华东师范大学杨毅团队：燃煤源磁铁矿纳米颗粒的排放特征及关键致毒组分甄别

磁铁矿纳米颗粒（MNPs）作为PM2.5中的重要有毒组分，能够通过呼吸道进入人体肺部，甚至穿过血脑屏障到达大脑，并引发肺部炎症、上皮细胞增殖以及阿尔茨海默症等疾病。大气环境中MNPs主要来自燃煤电厂、钢铁冶炼和汽车尾气排放等人类活动，其中燃煤电厂被认为是最重要的来源之一。截至2023年，中国燃煤电厂的总装机容量约为1000 GW，意味着其存在大量排放MNPs的可能。作为燃煤电厂的主要副产物，粉煤灰（CFAs）是中国工业固体废物的主要组成部分。在CFAs回收、运输和储存过程中，大量MNPs可能直接进入大气环境。然而，目前针对不同燃煤副产物，特别是通过烟囱直接排放至大气的MNPs的定量信息仍十分有限。此外，MNPs的毒性与其粒径和化学组成密切相关，而煤燃烧生成的MNPs往往具有更为复杂的元素组成和粒径分布。因此，亟需对燃煤源MNPs特别是其单颗粒水平的元素组成信息进行高分辨率表征以识别其关键致毒组分，为更全面评估其健康风险和后续污染管控提供重要的数据支撑。基于此，华东师大地科院杨毅教授团队聚焦燃煤源MNPs的排放特征、元素组成以及引发的健康风险开展了系列研究，取得了以下成果。

本研究首先通过采集中国代表性燃煤电厂多级除尘装置截留的CFAs及所有燃煤副产物，系统评估了不同除尘装置对MNPs的捕获效率及其最终排放模式。研究结果表明，不同类型除尘装置对MNPs截留能力存在显著差异，其中电袋复合除尘器在捕获小于100 nm的超细MNPs方面表现出最高的效率（图1）。这种装置结合了静电除尘与布袋过滤的双重机制，能够显著提高对超细颗粒的捕获效果。此外，在所有燃煤副产物中，从烟囱直接逃逸出去的飞灰（EFA）中MNPs的颗粒数浓度最高（1.2×10⁷ particles/mg），平均粒径最小（78 nm），同时具有最高的纯度，并吸附更多的有毒金属。尽管EFA质量仅占电厂煤灰总质量的0.25%，其MNPs的数量排放占总排放量的3.56%，成为大气环境中MNPs的重要来源之一。以上结果表明，EFA中排放的大量具有较高纯度以及细粒径的MNPs是值得优先关注的污染物，其潜在的健康危害不容忽视。

图1 典型燃煤电厂中MNPs的排放特征

基于单颗粒等离子体飞行时间质谱仪（spICP-TOF-MS）对典型燃煤电厂不同CFAs样品中MNPs的单颗粒组成特征进行高分辨率表征。spICP-TOF-MS技术的优势在于能够精确表征单颗粒的多元素组成，从而揭示由MNPs引发肺细胞毒性的关键致毒组分及作用机理（图2）。通过spICP-TOF-MS技术发现61-80%的MNPs以多金属颗粒（mm-MNPs）的形式存在，而单金属颗粒（sm-MNPs）数量占比随着除尘级数的增加而增加，并在通过烟囱逃逸出的飞灰（EFA）中达到最高。不同CFAs中mm-MNPs以富Fe-MNPs为主导，其中富Fe-MNPs主要组成基质为Fe-sole和Fe-Al。细胞毒性结果表明由MNPs诱发的氧化应激是CFAs中<1 μm组分的1.2-2.2倍，而两者对细胞活力的影响无明显差别，说明MNPs能够对肺细胞引发更为强烈的氧化应激。此外，进一步基于结构方程模型揭示了MNPs粒径大小通过直接影响其元素组成和有毒金属含量从而间接调控其毒性。sm-MNPs和富Fe-MNPs（如Fe-sole、Fe-Cr、Fe-Zn基质）与氧化应激紧密相关，而与Fe-sole、Al-Fe、Si-Fe以及Al-Fe基质相关的有毒金属（如Cr、Zn、Pb）则对细胞活力下降有显著作用。该研究发表在Environmental Science & Technology上，并被选为内封面论文（图3）。

图2 燃煤源磁铁矿纳米颗粒关键致毒组分解析

[1] Shi ZQ, Xu M, Wu LY, Du HY, Ji T, Wu JY, Niu ZS, Yang Y. Magnetite nanoparticles from representative coal fired power plants in China: Dust removal capture and their final atmospheric emission [J]. Science of the Total Environment, 2024, 952, 175950.

[2] Shi ZQ, Xu M, Wu LY, Peng B, Yang XJ, Zhang YQ, Li SD, Niu ZS, Zhao H, Ma XR, Yang Y. Size-Dependent Elemental Composition in Individual Magnetite Nanoparticles Generated from Coal-Fired Power Plant Regulating Their Pulmonary Cytotoxicity [J]. Environmental Science & Technology, 2024, 58 (44), 19774-19784.