科學(xué)家借助納米二次離子質(zhì)譜儀證明鐵酸溶解假說(shuō)

  目前大氣污染成為了環(huán)境研究的熱門(mén)領(lǐng)域，然而其中對(duì)鐵的關(guān)注卻較少。研究人員利用多種納米級(jí)精密顯微儀器從中發(fā)現(xiàn)了鋼鐵工業(yè)和燃煤產(chǎn)生的含鐵顆粒的表面有一層厚厚的硫酸鹽包裹層，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該硫酸鹽包裹層中含有可溶解的硫酸鐵，從而為鐵酸溶解假說(shuō)提供了“鐵證”。
  李衛(wèi)軍和納米二次離子質(zhì)譜
  大氣作為一個(gè)整體，和生命體一樣，一旦生病了，能夠從微觀顆粒層面研究其排放源和發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，相當(dāng)于從“細(xì)胞”層面研究其“病源”。近日，山東大學(xué)環(huán)境研究院教授李衛(wèi)軍的研究組從我國(guó)東海大氣取樣中發(fā)現(xiàn)大量人為來(lái)源的鐵顆粒。
  “同對(duì)霧霾的關(guān)注相比，大家對(duì)大氣中人為源排放鐵的關(guān)注較少。實(shí)際上，可溶性鐵一旦被人呼吸到，發(fā)生氧化反應(yīng)對(duì)人體危害極大，沉降于海洋表面則有可能成為浮游生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。”近日，山東大學(xué)環(huán)境研究院教授李衛(wèi)軍的研究組從我國(guó)東海大氣取樣中發(fā)現(xiàn)大量人為來(lái)源的鐵顆粒。
  李衛(wèi)軍及其合作者從單個(gè)顆粒的微觀層面研究了大氣中鐵的遷移和溶解過(guò)程，相關(guān)研究成果3月1日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，該研究也在國(guó)際上首次從大氣外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中直接證實(shí)了鐵酸溶解過(guò)程。
  李衛(wèi)軍在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)比喻稱(chēng)，大氣作為一個(gè)整體，和生命體一樣，一旦生病了，能夠從微觀顆粒層面研究其排放源和發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，相當(dāng)于從“細(xì)胞”層面研究其“病源”。
  證實(shí)鐵酸溶解假說(shuō)
  上世紀(jì)90年代初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，沙塵暴經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，其中含有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)鐵、磷、氮等跨越大洲大洋，沉降在海洋表面，刺激了浮游生物的增長(zhǎng)。但是，沙塵中的鐵是不可能直接被生物所利用的，只有長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中發(fā)生大氣化學(xué)反應(yīng)釋放出可溶解性鐵，才能被生物利用。1994年美國(guó)科學(xué)家馬丁在《自然》雜志發(fā)文，首次提出“鐵假說(shuō)”——海洋表面浮游生物生長(zhǎng)需要可溶性鐵作為其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
  李衛(wèi)軍表示，該假說(shuō)的重要性在于它可以作為核心理論依據(jù)，用以討論來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)和自然排放的大氣顆粒物如何沉降于海洋表面、增加海洋中營(yíng)養(yǎng)物的供給，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和氣候產(chǎn)生影響。因此，自“鐵假說(shuō)”提出以來(lái)，就被科學(xué)家廣泛運(yùn)用，但其中可溶解鐵的來(lái)源或生成始終沒(méi)有被大氣外場(chǎng)觀測(cè)直接證實(shí)。
  究其原因，李衛(wèi)軍指出，以前沒(méi)有針對(duì)含鐵顆粒的專(zhuān)門(mén)采樣，而是采用長(zhǎng)時(shí)間采樣和全樣本分析方法，但由于含鐵顆粒在整個(gè)樣品內(nèi)占比很少，大量其他物質(zhì)顆粒的存在相當(dāng)于“雜質(zhì)”，干擾了對(duì)含量較少的含鐵顆粒的深入分析和認(rèn)識(shí)。
  而在本實(shí)驗(yàn)中，李衛(wèi)軍為了準(zhǔn)確定位研究對(duì)象，自主發(fā)明設(shè)計(jì)了單顆粒采樣器進(jìn)行采樣。據(jù)悉，該儀器已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利并進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)?gòu)買(mǎi)國(guó)外類(lèi)似儀器相比，成本降低約80%。
  利用該設(shè)備，研究人員歷經(jīng)數(shù)月，通過(guò)輪船在中國(guó)大陸與朝鮮半島之間的黃海海域采集了大量大氣氣溶膠顆粒，獲得了單獨(dú)顆粒樣本。“有意思的是，我們從樣品中直接觀察到大量單顆?；旌现鴪A球狀的人為源的鐵顆粒。”李衛(wèi)軍告訴記者。
  高精尖儀器提供“鐵證”
  獲得單顆粒樣本，李衛(wèi)軍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只完成了第一步。第二步，研究人員需要利用納米級(jí)精密儀器進(jìn)行微觀層面的觀測(cè)。
  “頭發(fā)的直徑在60~90微米，而我們所得的顆粒物大多在1微米以下，必須使用高精尖的儀器才能精準(zhǔn)定位并識(shí)別所研究的單顆粒。”李衛(wèi)軍說(shuō)。
  據(jù)悉，本實(shí)驗(yàn)主要用到兩臺(tái)儀器，一臺(tái)是日本產(chǎn)的高分辨透射電鏡，一臺(tái)是法國(guó)產(chǎn)的納米二次離子質(zhì)譜儀，后者價(jià)格極高，我國(guó)僅有中科院地質(zhì)與地球物理研究所擁有一臺(tái)，而李衛(wèi)軍也成為我國(guó)用此儀器進(jìn)行大氣氣溶膠研究的首位科學(xué)家。
   由于該儀器首次進(jìn)行類(lèi)似研究，李衛(wèi)軍花費(fèi)大量時(shí)間用以制備標(biāo)準(zhǔn)樣品，前后花了3年半時(shí)間進(jìn)行分析。雖然進(jìn)展緩慢，但李衛(wèi)軍認(rèn)為該工作具有跨界思維的意義，將以前常用于地質(zhì)學(xué)的微觀手段用到了環(huán)境科學(xué)上。
  最終，研究人員利用多種納米級(jí)精密顯微儀器從中發(fā)現(xiàn)了鋼鐵工業(yè)和燃煤產(chǎn)生的含鐵顆粒的表面有一層厚厚的硫酸鹽包裹層，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該硫酸鹽包裹層中含有可溶解的硫酸鐵。
  之后，實(shí)驗(yàn)進(jìn)入第三步，也是最關(guān)鍵的一步，證明這些硫酸鹽內(nèi)部的鐵是在顆粒物遷移過(guò)程中鐵球顆粒和酸反應(yīng)生成的可溶性硫酸鐵，這一步也讓研究人員頗費(fèi)了一番功夫。
  最終，研究結(jié)果表明，在黃海上空采集的鐵質(zhì)顆粒物的硫酸鹽包裹層是由人為排放的二氧化硫經(jīng)過(guò)二次化學(xué)反應(yīng)而形成，其中所含有的可溶解性鐵硫酸鹽是由鐵酸溶解過(guò)程產(chǎn)生的直接結(jié)果。這意味著我國(guó)學(xué)者用大氣外場(chǎng)觀測(cè)樣品率先為鐵酸溶解假說(shuō)提供了“鐵證”。
  基金支持“塔基”研究
  這一研究證實(shí)，大陸空氣污染氣團(tuán)含大量飛灰和鐵質(zhì)顆粒及酸性氣態(tài)污染物混合;酸性氣體污染物在顆粒物的表面發(fā)生非均相反應(yīng)，形成硫酸鹽等包裹層;這些酸性物質(zhì)和不可溶的鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致可溶鐵的形成。
  實(shí)際上，近幾年，全球都在關(guān)注中國(guó)、印度，甚至南美洲這些工業(yè)大國(guó)的人為源排放。而我國(guó)許多工廠從內(nèi)地搬遷到了沿海。“這是由于貨物易于運(yùn)輸，其次排放的污染物在沿海上空易于擴(kuò)散，但現(xiàn)在海洋上空污染物越來(lái)越多，對(duì)于海洋生態(tài)影響亟須全面地進(jìn)行評(píng)價(jià)。”李衛(wèi)軍表示，需要開(kāi)展把大陸空氣污染和海洋生態(tài)相關(guān)聯(lián)的研究。
  他同時(shí)提醒，目前大氣污染研究中對(duì)鐵的關(guān)注較少，希望有更多科學(xué)家全方位研究鐵的危害。
  另一方面，該研究表明，這些顆粒物在沉降于海洋表面以后，其中生物可利用的鐵有可能會(huì)促進(jìn)海洋表面微生物的生長(zhǎng)并增加海洋吸收二氧化碳能力。這將促進(jìn)量化人為可溶鐵對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和氣候的影響的研究，特別是針對(duì)空氣污染物中可溶性鐵作為一種“新”源促進(jìn)海洋儲(chǔ)存大量的二氧化碳，進(jìn)而減緩全球變暖的效應(yīng)的研究。
  該研究在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和優(yōu)秀青年基金共同資助下完成，李衛(wèi)軍表示，“基金的支持是根本，沒(méi)有的話很難進(jìn)行這么基礎(chǔ)的科研工作。對(duì)于大氣污染治理及其全球變化影響研究的金字塔來(lái)說(shuō)，我們的研究處于最底部，未來(lái)還需要后續(xù)進(jìn)一步研究。”
  編輯點(diǎn)評(píng)       
  科學(xué)家李衛(wèi)軍將著眼點(diǎn)放到了無(wú)人問(wèn)津的鐵酸溶解假說(shuō)，并用高精尖儀器找到了“鐵證”。但是“發(fā)現(xiàn)”還僅僅只是開(kāi)始，如何開(kāi)展后續(xù)研究，如何找到治理鐵污染的方法，還需要各界科學(xué)家共同努力。