东地中海一个主要城市中的生物气溶胶与PM2.5中的磷

《Atmospheric Environment》：Bioaerosols and phosphorus in PM 2.5 in a major Eastern Mediterranean city

本研究在雅典（东地中海主要城市）对2018年12月至2021年7月大气PM2.5中磷和糖类进行长期观测，发现自然源贡献了约50%的PM2.5质量，其中真菌和花粉占21%的有机碳，沙尘和人为源分别占28%和19%。糖类（包括原糖、糖醇和脱水糖）和磷的浓度季节变化显著，冬季均值达398 ng/m3，磷中位数21.0 ng/m3，受体模型分析显示沙尘和人为排放为主要污染源。

　　

Kyriaki Papoutsidaki|Konstantina Oikonomou|Maria Tsagkaraki|Georgios Grivas|Kalliopi Tavernaraki|Faidra-Aikaterini Kozonaki|Irini Tsiodra|Aikaterini Bougiatioti|Nikos Mihalopoulos|Maria Kanakidou

希腊克里特大学化学系ECPL，赫拉克利翁，70013

摘要

本研究通过对希腊雅典地区细颗粒大气气溶胶（PM_2.5）中磷、初级糖类、糖醇和脱水糖的多年采样（共20个月，从2018年12月到2021年7月），首次观察到了这些成分的存在。此外，还利用额外的气溶胶成分数据，通过受体模型识别并确定磷的来源，将其归因于自然和人为因素。总糖浓度中位数为205 ng m^?3，范围在12.6至3391 ng m^?3之间，其中初级糖类、糖醇和脱水糖分别占22%、19%和59%。研究期间，总磷（TP）浓度中位数为21.0 ng m^?3（范围为2.64–179 ng m^?3）。平均而言，糖类占有机碳的2.6%，占水溶性有机碳的4.9%。正矩阵分解（PMF）分析显示，生物气溶胶是总磷的主要来源（31%），其次是交通/再悬浮颗粒（28%）、撒哈拉沙尘（19%）和区域传输（14%），以及海盐（6%）。总体而言，自然来源约占总PM_2.5质量的50%，这一发现突显了非人为来源对环境PM_2.5的显著影响。

引言

生物气溶胶来源于多种自然和人为因素，包括土壤尘埃、海洋喷雾、植被残骸以及人类活动产生的气溶胶（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年），它们对气候、环境和健康都有影响。生物气溶胶可以与辐射相互作用，作为云凝结核（CCN）或冰核（IN），从而影响云的形成（Chatziparaschos等人，2024年）。某些类型的生物气溶胶还与严重的过敏和呼吸系统问题有关（Douwes等人，2003年；Sofiev等人，2006年）。生物气溶胶还可以携带营养物质，如磷（P）、氮（N）和碳（C）（Kanakidou等人，2012年、2016年、2018年；Myriokefalitakis等人，2016年）。特别是，生物气溶胶中的磷通常与微生物生物量（如细菌和真菌孢子）或来自植物和动物组织的有机物相关（Violaki等人，2021年）。沉积后，这些营养物质可以提高土壤和水体的肥力，尤其是在营养有限的地区。

气溶胶中的糖类与生物气溶胶密切相关，因为它们通常是微生物生物量或代谢产物的组成部分。糖类具有很强的吸湿性，可以从大气中吸收水分并促进云滴的形成，使其成为有效的云凝结核（CCN），从而影响云的微物理特性和辐射强迫（Sun和AuthorAnonymous，2006年）。

一些糖类可以用作特定来源的示踪剂（Waked等人，2014年），有助于了解颗粒物的来源。例如，真菌孢子和细菌细胞含有大量的糖类，如甘露醇和阿拉伯糖醇，这些糖类在微生物活动过程中会释放到大气中（Bauer等人，2008年）。植物叶片在光合作用过程中会释放蔗糖和葡萄糖，而有机物的微生物分解也会将糖类释放到大气中（Marynowski和Simoneit，2022年；Medeiros等人，2006年）。此外，糖类可以与磷酸根离子形成复合物，从而提高磷的生物利用度。在某些土壤类型中，有机磷酸盐（OPs）是最丰富的磷酸盐形式，而肌醇磷酸盐（InsPs）是最主要的OPs（Su和Saiardi，2024年）。

磷是所有生命形式所需的关键大量营养素之一（Hou等人，无日期）。它是细胞重要组成部分（如脱氧核糖核酸、核糖核酸、三磷酸腺苷和膜）的关键成分，对于能量转移、遗传信息存储和代谢功能至关重要（Paytan和Mclaughlin，2007年）。然而，由于磷的可用性较低，它在陆地和水生生态系统中往往成为限制性营养素（Krom等人，1991年）。大气中的磷沉积，尤其是以颗粒形式存在，被认为是营养贫瘠生态系统（如热带雨林和贫营养海洋，如地中海东部盆地）的重要磷来源（Mahowald等人，2008年；Krom等人，2004年）。

大气中磷的来源包括矿物尘埃、海洋喷雾、生物气溶胶以及与燃烧和农业有关的人为活动（Mahowald等人，2008年；Myriokefalitakis等人，2016年）。撒哈拉沙尘是大气气溶胶和磷的主要来源，而来自北欧和东欧的人为气溶胶则提供硝酸盐、磷酸盐和碳，包括糖类（Theodosi等人，2018年）。季节性的撒哈拉沙尘暴还会携带植物残骸、花粉和细菌，而生物质燃烧（Wang等人，2014年）和工业活动产生的污染也会提供额外的营养物质（Griffin等人，2007年）。总的来说，这些自然和人为的大气输入为生态系统提供了关键的营养物质。

生物气溶胶对海洋环境中生物可利用磷的沉积有显著贡献（在某些地区甚至超过50%），突显了陆地和海洋生态系统之间的关键相互作用（Myriokefalitakis等人，2016年；Kanakidou等人，2018年），并可能部分填补模拟与观测到的氮和磷沉积通量之间的差距（Kanakidou等人，2020年）。尽管生物气溶胶的重要性显而易见，但其来源、大气中的含量及其对地中海东部地区PM_2.5和磷的贡献仍不确定。

本研究旨在探讨生物气溶胶作为希腊雅典市Thissio地区PM_2.5质量贡献者和气溶胶中磷来源的重要性。该地区受到自然和人为排放的影响。研究使用糖类作为生物源或生物质燃烧源的示踪剂，基于对PM_2.5中糖类和总磷（TP）的同时观测，提供了关于糖类和TP在雅典地区季节分布的详细概述。通过正矩阵分解（PMF）分析，估计了各种来源对PM_2.5、糖类和TP的贡献，并评估了季节性来源模式。据我们所知，这是首次在中地中海城市背景下进行如此长期糖类和TP观测的研究之一。这些来源解析的预算可以为大气化学传输和海洋模型提供观测约束，改进源剖面、沉积过程和偶发事件的表示。

采样地点

在这项研究中，我们在希腊雅典进行了多年的采样活动（2018年12月至2019年7月、2019年10月至2019年11月以及2020年10月至2021年7月，共20个月），共收集了227个环境PM_2.5样本（Tsiodra等人，2024年）。气溶胶采样在雅典Thissio国家观测站进行（坐标为37.973°N，23.718°E，海拔105米）。该站点被视作典型的城市背景站，能够反映雅典市中心的整体污染水平。

PM_2.5中个别糖类和总磷的季节性变化

PM_2.5样本中的总糖浓度存在季节性变化：冬季浓度较高（中位数为398 ng m^?3，范围为34.5–3391 ng m^?3），主要是由于脱水糖的浓度较高；而夏季浓度较低（中位数为105 ng m^?3，范围为30.4–392 ng m^?3）（图S1）。季节划分如下：冬季（12月至2月）、春季（3月至5月）、夏季（6月至7月）和秋季（10月至11月）。年度平均总糖浓度

总结与结论

在两年期间，研究人员对地中海东部的一个城市背景站点的大气PM_2.5进行了测量和化学分析。利用糖类作为生物气溶胶的示踪剂，估计真菌和花粉对PM_2.5质量的平均贡献约为21%。糖类和总磷（TP）也被用来识别磷的来源，并估算初级生物源颗粒对大气PM_2.5中磷浓度的贡献。

作者贡献声明

Kyriaki Papoutsidaki：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法学研究、数据分析、正式分析。Konstantina Oikonomou：数据管理。Maria Tsagkaraki：数据管理。Georgios Grivas：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件使用、方法学研究、正式分析。Kalliopi Tavernaraki：数据管理。Faidra-Aikaterini Kozonaki：数据管理。Irini Tsiodra：撰写 – 审稿与编辑。Aikaterini Bougiatioti：撰写 –

财务支持

本工作得到了希腊研究与创新基金会（HFRI）的支持，项目编号为BioCAN，资助编号为4050。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢A. Nenes教授提供的有益意见，以及欧洲研究委员会CoG-2016项目PyroTRACH（726165）提供的hi-vol采样器。作者还感谢Eleni Liakakou提供Thissio地区的BC和BC成分数据。