韩国首尔空气中PM1和PM2.5的来源分配及其氧化潜力

《Environment International》：Source apportionment and oxidative potential of PM 1 and PM 2.5 in Seoul, South Korea

PM1和PM2.5的化学成分、来源解析及氧化潜力对比研究。通过DN-PMF分析发现，首尔冬季PM1和PM2.5的主要来源包括二次硝酸盐（贡献率33%）、生物质燃烧（9.1%）、工业（2.9%）、煤燃烧（6%）和土壤（3.8%）。氧化潜力检测显示PM1单位质量的氧化应激（DTTm）高于PM2.5（0.031 vs 0.026 nmol/min/μg），生物质燃烧是最大贡献源（标准化系数0.429）。研究建议加强生物质燃烧源控制，并指出PM1与PM2.5管理存在协同效应。

　　
### 对首尔PM?与PM?.?化学成分、来源解析及氧化潜力的综合解读

#### 1. 研究背景与问题提出
大气颗粒物（PM）污染已成为全球性环境与健康挑战，其中PM?.?因广泛研究而备受关注，但更细小的PM?（≤1微米）因独特的理化特性及健康效应，近年来逐渐成为研究焦点。PM?与PM?.?的化学组成、来源特征及生物毒性存在显著差异，但具体差异在首尔等高密度城市尚未充分明确。本研究通过对比分析PM?与PM?.?的化学组分、污染来源及氧化潜力，旨在揭示PM?对公共健康的影响机制，并为城市空气质量管理提供科学依据。

#### 2. 研究方法与数据来源
研究团队于2021年6月至2022年3月在首尔国立大学公共卫生研究生院（海拔27米）开展采样，覆盖全年季节变化。采用三通道低流量采样器（16.7升/分钟）收集PM?和PM?.?样品，并利用高流量采样器（40立方英尺/分钟）补充冬季样本的氧化潜力检测。分析方法包括：
- **化学组分检测**：通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析18种痕量元素，离子色谱（IC）测定无机离子（NO??、SO?2?等），热光学法（TOC）测定有机碳（OC）与元素碳（EC）。
- **源解析技术**：应用改进的DN-PMF（气溶胶浓度经通风系数标准化后的正矩阵因子分解）方法，结合条件双变量概率函数（CBPF）和潜在源贡献函数（PSCF）验证源解析可靠性。与传统PMF相比，DN-PMF通过消除气象条件（风速、混合层高度）的干扰，更准确反映实际排放特征。
- **氧化潜力评估**：采用DTT试剂法（在冬季采样）定量分析颗粒物的氧化应激能力，通过比较单位质量颗粒物的氧化活性（DTTv/PM?与DTTv/PM?.?），揭示PM?的健康风险特异性。

#### 3. 关键研究发现
**3.1 化学组分与PM?/PM?.?质量比特征**
- **二次无机盐主导**：PM?中硝酸盐（NO??）占比达29%，PM?.?中占比33%，二者均构成主要组分。硝酸盐的PM?/PM?.?质量比为0.89，显著高于其他来源（如煤燃烧0.72、土壤0.60），表明二次硝酸盐更易富集于PM?。
- **有机组分差异**：OC与EC在PM?中贡献率（27%）与PM?.?（23%）接近，但PM?/PM?.?质量比为0.75，与整体质量比一致。土壤源中的PM?占比（3.8%）低于PM?.?（4.8%），可能与细颗粒土壤组分迁移有关。
- **微量元素特征**：PM?中钒（V）和镍（Ni）浓度显著高于PM?.?，提示PM?携带更多工业源重金属，而PM?.?中溴（Br）浓度更高，反映港口及工业活动影响。

**3.2 源解析与气象关联性**
通过DN-PMF解析出10类主要污染源，其贡献特征如下：
- **二次硝酸盐**：最大贡献源（PM?占39%，PM?.?占33%），冬季浓度上升可能与低温下气态前体物（NOx、NH3）二次转化效率提高相关。
- **生物质燃烧**：冷季贡献率升至9.1%，显著高于暖季。源解析结合PSCF显示，生物质燃烧主要来自首尔西部居民区（如烤肉店、木制取暖设备）及北亚地区传输的野火烟雾。
- **工业源**：PM?.?中贡献率（5.2%）高于PM?（2.9%），可能与钢铁、化工等大颗粒排放源有关，但PM?中重金属（如Zn、Pb）的窄离散区间（DISP）提示工业机械磨损颗粒的细颗粒化。
- **煤燃烧**：冬季贡献率增加（PM?达6.0%，PM?.?达6.4%），主要受周边燃煤电厂（如 Yeongheung、Dangjin）排放影响，Zn元素与氧化潜力显著相关。
- **交通源**：PM?与PM?.?中交通贡献率（15% vs 14%）接近，但PM?中重金属（如Ba、Cu）的离散区间更窄，反映刹车/轮胎磨损细颗粒占比更高。

**3.3 氧化潜力与源关联性**
DTT试剂法显示PM?的单位质量氧化活性（0.031 nmol/min/μg）高于PM?.?（0.026 nmol/min/μg），差异可能源于：
- **有机组分特性**：PM?中生物质燃烧源贡献的有机碳（OC）占比更高，而OC富集的HULIS（ humility-like substances）具有更强的ROS生成能力。
- **二次硝酸盐的协同效应**：PM?中二次硝酸盐占比更高，其表面吸附的有机酸可能增强氧化活性。
- **重金属催化作用**：PM?中的过渡金属（如Zn、Pb）与DTT反应的催化效率显著高于PM?.?。

**3.4 季节变化与气象因素影响**
- **冷季高浓度事件**：PM?.?日均浓度达26±16 μg/m3，PM?达20±11 μg/m3，冬季混合层高度降低（平均<500米）与北西风增强导致区域污染物累积。
- **源贡献季节性差异**：煤燃烧源在冬季贡献率提升（PM?从6%增至9%），与取暖需求增加相关；生物质燃烧在冬季贡献率提高（PM?/PM?.?均从9%增至9.1%），反映农村秸秆焚烧及城市家庭木制炊具使用增加。

#### 4. 健康效应与管理启示
**4.1 PM?的健康风险特异性**
- **氧化应激机制**：PM?中DTTv/PM质量比（0.031）是PM?.?（0.026）的1.2倍，且单位质量氧化活性差异在冬季达峰值（PM?/PM?.?=1.19）。此现象与PM?中高浓度有机组分（如HULIS）及重金属催化活性有关。
- **心血管与肺泡穿透效应**：PM?易滞留于肺泡灌洗液区（PM?.?仅达肺泡管壁），且氧化应激能力更强，可能加剧内皮功能障碍和动脉粥样硬化。

**4.2 污染控制策略优化**
- **交叉管理必要性**：二次硝酸盐（PM?/PM?.?=0.89）、生物质燃烧（0.75）等源在PM?与PM?.?中贡献率接近，表明针对这些源的减排可同步改善PM?与PM?.?暴露。
- **重点管控措施**：
1. **餐饮业生物质燃烧控制**：首尔约70%的生物质燃烧源来自家庭烤肉店及餐饮业，需推广无烟烹饪设备。
2. **工业颗粒超细排放治理**：钢铁、化工等企业PM?排放强度达0.428 μg/m3，需加强机械磨损防护与排放末端过滤。
3. **区域协同减排**：通过PSCF分析发现，PM?的二次硝酸盐源中52%来自山东等华北工业区的长距离传输，需强化跨境大气污染联防联控。

**4.3 研究局限性**
- **氧化潜力评估方法**：DTT试剂法为非细胞实验，无法模拟生物体内氧化还原平衡，需结合细胞毒性实验验证。
- **源解析不确定性**：DN-PMF对混合源（如生物质燃烧与二次硝酸盐的耦合）的分辨率有限，未来需结合机器学习提升源分类精度。
- **季节代表性**：样本未覆盖2022年冬季极端雾霾事件，需补充突发污染事件研究。

#### 5. 结论与展望
本研究首次在首尔通过同点位、同步采样对比PM?与PM?.?的化学组成、来源及氧化潜力，得出以下结论：
1. **PM?的氧化活性优势**：PM?单位质量的氧化应激能力比PM?.?高19%，提示需单独制定PM?管控标准。
2. **交叉污染源主导**：二次硝酸盐、生物质燃烧及工业排放是PM?与PM?.?的共同主要来源，占比均超过30%。
3. **区域传输影响显著**：PM?的二次硝酸盐源中，山东地区贡献占比达45%，需纳入“一带一路”跨境污染治理框架。

未来研究建议：
- **构建PM?暴露-健康效应模型**：整合PM?化学组分与氧化活性数据，建立与心血管疾病、癌症风险的相关性模型。
- **开发PM?特异性监测技术**：优化实时颗粒物监测网络，增设PM?单独采样点。
- **深化源解析技术**：引入单颗粒质谱（S-PFS）追踪PM?来源轨迹，结合卫星遥感数据实现源动态制图。

该研究为全球高密度城市（如北京、东京）的PM?管理提供了科学范式，证实通过多尺度污染源控制（局地餐饮业减排+区域工业协同治理）可有效降低PM?暴露，并协同改善PM?.?空气质量。