杭州市冬春季大气细颗粒物中多环芳烃的粒径分布特征及细胞毒性研究*

陈金媛 刘柏辰 韩潇倩 周庆华

(浙江工业大学环境学院，浙江 杭州 310014)

杭州市冬春季大气细颗粒物中多环芳烃的粒径分布特征及细胞毒性研究*

陈金媛 刘柏辰 韩潇倩 周庆华#

(浙江工业大学环境学院，浙江 杭州 310014)

为了解杭州市大气细颗粒物中多环芳烃(PAHs)的粒径分布特征和主要来源，于2015年12月至2016年5月在杭州市某商住区采集了不同粒径的大气细颗粒物样品，利用气相色谱质谱联用仪对其中的PAHs进行分析，并进行了细胞毒性试验。结果表明，不同粒径大气细颗粒物中PAHs的总浓度冬季均明显高于春季。冬春两季的PAHs环数粒径分布基本呈现出4环>5环>3环>6环>2环。通过特征比值法判定，杭州市大气细颗粒物中的PAHs主要来源于燃烧源和机动车尾气排放。细胞毒性试验结果表明，粒径越小的大气细颗粒物对细胞的毒性作用越强，对细胞膜损伤程度越大。

大气细颗粒物 多环芳烃 粒径分布 细胞毒性

随着城市化的进程加快，机动车保有量急剧增加，城市基础建设深入开展，颗粒物污染已成为我国各城市大气污染的首要问题。大气颗粒物因比表面积大而容易吸附有毒有害物质，通过呼吸系统进入人体后会对人体健康造成不良影响[1-2]。多环芳烃(PAHs)是大气颗粒物中一类常见的有机污染物，具有致癌、致畸、致突变性。近些年，国内的科研人员已对不同地区大气颗粒物中的PAHs进行了相关研究[3-7]，但主要仅针对PM2.5和PM10。已有研究表明，大气颗粒物对人体健康的负面影响不仅取决于其吸附的化学成分，而且与其粒径大小有关[8]，粒径越小可能的负面影响更大，因此研究大气细颗粒物(粒径小于2.5 μm)中PAHs的粒径分布特征与细胞毒性具有重要的意义，然而目前对于不同粒径大气细颗粒物中的PAHs研究甚少。

杭州市作为浙江省省会，位于长江三角洲中心区域，经济发展迅猛，城市规模日益扩大，给大气环境带来了巨大的压力。因此，本研究在杭州市某商住区采集冬春两季的不同粒径大气细颗粒物，分析其中的PAHs粒径分布特征、来源和细胞毒性，为后续的大气细颗粒物研究提供参考，为相关部门进行大气污染防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样点位置为120°09′44.63″E，30°17′35.28″N，属于商住区，采样高度选择距地面约15 m[9]，采样时间为2015年12月至2016年5月。利用9级串联低压撞击器(DLPI)连续采集不同粒径的大气细颗粒物样品，采样滤膜为铝箔，采样流量为10 L/min，每72 h收集一次样品。雨雪天气不进行采样。

采样前，铝箔在索氏提取器中于60 ℃下提取16 h，置于恒温((25±1) ℃)、恒湿(50%±5%)箱中平衡24 h以上，以去除本底值。使用赛多利斯CPA225D型十万分之一精密电子天平称量采样前后的铝箔，所有铝箔均称量两次，保证两次质量差小于0.04 mg，取平均值[10]。采样后的铝箔存放于6孔板中冷藏保存。

1.2 样品预处理及测定

在样品中加入回收率指示物(包括萘-D8、二氢苊-D10、菲-D10、-D12、苝-D12)，质量浓度均为2 μg/L，加入量为1 mL，用100 mL二氯甲烷∶正己烷(体积比，下同)=4∶1的混合液在索氏提取器中于65 ℃下提取16 h。提取液经R201型旋转蒸发仪浓缩至5 mL以内，转移至硅胶层析柱净化。层析柱填充物从上到下依次为1 cm硫酸钠、10 cm硅胶、10 cm氧化铝，使用前进行活化。用70 mL 二氯甲烷∶正己烷=3∶7的混合液淋洗层析柱，淋洗液经旋转蒸发仪浓缩至2 mL以内，转移至样品瓶，氮吹后加入质量浓度为10 μg/L的内标物六甲基苯200 μL，定容至1 mL，-20 ℃冷藏，待测。

运用Agilent 7890A/5975C型气相色谱质谱联用仪(GC/MS)测定不同粒径大气细颗粒物中的16种PAHs，分别是萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚苯[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]苝。色谱柱为Agilent DB-5MS毛细色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气为氦气(纯度为99.99%)；进样口温度为300 ℃，不分流进样，进样量为1 μL；程序升温：初温50 ℃，保持2 min后以10 ℃/min升至180 ℃，再以6 ℃/min升至230 ℃，最后以3 ℃/min升至280 ℃，保持8 min；电离源为电子轰击源(EI)，能量为70 eV，温度为250 ℃；扫描方式为选择离子扫描。

1.3 细胞毒性试验

细胞毒性试验选用传代系细胞A549细胞，在含10%(质量分数，下同)血清的DMEM培养液中培养后，接种于96孔板上。然后置于37 ℃、含5%(质量分数，下同)CO2的培养箱中培养24 h，弃上清液，用含1%血清的DMEM培养液稀释不同粒径的大气细颗粒物至1 μg/mL[11]，对照组用超纯水代替大气细颗粒物样品。继续培养24 h后，分别进行细胞存活率和细胞膜损伤试验。由于粒径为0.030～0.060、>0.060～0.108 μm的细颗粒物较少，本研究将两个粒径范围的样品合并后用于细胞毒性试验。

细胞存活率试验：每孔加入10 μL质量浓度为5 mg/mL的二苯基四氮唑溴盐(MTT)溶液，于37 ℃、含5%CO2的细胞培养箱中培养4 h，弃上清液，每孔加入150 μL二甲基亚砜(DMSO)，常温放置约10 min，待其充分溶解后，用TECAN Infinite F50型酶标仪在570 nm下测定吸光度并计算细胞存活率[12]。

细胞膜损伤试验：每孔加入26 μL基质缓冲液和5 μL辅酶Ⅰ(基质缓冲液和辅酶Ⅰ购自南京建成生物工程研究所)，混匀后在37 ℃水浴中加热15 min，加入2,4-二硝基苯肼25 μL继续加热15 min，再加入0.4 mol/L的NaOH溶液250 μL，混匀后在室温下放置5 min，用酶标仪在450 nm下测定吸光度，计算乳酸脱氢酶(LDH)释放量，用于表征细胞膜损伤程度。

1.4 质量控制与质量保证(QA/QC)

采样期间共做了5次全流程空白，均符合QA/QC要求。每个样品平行测定3次，相对偏差均小于5%。每次进行样品测定前重新校正标准曲线，样品测试过程中每20个样品测定1次标准溶液。空白加标回收实验，除萘(58.7%)回收率略低外，其余15种PAHs在80%～110%范围内，相对标准偏差小于8%，但均符合QA/QC要求。回收率指示物的回收率为64.6%～96.5%，相对标准偏差小于10%，符合QA/QC要求。目标化合物的定量经内标物六甲基苯校正。

2 结果与讨论

2.1 PAHs总浓度的粒径分布

采样期间，杭州市某商住区冬春两季16种PAHs总浓度的粒径分布如图1所示。由图1可知，不同粒径的大气细颗粒物中16种PAHs的总质量浓度冬季为2.28～4.38 ng/m3，春季为0.45～1.05 ng/m3，冬季明显高于春季。经方差分析，冬春各个季节内不同粒径范围的大气细颗粒物PAHs浓度分布并无显著差异(P>0.05)。这是由于杭州市受亚热带季风气候的影响，四季分明。据统计，杭州市冬季平均气温为7.3 ℃，春季为17.2 ℃。冬季气温较低，更易于产生逆温天气，污染物难以扩散，而春季大气对流活动增强，有利于污染物扩散。

图1 PAHs总质量浓度在大气细颗粒物中的粒径分布Fig.1 Size distribution of PAHs’ total concentrations in fine atmospheric particulate matter

图2 PAHs环数在大气细颗粒物中的粒径分布Fig.2 Size distribution of PAHs’ aromatic rings in fine atmospheric particulate matter

2.2 PAHs环数的粒径分布

杭州市大气细颗粒物中PAHs环数的粒径分布如图2所示。冬春两季PAHs环数粒径分布特征基本一致，平均质量分数大致呈现出4环>5环>3环>6环>2环。4环PAHs在不同粒径的大气细颗粒物中所占质量分数冬季为37.99%～63.11%、春季为35.06%～46.11%，5环PAHs冬季为16.41%～29.45%、春季为21.18%～43.61%。一般情况下，低环(2环和3环)的PAHs容易挥发，颗粒物中含量较小，主要以气态形式存在于大气中；4环PAHs为半挥发性有机物，在气态和颗粒物中都有存在；而高环(5环和6环)的PAHs挥发性较差，主要吸附在大气颗粒物的表面[13]。高环的PAHs比低环PAHs有更强的致癌性，对人体健康危害更大[14]。

2.3 大气细颗粒物中PAHs来源分析

除少数PAHs由动植物合成外，大部分PAHs来源于化石燃料和生物质的燃烧、机动车尾气排放等。由于燃料种类和燃烧条件的不同，生成的PAHs种类和相对含量也有差别。对PAHs进行来源分析时，特征比值法应用比较广泛。本研究亦采用特征比值法进行大气细颗粒物中PAHs的来源解析。前人在总结大量PAHs源数据的基础上，分析得出了蒽/(蒽+菲)、荧蒽/(荧蒽+芘)、苯并[a]蒽/(苯并[a]蒽+)、茚苯[1,2,3-cd]芘/(茚苯[1,2,3-cd]芘+苯并[g,h,i]苝)、芘/苯并[a]芘的判定依据[15-17]。

对不同粒径的大气细颗粒物中PAHs进行特征比值分析，结果如表1所示。总体而言，杭州市冬春两季大气细颗粒物中PAHs主要来源于燃烧源和机动车尾气排放。这符合杭州市及周边城市机动车保有量较大、燃煤锅炉未全面淘汰或未改造完成的现状。

事实上，PAHs的环数就能间接反映污染物的来源。通常，2～4环PAHs主要来源于机动车尾气排放，而5～6环PAHs多来源于燃烧源。从图2同样可以看出，杭州市大气细颗粒物中PAHs的来源为燃烧源和机动车尾气排放的综合污染。

2.4 细胞毒性研究

细胞存活率试验结果如图3(a)所示，当大气细颗粒物粒径为0.030～0.400 μm时，细胞存活率明显低于粒径为>0.400～2.500 μm时，说明大气细颗粒物粒径越小，其细胞毒性越强。

此外，本研究通过测定细胞上清液中LDH释放量来间接反映细胞膜的受损程度，试验结果如图3(b)所示。LDH释放量随粒径增大而降低。当颗粒物粒径为>1.600～2.500 μm时，LDH释放量最低，为755 U/L；颗粒物粒径为0.030～0.108 μm时，LDH释放量最高，为840 U/L。这表明，大气细颗粒物能够引起细胞膜的损伤，并且损伤的程度与颗粒物的粒径有关，颗粒物的粒径越小对细胞膜的损伤越大[18-19]。

表1 不同粒径大气细颗粒物中PAHs的特征比值

注：1)≤0.1来源于成岩作用，>0.1来源于燃烧源；2)<0.20主要来源于成岩作用，0.22～0.55主要来源于汽油燃烧，0.38～0.64主要来源于柴油燃烧，>0.50主要来源于煤燃烧；3)<0.4来源于成岩作用，0.4～0.5来源于石油燃烧，>0.5来源于煤/生物质燃烧；4)<0.2来源于成岩作用，0.2～0.5来源于石油/汽油燃烧，>0.5来源于煤/生物质燃烧；5)<1来源于非交通源，1～6来源于机动车尾气排放。

图3 细胞毒性研究结果Fig.3 Results of cell toxicity

3 结 论

杭州市某商住区大气细颗粒物中，PAHs总浓度冬季显著高于春季，但各个季节内不同粒径的细颗粒物中PAHs浓度分布并无显著差异。两个季节的PAHs环数粒径分布基本呈现出4环>5环>3环>6环>2环。杭州市大气细颗粒物中PAHs主要来源于燃烧源和机动车尾气排放。粒径越小的大气细颗粒物对细胞的毒性作用越强，对细胞膜损伤程度越大，需要特别关注。

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SizedistributionandcelltoxicityofpolycyclicaromatichydrocarbonsinfineatmosphericparticulatematterduringwinterandspringinHangzhou

CHENJinyuan，LIUBaichen，HANXiaoqian，ZHOUQinghua.

(CollegeofEnvironment，ZhejiangUniversityofTechnology，HangzhouZhejiang310014)

To investigate the size distribution and main sources of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in fine atmospheric particulate matter in Hangzhou,samples were collected in a commercial and residential area in Hangzhou from December 2015 to May 2016. PAHs were detected using gas chromatography/mass spectrometry. Cell toxicity tests were also conducted. Results showed that total concentrations of PAHs in different size were all higher in winter than in spring. Furthermore,it was found that the size distribution of PAHs’ aromatic rings almost all showed 4-ring > 5-ring > 3-ring > 6-ring > 2-ring. The diagnostic ratios revealed that the PAHs in Hangzhou mainly originated from the pyrogenic sources and vehicle exhaust emission. Finally,it was demonstrated that the finer particulate matter possessed the higher cell toxicity and cytomembrane damage.

fine atmospheric particulate matter; polycyclic aromatic hydrocarbons; size distribution; cell toxicity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.001

2016-12-15)

陈金媛，女，1963年生，博士，教授，主要从事环境污染化学及污染毒理学研究。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.21177114)；浙江省自然科学基金资助项目(No.LZ15B070001)。