南昌市粗顆粒氣溶膠中水解氨基酸的濃度和組成特征*

溫澤群 李 波 肖化云 朱仁果 朱玉雯 廖文靜 李燦明

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.東華理工大學江西省大氣污染成因與控制重點實驗室，江西 南昌 330013；3.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200030)

有機氮是大氣顆粒物中的重要組成部分，可以影響海洋、陸地的氮循環系統[1-2]。大氣顆粒物有機氮中含有大量氨基酸，可以促進大氣中新粒子的形成和新粒子吸濕生長，影響著全球氣候變化[3-4]。了解城市環境中大氣氨基酸的來源，對于掌握大氣環境和保護人類健康具有重要意義。

陸地生物氣溶膠通常以粗顆粒形式存在于大氣環境中[5]，包括花粉、真菌孢子、動物碎屑、細菌和病毒等蛋白質分子物質[6]，初級生物氣溶膠是人類、動物和植物間傳播疾病的主要媒介[7]。目前，科學家對粗顆粒氣溶膠中氨基酸進行研究，ABE等[8]160研究東京城市地區不同粒徑氣溶膠中的氨基酸，發現粗顆粒中的氨基酸占氣溶膠總氨基酸的49.96%(質量分數)；MATSUMOTO等[9]研究了北太平洋西部海洋中不同粒徑的氣溶膠顆粒物，發現細顆粒中氨基酸占比(77.39%(摩爾分數))高于粗顆粒(22.61%)。可見，在不同區域的氣溶膠粗顆粒中氨基酸含量存在差異。

目前，有研究發現可以利用穩定氮同位素比值(δ15N，‰)示蹤大氣中氮化合物的潛在來源[10]。由于甘氨酸(Gly)沒有側鏈，在大氣中穩定存在(半衰期>2 040 h)[11]，且不同排放源中Gly的δ15N存在較大差異，可作為示蹤氣溶膠中氨基酸排放源的有效工具[12]。但目前研究對氣溶膠中氨基酸δ15N的認識仍然有限，并且對氣溶膠中氨基酸化合物的來源和轉化過程認識仍然存在一定的障礙。為此，本研究采集了南昌市5個不同特征采樣區(市區、鄉鎮、機場、郊區、森林)的粗顆粒氣溶膠樣品，測定了粗顆粒氣溶膠中水解氨基酸(HAA)的濃度水平和δ15N，分析降雨對HAA釋放的影響。研究所得的數據將有助于更好地了解南昌市粗顆粒氣溶膠中氨基酸的變化，預測氨基酸在大氣過程中的作用，進一步提高對氣溶膠中氨基酸的認識。

1 材料與方法

1.1 樣品收集

于2019年4月30日至5月13日分別在南昌市市區、鄉鎮、郊區、機場、森林5個采樣區采集粗顆粒氣溶膠樣品，采樣器為大容量總懸浮顆粒物(TSP)采樣器，采樣流速為1 050 L/min。采樣前，為除去微量的雜質，將采樣器的石英濾膜用錫箔紙包裹放置于馬弗爐內，450 ℃下加熱5 h，加熱后冷卻至室溫，然后放進自封袋中置于干燥器內。除機場外，其他采樣區的采樣器均設在場地建筑物屋頂上，距地面約10 m，機場的采樣器放置在距跑道約1 000 m的空地上，采樣時間為17：00至次日16：30。

1.2 樣品制備

參考文獻[13]、文獻[14]中的方法測定粗顆粒氣溶膠樣品中HAA濃度和δ15N。將每個采樣石英濾膜面積的2/7轉移到50 mL的玻璃水解管中，向每個提取物中添加25 μL 20 μg/μL的抗壞血酸、10 mL 6 mol/L的HCl；隨后，樣品在110 ℃下加熱24 h。待室溫冷卻后，用Milli-Q超純水進行溶解，60 ℃下蒸發至干，然后將樣品洗出，用0.22 μm濾頭過濾后再用10 mL的氨水(4 mol/L)洗脫至試管內，蒸發至干，制備氨基酸的丁基二甲基硅烷基(tBDMS)衍生物[15]。依次加入約150 μg無水Na2SO4、50 μL吡啶和50 μL N-甲基-N(叔丁基二甲基硅烷基)三氟乙酰胺，將混合物在70 ℃下加熱1 h。使用氣相色譜(GC)—質譜(MS)/同位素比值質譜(IRMS)的方法分析13種HAA單體(包括Gly、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、組氨酸(His)、苯丙氨酸(Phe)、賴氨酸(Lys)、絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr))濃度和δ15N。樣品送入進樣器后分流，約10%(體積分數，下同)進入單四極桿MS，提供每個洗脫峰的結構和濃度信息，剩余約90%通過GC-Isolink接口，洗脫的氨基酸被氧化并還原形成N2，最后導入IRMS儀器分析測定15N/14N自然豐度比，根據式(1)計算δ15N[16]。

δ15N=(R樣品/R標準-1)×1 000‰

(1)

式中：R樣品為樣品中15N/14N自然豐度比；R標準為國際標準樣品種的15N/14N自然豐度比。

以大氣氮的δ15N為基準值0，樣品δ15N為正表示15N富集，δ15N為負表示15N虧損。

1.3 統計分析

采用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析(ANOVA)法檢測降雨期與非降雨期樣品中各HAA單體的含量差異，并用Tukey-HSD法進行比較，P<0.05表示存在顯著性差異；采用Origin 2017進行制圖。

2 結果與討論

2.1 粗顆粒氣溶膠中HAA濃度水平

2.1.1 不同采樣區中粗顆粒氣溶膠HAA的濃度

南昌市5個采樣區粗顆粒氣溶膠總水解氨基酸(THAA)的測定結果見圖1。5個采樣區粗顆粒氣溶膠中的THAA摩爾濃度為0.2～4 396.1 pmol/m3，平均值為429.8 pmol/m3。森林的THAA摩爾濃度最高，為(654.4±1 152.4)pmol/m3，機場、鄉鎮、郊區和市區的THAA摩爾濃度分別為(538.9±821.6)、(442.2±583.3)、(282.5±431.1)、(230.9±300.8)pmol/m3，通過單因素方差分析發現5個采樣區的粗顆粒氣溶膠中THAA濃度沒有顯著差異(P>0.05)。

粗顆粒氣溶膠中氨基酸濃度受氣象條件、釋放源等因素的影響，因此在不同地區粗顆粒氣溶膠的氨基酸水平有較大的差異[14]。ABE等[8]155在日本城市地區研究發現春季粗顆粒氣溶膠中THAA的平均摩爾濃度為511.7 pmol/m3；DIFILIPPO等[17]在羅馬農村地區冬季測得粗顆粒氣溶膠中THAA的平均摩爾濃度為1 394.6 pmol/m3。本次研究中，森林地區粗顆粒氣溶膠THAA平均濃度高于市區、鄉鎮、機場、郊區地區，可能是本次研究采樣時間為春季，降雨頻繁，降雨會促進森林地區生物氣溶膠釋放，導致森林地區粗顆粒氣溶膠高于其他特征區域。YUE等[18]11和JOUNG等[19]對生物氣溶膠的研究也表明降雨對生物質的釋放具有刺激作用(如促進樹葉表面的真菌孢子釋放)，且雨水還會影響土壤和水體產生新的生物顆粒的釋放，導致生物質粗顆粒氣溶膠濃度增加。

注：箱體圖上字母相同，代表差異不顯著(P>0.05)，字母不同代表差異顯著(P<0.05)。圖2、圖3同。圖1 5個采樣區域粗顆粒氣溶膠中THAA的質量濃度Fig.1 Average mole concentration of THAA in coarse aerosol of five characteristic sampling regions

2.1.2 粗顆粒氣溶膠中HAA組成

南昌市5個采樣區粗顆粒氣溶膠中HAA單體檢測結果見表1。粗顆粒氣溶膠中Pro、Val、Leu、Ala、Ile、Glu、Gly是主要HAA，在THAA中具有較高的占比。Pro為占比最高的HAA單體，這與之前粗顆粒氣溶膠氨基酸研究相一致。ABE等[8]158研究發現，Pro廣泛分布在直徑大于10 μm的粗顆粒中，如微生物碎屑和藻類孢子。本研究采集樣品為春季南昌市粗顆粒氣溶膠樣品，由于春季生物源的貢獻增加，導致粗顆粒氣溶膠中Pro的占比增高。

根據各HAA單體的理化性質，將其分為中性HAA(Gly、Ser、Thr、Pro、His)、親水性HAA(Asp、Glu、Lys)和疏水性HAA(Ala、Val、Leu、Phe、Ile)3類[20]。由表1計算可知，市區、鄉鎮、機場、郊區、森林采樣區疏水性HAA占比分別為48.8%、56.4%、54.1%、49.4%、43.1%；中性HAA占比分別為45.7%、36.6%、39.9%、33.8%、45.9%；親水性HAA占比分別為5.8%、7.0%、6.0%、16.8%、11.0%，親水性HAA含量低于疏水性HAA和中性HAA。本次研究中，5個采樣區均為疏水性HAA占比最高，REN等[21]在北京地區的研究也發現，氣溶膠中疏水性HAA具有較高占比(34.1%)，與本次研究結果相似；這可能是因為疏水成分的氧化時間比較長，可以在氣溶膠中長期存在，導致疏水性HAA占比相對較高。

表1 5個采樣區粗顆粒氣溶膠中HAA單體占比(摩爾分數)Table 1 Percentage of monomer HAA (molar fraction) in coarse aerosol %

2.2 降雨期與非降雨期HAA對比

為考察降雨對粗顆粒氣溶膠中氨基酸釋放的影響，對采樣期間降雨期與非降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA進行對比分析，結果見圖2。鑒于不同HAA單體間濃度差異較大，將HAA分為高濃度組與低濃度組。對高濃度組HAA研究發現，降雨期與非降雨期Pro濃度沒有明顯差異(P>0.05)，高濃度組中其他HAA單體濃度在降雨期與非降雨期之間存在顯著差異，降雨期顯著高于非降雨期(P<0.05)。然而，對于低濃度組HAA而言，降雨對HAA單體濃度變化影響并不顯著(P>0.05)。

圖2 降雨期與非降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA單體差異Fig.2 Changes of HAA monomers during rainfall period and dry periods

南昌市降雨期粗顆粒氣溶膠中Ala、Val、Leu、Ile、Glu、Gly含量顯著增加(P<0.05)。ZHU等[22]20研究表明，Ala、Val、Leu、Ile、Glu等是自然源(植物和土壤)氨基酸中的主要成分；MILNE等[23]發現植物、花粉和藻類以及真菌和細菌孢子中均存在Ala、Gly、Glu等HAA單體，并且在降雨期這些HAA單體濃度會增加。ELBERT等[24]在雨后潮濕時期也觀察到新生物粗顆粒(土壤、巖石和植被上生長的真菌、地衣和其他花植物覆蓋層噴出的孢子)在潮濕地面上出現；文獻[18]對生物氣溶膠的研究表明，降雨對生物質的釋放具有刺激作用。因此，可能是降雨對自然源物質的釋放具有促進作用，從而導致降雨期粗顆粒中自然源HAA單體濃度顯著增加。

2.3 降雨期與非降雨期HAA的δ15N變化

對降雨期和非降雨期氣溶膠粗顆粒中有15N檢出的11種HAA單體及THAA的δ15N進行對比，結果見圖3。降雨期THAA的δ15N(8.3‰±5.6‰)顯著低于非降雨期THAA的δ15N(10.3‰±6.1‰)(P<0.05)，多數HAA單體的δ15N也出現類似現象，降雨期典型自然源HAA單體Ala、Val、Leu、Glu的δ15N平均值分別為9.5‰、11.6‰、10.3‰、8.9‰，顯著低于非降雨期的16.2‰、16.4‰、15.2‰、12.3‰，說明15N明顯虧損(P<0.05)。

圖3 南昌市降雨期與非降雨期THAA及HAA單體的δ15N變化Fig.3 Changes of δ15N of THAA and HAA monomer during rainfall periods and dry periods in Nanchang

隨著穩定氮同位素技術發展，δ15N可以用來示蹤含氮化合物來源。ZHU等[22]23利用Gly的δ15N追蹤氣溶膠氨基酸的潛在排放源，發現自然源、人為源中Gly的δ15N分別為-1.6‰～7.8‰、18.1‰～19.8‰。在本研究中，南昌市降雨期和非降雨期Gly的δ15N分別為7.6‰±4.5‰、11.5‰±3.6‰，總體與自然源Gly的δ15N接近；此外，降雨期Gly的δ15N比非降雨期更為偏負，進一步表明降雨期粗顆粒氣溶膠中HAA受自然源影響相比非降雨期更大。

3 結 論

(1)南昌市粗顆粒氣溶膠中THAA摩爾濃度為0.2～4 396.1 pmol/m3，平均值為429.8 pmol/m3。5個采樣區中，森林地區的THAA摩爾濃度最高，為(654.4±1 152.4)pmol/m3，單因素方差分析表明5個采樣區THAA濃度沒有顯著差異；(2)Pro、Val、Leu、Ala、Ile、Glu、Gly是南昌市粗顆粒氣溶膠中主要HAA單體，在THAA中具有較高的占比。5個采樣區粗顆粒氣溶膠樣品中均為疏水性HAA占比最高，這可能與疏水成分的氧化時間比較長，可以在氣溶膠中長期存在有關；(3)降雨期高濃度組HAA(Pro除外)濃度顯著高于非降雨期，然而對于低濃度組HAA而言，降雨對其濃度變化影響并不顯著；(4)南昌市降雨期和非降雨期Gly的δ15N分別為7.6‰±4.5‰、11.5‰±3.6‰，總體與自然源Gly的δ15N(-1.6‰～7.8‰)接近；降雨期Gly的δ15N與非降雨期相比偏負，進一步表明降雨期粗顆粒氣溶膠中受自然源影響相比非降雨期更大。