与大气相关的生物颗粒物的碳源特征

《Atmospheric Environment》：Carbon source profiles for atmospheric relevant biological particles

生物气溶胶碳源特征研究，利用热光学分析法量化细菌、蓝藻、真菌等六类生物颗粒及生物基质碳组分，发现OC3占比达30%，EC/OC比值低（0-0.68），揭示生物颗粒以蛋白质、淀粉等热解产物为主，为大气碳源解析提供新依据。

　　

刘婷|肖玉伦|陈安东尼|曹俊吉|詹长林|张咪|张家全|刘红霞|王珍|向东|赵旭德|刘先利

湖北工业大学环境科学与工程学院，中国湖北省矿山环境污染控制与修复重点实验室，黄石市，435003

摘要

本研究通过热/光学分析方法量化了大气中生物颗粒（细菌、蓝细菌、真菌、微藻、花粉和植物残体）以及生物源物质（醇类、氨基酸、纤维素、核酸、脂类、蛋白质、淀粉、糖类和糖醇）的碳源特征。生物颗粒的质量中，有机碳（OC）占比为27–56%，元素碳（EC）占比为0–18%。主要的有机碳组分是OC3（480°C），其质量占比高达约30%，其次是OC4（580°C）、OC2（280°C）和OC1（140°C）。生物颗粒中较高的OC3含量与蛋白质、淀粉、脂类和纤维素的碳特征一致。平均元素碳含量为5%，生物颗粒中的EC/OC比值范围在0到0.68之间。高OC3含量、低OC1含量以及低EC/OC比值是典型的与大气相关的生物颗粒特征。本研究提供的信息有助于更准确地评估空气中颗粒物的有机碳质量。

引言

初级生物气溶胶颗粒（PBAP），包括花粉粒、真菌孢子、微藻及其碎片或衍生物，被认为是颗粒物（PM）质量、有机碳（OC）和数量浓度的重要组成部分，尤其是对于超微米颗粒（Bauer等人，2008a；Chen等人，2019；Ervens和Amato，2020；Jaenicke，2005；Liu等人，2019；Qiu等人，2020；?antl-Temkiv等人，2022）。空气中的细菌可贡献高达约20%的直径大于0.5微米的颗粒总数（Bowers等人，2012）。在亚马逊热带雨林附近，真菌孢子可占粗颗粒物的约45%（Elbert等人，2007）。在奥地利维也纳的一个郊区站点，真菌孢子还占气溶胶有机碳质量的约10%（Bauer等人，2008a）。在加利福尼亚的一个农业小镇，棉花收获季节期间，真菌孢子是主要的生物气溶胶，占直径小于10微米颗粒中有机碳的11.5-14.7%，其次是植物残体（8.1-13.5%）和花粉粒（4.2-5.4%）（Chow等人，2015）。空气中的微藻数量浓度范围从零到10^3个/m^3（Després等人，2012；Wi?niewska等人，2022）。室外空气中病毒的平均数量浓度约为10^6个/m^3（Prussin等人，2015）。此外，大气中的PBAP还含有植物碎片和各种分解物质（Després等人，2012）。

建立不同类别PBAP的碳源特征有助于更准确地量化它们对有机碳质量的贡献。碳源特征包含通过热分析得到的碳组分，这些组分可以区分不同的来源（Chow等人，1993, 2011, 2004；Watson等人，1994）。通常通过热/光学方法分离这些碳组分，高挥发性的碳质物质在较低温度下分解，而热稳定性强的碳质物质则需要在较高温度下进行热解或燃烧（Diab等人，2015；Grabowsky等人，2011）。已经开发了多种颗粒物碳源特征来表示 fugitive dust、机动车尾气、生物质燃烧、工业排放、居民烹饪和土壤的排放（Bano等人，2018；Chow等人，2004；Ho等人，2003；Ni等人，2017；Pervez等人，2018；Tian等人，2017；Watson等人，1994, 2001）。这些碳源特征被用于PM2.5和PM10（空气动力学直径分别小于2.5微米和10微米的颗粒物）的来源分配研究（Brown等人，2007；Cao等人，2005；Kim和Hopke，2004；Kong等人，2025；Lei等人，2018）。然而，文献中通常没有针对PBAP的特定碳源特征，且很少有PM来源分配研究评估PBAP的贡献。

本文的目的是记录常见PBAP的碳源特征，以便于识别和分配PM的来源。这里呈现的特征代表了六类主要的生物颗粒：细菌、蓝细菌、真菌、微藻、花粉和植物残体。除了这些生物颗粒外，还包括醇类、氨基酸、纤维素、核酸、脂类、蛋白质、淀粉、糖类和糖醇等生物源物质。这些物质来源于生物体的生物降解、光降解或热解过程，其碳特征可能与测试的生物颗粒有所不同。

实验部分

准备细菌、蓝细菌、真菌、微藻和花粉样本

实验中使用了三种培养的细菌菌株：枯草芽孢杆菌（Ehrenberg）Cohn（ATCC6633）、大肠杆菌（ATCC 25922）和金黄色葡萄球菌（ATCC 6538）。这些菌株购自北京微生物菌种保藏中心（中国北京）。将细菌菌株接种到100毫升灭菌的营养肉汤中，并在37°C下振荡过夜。然后取10毫升悬浮细胞转移到离心管中，在4°C下以5000 rpm离心10分钟。

结果与讨论

表1、图S1、S2、S3列出了本研究中测试的所有PBAP及其特征尺寸。通过分析样本并将测得的碳组分除以干质量，创建了各自的碳源特征。将这些特征的平均值及其标准偏差结合起来，得到了代表特定PBAP类别（细菌、真菌等）的复合特征。图1和图2总结了各个碳源特征的结果。

结论

首次记录了常见生物颗粒和生物源物质的碳组分特征。这些生物颗粒特征被进一步分为六类：细菌、蓝细菌、真菌、微藻、花粉和植物残体。这些特征主要由总碳（TC）和有机碳（OC）组成，平均占比分别为48%和44%。其中，OC3组分占主导地位，其质量占比高达约30%，其次是OC4（5%）、OC2（4%）和OC1（0.03%）。

作者贡献声明

刘婷：概念构思、数据管理、正式分析、资金获取、方法论、初稿撰写。肖玉伦：正式分析、调查、方法论、初稿撰写及审稿编辑。陈安东尼：数据管理、正式分析、方法论、初稿撰写及审稿编辑。曹俊吉：正式分析、方法论、审稿编辑。詹长林：正式分析、方法论、审稿编辑。张咪：数据管理、方法论。

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的研究结果。

致谢

作者感谢中国湖北省自然科学基金支持的创新与发展联合基金项目（项目编号：2022CFD057）和中国湖北省中央科技发展指导基金的支持（项目编号：2022BGE252）。沙漠研究所和内华达大学拉斯维加斯分校提供了分析和数据解释方面的支持。