居民固体燃料燃烧排放的有害污染物严重威胁空气质量和人体健康。为此，我国已在重点城市区域推动燃煤和生物质燃料的替代与削减，并对人为源挥发性有机物及氮氧化物实施排放管控。然而，不同污染物减排措施之间的非协同性可能引发新的大气环境问题。特别值得关注的是，固体燃料燃烧排放中普遍存在的多环芳烃，现有减排策略主要针对其一次排放，忽视了其在大气中转化生成的二次产物，而这些产物可能在区域尺度上产生更广泛的环境影响。
图1. 警惕多环芳烃跨区域污染传输的潜在影响
近日，北京BOB博鱼体育区域环境安全全国重点实验室、环境科学与工程利发体育郭松研究员与合作团队在多环芳烃大气氧化机制及健康影响方面取得新进展。相关研究系统探讨了萘在不同氮氧化物条件下的氧化反应机制——高、低氮氧化物条件分别对应受居民固体燃料燃烧影响的源区及其下风向传输环境。研究团队结合量子化学计算与流动管实验，解析了萘衍生的三环过氧自由基中间体（TPRs）的重排与环化反应路径，揭示了高含氧低挥发性产物的生成机制。在此基础上，利用化学气溶胶箱式模型对关键低挥发性产物的产率进行了预测，结果与既往烟雾箱实验观测高度吻合。此外，研究还构建了时间依赖的分析框架，用于评估大气氧化过程中产物毒性的演变，并量化了其对人体健康的潜在影响。
研究发现，在居民固体燃料燃烧的源区及其下风向地区，萘衍生的TPRs能够通过一种广义的自氧化机制生成高度氧化、低挥发性的产物。该机制以RO?·主导的重排、环化及氢迁移，以及RO·主导的环化与断键反应为特征，不同于传统认知中RO?·主导氢迁移的自氧化路径。由于萘的高度不饱和结构，其反应机制无法从单环芳香烃直接类推。进一步研究表明，甲基萘、蒽和菲等其他多环芳烃也表现出类似的重排机制，具备生成二次有机气溶胶前体物的潜力。
在大气环境意义方面，研究指出多代氧化过程不可忽视：未来若需构建适用于大气化学模型的完整参数化方案，必须关注萘的多代氧化路径，尤其是高产率一代氧化产物（如2-甲酰基肉桂醛、萘酚等）的后续转化。毒性评估显示，萘的转化产物虽因苯环结构减少而致癌性降低，但其致突变性、呼吸毒性和皮肤致敏性却显著增强，对固体燃料燃烧源区居民及下风向城市人群构成直接健康风险。
本研究从分子层面厘清了多环芳烃在大气中的自氧化反应机制，首次系统揭示了TPRs转化产物毒性特征“此消彼长”的现象，为评估居民固体燃料燃烧排放的二次环境风险提供了重要理论基础。
基于上述发现，研究提出以下政策启示：第一，强化能源转型的健康效益评估。农村地区从固体燃料向清洁能源转型的效益，不仅要考虑一次排放的削减，还应纳入二次转化产物在下风向城市引发的健康影响。第二，实施区域协同管控。下风向城市的空气质量与健康风险部分源于上风向居民固体燃料燃烧排放的二次转化，亟需建立跨区域的多环芳烃及其氧化产物联防联控机制。第三，扩展毒性监测指标。当前空气质量标准主要关注多环芳烃母体，建议未来纳入关键转化产物的毒性监测，以更全面地保障公众健康。
图2. 萘大气氧化过程中存在新机制导致SOA和毒性产物生成
相关研究成果以“Atmospheric Autoxidation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Offset Air Quality and Health Gains from Solid Fuel Restriction”为题发表于环境领域期刊Environmental Science & Technology，并被选为副封面文章。五星体育赛车博士后付自豪为论文第一作者，郭松研究员为论文通讯作者，赫尔辛基BOB博鱼体育的Michael Boy教授为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金创新群体项目(22221004)、国家重点研发计划 (2022YFC3701000)、国家青年科学基金项目(22306002)、中国博士后科学基金项目(2023M730054)的联合资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c18481
研究团队长期致力于挥发性有机化合物的大气转化机制和环境影响的研究，相关发表文章如下：
1)Zihao Fu, Putian Zhou, Zeqi Cui, Rui Tan, Xi Cheng, Siddharth Iyer, Linghan Zeng, Maosheng Yao, Hong-bin Xie, Michael Boy, Min Hu, Song Guo. Atmospheric Autoxidation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Offset Air Quality and Health Gains from Solid Fuel Restriction, Environmental Science & Technology, 2026, https://doi.org/10.1021/acs.est.5c18481.
2)Zihao Fu; Song Guo; Hong-Bin Xie; Putian Zhou; Michael Boy; Maosheng Yao; Min Hu; A Near-Explicit Reaction Mechanism of Chlorine-Initiated Limonene: Implications for Health Risks Associated with the Concurrent Use of Cleaning Agents and Disinfectants, Environmental Science & Technology, 2024, 58, 44, 19762–19773.
3)Zihao Fu; Song Guo; Ying Yu; Hong-Bin Xie; Shiyu Li; Daqi Lv; Putian Zhou; Kai Song; Zheng Chen; Rui Tan; Kun Hu; Ruizhe Shen; Maosheng Yao; Min Hu; Oxidation Mechanism and Toxicity Evolution of Linalool, A Typical Indoor Volatile Chemical Product (VCP), Environment & Health, 2024, 2, 486?498.
4)Zihao Fu, et al., An overlooked oxidation mechanism of toluene: computational predictions and experimental validations, Chemical Science, 2023, 14, 13050.
5)Zihao Fu, et al., Atmospheric Autoxidation of Organophosphate Esters, Environmental Science & Technology, 2022, 56(11): 6944-6955.
6)Zihao Fu, et al., Formation of Low-Volatile Products and Unexpected High Formaldehyde Yield from the Atmospheric Oxidation of Methylsiloxanes, Environmental Science & Technology, 2020, 54(12): 7136-7145.
