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《研究揭示大气老化过程会增强生物质燃烧细颗粒物的氧化应激》

  • 来源专题：大气污染防治
  • 编译者： APC
  • 发布时间：2020-11-12

  • 气细颗粒物（ PM2.5）暴露对人体健康具有显著的副作用，能够提高呼吸道和心血管系统疾病的发病率。近几十年来，尽管国内外学者从流行病学的角度对大气颗粒物细胞毒性和致癌潜势等研究付出了很大的努力，但有关气溶胶影响人体健康的具体机制仍不是十分清楚。而其中最重要的一个病理生理学机制就是颗粒物暴露后会诱发人体组织产生氧化应激（ oxidative stress ， OS ）。氧化应激的发生主要是由于人体组织内存在过量的活性氧簇（ reactive oxygen species ， ROS ）。这些活性氧簇包括过氧化物（- O2-），过氧化氢 (H2O2) ，和羟基自由基 (- OH) 等，可直接存在于颗粒物中被吸入，亦可通过人体靶细胞产生。生物质燃烧仍是我国多数农村地区大气颗粒物的重要来源，对我国区域空气质量具有十分显著的贡献。生物质燃烧会排放大量对人体有害的颗粒态化学物质，因此此前许多流行病学的研究都表明生物质燃烧的排放会明显提高一些呼吸道疾病的发病率，包括哮喘和慢性阻塞性肺病等。更多的研究进一步表明大气颗粒物的细胞毒性还与大气氧化过程密切相关。但是目前国内外对生物质燃烧颗粒物在经大气老化后，其化学组分和氧化潜势的变化和联系仍有所忽视。中国科学院地球环境研究所李建军博士联合国内外多家研究机构和大学，通过搭建 “ 燃烧舱 + 流体反应器 ” 系统模拟了水稻、玉米和小麦等主要作物秸秆的燃烧、排放和传输过程，并同步收集燃烧排放的新鲜粒子和模拟老化 2 天后的老化颗粒物。化学组分分析的结果显示有机物是这些颗粒物中的主要化学成分，占比超过 75% 。其中脱水糖苷和脂肪酸类有机物相对比较稳定，正构烷烃、多环芳烃和脂肪醇类有机物容易被进一步氧化，而邻苯二甲酸、硝基酚和异戊二烯的产物等则主要通过二次氧化生成。人体支气管上皮 BEAS-2B 细胞的体外实验结果表明老化颗粒物的氧化应激高于新鲜颗粒，直接证实了大气老化过程会增强生物质燃烧颗粒物的氧化应激。新鲜颗粒物的氧化应激与过渡金属和多环芳烃类化合物具有显著的相关性，而老化颗粒物氧化应激的升高可能与二次有害有机物（如含氮有机物）等的生成有关。该项研究的主要成果已发表在《 Journal of Hazardous Materials 》和《 Science of The Total Environment 》期刊上。本研究得到国家基金委 (No. 41977332, 41773117, 91644102, 91543116) 、国家重点研发计划 (No. 2017YFC0210000) 、陕西省创新能力支撑计划 (No. 2020KJXX-017) ， 陕西省重点研发项目（ 2018-ZDXM3-01 ）和中国科学院青年创新促进会 (No. 2020407) 的资助。[1] J. Li, J. Li, G. Wang, K.F. Ho, W. Dai, T. Zhang, Q. Wang, C. Wu, L. Li, L. Li, Q. Zhang, Effects of atmospheric aging processes on in vitro induced oxidative stress and chemical composition of biomass burning aerosols, Journal of Hazardous Materials, 401 (2021) 123750.[2] J. Li, J. Li, G. Wang, T. Zhang, W. Dai, K.F. Ho, Q. Wang, Y. Shao, C. Wu, L. Li, Molecular characteristics of organic compositions in fresh and aged biomass burning aerosols, Science of The Total Environment, (2020) 140247.论文链接：[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420317398 [2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720337682.

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    • 编译者：陈方
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  • 《青岛能源所揭示生物质残炭的燃烧机理》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-08-29
    • 木材等生物质的燃烧过程包括挥发分的明火燃烧（flaming combustion）和残留焦炭（残炭）的炽燃（glowing combustion）（如图1所示）。相对于明火燃烧，残炭的炽燃能够在极度欠氧条件下维持，有反应温和、持续时间长的特点，通风条件良好时能够再次引发剧烈的明火燃烧。所以残炭炽燃机理的研究对于生物质的高效清洁燃烧以及森林火灾、木质建筑火灾的预警和扑救有重要的指导意义。 　　图1 木材燃烧过程中的明火与炽燃 （图片来源于网络） 　　近年来，青岛能源所热能工程研究组与澳大利亚西澳大学能源研究中心（Centre for Energy, The University of Western Australia）、日本丰桥技术科学大学能源工程实验室（Energy Conversion Engineering Laboratory, Toyohashi University of Technology）紧密合作，针对上述问题开展了系列研究工作。研究人员选取活性炭颗粒作为生物质残炭的模型物，利用固定床反应器在可控边界条件下开展实验，成功捕捉了炽燃锋面的准稳态蔓延过程（如图2a所示），考察了残炭物性参数和环境参数对于炽燃特性的影响规律。此外，通过开展计算流体力学模拟，对炽燃过程中的传热传质现象和化学反应过程进行了数学解析，成功再现了炽燃锋面的蔓延过程（如图2b所示），预测了炽燃锋面的热化学结构，从而揭示了生物质残炭的炽燃机理。该研究表明，一氧化碳等气相组分的氧化释热在一些条件下已经超越固定碳的表面氧化成为主导因素，这一发现完善和发展了前人关于炽燃过程由异相表面氧化反应主导的论断。 　　图2 炽燃锋面的蔓延：（a）实验现象；（b）模拟结果。 　　近日，该研究相关成果被第38届国际燃烧会议（38th International Symposium on Combustion）接收为口头报告，论文被燃烧领域顶尖期刊Proceedings of the Combustion Institute收录。此外，基于上述研究成果，香港理工大学黄鑫炎博士邀请热能工程研究组高健博士共同撰写的综述文章以“A review of near-limit opposed fire spread”为题发表于火灾科学领域权威期刊Fire Safety Journal，文章对炽燃现象的燃烧机理做了进一步阐述，对明火、炽燃、阴燃等燃烧现象做了较为明确的区分。 　　该工作得到了国家自然科学基金委和青岛能源所研究组启动经费的支持。
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