韩国城市地区PM10负载有机气溶胶的来源分配与健康风险评估：基于正烷烃、多环芳烃（PAHs）、藿烷（hopanes）和甾烷（steranes）的见解

《Atmospheric Research》：Source apportionment and health risk assessment of PM 10-bound organic aerosols in urban South Korea: Insights from n-alkanes, PAHs, hopanes, and steranes

本研究分析2013年春季韩国大田市PM10中n-烷烃、PAHs等有机物的分子分布及来源，发现PAHs主要源自生物质燃烧（47%）、煤燃烧（27%）和车辆排放（14%），并揭示PAH浓度与气温负相关，为制定空气污染治理策略提供依据。

　　

莫扎梅尔·哈克博士（Md. Mozammel Haque）|苏雷什·K·R·博雷迪（Suresh K.R. Boreddy）|金尚·郑（Jinsang Jung）|川村公孝（Kimitaka Kawamura）

中国南京信息科技大学，教育部国际气候与环境变化合作联合实验室，大气环境中心，南京 210044

摘要

气溶胶是主要的大气污染物之一，由于其对人类健康和气候的影响而受到科学界的广泛关注。尽管多环芳烃（PAHs）具有致癌性，但其来源对城市大气的贡献仍不清楚。本研究使用热脱附气相色谱/质谱（TD-GC/MS）技术，分析了2013年4月15日至5月22日在韩国大田收集的PM₁₀样本中各种非极性有机化合物（包括正烷烃、多环芳烃（PAHs）、藿烷和甾烷）的分子分布和来源特征。正烷烃的分子分布以C₂₉为主，其次是C₂₇。正烷烃的总浓度与元素碳（EC）和钾离子（K⁺）之间存在显著的正相关关系，表明化石燃料燃烧和生物质燃烧是主要来源。在PAHs中，茚并[1,2,3-cd]芘（IcdP）和二苯并[a,h]蒽（DahA）是最常见的化合物。藿烷类化合物中，17a(H),21b(H)-藿烷（30ab）的含量最高，而17b(H),21a(H)-藿烷（30ba）的含量最低。在采样期间，甾烷类化合物中C₂₇的浓度高于C₂₉。根据诊断比率和特定来源的标志物，本研究揭示了春季PAHs的主要来源是煤炭燃烧、生物质燃烧和车辆排放。正矩阵分解（PMF）分析表明，在大田，总PAHs主要来自生物质和煤炭燃烧（74%），其次是车辆排放（14%）和天然气燃烧（12%）。此外，PAH浓度与空气温度呈负相关关系，即PAH浓度越高，温度越低，这对空气质量与公众健康可能有重要影响。本研究的结果为这些高致癌性有机化合物的来源提供了宝贵的见解，有助于政策制定者制定有效的空气质量监测和缓解策略。

引言

大气气溶胶是由多种有机和无机化合物组成的复杂混合物，其中正烷烃、多环芳烃（PAHs）、藿烷和甾烷是重要成分（Mahdad等人，2022；Simoneit，1999）。这些化合物，尤其是正烷烃，对空气质量与气候有深远影响。它们作为分子标记物，有助于识别和表征大气污染的来源，这一任务变得越来越紧迫（K??mal等人，2013；Seinfeld和Pandis，2016；Wang等人，2009）。 正烷烃是具有直链结构的饱和烃类，在大气中普遍存在。它们来源于天然来源（如植物蜡）和人为活动（包括化石燃料燃烧、车辆排放和工业过程（Rogge等人，1993a；Simoneit，1999）。早期研究表明，正烷烃的分布模式和奇数碳数与偶数碳数的比例可以用来区分生物源和人为源。例如，碳数较高（≥C₂₅）且奇数碳数占主导的正烷烃通常与植物蜡相关（Boreddy等人，2018c）。相比之下，碳数较低（≤C₂₄）且奇数/偶数分布较为平衡的正烷烃通常与石油来源相关（Kang等人，2018；Yang等人，2023）。 多环芳烃（PAHs）是一类包含至少两个苯环的碳氢化合物（Ravindra等人，2008）。它们主要通过有机物的不完全燃烧形成，是煤炭燃烧、车辆排放、工业活动和生物质燃烧等污染的重要指标（Lee和Kim，2007；Schauer等人，1996；Tobiszewski和Namie?nik，2012）。由于其持久性、毒性和致癌潜力，PAHs被广泛用于空气质量评估（IARC，2023）。最近的研究强调了了解PAHs的空间和时间变化对于评估其健康影响和制定有效污染控制策略的重要性（Ambade等人，2022；Kim等人，2025）。此外，特定PAHs的比例常被用作区分不同燃烧源的诊断工具（Dvorská等人，2011；Katsoyiannis等人，2011；Wu等人，2021）。 藿烷是五环三萜类烃，来源于古代细菌和蓝细菌的脂质膜。这些化合物在地质时间尺度上保存在沉积有机物中（Mara等人，2022），常见于原油和其他化石燃料中（Iakovides等人，2021；Oros和Simoneit，2000）。藿烷对环境降解具有很强的抵抗力，使其成为追踪化石燃料相关污染的可靠生物标志物（Han等人，2019；K??mal等人，2013）。它们在环境中的持久性也使其有助于研究污染物的长距离传输和评估历史污染趋势（Mara等人，2022；Saito和Suzuki，2007）。甾烷是四环烃，来源于甾醇，具有抗降解性，在原油和石油产品中普遍存在。这些化合物被用作追踪石油源污染的分子标志物，如石油泄漏、化石燃料燃烧和工业排放（Alves，2008）。此外，通过对气溶胶中甾烷成分的分析，可以了解不同化石燃料来源对城市和工业地区空气污染的相对贡献（Liu等人，2022）。 结合这些分子标志物——正烷烃、PAHs、藿烷和甾烷——可以为大气研究中的来源分配提供全面的方法（Mahdad等人，2022）。通过分析它们的分布和诊断比率以及多元统计方法，可以识别颗粒物的主要来源，评估自然和人为排放的相对贡献（Mali等人，2022），并探讨其对空气质量和公众健康的影响（Mallah等人，2022；Peng等人，2023）。东北亚的空气污染已被广泛认为对全球有重大影响。此外，国际能源署（IEA，2023）报告称，东北亚是全球煤炭使用量最大的地区。该地区可能有大量的PAH排放和影响。大田是东北亚的一个大城市，位于韩国中部，如图1所示。先前的研究发现，汽车排放和煤炭燃烧是韩国有机污染物的主要来源，尤其是在首尔（Choi等人，2024；Kang等人，2020；Lee和Kim，2007）。然而，关于该地区PAHs及相关污染物的来源仍存在相当大的不确定性。 本研究旨在采用综合策略，研究韩国大田市PM₁₀中有机示踪化合物和主要离子的大气丰度、特征和来源分配，以加深对该地区空气污染原因和后果的理解。本研究还探讨了PAHs的健康风险评估及其与研究期间气象参数的关系。

气溶胶采样

2013年4月15日至5月22日期间，在韩国大田的韩国标准科学研究院（KRISS）化学楼屋顶（坐标36.39°E, 127.37°N）进行了PM₁₀（空气动力学直径≤10 μm的颗粒物）采样，如图1所示。每日PM10浓度（在24小时内收集，代表日均浓度）使用高容量空气采样器收集在预烘焙的石英纤维过滤器（20 × 25 cm）上。

前体气体和化学组成

图2a显示了2013年4月15日至5月22日期间大田几种前体气体的变化情况。在整个研究期间，SO₂的浓度范围为0.10至3.70 ppbv，平均值为1.02 ± 0.81 ppbv；而NO_x（NO+NO₂）气体的浓度范围为6.10至29.2 ppbv，平均值为15.9 ± 5.91 ppbv。车辆排放可能是大田期间NO_x的主要来源，因为记录的NO_x水平是其他来源的15.6倍。

结论

2013年春季调查期间，测量了韩国大田城市环境中正烷烃、PAHs、藿烷和甾烷的PM₁₀当量浓度。正烷烃的分布以C₂₉为主，其次是C₂₇。它们的总浓度与元素碳（EC）和钾离子（K⁺）之间存在显著的正相关关系，表明化石燃料燃烧和生物质燃烧是主要来源。

CRediT作者贡献声明

莫扎梅尔·哈克博士（Md. Mozammel Haque）：撰写——初稿，监督。 苏雷什·K·R·博雷迪（Suresh K.R. Boreddy）：撰写——审阅与编辑。 金尚·郑（Jinsang Jung）：资源提供。 川村公孝（Kimitaka Kawamura）：撰写——审阅与编辑。

未引用的参考文献

Ding等人，2009

利益冲突声明

我们所有作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢城市空气污染复合体形成与预防国家重点实验室（资助编号：2021080546）、教育部气象灾害重点实验室（KLME）以及气象灾害预测与评估合作创新中心（CIC-FEMD）（南京信息科技大学资助编号：KLME202210）的财政支持。