在大气中存在Fe(III)的情况下，甲氧基酚的氧化能力得到增强：影响与机制

《Atmospheric Environment》：Enhanced oxidative potential of methoxyphenol in the presence of Fe(III) in the atmosphere: Effects and mechanisms

氧化潜力协同效应与Fe3?-2-甲氧基苯酚反应机制研究。摘要：通过DTT法研究PM中有机-无机组分耦合效应，发现2-甲氧基苯酚（生物质燃烧标志物）与Fe3?的1:1质量比混合物在37℃时氧化潜力（OP）达380 pmol·min?1·μg?1，是单一组分的23倍。机制研究表明Fe3?促进2-甲氧基苯酚生成二苯基-p-苯醌，通过自由基链反应增强·OH和·O??生成，该协同效应持续31小时，提示生物质燃烧颗粒中Fe3?与有机物复合可能形成环境持久自由基。

　　

李金文|郭绍勋|贾永成|陈天增|马伟|Veli-Matti Kerminen|Tuukka Pet?j?|Markku Kulmala|李辉|刘永春

北京化工大学软物质科学与工程先进创新中心，气溶胶与雾霾实验室，北京，100029，中国

摘要

大气颗粒物（PM）不同组分之间的耦合效应可能会影响其氧化潜力（OP），但具体机制尚不清楚。在本研究中，我们使用二硫苏糖醇测定法在暗条件下研究了PM中常见的有机/无机混合物的氧化潜力。2-甲氧基酚（2-MET，一种典型的生物质燃烧标志物）与FeCl₃的二元混合物表现出比单独成分高23倍的氧化潜力（380 pmol min^?1·μg^?1）。通过活性氧（ROS）及相关中间体的全面表征，利用ROS探针技术、光谱学和质谱法揭示了一种协同机制。质谱分析表明，在Fe³⁺存在下可以生成二苯-p-苯醌类化合物，如5,5′-二羟基-3,3′-二甲氧基-[1,1′-双环己烷]-2,2′,5,5′-四烯-4,4′-二酮，这些化合物通过半醌诱导的自由基链反应促进ROS（·OH和·O₂^?）的生成。当2-MET与FeCl₃的质量比为1.0时，在37°C条件下氧化潜力达到最大值，并且在31小时内仍保持初始值的约60%，这表明2-甲氧基酚和Fe(III)的混合物可能对大气中的持久性自由基有所贡献。我们的发现为颗粒物氧化毒性的非线性依赖性提供了新的见解，并对未来降低颗粒物健康风险提供了有意义的指导。

引言

大气颗粒物（PM）对人体健康有不良影响（Altuwayjiri等人，2022年），其健康影响很大程度上取决于其化学成分和物理化学性质（Ainur等人，2023年；Campbell等人，2023年；Li等人，2023e年，2024b年）。由于人体内氧化剂和抗氧化剂之间的不平衡（Wang等人，2020b年），氧化应激是暴露于PM_2.5后产生的重要毒理机制。这与活性氧（ROS）的增加有关，包括羟基自由基（·OH）、超氧阴离子（·O₂^?）、过氧自由基（·HO₂）、过氧化氢（H₂O₂）、有机过氧化物（ROOH和ROOR）以及颗粒表面存在或通过细胞环境中的免疫反应产生的有机自由基（Chen等人，2019年；Li等人，2022a年）。因此，颗粒物的氧化潜力（OP_PM）被广泛用于表征颗粒物产生ROS的能力。目前，已经确定醌类有机物（如1,2-萘醌和5-羟基-1,4-萘醌）、酚类有机物（如2-甲氧基羟基醌）、类腐殖质物质、黑碳以及过渡金属（如水溶性铁（Fe）、铜（Cu）和锰（Mn）是OP_PM的主要贡献者（Campbell等人，2023年；Fang等人，2024年；Li等人，2023e年；Zhu等人，2022年），通常使用二硫苏糖醇（DTT，即OP^DTT）、抗坏血酸（AA，即OP^AA）和谷胱甘肽（GLU，即OP^GLU）进行测定（Borlaza等人，2022年；Fang等人，2016年，2019年）。其中，OP^DTT因其对Fe等过渡金属和有机物的敏感性而被广泛使用（Bates等人，2019年；Fang等人，2024年）。

Fe是PM_2.5中最丰富的过渡金属，其次是Cu，其浓度大约低1-2个数量级（Hennigan等人，2019年；Yang等人，2016年）。Fe是PM中产生ROS的活性成分，主要通过芬顿反应实现。此外，水溶性Fe可通过促进β-淀粉样前体蛋白的异常生成和tau蛋白的过度磷酸化引发神经退行性疾病（Spotorno等人，2020年；Tsatsanis等人，2020年）。此外，Fe过量还会通过脂质过氧化和血液凝固导致心血管疾病（Liu等人，2024年；Sangani等人，2010年）。颗粒结合的Fe来源于地质（地球物质）和人为来源（Luo等人，2008年）。大部分人为来源的水溶性Fe来自燃烧源，如生物质燃烧（Guieu等人，2005年；Luo等人，2008年；Salam等人，2013年），其中水溶性Fe可占总Fe的5%-50%（Majestic等人，2007年；Petroselli等人，2018年；Salamazar等人，2020a年，2020b年）。这意味着水溶性Fe不可避免地与环境中的有机物或某些来源（如生物质燃烧）混合。因此，揭示有机铁相互作用如何影响OP_PM具有重要意义。

根据流行病学和毒理学研究，由过渡金属、有机碳和元素碳组成的生物质燃烧颗粒对人类具有高度毒性（导致氧化应激、炎症和心血管疾病等）（Chen等人，2021年；Fang等人，2024年；Gould等人，2024年；Li等人，2023c年；Pardo等人，2024年；Wang等人，2023a年）。生物质燃烧颗粒的氧化潜力比农村环境中的颗粒物高一个数量级（Yadav等人，2023年）。例如，与生物质燃烧相关的物质，如儿茶酚、丁香酚和愈创木酚（尤其是硝化衍生物），可以在斑马鱼幼体中生成细胞内ROS，导致氧化应激和死亡（Pflieger和Kroflic，2017年；Priya等人，2023年）。生物质燃烧产生的硝基苯和多环芳烃（PAHs）的氧化衍生物，如蒽醌，可导致ROS引发的DNA损伤（Galvao等人，2018年）。此外，生物质燃烧产生的水溶性Fe³⁺可能与PM_2.5中高度氧化的类腐殖质和蛋白质物质结合，促进·OH的生成（Li等人，2022b），通过诱导巨噬细胞释放促炎细胞因子加剧氧化应激（Tacu等人，2021年）。还发现，醌类化合物（生物质燃烧排放的重要产物或衍生物，如菲醌和1,2-萘醌）与Fe³⁺的混合物比单独成分产生的·OH高出20-130%（Calvert等人，2025年；Charrier和Anastasio，2015年）。然而，醌类化合物（例如1,4-萘醌（1,4-NQ）与重金属（包括Fe³⁺和Cu²⁺）的混合物对·OH生成/OP^DTT既有抑制作用也有促进作用（Wang等人，2020a年；Yu等人，2018年），这取决于醌类化合物与重金属的比例。当醌类化合物与重金属的比例较高时，抑制作用更强（Wang等人，2020a年），因为：（1）离子-醌复合物的形成减弱了醌类化合物的固有单电子转移能力；（2）醌类衍生物介导的芬顿样反应抑制了ROS的形成动力学（Wei等人，2018b年；Yu等人，2018年）。值得注意的是，在中国不同地区，生物质燃烧颗粒中的水溶性Fe和甲氧基酚浓度可高达数mg·m^?3，而它们在大气颗粒物表面的浓度可达数mg·L^?3（Li等人，2024b年；Schauer等人，2001年）。目前发现，在酸性条件下（pH < 3.0），Fe(III)离子可以与甲氧基酚反应生成棕色碳（BrC）（Lavi等人，2017年）。然而，尚不清楚它们的混合物（即Fe(III)-甲氧基酚）在进入人体后在中性条件（pH = 7.4）下是否会导致ROS生成，从而增强生物质燃烧气溶胶的氧化潜力。同时，与ROS生成相关的关键中间体和产物（单体或二聚体）是什么，以及取代基团和反应条件（包括前体比例、温度和反应时间等）如何影响ROS生成，如果Fe(III)和甲氧基酚之间存在耦合效应的话。

在本研究中，我们研究了PM中常见的几种过渡金属和有机物对OP^DTT的耦合效应。利用电子顺磁共振（EPR）、原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和紫外-可见光谱（UV–Vis）探讨了Fe³⁺与2-甲氧基酚（一种典型的生物质燃烧产物，其二元混合物同时具有高OP_m和OP_m增强效应）之间的协同机制及其对OP^DTT的增强作用。通过液相色谱-电喷雾离子化质谱（LC-ESI-MS）表征了反应路径及相关中间体和最终产物的形成。结果表明，2-甲氧基酚与Fe³⁺的混合物的OP^DTT显著增强，因为Fe³⁺促进了二苯-p-苯醌的生成，进而促进了ROS的生成。这项研究为颗粒物不同组分对氧化应激的耦合效应提供了新的见解，并有助于更好地理解生物质燃烧颗粒的毒性。

化学物质

使用了1,4-萘醌（1,4-NQ，≥97%，CAS 130-15-4）、愈创木酚（2-甲氧基酚（2-MET），≥98%，90-05-1）、m-愈创木酚（3-甲氧基酚（3-MET），≥97%，150-19-6）、黄连酚（1,2-二甲氧基苯（1,2-DIM），≥99%，91-16-7）和FeCl₃（≥98%，7705-08-0），这些化学物质直接从Aladdin Reagent Co., Ltd.购买，无需进一步纯化。更多化学信息见文本S1。

我们选择上述化学物质的原因如下：2-MET、3-MET、1,4-NQ、富里酸（FA）及其钾盐

有机物质与无机物质之间PM_2.5的氧化潜力耦合效应

表S1总结了基于三次平行实验的这些单一化合物的OP_m^DTT值及其相应的标准偏差。1,4-NQ的OP_m^DTT最高（20502 ± 132 pmol min^?1·μg^?1），其次是CuCl₂（3714 ± 70 pmol min^?1·μg^?1）、Cu(NO₃)₂（1371 ± 33 pmol min^?1·μg^?1）、CATE（96 ± 7 pmol min^?1·μg^?1）、FA（65 ± 5 pmol min^?1·μg^?1）、FeCl₃（16 ± 2 pmol min^?1·μg^?1），以及其他样品，包括（2-MET、3-MET、1,2-DIM、CA、SQU、Fe(NO₃)₃、FeCl₂、MnCl₂、TiO₂、CaO、α-Fe₂O₃

结论

大气颗粒物的健康风险已成为最前沿的大气环境问题之一。在本研究中，2-MET/Fe³⁺的二元混合物在112（8 × 14）种有机-无机耦合系统中表现出最高的OP_m值和最强的协同效应。详细机制研究表明，2-MET在Fe³⁺的催化氧化作用下生成酚基自由基、愈创木酚二聚体和ROS物种，从而显著增加了氧化毒性

CRediT作者贡献声明

李金文：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。郭绍勋：撰写——审阅与编辑、数据管理。贾永成：撰写——审阅与编辑。陈天增：撰写——审阅与编辑。马伟：撰写——审阅与编辑。Veli-Matti Kerminen：撰写——审阅与编辑。Tuukka Pet?j?：撰写——审阅与编辑、资金获取。Markku Kulmala：资金获取。李辉：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号42275117和22373009）的财政支持。此外，该工作还得到了芬兰研究委员会通过大气与气候能力中心（ACCC）的部分资助，项目编号分别为337549、357902和359340。