泰国-缅甸边境地区生物质燃烧气溶胶的尺寸分级化学特征及其健康风险

《Environmental Pollution》：Size-Fractionated Chemical Fingerprints and Health Risks of Biomass Burning Aerosols at the Thailand-Myanmar Border

生物质燃烧导致东南亚区域颗粒物污染加剧，本研究对泰国-缅甸边境农村2023年烟雾季与非烟雾季的PM进行粒径分异（粗10-3μm，积聚3-0.49μm，细<0.49μm）化学特征分析，发现细颗粒富集钾离子、 levoglucosan等生物质燃烧示踪物及Zn、Pb等重金属和PAHs致癌物，积聚颗粒以硫酸盐等二次无机气溶胶为主，粗颗粒以 crustal elements为主。健康风险评估表明细颗粒PAHs致癌风险显著升高，粗颗粒重金属暴露可能带来潜在危害。

　　

Pavidarin Kraisitnitikul|Radshadaporn Janta|Sarana Chansuebsri|Supattarachai Saksakrulkrai|Duangduean Thepnuan|Nuttipon Yabueng|Somporn Chantara

泰国清迈大学理学院环境科学研究中心，清迈，50200

摘要

生物质燃烧（BB）是东南亚大气污染的主要来源，对环境和人类健康构成了严重威胁。本研究调查了2023年在泰国-缅甸边境附近的一个农村地区收集的按粒径分级的颗粒物（SPM）的化学成分及其健康风险。使用五级级联撞击器在烟雾雾霾（SH）和非雾霾（NH）期间获取样品，该撞击器可将颗粒物分为粗颗粒（10–3.0 μm）、中等颗粒（3.0–0.49 μm）和细颗粒（<0.49 μm）三种类型。烟雾雾霾期间的平均SPM浓度几乎是非雾霾时期的四倍（159 ± 88 μg/m3 vs 40 ± 20 μg/m3），且两种时期细颗粒都占主导地位。不同粒径级别的颗粒物具有不同的化学特征。生物质燃烧产生的示踪物质（K?、左旋葡聚糖）、痕量金属（Zn、Pb、Ni、Cd）和致癌多环芳烃（PAHs）在细颗粒中富集。次生无机气溶胶（NH??、SO?2?、草酸根）在中等颗粒中含量最高，而地壳元素（Mg2?、Na?、Ca2?）则主要存在于粗颗粒中。某些物质的分布具有特定规律：K?和BaP在细颗粒中呈单峰分布；Ca、Mn和Cr呈现双峰趋势，而Zn和Pb的分布则介于单峰和双峰之间。多环芳烃在细颗粒中占主导地位，高分子量化合物呈现单峰峰值，而低分子量化合物则呈现多峰分布。健康风险评估显示，细颗粒中的多环芳烃会增加终生癌症风险，而较大颗粒也可能通过金属暴露对健康产生影响。这些发现突显了颗粒大小对化学成分及健康风险的影响，尤其是在受雾霾影响的生物质燃烧区域。

引言

东南亚（SEA）多年来一直遭受严重的生物质燃烧污染，尤其是在旱季（2月至4月）。农业残留物的露天焚烧和森林火灾会降低空气质量，对环境和人类健康构成严重威胁（Reid等人，2013年；Chantara等人，2012年）。颗粒物（PM）由有机和无机成分组成，是一种主要的区域污染物，其中较小的颗粒能够深入呼吸道并具有更高的毒性（Kim等人，2015年；Deshmukh等人，2012年）。颗粒物的物理化学特性受排放源、大气转化过程和气象条件的影响（Pasha和Alharbi，2015年）。

对按粒径分级的颗粒物（SPM）进行化学分析有助于了解污染来源。水溶性离子（WSI）占PM?.5质量的50–70%，且在细颗粒中的含量通常更高（Kumar等人，2018年）。钾（K?）被广泛认为是生物质燃烧的示踪物质（Jung等人，2014年；Cheng等人，2013年；Khamkaew等人，2016年）。K?和NH??是烟雾气溶胶中的主要阳离子，而SO?2?和NO??是主要阴离子（Khan等人，2015年；Pio等人，2008年）。左旋葡聚糖是生物质燃烧的另一个关键标志物，它在纤维素热解过程中产生（Caseiro等人，2009年），并且在雾霾期间是UNT地区最丰富的无水糖类（Chansuebsri等人，2024年）。有机羧酸盐如草酸根代表了一类主要的初级和次级气溶胶来源（Kawamura和Bikkina，2015年；Nirmalkar等人，2015年）。地壳元素（Ca、Al、Si、Fe、Mn、Mg）来源于土壤再悬浮或燃烧过程（Xu等人，2019年；Mohammed等人，2017年），而痕量金属（Zn、Cd、Co、Ni、V、Pb）则与交通和工业活动相关（Elhadi等人，2017年；Zhang等人，2013年）。多环芳烃（PAHs）是高毒性的燃烧产物，其中致癌物质（如BaP和BbF）主要存在于细颗粒中（Kim Oanh等人，2011年）。

吸入有毒金属（Zn、Pb、Cr、Ni、As）和多环芳烃与呼吸系统和心血管疾病、氧化应激、DNA损伤及癌症有关（Coleman等人，2017年；Bostr?m等人，2002年）。健康风险很大程度上取决于颗粒大小，这会影响气溶胶在空气中的停留时间和在肺部的沉积（Liu等人，2015年；Du等人，2013年）。在东南亚，以往的研究往往只关注有限的物种或粒径级别，很少有研究同时探讨金属和多环芳烃的综合健康影响（Ray等人，2019年；Shen等人，2019年；Pooltawee等人，2017年；Kraisitnitikul等人，2024年）。

在理解SPM的化学成分方面仍存在显著空白，特别是在泰国-缅甸边境等跨界地区，那里的本地燃烧活动与跨境雾霾传输同时发生。以往的东南亚研究主要集中在PM?.5或总悬浮颗粒上（Yabueng等人，2020年；Janta等人，2020年；Pongpiachan等人，2017年；Khan等人，2017年；Wiriya等人，2013年；Chantara等人，2010年）。虽然有一些研究分析了不同粒径级别的水溶性离子、金属或多环芳烃，但很少有研究同时表征这三种成分（Jamhari等人，2022年；Yang等人，2016年），关于粒径依赖的化学特征和相关健康风险的信息也相当有限。

本研究通过在2023年泰国-缅甸边境的一个农村地区收集的SPM进行了分析，探讨了这些空白。对离子、羧酸盐、碳水化合物、金属和多环芳烃在粗颗粒（10–3.0 μm）、中等颗粒（3.0–0.49 μm）和细颗粒（<0.49 μm）中的化学成分进行了分析，并对选定的金属和多环芳烃对呼吸健康的潜在影响进行了初步评估。这些发现旨在将气溶胶化学特性与人类健康联系起来，为跨界雾霾地区的针对性缓解措施提供支持。

采样点特征

环境颗粒物采样地点位于泰国清迈府Chiang Dao区Mueang Na区的Ban Aronuthai社区卫生促进医院（北纬19° 44' 49.3885"，东经98° 57' 59.5815"）（图S1）。该地点位于泰国-缅甸边境附近的一个农村地区，周围有大约10,000人口的村庄（https://muangnalocal.go.th/content/generalinfo）。该地区地理位置偏远，没有大型工业设施；因此排放源较少。

环境SPM浓度及其化学组成

2023年在泰国-缅甸边境附近采集的环境SPM样本显示出明显的季节性变化。在烟雾雾霾期间（3月3日至4月2日）采集了6个样本，在非雾霾期间（4月22日至8月3日）采集了4个样本；然而，在3月21日至8月3日期间只有7个采样日检测到可测量的SPM浓度。根据颗粒大小，SPM被分为粗颗粒（10–3.0 μm）、中等颗粒（3.0–0.49 μm）和细颗粒（<0.49 μm）（Birmili等人，2006年）。

平均总SPM浓度

结论

本研究提供了泰国-缅甸边境附近生物质燃烧地区颗粒物化学成分及其健康风险的新证据。烟雾雾霾期间生物质燃烧活动占主导，这体现在生物质燃烧示踪物质和多环芳烃诊断比值的升高上。与燃烧相关的多环芳烃和痕量金属在亚微米颗粒中富集，而次生无机气溶胶在中等颗粒中含量最高，地壳元素则主要存在于粗颗粒中。

颗粒大小显著影响了颗粒物的化学特征及其健康风险。

作者贡献声明

Radshadaporn Janta：验证、方法学、调查、数据管理。Supattarachai Saksakrulkrai：撰写初稿、概念构思。Sarana Chansuebsri：撰写初稿、概念构思。Somporn Chantara：撰写初稿、可视化处理、验证、监督、资源协调、项目管理、方法学制定、资金申请。Nuttipon Yabueng：概念构思。Duangduean Thepnuan：撰写、审稿与编辑、验证、调查、概念构思。Pavidarin

未引用的参考文献

Deshmukh等人，2013年；Famuyiwa和Entwistle，2021年；Kawamura和Bikkina，2016年；Li等人，2019年；Li等人，2019年；Srivastava和Jain，2007年；Thepnuan和Chantara，2020年；Thepnuan等人，2019年；Thompson，2018年；Tian等人，2024年；美国环保署（U.S. EPA），2008年；世界卫生组织（WHO），2000年；Wu等人，2006年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了清迈大学的支持（资助编号：R66IN00612）。