162 / 2023-05-01 14:50:52

生物质燃烧过程中的污染物生成与毒性演替

民用固体燃料,生物质燃烧,室内空气质量,体外毒性,毒性组分

    民用生物质燃烧释放出大量环境和室内空气污染物，如多环芳烃（PAHs）和黑碳（BC），对大气环境和人体健康，尤其是呼吸系统造成严重威胁。特别是在我国农村地区，用于做饭或取暖的生物质燃烧，直接造成了高浓度的室内污染，严重危害居民健康。因此，固体燃料燃烧污染物减排是我国改善居民生活条件的迫切需求。

    然而，越来越多的证据表明，炉灶减排不等于健康风险降低。一方面，目前的炉灶改进，多关注热效率的提高，虽然可以有效的降低BC的排放，却未表现出相应的PAHs减排效果。另一方面，当下对于民用生物质燃烧中可能存在的新型污染物仍缺乏深入的探究，特别是针对民用生物质燃烧污染物的健康风险与燃烧条件之间的关联的深层次原因的认识尚不明确。

因此，我们针对不同温度条件下，民用生物质燃料燃烧过程中有机污染物的生成开展了深入研究。针对三种不同生物质燃料（稻草、杨树和落叶松）分别在三种不同的温度（400、600 和 800 ℃）条件下开展实验室模拟燃烧实验。收集燃烧产生的颗粒物（PM）滤膜样品，以获取BC、有机碳（OC）以及多环芳烃的排放因子；并利用溶剂提取PM中的有机组分，用于人肺（支气管）上皮细胞（A549）的体外毒性分析实验。结果表明，民用生物质低温燃烧（400℃）具有最高的有机碳排放因子，随燃烧温度的降低其排放因子显著降低。然而，体外毒性试验却表明，低温生物质燃烧产生的PM具有相对较低的毒性当量，生物质燃烧产生的PM的毒性当量随温度升高呈现先升高后降低的趋势，峰值出现在600℃时。对PM中的PAHs分析表明，其排放因子随温度升高呈现显著增加的趋势，峰值出现在800℃时。这意味着仅考虑PAHs的毒性贡献，无法解释PM毒性当量在高温条件下减弱的现象。因此，我们利用高分辨液相质谱针对PM中有机物进行非靶标筛查的结果表明，低温条件生物质燃烧主要排放有机物为生物质一次裂解产物（如葡聚糖和甲氧基酚类等）；随着燃烧温度增加，生物质裂解产物的氧化和自由基聚合反应产生了种类丰富的含氧、含氮以及含硫的杂环芳香化合物，这些化合物在生物质中等温度燃烧中排放相对剧烈，可能是潜在的毒性关键组分。随着燃烧温度的进一步增加，生物质燃烧排放有机物中的芳香化合物进一步聚合，逐渐转变为更为稳定的PAHs，而杂环芳烃的减少则是导致高温时PM毒性降低的主要原因。本研究的结果表明，急需针对民用生物质燃烧开展基于毒性效应的污染物评估，探究生物质燃烧有机污染物的生成机制及其重要影响因素，才能为生物质燃烧污染物减排策略的制定提供科学依据，更有利于促进我国农村地区室内空气质量的改善。