新污染物前沿合作（八）| 城市通风廊道对大气超短链PFAS的传输机制研究
国科大杭州高等研究院全省新污染物环境与健康重点实验室王亚韡教授课题组何安恩博士后等与国科大杭高院-岛津环境与健康创新中心合作在颗粒态超短链全氟烷基化合物（PFAS）的城市大气环境行为方面取得新进展。本研究同步采用岛津高效液相色谱三重四极杆质谱系统（LCMS-8060NX）测定了62种传统、新型与中性PFAS，以及超临界流体色谱三重四极杆质谱系统（SFC-MS/MS）测定了5种超短链PFAS的浓度水平，分析了北京城市生态系统研究站的全年大气颗粒态PFAS的赋存水平，结合城市风道特征和大气反演模型，探究超短链PFAS的大气传输相关机制。相关成果以"Notable Impact of Urban Ventilation Corridors on the Transport of Particle-bound Ultrashort-chain Perfluoroalkyl Substances in the Atmosphere"为题发表在环境领域国际期刊《Journal of Hazardous Materials》（中科院JCR一区）。
研究背景
全氟及多氟烷基化合物（PFAS）是一类与人类活动密切相关的有机化学品，因其在环境中具有高度持久性，可通过大气实现长距离传输。其中，以三氟乙酸（TFA）为代表的超短链PFAS（C≤3）由于来源广泛、环境迁移能力强，在环境各介质的含量持续升高。然而，目前关于PM2.5结合态PFAS在城市大气中的运输规律仍缺乏系统认识，特别是城市通风廊道是否会影响其迁移扩散过程尚未得到验证。为此，本研究以北京市城市通风廊道为研究区域，沿城乡梯度与西北―东南走向的通风廊道设置采样点，开展为期一年的大气PM2.5监测和67种PFAS分析，系统揭示城市通风廊道对PM2.5结合态PFAS的迁移影响机制。
研究方法与结论
共检测了67种PFAS，其中23种在PM2.5样品中被高频率检出，包括长链PFAS、超短链PFAS以及新型替代物，如图1所示。北京PM2.5中PFAS总浓度中值为174 pg/m³，其中超短链PFAS占据绝对优势，约占总浓度的55%。TFA是最主要的单体，中值浓度达到95.8 pg/m³；其次为PFOA（13.7 pg/m³）、PFOS（7.75 pg/m³）、TFMS（4.96 pg/m³）和PFBA（4.35 pg/m³）。在三个采样点中，位于西北郊区站点的PFAS浓度最高，这可能与山谷风效应以及大气混合层高度有关。
图1 （A）三个城市生态观测站的∑PFAS和PM2.5浓度。（B）不同季节采样期间PFAS的组成
进一步比较了我国北京与国内外多个城市PM2.5结合态PFAS浓度水平。结果显示，PFOA和PFOS浓度总体处于国际中等水平，但超短链PFAS呈现出逐年升高的趋势，且显著高于我国渤海地区以及日本地区（图2）。随着长链PFAS受到公约管控，超短链PFAS正在成为城市大气颗粒物中的优势污染物。此外，Unmix和PMF源解析模型结果共同表明新型含氟聚合物加工助剂、传统生产行业与氟基产品、食品包装与消费品使用以及含氟前体物的环境转化是大气颗粒态PFAS的潜在来源。
图2 本研究中北京大气PM2.5结合态超短链PFAS和传统PFAS浓度与文献数据的比较
研究整合了空气质量监测数据与气象参数，分析发现PM2.5结合态PFAS具有明显的季节变化特征。冬春季节的颗粒态PFAS总浓度约为盛夏季节的2.4倍，这与静稳天气的发生频率以及工业一次源排放强度相关；冬春季节的颗粒态PFAS昼夜变化规律与大气相对湿度、CO、PM2.5的差值呈显著正相关；进一步，低挥发性与高有机碳含量均会增加大气颗粒态PFAS的浓度，而强太阳辐射则会促进大气中含氟前体物向超短链PFAS的转化。另一方面，风速的增加促进了PM2.5结合态PFAS的扩散，而位于西北郊区的3号站点浓度升高，提示着城市通风廊道可能对颗粒态PFAS迁移具有重要调控作用。
根据世界气象组织对风级的划分，我们对典型有风天的日子进行了深入分析。结合城市通风廊道布局及季风特征分析发现，北京地形呈西高东低的特点，冬季西北季风进入城区后，在山区地形作用下形成局部东南风，使PM2.5及其携带的PFAS沿城市通风廊道向西北方向输运，并最终在西北山区附近发生累积，产生"特洛伊木马"效应。聚类分析进一步表明，站点3具有独立的污染特征，证明城市通风廊道不仅影响空气交换过程，也改变了PM2.5结合态PFAS的区域输运路径（图3）。
图3 （A）本研究中三个观测站与城市通风廊道关系示意图。(B) 冬季西北郊区3号观测站PFAS浓度累积趋势。(C) 冬季和夏季不同观测站的层次聚类分析。
进一步结合HYSPLIT后向轨迹模型和潜在源贡献函数分析发现，TFA与PM2.5具有高度一致的潜在来源区域，两者均主要沿城市通风廊道由东南向西北输送。在寒冷季节，东南风可将TFA和PM2.5沿城市通风走廊向西北方向输送，分别贡献了总质量的24–45%和35–38%；而在温暖季节，来自太平洋的气团沿通风廊道从1号站点向3号站点输送。与预期一致，TFA主要来源于东南方向，对1、2、3号站的贡献占比分别为45%、54%、65%。本研究从源解析角度证实，城市通风廊道在改善空气流动的同时，也成为PM2.5结合态PFAS城市区域迁移扩散的重要通道。
图4 寒冷季节TFA和PM2.5的潜在源贡献函数分布图，饼图展示了不同气团在冷暖两季对大气污染物的相对贡献。
总结与讨论
本研究整合化学分析、气象参数、地理信息系统与大气传输模型，首次揭示了城市通风廊道对PM2.5结合态PFAS的区域大气传输具有重要作用，指出超短链PFAS已成为大气颗粒态PFAS的主要组成，且其迁移行为受到城市通风廊道、季风及山区地形的共同影响。研究成果不仅深化了对超短链PFAS大气环境迁移规律的认识，也为城市空气质量管理、新污染物风险评估及区域大气传输模型的优化提供新的科学依据。