将磁学方法与化学元素分析相结合，以区分室内环境中灰尘的来源

《Atmospheric Environment》：Integration of magnetic methods and chemical elemental analysis to differentiate the sources of dust in the indoor environment

本研究通过磁学、地球化学及显微分析，揭示华沙地区住宅室内灰尘中磁性颗粒（如磁铁矿、金属铁）的来源，发现交通排放、生物质燃烧及工业活动为主要污染源，并证实磁学方法能有效评估城市环境健康风险。

　　

贝亚塔·戈尔卡-科斯特鲁比茨|卡塔日娜·杜迪兹

波兰科学院地球物理研究所，Ksi?cia Janusza 64号，01-452，华沙，波兰

摘要

室内灰尘（ID）是室内空气质量的关键指标，反映了人类活动以及室外污染物的渗透情况。本研究结合了磁性、地球化学和显微镜方法，通过对华沙大都会地区住宅区收集的室内灰尘中的磁性颗粒（MPs）进行表征，来识别污染源。分析了细颗粒（<0.071毫米）和粗颗粒（0.071–1.0毫米），以及道路灰尘（RD）和木灰，以区分室内和室外的贡献。磁铁矿被确定为主要的磁性矿物，同时还检测到了金属铁和/或含铁合金。等温剩磁曲线的分解显示，室内灰尘中存在两个主要的矫顽力成分，而道路灰尘和木灰则表现出不同的磁性特征。扫描电子显微镜识别出了人为产生的磁性颗粒，如铁球体和磨损产生的碎片；地球化学分析则揭示了铁与重金属（例如锌、铅）之间的关联。聚类分析表明这些颗粒来源于人为因素（交通、生物质燃烧、工业活动）和自然因素（土壤、地壳）。基于这些发现，将潜在有毒金属与其可能的来源进行了关联：硫来自煤炭燃烧；锌、铜和铅来自车辆排放；钙来自建筑活动；铬来自室内来源，如镀铬表面。不同公寓间灰尘成分的差异——尤其是在细颗粒的质量和磁性特性方面——突显了通风情况、距离交通源的远近以及居民行为的影响。这项研究证实，磁性方法是一种非破坏性且经济高效的技术，可用于追踪室内灰尘中的外部污染物，并强调了其在评估城市环境健康风险方面的潜力。

引言

室内灰尘（ID）主要来源于居民的活动和习惯，如烹饪和清洁，以及住宅单元的特性，包括供暖和通风系统以及使用的墙漆类型（Baeza-Romero等人，2022年）。室外环境的质量对渗透到室内空间的颗粒有显著影响。灰尘中存在潜在有害物质，这凸显了理解室内灰尘作为这些污染物储存库的重要性。常规家庭活动已被观察到会重新悬浮大量灰尘颗粒（Hussein等人，2006年；Thatcher和Layton，1995年）。因此，室内灰尘可以作为一种有价值的工具，用于评估室内空气质量（Morawska和He，2018年）。

室外颗粒进入室内环境主要有两种途径：空气中的颗粒物（PM）的渗透，以及附着在居住者鞋子和衣物上的颗粒物的带入（Layton和Beamer，2009年）。影响室内灰尘积累的主要因素包括吸尘、吸烟、颗粒重新悬浮、颗粒在室内表面的沉积速率以及空气交换率（Thatcher和Layton，1995年）。然而，室内空气质量还受到室外污染物进入室内的显著影响（Rackes和Waring，2013年；Wallace，2006年）。来自生物源（H?llquist等人，2009年）、生物质燃烧（Reid等人，2005年）和燃料燃烧（Apte等人，2012年）的室外颗粒物转移到室内环境，可能对居住者构成健康风险，尤其是那些大部分时间都在室内的居民（Johnson等人，2017年）。同样，受工业活动和交通排放污染的土壤颗粒也是沉积灰尘中有害物质的主要储存库。

室内颗粒物（PM）可能带来严重的健康风险，因为室内灰尘通常含有来自室内和室外来源的重金属。许多研究表明，学校、托儿所、办公室和家庭中的灰尘经常含有高浓度的锌（Zn）、铝（Al）、铁（Fe）和其他金属（Chen等人，2014年；Darus等人，2012年；Kurt-Karakus，2012年；Latif等人，2014年；Lu等人，2014年；Tahir等人，2007年）。这些金属如果被吸入或摄入可能会有害，尤其是对于经常用手触摸口部的儿童。例如，在工业区附近的托儿所或通风不良的建筑物中，富含锌、铝和铁的灰尘可能导致呼吸道刺激和氧化应激。相比之下，含有铅（Pb）、镍（Ni）、镉（Cd）、钴（Co）、铜（Cu）或铬（Cr）的灰尘往往集中在较小的颗粒中，从而带来更严重的毒性风险，包括神经毒性、肾脏损伤和致癌效应（Hassan，2012年；Almeida等人，2011年）。这些污染物的来源多种多样：风吹来的土壤和道路灰尘会将富含铁的颗粒带入室内环境（Latif等人，2014年）；脚步会将含有铝和锌的室外灰尘带入入口处（Hassan，2012年）；工业排放物则可能导致工厂附近的家庭中金属含量升高（Hassan，2012年；Tahir等人，2007年）。因此，潜在健康影响的类型和严重程度很大程度上取决于颗粒物的来源及其具体的重金属组成。

尽管已经了解了关于室内过程（如颗粒物渗透、重新悬浮、沉积和排出）的知识，但区分室内和室外来源的颗粒仍然是一个重大挑战。一个核心问题是这些颗粒是室内产生的还是室外产生的，因为它们在大小、浓度和毒性等方面存在差异。室外颗粒通常较小，主要由细颗粒（PM2.5）和超细颗粒组成，这些颗粒主要来源于交通排放、工业燃烧和自然过程（WHO，2021年；Zhang等人，2020年）。这使得它们在化学上更为复杂，并且能够深入呼吸道。相比之下，室内颗粒通常较大，属于粗颗粒范围（PM2.5–PM10），主要由烹饪、清洁、供暖和灰尘重新悬浮等活动产生（Diapouli等人，2011年）。然而，一些室内过程也会释放超细颗粒（Morawska等人，2017年）。虽然它们的化学成分通常不那么多样，但在封闭空间内其浓度可能特别高，从而影响暴露水平（Chen和Zhao，2011年）。理解这些差异对于制定有效的缓解策略以保护室内居住者的健康和福祉至关重要。为了解决这一关键问题，提出了使用磁性方法分析从室外进入室内的灰尘（例如，Chen等人，2022年；Górka-Kostrubiec，2015年；Jeleńska等人，2017年；Jordanova等人，2012年；Kelepertzis等人，2019年）。这种方法特别适合研究城市地区的室外空气污染物。

戈尔卡-科斯特鲁比茨等人（2014年）、戈尔卡-科斯特鲁比茨（2015年）、戈尔卡-科斯特鲁比茨等人（2019年）、戈尔卡-科斯特鲁比茨等人（2020年）、Bourliva等人（2018年）、Magiera等人（2021年）、Magiera等人（2023年）、Gonet等人（2020年）和Winkler等人（2020年）的研究表明，城市和工业排放物中含有具有铁磁性和顺磁性的磁性颗粒（MPs）。这些颗粒存在于交通烟雾、刹车盘、轮胎和离合器盘中，以及道路表面磨损和道路灰尘（RD）的重新悬浮中。供暖系统和大型发电厂的低烟囱排放也会向大气中释放磁性颗粒。冶金、燃料燃烧和陶瓷等工业过程会产生人为产生的磁性颗粒（TMPs）。相比之下，只有少数内部来源会释放富含铁的磁性颗粒，包括在明火中燃烧的生物质（如泥炭、木材和煤炭）（Maher等人，2021年），以及香烟燃烧产生的灰烬（Jordanova等人，2006年）。

近几十年来，研究人员研究了全球主要城市的室内或家庭灰尘的磁性特性，包括华沙（波兰）（Górka-Kostrubiec，2015年；Górka-Kostrubiec等人，2019年；Górka-Kostrubiec和Szczepaniak-Wnuk，2017年）、雅典和沃洛斯（希腊）（Kelepertzis等人，2019年）、索菲亚和布尔加斯（保加利亚）（Jordanova等人，2012年）以及上海（中国）（Chen等人，2022年）。尽管研究的城市各具特色，但现有文献中没有明确证据表明室内或城市灰尘的磁性特性存在地理模式。相反，一个更明显的模式是：灰尘的磁性信号强度与人为因素（如交通流量、工业排放、供暖方式和城市密度）相关。因此，这些研究中人为因素的共性比地理差异更为显著。然而，关于室内灰尘中主要磁性矿物和颗粒来源的识别仍存在不确定性。本研究的中心假设是室外环境显著影响了室内灰尘中磁性成分的组成。该研究旨在通过使用磁化率、等温剩磁（IRM）分析、化学成分分析和带有能量色散X射线光谱的扫描电子显微镜（SEM-EDS）来识别和区分室内灰尘中磁性颗粒的来源。

研究区域

主要采样点W_O位于波兰华沙郊区的Bia?o??ka区，该地区以低层多户住宅和单户住宅为主。该公寓距离市中心10公里，位于污染较少的区域，没有工业活动。它距离十字路口约100米，距离道路50米。在采样期间，没有显著的外部污染源，居民的活动和习惯也没有变化。

灰尘颗粒度的磁化率

所有研究灰尘样本的磁化率值见补充材料中的表S1a和S1b。图2展示了W_O样本中1.0毫米颗粒度分数的总磁化率（χ）中粗颗粒和细颗粒的χ贡献。2022年的细颗粒显示出季节性变化，3月和10月的χ值最低，而夏季（7月至9月）和冬季（12月至1月）最高。2023年，

室内灰尘的磁性特征

本研究旨在识别室内灰尘中磁性颗粒（MPs）的来源，从而了解室内空气污染的来源。热磁实验揭示了所有室内灰尘样本中存在的两种主要磁性矿物（图4c和d）。磁铁矿是主要矿物，同时还检测到了不同量的金属铁和/或钢质材料。这一发现通过基于两个组分的矫顽力的IRM分解分析得到了证实（

结论

研究表明，住宅室内环境中存在人为产生的球形磁性颗粒和片状富铁颗粒，这与空气中的污染物有很强的关联，特别是那些来源于交通排放和燃烧过程的污染物。

含有铁（Fe）、硅（Si）、铝（Al）、锰（Mn）、钾（K）、钙（Ca）、钛（Ti）和铬（Cr）等元素的铁球体是由于固体燃料在单独供暖系统和中央供暖系统中的燃烧，以及车辆尾气中形成的

CRediT作者贡献声明

贝亚塔·戈尔卡-科斯特鲁比茨：撰写初稿、可视化处理、验证、监督、资源提供、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化、审稿与编辑。卡塔日娜·杜迪兹：撰写初稿、验证、监督、资源提供、方法论设计、数据分析、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了波兰科学与高等教育部的项目编号3841/E-41/S/2025的资助。我们感谢Translmed Publishing Group（美国德克萨斯州Cedar Hill）在稿件校对和编辑方面的帮助。同时，我们也感谢匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议改进了稿件质量。