南昌市粗顆粒氣溶膠中水解氨基酸的濃度和組成特征*

溫澤群 李 波 肖化云 朱仁果 朱玉雯 廖文靜 李燦明

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093;2.東華理工大學(xué)江西省大氣污染成因與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030)

有機(jī)氮是大氣顆粒物中的重要組成部分，可以影響海洋、陸地的氮循環(huán)系統(tǒng)[1-2]。大氣顆粒物有機(jī)氮中含有大量氨基酸，可以促進(jìn)大氣中新粒子的形成和新粒子吸濕生長(zhǎng)，影響著全球氣候變化[3-4]。了解城市環(huán)境中大氣氨基酸的來(lái)源，對(duì)于掌握大氣環(huán)境和保護(hù)人類(lèi)健康具有重要意義。

陸地生物氣溶膠通常以粗顆粒形式存在于大氣環(huán)境中[5]，包括花粉、真菌孢子、動(dòng)物碎屑、細(xì)菌和病毒等蛋白質(zhì)分子物質(zhì)[6]，初級(jí)生物氣溶膠是人類(lèi)、動(dòng)物和植物間傳播疾病的主要媒介[7]。目前，科學(xué)家對(duì)粗顆粒氣溶膠中氨基酸進(jìn)行研究，ABE等[8]160研究東京城市地區(qū)不同粒徑氣溶膠中的氨基酸，發(fā)現(xiàn)粗顆粒中的氨基酸占?xì)馊苣z總氨基酸的49.96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；MATSUMOTO等[9]研究了北太平洋西部海洋中不同粒徑的氣溶膠顆粒物，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒中氨基酸占比(77.39%(摩爾分?jǐn)?shù)))高于粗顆粒(22.61%)。可見(jiàn)，在不同區(qū)域的氣溶膠粗顆粒中氨基酸含量存在差異。

目前，有研究發(fā)現(xiàn)可以利用穩(wěn)定氮同位素比值(δ15N，‰)示蹤大氣中氮化合物的潛在來(lái)源[10]。由于甘氨酸(Gly)沒(méi)有側(cè)鏈，在大氣中穩(wěn)定存在(半衰期>2 040 h)[11]，且不同排放源中Gly的δ15N存在較大差異，可作為示蹤氣溶膠中氨基酸排放源的有效工具[12]。但目前研究對(duì)氣溶膠中氨基酸δ15N的認(rèn)識(shí)仍然有限，并且對(duì)氣溶膠中氨基酸化合物的來(lái)源和轉(zhuǎn)化過(guò)程認(rèn)識(shí)仍然存在一定的障礙。為此，本研究采集了南昌市5個(gè)不同特征采樣區(qū)(市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、機(jī)場(chǎng)、郊區(qū)、森林)的粗顆粒氣溶膠樣品，測(cè)定了粗顆粒氣溶膠中水解氨基酸(HAA)的濃度水平和δ15N，分析降雨對(duì)HAA釋放的影響。研究所得的數(shù)據(jù)將有助于更好地了解南昌市粗顆粒氣溶膠中氨基酸的變化，預(yù)測(cè)氨基酸在大氣過(guò)程中的作用，進(jìn)一步提高對(duì)氣溶膠中氨基酸的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 樣品收集

于2019年4月30日至5月13日分別在南昌市市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、郊區(qū)、機(jī)場(chǎng)、森林5個(gè)采樣區(qū)采集粗顆粒氣溶膠樣品，采樣器為大容量總懸浮顆粒物(TSP)采樣器，采樣流速為1 050 L/min。采樣前，為除去微量的雜質(zhì)，將采樣器的石英濾膜用錫箔紙包裹放置于馬弗爐內(nèi)，450 ℃下加熱5 h，加熱后冷卻至室溫，然后放進(jìn)自封袋中置于干燥器內(nèi)。除機(jī)場(chǎng)外，其他采樣區(qū)的采樣器均設(shè)在場(chǎng)地建筑物屋頂上，距地面約10 m，機(jī)場(chǎng)的采樣器放置在距跑道約1 000 m的空地上，采樣時(shí)間為17：00至次日16：30。

1.2 樣品制備

參考文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]中的方法測(cè)定粗顆粒氣溶膠樣品中HAA濃度和δ15N。將每個(gè)采樣石英濾膜面積的2/7轉(zhuǎn)移到50 mL的玻璃水解管中，向每個(gè)提取物中添加25 μL 20 μg/μL的抗壞血酸、10 mL 6 mol/L的HCl；隨后，樣品在110 ℃下加熱24 h。待室溫冷卻后，用Milli-Q超純水進(jìn)行溶解，60 ℃下蒸發(fā)至干，然后將樣品洗出，用0.22 μm濾頭過(guò)濾后再用10 mL的氨水(4 mol/L)洗脫至試管內(nèi)，蒸發(fā)至干，制備氨基酸的丁基二甲基硅烷基(tBDMS)衍生物[15]。依次加入約150 μg無(wú)水Na2SO4、50 μL吡啶和50 μL N-甲基-N(叔丁基二甲基硅烷基)三氟乙酰胺，將混合物在70 ℃下加熱1 h。使用氣相色譜(GC)—質(zhì)譜(MS)/同位素比值質(zhì)譜(IRMS)的方法分析13種HAA單體(包括Gly、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、組氨酸(His)、苯丙氨酸(Phe)、賴氨酸(Lys)、絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr))濃度和δ15N。樣品送入進(jìn)樣器后分流，約10%(體積分?jǐn)?shù)，下同)進(jìn)入單四極桿MS，提供每個(gè)洗脫峰的結(jié)構(gòu)和濃度信息，剩余約90%通過(guò)GC-Isolink接口，洗脫的氨基酸被氧化并還原形成N2，最后導(dǎo)入IRMS儀器分析測(cè)定15N/14N自然豐度比，根據(jù)式(1)計(jì)算δ15N[16]。

δ15N=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1 000‰

(1)

式中：R樣品為樣品中15N/14N自然豐度比；R標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品種的15N/14N自然豐度比。

以大氣氮的δ15N為基準(zhǔn)值0，樣品δ15N為正表示15N富集，δ15N為負(fù)表示15N虧損。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(ANOVA)法檢測(cè)降雨期與非降雨期樣品中各HAA單體的含量差異，并用Tukey-HSD法進(jìn)行比較，P<0.05表示存在顯著性差異；采用Origin 2017進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 粗顆粒氣溶膠中HAA濃度水平

2.1.1 不同采樣區(qū)中粗顆粒氣溶膠HAA的濃度

南昌市5個(gè)采樣區(qū)粗顆粒氣溶膠總水解氨基酸(THAA)的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。5個(gè)采樣區(qū)粗顆粒氣溶膠中的THAA摩爾濃度為0.2～4 396.1 pmol/m3，平均值為429.8 pmol/m3。森林的THAA摩爾濃度最高，為(654.4±1 152.4)pmol/m3，機(jī)場(chǎng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、郊區(qū)和市區(qū)的THAA摩爾濃度分別為(538.9±821.6)、(442.2±583.3)、(282.5±431.1)、(230.9±300.8)pmol/m3，通過(guò)單因素方差分析發(fā)現(xiàn)5個(gè)采樣區(qū)的粗顆粒氣溶膠中THAA濃度沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

粗顆粒氣溶膠中氨基酸濃度受氣象條件、釋放源等因素的影響，因此在不同地區(qū)粗顆粒氣溶膠的氨基酸水平有較大的差異[14]。ABE等[8]155在日本城市地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)春季粗顆粒氣溶膠中THAA的平均摩爾濃度為511.7 pmol/m3；DIFILIPPO等[17]在羅馬農(nóng)村地區(qū)冬季測(cè)得粗顆粒氣溶膠中THAA的平均摩爾濃度為1 394.6 pmol/m3。本次研究中，森林地區(qū)粗顆粒氣溶膠THAA平均濃度高于市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、機(jī)場(chǎng)、郊區(qū)地區(qū)，可能是本次研究采樣時(shí)間為春季，降雨頻繁，降雨會(huì)促進(jìn)森林地區(qū)生物氣溶膠釋放，導(dǎo)致森林地區(qū)粗顆粒氣溶膠高于其他特征區(qū)域。YUE等[18]11和JOUNG等[19]對(duì)生物氣溶膠的研究也表明降雨對(duì)生物質(zhì)的釋放具有刺激作用(如促進(jìn)樹(shù)葉表面的真菌孢子釋放)，且雨水還會(huì)影響土壤和水體產(chǎn)生新的生物顆粒的釋放，導(dǎo)致生物質(zhì)粗顆粒氣溶膠濃度增加。

注：箱體圖上字母相同，代表差異不顯著(P>0.05)，字母不同代表差異顯著(P<0.05)。圖2、圖3同。圖1 5個(gè)采樣區(qū)域粗顆粒氣溶膠中THAA的質(zhì)量濃度Fig.1 Average mole concentration of THAA in coarse aerosol of five characteristic sampling regions

2.1.2 粗顆粒氣溶膠中HAA組成

南昌市5個(gè)采樣區(qū)粗顆粒氣溶膠中HAA單體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。粗顆粒氣溶膠中Pro、Val、Leu、Ala、Ile、Glu、Gly是主要HAA，在THAA中具有較高的占比。Pro為占比最高的HAA單體，這與之前粗顆粒氣溶膠氨基酸研究相一致。ABE等[8]158研究發(fā)現(xiàn)，Pro廣泛分布在直徑大于10 μm的粗顆粒中，如微生物碎屑和藻類(lèi)孢子。本研究采集樣品為春季南昌市粗顆粒氣溶膠樣品，由于春季生物源的貢獻(xiàn)增加，導(dǎo)致粗顆粒氣溶膠中Pro的占比增高。

根據(jù)各HAA單體的理化性質(zhì)，將其分為中性HAA(Gly、Ser、Thr、Pro、His)、親水性HAA(Asp、Glu、Lys)和疏水性HAA(Ala、Val、Leu、Phe、Ile)3類(lèi)[20]。由表1計(jì)算可知，市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、機(jī)場(chǎng)、郊區(qū)、森林采樣區(qū)疏水性HAA占比分別為48.8%、56.4%、54.1%、49.4%、43.1%；中性HAA占比分別為45.7%、36.6%、39.9%、33.8%、45.9%；親水性HAA占比分別為5.8%、7.0%、6.0%、16.8%、11.0%，親水性HAA含量低于疏水性HAA和中性HAA。本次研究中，5個(gè)采樣區(qū)均為疏水性HAA占比最高，REN等[21]在北京地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，氣溶膠中疏水性HAA具有較高占比(34.1%)，與本次研究結(jié)果相似；這可能是因?yàn)槭杷煞值难趸瘯r(shí)間比較長(zhǎng)，可以在氣溶膠中長(zhǎng)期存在，導(dǎo)致疏水性HAA占比相對(duì)較高。

表1 5個(gè)采樣區(qū)粗顆粒氣溶膠中HAA單體占比(摩爾分?jǐn)?shù))Table 1 Percentage of monomer HAA (molar fraction) in coarse aerosol %

2.2 降雨期與非降雨期HAA對(duì)比

為考察降雨對(duì)粗顆粒氣溶膠中氨基酸釋放的影響，對(duì)采樣期間降雨期與非降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。鑒于不同HAA單體間濃度差異較大，將HAA分為高濃度組與低濃度組。對(duì)高濃度組HAA研究發(fā)現(xiàn)，降雨期與非降雨期Pro濃度沒(méi)有明顯差異(P>0.05)，高濃度組中其他HAA單體濃度在降雨期與非降雨期之間存在顯著差異，降雨期顯著高于非降雨期(P<0.05)。然而，對(duì)于低濃度組HAA而言，降雨對(duì)HAA單體濃度變化影響并不顯著(P>0.05)。

圖2 降雨期與非降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA單體差異Fig.2 Changes of HAA monomers during rainfall period and dry periods

南昌市降雨期粗顆粒氣溶膠中Ala、Val、Leu、Ile、Glu、Gly含量顯著增加(P<0.05)。ZHU等[22]20研究表明，Ala、Val、Leu、Ile、Glu等是自然源(植物和土壤)氨基酸中的主要成分；MILNE等[23]發(fā)現(xiàn)植物、花粉和藻類(lèi)以及真菌和細(xì)菌孢子中均存在Ala、Gly、Glu等HAA單體，并且在降雨期這些HAA單體濃度會(huì)增加。ELBERT等[24]在雨后潮濕時(shí)期也觀察到新生物粗顆粒(土壤、巖石和植被上生長(zhǎng)的真菌、地衣和其他花植物覆蓋層噴出的孢子)在潮濕地面上出現(xiàn)；文獻(xiàn)[18]對(duì)生物氣溶膠的研究表明，降雨對(duì)生物質(zhì)的釋放具有刺激作用。因此，可能是降雨對(duì)自然源物質(zhì)的釋放具有促進(jìn)作用，從而導(dǎo)致降雨期粗顆粒中自然源HAA單體濃度顯著增加。

2.3 降雨期與非降雨期HAA的δ15N變化

對(duì)降雨期和非降雨期氣溶膠粗顆粒中有15N檢出的11種HAA單體及THAA的δ15N進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。降雨期THAA的δ15N(8.3‰±5.6‰)顯著低于非降雨期THAA的δ15N(10.3‰±6.1‰)(P<0.05)，多數(shù)HAA單體的δ15N也出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，降雨期典型自然源HAA單體Ala、Val、Leu、Glu的δ15N平均值分別為9.5‰、11.6‰、10.3‰、8.9‰，顯著低于非降雨期的16.2‰、16.4‰、15.2‰、12.3‰，說(shuō)明15N明顯虧損(P<0.05)。

圖3 南昌市降雨期與非降雨期THAA及HAA單體的δ15N變化Fig.3 Changes of δ15N of THAA and HAA monomer during rainfall periods and dry periods in Nanchang

隨著穩(wěn)定氮同位素技術(shù)發(fā)展，δ15N可以用來(lái)示蹤含氮化合物來(lái)源。ZHU等[22]23利用Gly的δ15N追蹤氣溶膠氨基酸的潛在排放源，發(fā)現(xiàn)自然源、人為源中Gly的δ15N分別為-1.6‰～7.8‰、18.1‰～19.8‰。在本研究中，南昌市降雨期和非降雨期Gly的δ15N分別為7.6‰±4.5‰、11.5‰±3.6‰，總體與自然源Gly的δ15N接近；此外，降雨期Gly的δ15N比非降雨期更為偏負(fù)，進(jìn)一步表明降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA受自然源影響相比非降雨期更大。

3 結(jié) 論

(1)南昌市粗顆粒氣溶膠中THAA摩爾濃度為0.2～4 396.1 pmol/m3，平均值為429.8 pmol/m3。5個(gè)采樣區(qū)中，森林地區(qū)的THAA摩爾濃度最高，為(654.4±1 152.4)pmol/m3，單因素方差分析表明5個(gè)采樣區(qū)THAA濃度沒(méi)有顯著差異；(2)Pro、Val、Leu、Ala、Ile、Glu、Gly是南昌市粗顆粒氣溶膠中主要HAA單體，在THAA中具有較高的占比。5個(gè)采樣區(qū)粗顆粒氣溶膠樣品中均為疏水性HAA占比最高，這可能與疏水成分的氧化時(shí)間比較長(zhǎng)，可以在氣溶膠中長(zhǎng)期存在有關(guān)；(3)降雨期高濃度組HAA(Pro除外)濃度顯著高于非降雨期，然而對(duì)于低濃度組HAA而言，降雨對(duì)其濃度變化影響并不顯著；(4)南昌市降雨期和非降雨期Gly的δ15N分別為7.6‰±4.5‰、11.5‰±3.6‰，總體與自然源Gly的δ15N(-1.6‰～7.8‰)接近；降雨期Gly的δ15N與非降雨期相比偏負(fù)，進(jìn)一步表明降雨期粗顆粒氣溶膠中受自然源影響相比非降雨期更大。