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