分类目录归档:科研进展

Exploring the Ionic Strength Effects in Atmospheric Photochemistry

Professor Sasho Gligorovski

The high concentrations of ions in solutions of high ionic strength such as sea surface, the sea salt aerosol particles and the urban aerosols can alter the absorption properties of the organic constituents. The ionic strength in atmospheric aerosol deliquescent particles can reach about 6 M in marine areas, 8-18 M in urban environments, and 2-17 M in continental regions.

Here, we demonstrate that the absorption spectrum of pyruvic acid (PA) exhibits both an increase of the absorption intensity and a red shift of 13 nm while going from a dilute aqueous phase to a solution containing the inert salt sodium perchlorate (5M NaClO4). If this phenomenon turns out to be more general, many compounds that do not absorb actinic light in clouds and fog could become light absorbers at elevated salt concentrations in aerosol deliquescent particles. Compared to the direct photolysis of PA in dilute aqueous solution, the photolysis rate is increased by three times at high ionic strength (5M NaClO4), with the potential to significantly affect aerosol composition and optical properties. This is the first report of a significant effect of the ionic strength on the rate of an atmospheric photochemical reaction.

Fig. 1. The absorption spectra of 5 mM PA in the presence of different ionic strengths, and the photon flux emitted by the Xe lamp (black solid line). The left axis corresponds to the absorption spectra of PA and the right axis corresponds to the emission spectrum of the Xe lamp.

Such a considerable enhancement can be rationalized in the framework of the Debye-McAulay approach for reactions of ionic + neutral (or neutral + neutral) species, considering that the PA direct photolysis likely involves interaction between its photogenerated triplet state and water. The phenomenon has important implications for the fate of PA and, potentially, of other organic compounds in atmospheric aerosol deliquescent particles.

The photochemical processes involving PA in the aqueous phase are an important topic in atmospheric chemistry, because they contribute to the formation of secondary organic aerosols in the atmosphere. For more details the readers are referred to our article in Atmospheric Environment:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231018303194

污染水体多环芳烃土著微生物强化降解机制的DNA-SIP和高通量测序研究

罗春玲 研究员

当污染环境中的土著微生物缺乏降解能力时,可通过从环境中分离具有较强污染物降解能力的土著微生物,经过扩大培养,再接种到原环境,用以提高污染物降解。这就是所谓土著微生物强化技术,在环境修复方面具有巨大的应用潜力。对于土壤多环芳烃(PAHs)的研究表明,土著微生物强化技术能够显著提高PAHs的矿化速率,同时可以改变体系中微生物的群落结构。然而,尽管通过引入土著功能微生物能够显著增强生物修复的效果,但目前对所引入的土著微生物在生物修复过程中所表现出来的降解能力及其作用机理,尚有待明晰。

近期,中科院广州地化所博士生李继兵和导师罗春玲研究员,通过向石油污染的水体中加入能高效降解菲的微生物Acinetobacter tandoii LJ-5,采用DNA稳定同位素探针(DNA-SIP)和高通量测序技术,研究了LJ-5的菲降解能力和其对土著菲降解微生物群落多样性的影响。结果显示,添加LJ-5能够显著提高菲的生物降解效率。但是, LJ-5并没有直接参与污水中菲的降解,它的主要作用是改变了原体系中的菲降解功能微生物的群落结构,增加了功能微生物群落的多样性。未接种LJ-5时,参与菲降解的微生物包括Rhodoplane、Mycobacterium、Xanthomonadaceae和Enterobacteriaceae;接种LJ-5后,除Mycobacterium和 Enterobacteriaceae仍保持菲降解功能外,另外五种不同的菌群Bacillus、Paenibacillus、Ammoniphilus、Sporosarcina和Hyphomicrobium也参与了菲的降解。在所有参与菲降解的土著功能微生物中,Rhodoplanes、Ammoniphilus、Sporosarcina和Hyphomicrobium对菲的降解能力,首次得到证实。该研究结果有助于加深对污水处理中土著微生物强化技术作用机制的理解,为石油污染水体的生物修复提供了理论基础。

该研究得到国家自然科学基金资助,相关成果已于近日发表于英文期刊“环境科学与技术”。

Jibing Li, Chunling Luo*, Dayi Zhang, Mengke Song, Xixi Cai, Longfei Jiang, Gan Zhang, 2018. Autochthonous bioaugmentation modified bacterial diversity of phenanthrene degraders in PAH-contaminated wastewater as revealed by DNA-stable isotope probing. Environmental Science & Technology 52, 2934-2944.

图1.土著微生物强化对PAHs污染水体中菲降解功能微生物影响的示意图

图2 菲降解功能微生物和其相关微生物基于16S rRNA基因序列的系统发生树。

利用FT-ICR-MS技术揭示生物质和烟煤燃烧排放水溶性HULIS的分子组成

宋健中 副研究员

“类腐殖质”(Humic Like Substances, HULIS)是一类成分复杂的有机混合物,是气溶胶中水溶性有机质的重要组成部分,广泛存在于大气环境中。由于具有较强的吸光性和吸湿性,HULIS参与多种大气过程,如云凝结核的形成、太阳光吸收和散射等,对区域气候和人体健康等有着重要影响,已成为大气科学研究的热点之一。气溶胶中的HULIS来源广泛,其中生物质燃烧排放被认为是大气中HULIS最主要的一次源。在我国,煤燃烧排放对气溶胶污染的贡献很大,但对于煤燃烧排放HULIS的了解比较缺乏。基于上述原因,近期广州地球化学研究所彭平安学科组宋建中副研究员等利用超高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)系统研究了生物质和烟煤燃烧排放水溶性HULIS的分子组成和特征,并探讨了不同燃烧源对大气HULIS的影响。

该研究发现,燃烧源水溶性HULIS是一类有机大分子的混合物,m/z分布范围在150-700,并且在m/z= 150-400范围强度最高。这与大气气溶胶、雨水和云水中水溶性有机物分子量范围相似,表明了生物质和煤燃烧都是大气水溶性HULIS的重要来源。根据每个负离子的丰度,得到了不同物质燃烧排放HULIS的平均分子式为C15.4H18.4O6.16N0.38S0.06(玉米秸秆)、C16.1H17.7O6.44N0.58S0.06(水稻秸秆)、C19.4H23.9O4.89N0.26S0.10(马尾松枝)和C14.1H15.2O4.75N0.23S0.48(烟煤)。与环境样品相比,煤烟HULIS中含有相对较多的含S化合物,表明了煤燃烧排放可能是大气HULIS含硫成分的重要来源。

虽然不同燃烧源HULIS均由CHO、CHON、CHOS和 CHONS等化合物组成,但不同的HULIS表现出各自的特点。生物质燃烧排放HULIS含有较多的CHON化合物,并且几乎所有化合物都显示氧-氮比(O / N)≥3表明了这些CHON化合物主要由硝基化合物(-NO2)和有机硝酸盐(-NO3)组成(图1)。煤燃烧排放HULIS则具有较多的具有较高不饱和度的含硫化合物(CHOS和CHONS),含硫组分可占总分子数的48%,暗示着对大气污染的重要影响。在煤烟CHOS化合物中,超过91%的CHOS化合物的O/S比率大于4,并且大部分CHOS的化合物的DBE值等于或大于4,表明了芳香有机硫酸酯结构的大量存在。在CHONS化合物中(图2),31.6%的CHONS分子式有七个或更多的O原子,意味着这些CHONS化合物包含一定量的含硝基氧的有机硫酸酯物质。

综合来看,这项工作提供了有关生物质和煤炭燃烧排放的HULIS的分子结构特征的信息,有助于更好的理解燃烧排放对大气HULIS以及棕色碳的影响。

图1 生物质和煤燃烧排放HULIS中CHON组分的DBE 与碳数分布点状图

图2 烟煤燃烧排放HULIS中CHONS组分的DBE与碳数分布点状图与不同类型CHONS化合物的分布图

该研究工作得到了国家自然科学基金(41390240, 41705107, 41473104)的资助,相关成果发表在国际期刊Environmental Science & Technology上,论文信息:

Song, Jianzhong; Li, Meiju; Jiang, Bin; Wei, Siye; Fan, Xingjun; Peng, Ping’an. Molecular Characterization of Water-Soluble Humic like Substances in Smoke Particles Emitted from Combustion of Biomass Materials and Coal Using Ultrahigh-Resolution Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY, 2018, 52(5): 2575-2585. DOI: 10.1021/acs.est.7b06126