人為源和自然源所排放的鐵，在空氣質(zhì)量、人類健康和全球生物化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用。大氣細(xì)顆粒物 (PM2.5) 中的鐵，可以催化二氧化硫和特定有機化合物的液相反應(yīng)，形成硫酸鹽和二次有機氣溶膠。同時，鐵顆粒物的沉積還能促進海洋浮游植物的初級生產(chǎn)力和固氮作用，影響碳地球化學(xué)循環(huán)和全球氣候。此外，含鐵顆粒還能通過Fenton反應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧，對人體健康造成不良影響。鐵所造成的環(huán)境和健康效應(yīng)主要由其可溶部分所決定，即可溶鐵(FeS)。然而，當(dāng)前研究大多使用受體模型和同位素指紋法探究可溶鐵來源，缺乏對人為源可溶鐵的實驗量化及溶解機制探究，制約了對大氣一次可溶鐵排放貢獻的評估。

為填補這一空白，我系大氣環(huán)境健康團隊通過現(xiàn)場采樣、實驗室分析、排放清單和模型模擬，全面研究了包括工業(yè)、民用燃燒、交通尾氣、剎車磨損和沙漠沙塵在內(nèi)的十類源排顆粒物的可溶鐵濃度及鐵溶解機制，并量化其對大氣一次可溶鐵的貢獻。揭示不完全燃燒源 (民用燃燒和交通尾氣) 和工業(yè)煙羽所排放PM2.5的較高鐵溶解度，強調(diào)有機絡(luò)合和質(zhì)子促進作用在提高鐵溶解度方面的關(guān)鍵作用，并指出鋼鐵和民用燃燒是大氣一次可溶鐵排放的主導(dǎo)人為源。該成果以“Soluble iron in Source-based Anthropogenic PM2.5 predominantly from steel industry and residential combustion in China” 為題，發(fā)表于國際知名地學(xué)期刊Geophysical Research Letters。

研究團隊通過對全國96個工業(yè)、27個民用燃燒、15個交通尾氣、20個剎車磨損、18個沙漠沙塵樣品開展化學(xué)分析和溶解實驗，測定不同排放源顆粒物的鐵溶解度和可溶鐵含量。結(jié)果顯示，不完全燃燒源所排放PM2.5的鐵溶解度 (0.3-37.7%) 顯著高于工業(yè)和沙塵源 (0.002-3.0%)，歸因于其較高的低分子有機酸含量（圖1）。有機絡(luò)合作用極大促進了民用燃燒和交通尾氣中鐵的溶解性。經(jīng)濕法脫硫裝置所排放的工業(yè)煙羽呈強酸性 (pH < 3)，通過質(zhì)子促進作用顯著提高工業(yè)PM2.5的鐵溶解度。

將可溶鐵含量與排放清單、模型模擬相耦合，定量解析2019年我國大氣一次可溶鐵排放的源貢獻及空間分布。結(jié)果表明，鋼鐵工業(yè)貢獻可溶鐵排放的49.4 ± 32.9%，為主導(dǎo)的一次人為源。民用燃燒貢獻可溶鐵排放量的28.6%，其中民用生物質(zhì)占27.6 ± 27.6%，民用煤占1.0 ± 0.9%。模擬結(jié)果顯示一次可溶鐵排放具有明顯空間差異性，且不同地區(qū)可溶鐵所主導(dǎo)的人為源有所不同。對于中國東北和西南地區(qū)(包括四川盆地)，可溶鐵主要來源于民用燃燒（57.7 ± 18.2%），對于華東地區(qū)而言，可溶鐵主要由鋼鐵和民用燃燒所貢獻，其排放量約為其他地區(qū)的4.5 ± 2.7倍。

圖1：典型自然源和人為源PM2.5的鐵排放特征: (a) 總鐵含量和 (b) 鐵溶解度。鋼鐵、鍋爐和電廠樣品的鐵溶解度通過酸提取獲得，其他源樣品的鐵溶解度通過去離子水提取獲得。其他工業(yè)包括有色金屬冶煉、焦化和玻璃生產(chǎn)；民用燃燒包括民用煤和民用生物質(zhì)；交通源包括尾氣和剎車磨損。

圖2：2019年中國大陸 (a)總鐵 (FeT) 和 (b)可溶性 (FeS) 排放空間分布以及特定來源可溶鐵排放 (c-d)。配備石灰石-石膏煙氣脫硫裝置的鋼鐵燒結(jié)工藝(c)和民用燃燒(d)。

本研究揭示了人為源對可溶鐵排放的貢獻及其空間分布特征，并探討了不同來源顆粒物中鐵元素的溶解機制差異。研究結(jié)果不僅有助于深入理解鐵的來源及其對公眾健康的影響，還可進一步揭示其生物可利用性及對海洋初級生產(chǎn)力的作用。所構(gòu)建的排放框架未來將擴展至全球尺度，并結(jié)合大氣傳輸與沉降過程，以提升全球鐵排放量化的準(zhǔn)確性。鋼鐵和民用燃燒是大氣可溶鐵排放的主導(dǎo)人為源，因此建議實施區(qū)域差異化的減排策略，以控制可溶鐵的一次排放。在工業(yè)排放集中區(qū)域（如華北平原和長江三角洲），需加強對濕法脫硫過程協(xié)同產(chǎn)生副產(chǎn)物的管理，以緩解工業(yè)煙羽的酸性影響。同時，在中國東北和西南等地區(qū)，應(yīng)逐步推動家用固體燃料向更清潔能源轉(zhuǎn)型。

論文共同第一作者為博士生崔偉與宋曦雯，通訊作者為吳菂（助理教授）和李慶（教授）。本研究得到中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部 (2023YFC3709404)與國家自然科學(xué)基金委員會基金項目 (22406026, T2525006, U22A20405) 的資助。