南昌市PM2.5中結合氨基酸的濃度組成及來源

朱慧曉,朱仁果*,程麗琴,潘媛媛,魯承紹,吳智輝,李靜雯 (.東華理工大學水資源與環境工程學院,江西 南昌 33003；2.東華理工大學,江西省大氣污染成因與控制重點實驗室,江西 南昌 33003)

氨基酸是最重要的有機氮化合物之一,在大氣氣溶膠中主要以游離氨基酸(FAAs)和結合氨基酸(CAAs,例如蛋白質和多肽等)的形式存在[1-2].研究表明,蛋白類物質可能影響有機氣溶膠的形成、吸濕性、微觀結構重構、酸度和堿度[3-6];一些氣溶膠氨基酸化合物甚至可以通過控制云層形成過程(充當云凝結核)來改變氣候[2,7-8].然而,氣溶膠中氨基酸的變化和來源目前還尚不清楚.

大氣氣溶膠中 CAAs的水平和來源非常復雜.研究表明,這些來源包括生物源(如花粉、動植物殘骸、細菌、真菌、孢子等)、人為源(生物質燃燒、農業活動、道路揚塵等)[9-13].近年來,有研究表明氣溶膠中 CAAs的組成成分與其來源密切相關,且已被用于確定主要氣溶膠的排放源[9,14-16].不同來源可能導致氨基酸的組成不同.目前,對影響氣溶膠中CAAs來源的相關研究還很有限.

穩定同位素(δ15N)是追蹤不同大氣氮源的可靠技術[17-18].Gly是大氣中最豐富和最穩定的氨基酸之一,且由于缺少側鏈,在大氣光化學過程中不會被進一步破壞[19-20].研究表明,不同排放源中 Gly的δ15N值有很大的差異,生物質燃燒源的 δ15N值比自然源的 δ15N值偏正,可以有效區分生物質燃燒和自然來源[21].因此 Gly的穩定氮同位素組成可作為氣溶膠氨基酸起源的潛在示蹤劑[15,21].目前,對PM2.5中結合態甘氨酸的δ15N值及其潛在排放源的了解有限.

本研究通過對南昌市城市和森林地區采集的PM2.5樣品進行分析,研究樣品中CAAs的水平,并與不同區域的研究和周圍環境潛在排放源(土壤和植物)中的 CAAs進行比較.此外,同時測定了 PM2.5中結合態Gly的δ15N值來示蹤大氣中氨基酸的來源,分析了氨基酸在大氣環境中的轉化過程.以期通過對比分析城市和森林地區PM2.5中CAAs的濃度水平、百分占比組成以及其單體甘氨酸的氮同位素值,來示蹤不同特征區域PM2.5中CAAs潛在排放源以及其大氣化學過程.

1 材料與方法

1.1 采樣方法

2021年3月20日～4月17日在南昌市城市和森林地區采集PM2.5樣品.采樣儀器為大流量TSP采樣器 KC-1000,采樣流量為1050L/min.采樣濾膜為石英濾膜,采樣之前為去除濾膜中的雜質,用鋁箔紙將濾膜包好放入馬弗爐中,450℃加熱 5h,然后放入預先燒好(450℃)的鋁箔袋中,并單獨裝入自封袋中.采樣器位于每個場地建筑物的屋頂上,大約離地面10m,采樣時間為每天早上 9:30～次日早上 9:00(共23.5h)(其中4月1日因停電暫停采1d).

在土壤表層10cm處采集土壤樣品,對于每種類型的土壤樣品,各采集了3個具有代表性的土壤樣品.

在研究區域采集常見植被樟樹,在樟樹的外枝采集約 5～6g的樟樹葉子,收集 5～6個具有代表性的樣品.所采集的新鮮樣品放入自封袋里,貼上標簽并儲存在冰箱內.所有的植物和土壤樣品均要凍干,冷凍干燥的樣品在-20℃下保存,直到下一步分析使用.

1.2 樣品分析

對于PM2.5中CAAs的分析,采用高溫酸水解將氣溶膠中蛋白質和多肽的總水解氨基酸釋放出來的方法.使用 Mandalakis等[11]和Ren等[22]修改版本方法來處理樣品.在實驗室中,將每個 PM2.5樣品的1/4轉移到玻璃水解管中,為避免氨基酸氧化,向每個提取物中添加濃度為20μg/μL的25μL抗壞血酸,再加入20mL的6mol/L鹽酸,超聲30min,隨后,樣品在110℃下加熱水解24h.

對于植物和土壤樣品,稱取0.15g左右的植物樣品和1g左右的土壤樣品,分別用液氮研磨成細粉.然后,用與氣溶膠樣品相同的方法對植物和土壤樣品進行水解.

在室溫下冷卻后,用 Milli-Q超純水進行溶解,60℃蒸干,然后重新溶解在0.1mol/L鹽酸中,并用陽離子交換柱純化(Dowex 50W×8H+,200—400mesh size;Sigma-Aldrich,St Louis,MO,USA).純化后的氨基酸用9mL 4mol/L的氨水洗脫,然后加入α-氨基丁酸(AABA)作為內標,蒸發至干.然后制備叔丁基二甲基硅基(tBDMS)衍生物[23],無水硫酸鈉 70℃烘0.5h以上,依次加入少許無水硫酸鈉、50μL吡啶和50μL衍生劑,最后將混合物在70℃下加熱1h.最后,使用氣相色譜-質譜儀-同位素比值質譜儀(GCMS-IRMS)測定CAAs濃度和氮同位素值.

實驗過程中同時對空白濾膜進行了水解,使得所有的總水解氨基酸濃度都可以進行空白校正.CAAs的濃度計算為總水解氨基酸和 FAAs濃度之間的差值.FAAs測定采用Zhu等[20]的Milli-Q水直接提取方法.

1.3 輔助數據

本次實驗使用到的氣象參數(溫度和相對濕度)來自全球天氣和氣候信息網(http://www.weatherandclimate.info/),空氣質量參數(包括 O3和NO2濃度)來自中國空氣質量在線監測分析平臺(https://www.aqistudy.cn/).

利用TrajStat和MeteoInfoMap軟件計算了海拔1000m處氣團的3d(72h)后向軌跡.用于計算后向軌跡的氣象數據來自 NOAA空氣資源實驗室(https://ready.arl.noaa.gov/archives.php).

1.4 統計分析

使用 SPSS 26.0(SPSS Science, USA)和 Origin 2021(OriginLab Corporation, USA)軟件進行統計分析和畫圖.利用相關性分析研究氨基酸在大氣環境中的轉化過程.

2 結果與討論

2.1 城市和森林地區PM2.5中CAAs的濃度和組成

2.1.1 城市和森林地區PM2.5中CAAs的濃度 本文研究的PM2.5樣品在酸水解過程中共檢測到15種氨基酸,分別為丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、氨基丁酸(GABA)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、蛋氨酸(Met)、絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、賴氨酸(Lys)、組氨酸(His),在樣品中未檢測出谷氨酰胺(Gln)和天冬酰胺(Asn),可能是因為在酸水解過程中這兩種氨基酸被水解成相應的Glu和Asp[24-25].

采樣期間城市和森林地區PM2.5中CAAs的濃度變化如圖1(a)所示.城市地區CAAs的濃度變化為0.507～3.912nmol/m3,平均濃度為(1.38±0.86)nmol/m3;森林地區CAAs的濃度變化為0.497～2.647nmol/m3,平均濃度為(1.41±0.56)nmol/m3.通過單因素方差分析發現城市和森林地區 PM2.5濾膜樣品中總CAAs濃度差異不顯著(P＞0.05),可能與春季自然源排放(如花粉)的增強有關[26].

圖1 城市和森林地區總CAAs、O3和NO2濃度以及氣象條件隨時間變化Fig.1 Temporal variation in the total CAAs, O3 and NO2 concentrations and meteorological conditions in the urban and forest areas

由于氣溶膠中氨基酸受氣象條件、多種來源等各種因素的影響,不同地區氣溶膠中氨基酸水平有很大差異.與其他地區的研究結果相比,本研究區域PM2.5中 CAAs濃度明顯高于大西洋(0.02～0.4nmol/m3)[27],與加州戴維斯農村(0.85～3.260nmol/m3)[6]、南昌森林地區(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]、青島(2.4～40.9nmol/m3)[30]、上海(1.73nmol/m3)[31].此外,本次研究中城市地區與森林地區 CAAs濃度之間沒有顯著差異,可能是由于采樣時間是春季,此時生物活性增加導致生物質釋放增加,從而導致森林地區 CAAs濃度增加,而城市地區則受人為活動和地表揚塵的影響較大.

2.1.2 PM2.5中CAAs的組成 如圖2所示,城市地區和森林地區 CAAs的占比相近,Pro是最豐富的CAAs.城市地區中Pro占總CAAs的27.7%,其次是Gly(14.6%)、Ala(12.3%)、Leu(9.5%)和 His(9.1%);森林地區中Pro占總CAAs的22.6%,其次,Gly、His、Ala、和 Leu也有重要的貢獻,分別占總 CAAs的16.5%、14.5%、11.8%和7.9%.這一結果與Abe等[16]對日本澀谷附近郊區春季氣溶膠中的CAAs占比組成相似.此外,Abe等的研究還發現澀谷郊區氣溶膠中Pro是最主要氨基酸并將其高占比歸因于季節性變化的排放源(如花粉和落葉)的貢獻.本研究中 Pro有著較高占比可能是因為采樣時間是春季,生物活動增多,花粉等生物源貢獻增加導致.

圖2 城市和森林地區PM2.5中CAAs的組成占比Fig.2 Proportion of CAAs in PM2.5 in the urban and forest areas

氣溶膠中 CAAs中沒有特定的單個氨基酸占主導優勢,并且不同采樣點的氣溶膠中結合氨基酸的組成也有差異,可能與源貢獻或大氣過程有關(例如運輸過程中的老化[14]).在本研究CAAs組成中,除了Pro之外,Gly、Ala、Leu、His、Val、Ile也是主要的CAAs物種,這一結果與之前很多研究對大氣中CAAs的研究結果一致.例如,朱濟奇等[31]對上海大氣 PM2.5的研究發現,在CAAs中以Gly為主,對總CAAs的貢獻是29.3%;Ren等[22]在北京采集的氣溶膠樣品中發現Gly、Ala和Val是主要氨基酸,生物源、海洋源、生物質燃燒和人為排放是 CAAs的主要來源;Matsumoto等[32]在日本郊區采集的細顆粒氣溶膠中發現Glu和Gly是CAAs的優勢物種,主要來自燃料燃燒和生物質燃燒.本研究區域的城市和森林地區PM2.5中CAAs組成成分相似,但其來源還尚不明確.

2.2 城市和森林地區PM2.5中CAAs的來源

2.2.1 氣團聚類分析 為了探究PM2.5中CAAs的來源,利用TrajStat軟件對森林和城市地區的氣團進行后向軌跡分析和聚類分析.如圖3所示,根據聚類分析結果,可以將研究區域(森林和城市地區)的氣團分為兩類,分別占總后向軌跡的 10.7%、89.3%和14.3%、85.7%.一類是跨過湖北省、安徽省等省份的西北方向的氣團,另一類是江西及附近區域本地源影響的氣團.從圖3可知,PM2.5中CAAs的濃度受本地氣團的影響較大.

為了進一步研究不同氣團來源對森林和城市地區PM2.5中氨基酸的影響,計算了不同來源氣團影響的PM2.5中CAAs的濃度.如圖3所示,受第二類氣團影響的樣品中,森林(1.451±0.6)nmol/m3和城市地區(1.28±0.736)nmol/m3的 CAAs均表現出較高的濃度水平,表明本地來源對PM2.5中氨基酸的濃度有很大的影響.而受第一類西北方向輸送氣團影響的樣品中森林(1.103±0.171)nmol/m3和城市地區(1.994±1.202)nmol/m3的氨基酸濃度低于第二類氣團影響的氨基酸濃度,這可能是因為來源不同,也可能與受到長距離傳輸中蛋白類物質的大氣化學過程(例如氧化和降解)有關[33].

圖3 不同氣團聚類分析結果Fig.3 Cluster analysis results of different air masses

2.2.2 潛在氣溶膠氨基酸排放源中 CAAs的百分占比組成 聚類分析結果表明本地源對 PM2.5中CAAs的組成有較大的貢獻,但具體的來源尚不清楚.不同來源PM2.5中CAAs的組成則有明顯的差異,為了識別研究區域的PM2.5中CAAs的來源,對研究區域潛在排放源(土壤和植物)中的 CAAs組成成分進行比較分析.在植物源和土壤源中檢測到 17種CAAs,分別是 Ala、Gly、Val、Leu、Ile、Pro、Met、Ser、Thr、Phe、Asp、Glu、Asn、Lys、His、酪氨酸(Tyr)和色氨酸(Trp).這兩種來源的 CAAs濃度百分占比存在差異,結果如圖4所示.

圖4 森林、城市地區與主要排放源(生物質燃燒、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]根據氨基酸的理化性質,將氨基酸分為三類:疏水性(Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe、Trp),中性(Gly、Pro、Ser、Thr、His、Tyr)和親水性(Asp、Glu、Asn、Lys).植物源中疏水性、中性和親水性氨基酸濃度百分比分別為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%、親水性氨基酸占 8.3%.由此看出,植物源的中性和親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為主,占有較高的比例,明顯高于植物源.

Pro是森林和城市地區PM2.5中CAAs的優勢種,占總CAAs的22.6%和27.7%;在植物源和土壤源中Pro也是含量高的CAAs,分別占總CAAs的12.59%和12.58%.Zhu等[21]研究南昌市氣溶膠中氨基酸的潛在排放源(植物和土壤)發現 Pro為主要氨基酸;Milne等[35]發現植物、花粉以及細菌和真菌等中均存在 Pro.本研究采樣時間是春季,森林和城市地區植物覆蓋率高,土壤中含有豐富的細菌、真菌等微生物,微生物等生物源增加,從而導致 Pro有較高的占比.因此,植物源和土壤源可能是森林和城市地區PM2.5中CAAs的主要來源.

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的濃度水平高于森林和城市地區、植物源,分別占總CAAs的16%、11.8%、12.3%和12%,這可能與Ala是自然界普遍存在和數量最多的氨基酸物種之一有關[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、城市和森林地區.可見,本研究中土壤源是PM2.5中CAAs的重要貢獻源.

Gly在不同的來源中以不同的比例存在.森林和城市地區Gly的平均濃度(16.4%和14.6%)高于土壤樣品(6.8%)和植物樣品(7.5%).Gly是生物質燃燒源氣溶膠中主要的 CAAs組分.以往的研究也有記載,生物質燃燒是氣溶膠中CAAs的一個重要來源.Zhu等[21]在生物質燃燒中觀察到 CAAs中 Gly占優勢,表明 Gly是生物質燃燒釋放的最豐富的氨基酸;Barbaro等[20]發現,氣溶膠中的Gly可作為生物質燃燒的指標.這些研究結果表明,生物質燃燒過程中會增加氣溶膠中Gly的濃度.在本研究中Gly的平均百分比高于土壤源和植物源,但低于生物質燃燒.因此,土壤源、植物源和生物質燃燒可能是城市和森林地區PM2.5中CAAs的3個主要來源.

2.2.3 甘氨酸的氮同位素示蹤來源 為了更好的了解 PM2.5中氨基酸的來源,對城市和森林地區PM2.5和潛在排放源中的結合甘氨基酸(C-Gly)的氮同位素進行了研究.結果如圖5所示,城市地區PM2.5中 δ15NC-Gly的范圍為+0.62‰～+22.67‰,其平均值為(+9.54‰±5.49‰);森林地區 δ15NC-Gly范圍為+1.99‰～+23‰,其平均值為(+8.34‰±8.6‰).土壤源和植物源 δ15NC-Gly范圍分別為+4.1‰～12‰、-16.6‰～-11.3‰(平均值分別為(+8.7‰±3.0‰)、(-15‰±1.9‰)).

圖5 PM2.5中結合態甘氨酸和潛在排放源的δ15NGly值Fig.5 The δ15NGly values of combined glycine in PM2.5 and potential emission sources

Zhu等[21]首次測定了PM2.5中3種潛在排放源的δ15NC-Gly平均值,分別為生物質燃燒(+19.2±0.6‰),土壤源(+2.6±4.6‰)和植物源(-11.1±2.7‰),表明自然來源的 Gly(δ15NGly=-23.5‰～+9.4‰)比生物質燃燒(δ15NGly=+16.9‰～+27.3‰)在大氣中具有偏負的δ15N值.本研究中城市和森林地區PM2.5中δ15NC-Gly的值變化范圍較大,接近生物質燃燒和土壤源的范圍,說明生物質燃燒和土壤源可能是春季研究區城市和森林地區PM2.5中CAAs的主要來源.

根據氣溶膠中CAAs潛在排放源δ15N清單,本研究中生物質燃燒、土壤源和植物源是 PM2.5中CAAs的主要來源[15,21].為了進一步量化Gly的來源對PM2.5中結合甘氨酸濃度的貢獻,采用貝葉斯穩定同位素模型計算出采樣期間生物質燃燒、土壤源和植物源對城市和森林地區PM2.5樣品中Gly的平均貢獻.貝葉斯穩定同位素模型計算結果表明生物質燃燒、土壤源和植物源對城市地區PM2.5中結合Gly的平均貢獻分別為42%、40%和 18%,對森林地區結合Gly的平均貢獻占比分別為38%、38%和24%.

2.3 大氣氧化劑對PM2.5中CAAs濃度水平的影響

采樣期間南昌城市和森林地區的氣象參數(溫度、相對濕度和降雨量)和氣態污染物參數(O3和NO2)的時間變化如圖1(b～d)所示.城市和森林地區的NO2平均濃度分別為(26±9)和(11±3)ug/m3,城市地區的NO2平均濃度顯著高于森林地區(P＜0.01).城市和森林地區的 O3平均濃度分別為(96±30)和(89±27)μg/m3,兩者差異不顯著(P＞0.05).

圖6表明,森林地區 PM2.5中 CAAs與 O3(r=-0.15,P＞0.05)、NO2(r=0.05,P＞0.05)和[O3]+[NO2](P＞0.05)之間均無明顯相關性.對于城市地區而言,CAAs總濃度與大氣中 O3濃度(r=0.59,P＜0.01)表現出較好的相關性,而與大氣中 NO2濃度(r=0.07,P＞0.05)之間無明顯的相關性,并且城市地區 CAAs總濃度與 [O3]+[NO2]濃度(r=0.56,P＜0.01)呈顯著正相關.所有單體CAAs與大氣中O3的濃度呈正相關.有研究表明,在大氣氧化劑的作用下,氣溶膠中高分子量蛋白質可以被降解為低分子量的氨基酸和多肽[36-37].城市地區 PM2.5中 CAAs濃度與 O3和[O3]+[NO2]呈顯著相關,表明了大氣中 O3和 NO2會對氨基酸濃度產生一定的影響.

圖6 城市和森林地區PM2.5中單體結合氨基酸與O3、NO2和[O3]+[NO2]濃度的相關性Fig.6 Correlation between individual amino acids and O3, NO2 and [O3] + [NO2] concentrations in PM2.5 in urban and forest areas

3 結論

3.1 城市地區CAAs的濃度為0.507～3.912nmol/m3,平均濃度為(1.38±0.86)nmol/m3;森林地區CAAs的濃度為0.497～2.647nmol/m3,平均濃度為(1.41±0.56)nmol/m3.

3.2 城市和森林地區CAAs組成成分相似,Pro是最豐富的CAAs, Gly次之,Ala、His、Leu和Val是主要的CAAs物種.

3.3 結合Gly的δ15N值以及利用穩定同位素模型計算甘氨酸來源貢獻,表明生物質燃燒、植物源和土壤源可能是城市和森林地區PM2.5中CAAs的主要貢獻源.

3.4 城市地區 PM2.5中 CAAs濃度與 O3和[O3]+[NO2]呈顯著相關,說明大氣中 O3和 NO2對氨基酸濃度產生一定的影響.