本次研究中城市地区与森林地区 CAAs浓度之间没有显著差异,可能是由于采样时间是春季,此时生物活性增加导致生物质释放增加,从而导致森林地区 CAAs浓度增加,而城市地区则受人为活动和地表扬尘的影响较大.

2.1.2 PM2.5中CAAs的组成 如图2所示,城市地区和森林地区 CAAs的占比相近,Pro是最丰富的CAAs.城市地区中Pro占总CAAs的27.7%,其次是Gly(14.6%)、Ala(12.3%)、Leu(9.5%)和 His(9.1%);森林地区中Pro占总CAAs的22.6%,其次,Gly、His、Ala、和 Leu也有重要的贡献,分别占总 CAAs的16.5%、14.5%、11.8%和7.9%.这一结果与Abe等[16]对日本涩谷附近郊区春季气溶胶中的CAAs占比组成相似.此外,Abe等的研究还发现涩谷郊区气溶胶中Pro是最主要氨基酸并将其高占比归因于季节性变化的排放源(如花粉和落叶)的贡献.本研究中 Pro有着较高占比可能是因为采样时间是春季,生物活动增多,花粉等生物源贡献增加导致.

图2 城市和森林地区PM2.5中CAAs的组成占比Fig.2 Proportion of CAAs in PM2.5 in the urban and forest areas

气溶胶中 CAAs中没有特定的单个氨基酸占主导优势,并且不同采样点的气溶胶中结合氨基酸的组成也有差异,可能与源贡献或大气过程有关(例如运输过程中的老化[14]).在本研究CAAs组成中,除了Pro之外,Gly、Ala、Leu、His、Val、Ile也是主要的CAAs物种,这一结果与之前很多研究对大气中CAAs的研究结果一致.例如,朱济奇等[31]对上海大气 PM2.5的研究发现,在CAAs中以Gly为主,对总CAAs的贡献是29.3%;Ren等[22]在北京采集的气溶胶样品中发现Gly、Ala和Val是主要氨基酸,生物源、海洋源、生物质燃烧和人为排放是 CAAs的主要来源;Matsumoto等[32]在日本郊区采集的细颗粒气溶胶中发现Glu和Gly是CAAs的优势物种,主要来自燃料燃烧和生物质燃烧.本研究区域的城市和森林地区PM2.5中CAAs组成成分相似,但其来源还尚不明确.

2.2 城市和森林地区PM2.5中CAAs的来源

2.2.1 气团聚类分析 为了探究PM2.5中CAAs的来源,利用TrajStat软件对森林和城市地区的气团进行后向轨迹分析和聚类分析.如图3所示,根据聚类分析结果,可以将研究区域(森林和城市地区)的气团分为两类,分别占总后向轨迹的 10.7%、89.3%和14.3%、85.7%.一类是跨过湖北省、安徽省等省份的西北方向的气团,另一类是江西及附近区域本地源影响的气团.从图3可知,PM2.5中CAAs的浓度受本地气团的影响较大.

为了进一步研究不同气团来源对森林和城市地区PM2.5中氨基酸的影响,计算了不同来源气团影响的PM2.5中CAAs的浓度.如图3所示,受第二类气团影响的样品中,森林(1.451±0.6)nmol/m3和城市地区(1.28±0.736)nmol/m3的 CAAs均表现出较高的浓度水平,表明本地来源对PM2.5中氨基酸的浓度有很大的影响.而受第一类西北方向输送气团影响的样品中森林(1.103±0.171)nmol/m3和城市地区(1.994±1.202)nmol/m3的氨基酸浓度低于第二类气团影响的氨基酸浓度,这可能是因为来源不同,也可能与受到长距离传输中蛋白类物质的大气化学过程(例如氧化和降解)有关[33].

图3 不同气团聚类分析结果Fig.3 Cluster analysis results of different air masses

2.2.2 潜在气溶胶氨基酸排放源中 CAAs的百分占比组成 聚类分析结果表明本地源对 PM2.5中CAAs的组成有较大的贡献,但具体的来源尚不清楚.不同来源PM2.5中CAAs的组成则有明显的差异,为了识别研究区域的PM2.5中CAAs的来源,对研究区域潜在排放源(土壤和植物)中的 CAAs组成成分进行比较分析.在植物源和土壤源中检测到 17种CAAs,分别是 Ala、Gly、Val、Leu、Ile、Pro、Met、Ser、Thr、Phe、Asp、Glu、Asn、Lys、His、酪氨酸(Tyr)和色氨酸(Trp).这两种来源的 CAAs浓度百分占比存在差异,结果如图4所示.

图4 森林、城市地区与主要排放源(生物质燃烧、植物和土壤)CAAs的分布百分比Fig.4 The percent distribution of the CAAs in PM2.5and major emission sources (including biomass burning, plants and soil)in the forest, urban areas

Pommié 等[34]根据氨基酸的理化性质,将氨基酸分为三类:疏水性(Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe、Trp),中性(Gly、Pro、Ser、Thr、His、Tyr)和亲水性(Asp、Glu、Asn、Lys).植物源中疏水性、中性和亲水性氨基酸浓度百分比分别为45.4%、33.6%和21%;而土壤源中疏水性氨基酸占65.4%、中性氨基酸占26.3%、亲水性氨基酸占 8.3%.由此看出,植物源的中性和亲水性氨基酸高于土壤源,而在土壤源中,主要以疏水性氨基酸为主,占有较高的比例,明显高于植物源.

Pro是森林和城市地区PM2.5中CAAs的优势种,占总CAAs的22.6%和27.7%;在植物源和土壤源中Pro也是含量高的CAAs,分别占总CAAs的12.59%和12.58%.Zhu等[21]研究南昌市气溶胶中氨基酸的潜在排放源(植物和土壤)发现 Pro为主要氨基酸;Milne等[35]发现植物、花粉以及细菌和真菌等中均存在 Pro.本研究采样时间是春季,森林和城市地区植物覆盖率高,土壤中含有丰富的细菌、真菌等微生物,微生物等生物源增加,从而导致 Pro有较高的占比.因此,植物源和土壤源可能是森林和城市地区PM2.5中CAAs的主要来源.

Ala、Val、Leu、Ile 等是自然源(土壤和植物)氨基酸中的主要成分[15].土壤源中Ala的浓度水平高于森林和城市地区、植物源,分别占总CAAs的16%、11.8%、12.3%和12%,这可能与Ala是自然界普遍存在和数量最多的氨基酸物种之一有关[14].并且,土壤源中的疏水性氨基酸(Ala、Val、Leu、Ile、Phe)的平均百分比高于植物源、城市和森林地区.可见,本研究中土壤源是PM2.5中CAAs的重要贡献源.

Gly在不同的来源中以不同的比例存在.森林和城市地区Gly的平均浓度(16.4%和14.6%)高于土壤样品(6.8%)和植物样品(7.5%).Gly是生物质燃烧源气溶胶中主要的 CAAs组分.以往的研究也有记载,生物质燃烧是气溶胶中CAAs的一个重要来源.Zhu等[21]在生物质燃烧中观察到 CAAs中 Gly占优势,表明 Gly是生物质燃烧释放的最丰富的氨基酸;Barbaro等[20]发现,气溶胶中的Gly可作为生物质燃烧的指标.这些研究结果表明,生物质燃烧过程中会增加气溶胶中Gly的浓度.在本研究中Gly的平均百分比高于土壤源和植物源,但低于生物质燃烧.因此,土壤源、植物源和生物质燃烧可能是城市和森林地区PM2.5中CAAs的3个主要来源.

2.2.3 甘氨酸的氮同位素示踪来源 为了更好的了解 PM2.5中氨基酸的来源,对城市和森林地区PM2.5和潜在排放源中的结合甘氨基酸(C-Gly)的氮同位素进行了研究.结果如图5所示,城市地区PM2.5中 δ15NC-Gly的范围为+0.62‰～+22.67‰,其平均值为(+9.54‰±5.49‰);森林地区 δ15NC-Gly范围为+1.99‰～+23‰,其平均值为(+8.34‰±8.6‰).土壤源和植物源 δ15NC-Gly范围分别为+4.1‰～12‰、-16.6‰～-11.3‰(平均值分别为(+8.7‰±3.0‰)、(-15‰±1.9‰)).

图5 PM2.5中结合态甘氨酸和潜在排放源的δ15NGly值Fig.5 The δ15NGly values of combined glycine in PM2.5 and potential emission sources

Zhu等[21]首次测定了PM2.5中3种潜在排放源的δ15NC-Gly平均值,分别为生物质燃烧(+19.2±0.6‰),土壤源(+2.6±4.6‰)和植物源(-11.1±2.7‰),表明自然来源的 Gly(δ15NGly=-23.5‰～+9.4‰)比生物质燃烧(δ15NGly=+16.9‰～+27.3‰)在大气中具有偏负的δ15N值.本研究中城市和森林地区PM2.5中δ15NC-Gly的值变化范围较大,接近生物质燃烧和土壤源的范围,说明生物质燃烧和土壤源可能是春季研究区城市和森林地区PM2.5中CAAs的主要来源.

根据气溶胶中CAAs潜在排放源δ15N清单,本研究中生物质燃烧、土壤源和植物源是 PM2.5中CAAs的主要来源[15,21].为了进一步量化Gly的来源对PM2.5中结合甘氨酸浓度的贡献,采用贝叶斯稳定同位素模型计算出采样期间生物质燃烧、土壤源和植物源对城市和森林地区PM2.5样品中Gly的平均贡献.贝叶斯稳定同位素模型计算结果表明生物质燃烧、土壤源和植物源对城市地区PM2.5中结合Gly的平均贡献分别为42%、40%和 18%,对森林地区结合Gly的平均贡献占比分别为38%、38%和24%.

2.3 大气氧化剂对PM2.5中CAAs浓度水平的影响

采样期间南昌城市和森林地区的气象参数(温度、相对湿度和降雨量)和气态污染物参数(O3和NO2)的时间变化如图1(b～d)所示.城市和森林地区的NO2平均浓度分别为(26±9)和(11±3)ug/m3,城市地区的NO2平均浓度显著高于森林地区(P＜0.01).城市和森林地区的 O3平均浓度分别为(96±30)和(89±27)µg/m3,两者差异不显著(P＞0.05).

图6表明,森林地区 PM2.5中 CAAs与 O3(r=-0.15,P＞0.05)、NO2(r=0.05,P＞0.05)和[O3]+[NO2](P＞0.05)之间均无明显相关性.对于城市地区而言,CAAs总浓度与大气中 O3浓度(r=0.59,P＜0.01)表现出较好的相关性,而与大气中 NO2浓度(r=0.07,P＞0.05)之间无明显的相关性,并且城市地区 CAAs总浓度与 [O3]+[NO2]浓度(r=0.56,P＜0.01)呈显著正相关.所有单体CAAs与大气中O3的浓度呈正相关.有研究表明,在大气氧化剂的作用下,气溶胶中高分子量蛋白质可以被降解为低分子量的氨基酸和多肽[36-37].城市地区 PM2.5中 CAAs浓度与 O3和[O3]+[NO2]呈显著相关,表明了大气中 O3和 NO2会对氨基酸浓度产生一定的影响.

图6 城市和森林地区PM2.5中单体结合氨基酸与O3、NO2和[O3]+[NO2]浓度的相关性Fig.6 Correlation between individual amino acids and O3, NO2 and [O3] + [NO2] concentrations in PM2.5 in urban and forest areas

3 结论

3.1 城市地区CAAs的浓度为0.507～3.912nmol/m3,平均浓度为(1.38±0.86)nmol/m3;森林地区CAAs的浓度为0.497～2.647nmol/m3,平均浓度为(1.41±0.56)nmol/m3.

3.2 城市和森林地区CAAs组成成分相似,Pro是最丰富的CAAs, Gly次之,Ala、His、Leu和Val是主要的CAAs物种.

3.3 结合Gly的δ15N值以及利用稳定同位素模型计算甘氨酸来源贡献,表明生物质燃烧、植物源和土壤源可能是城市和森林地区PM2.5中CAAs的主要贡献源.

3.4 城市地区 PM2.5中 CAAs浓度与 O3和[O3]+[NO2]呈显著相关,说明大气中 O3和 NO2对氨基酸浓度产生一定的影响.