调查大气中挥发性生物化合物的生命周期

地球的大气层充满了各种气体。除了对流层中的氮、氧和二氧化碳，它还含有其他分子或微量气体，这些气体对我们的健康可能是中性的、有益的或有害的。他们从哪里来?这些挥发性物种有许多来源，包括植物等生物源和车辆排放等人为源。在紫外线和其他分子或固体颗粒等环境条件下，它们可以降解或转变为完全不同的分子。结果，它们成为大气的二次污染物。最近，波兰科学院物理化学研究所的研究人员与斯洛文尼亚的 TROPOS、莱比锡和 NIC 合作，重点揭示了这些挥发性生物化合物在大气中的命运，

呼吸所需的唯一空气成分是氧气。尽管如此，大气中还是充满了许多其他气体，它们的成分因许多因素而异。它包含由污染物、气体和微小液滴组成的气溶胶。它们的起源是什么?显而易见的答案是工业——工业设施会产生巨大的污染。另一个来源是空气中发生的自然过程。事实上，这两个答案都是准确的，但这些化学物质的其他来源也存在。其中之一是植物，它会释放许多挥发性化合物. 当植物经历突然的温度变化、生物或机械压力(例如被昆虫咬伤或割草时被割伤)时，会释放许多不同的分子，作为保护植物免受环境条件影响的自然机制。其他一些化合物可保护植物免受疾病侵害。空气中释放的挥发性物质的浓度非常高，每个分子都可以经历各种化学过程，从而产生一组其他化学物质。

这些过程中最常见的组成部分是在紫外线或化学反应的影响下形成自由基。此外，空气中的挥发物会与一些固体颗粒(如灰尘)结合。当吸附到表面时，它们可以转化为更复杂的化合物，形成二次有机气溶胶，但仍然很少被探索。幸运的是，波兰科学院物理化学研究所的科学家们由教授领导。Rafał Szmigielski 跟随那个研究分支，展示了大气气溶胶的未知面。他们确定了一些有机气溶胶的新来源，表明植物的作用。他们的研究揭示了这些化合物在大气水介质中转化的速度有多快，从而产生了新的有机气溶胶。

一旦挥发性有机分子分裂成雾和云等大气液体，它们就可以转化为具有不同结构和反应性的全新化合物。它们的稳定性取决于许多理化特性和环境因素。研究人员很好奇这些特定化合物在气态、水相或多相系统中存活了多长时间，并展示了它们在不同实验条件下的寿命的动力学研究。

“受到非生物或生物胁迫的绿色植物会释放 C-5 和 C-6 不饱和含氧碳氢化合物，称为绿叶挥发物 (GLV)。GLV 分配到对流层水中并反应形成二次有机气溶胶 (SOA)，”Szmigielski 教授评论道。队长)。

绿叶挥发物 (GLV) 听起来并不可怕，主要是因为它们的天然来源。与此同时，每年甚至有 10 亿公斤的各种化合物可以释放到大气中。大气中 GLV 的水平与人类活动直接相关，极大地影响了各个地区的空气质量。它们也与污染有关。空气中的固体颗粒成为冷凝 GLV 并将其扩散到大气中的理想平台。我们对 GLV 反应了解得越多，就越能更好地估计它们在空气污染和颗粒物升级中的作用。

“在这项工作中，我们首次探索了三种 GLV 的水相反应动力学——1-penten-3-ol、(Z)-2-hexen-1-ol 和 (E)-2-hexen -1-al——带有对流层自由基• OH、SO 4 •–和 NO 3 •，”第一作者 Kumar Sarang 声称。

由于大气中污染的日益严重和大量挥发物的数量，许多研究集中在调查空气质量和理论模型来预测全球空气中挥发性污染物的扩散和转化。用于预测空气中自然过程的模型非常复杂，然而，即使模型输入的微小变化也会极大地影响结果输出。因此，了解并充分展示释放到大气中的化合物的转变至关重要。

目前，包含空气中 GLV 活动的模型并不多。尽管如此，即使对 GLV 的理解有一个小小的进展，也可能会显着提高大气建模研究的质量。为什么?因为大气是自己“活着”的，我们距离拥有一个理想的模型还有很长的路要走，可以让我们准确地预测大气的行为。为了做到这一点并改进当前的大气模型，我们必须添加更多的“砖块”来构建更好的大气模型。

Szmigielski 教授说，他们的“主要目标是确定速率常数并评估反应在大气中的重要性。所检测的 GLV 可能是 SOA 水溶液形成的有效前体，即使它们是中等水溶性和中间挥发性的。”

IPC PAS 的研究人员与德国莱比锡莱布尼茨对流层研究所 (TROPOS) 的科学家(Hartmut Herrmann 教授、Thomas Schaefer 博士和 Tobias Otto 博士)合作，通过使用激光研究 GLV 的反应，开展了这些研究TROPOS 的技术。重要的合作包括来自斯洛文尼亚卢布尔雅那国家化学研究所的 Irena Grgic 教授，他是第一作者 Kumar Sarang 的共同导师。这使得提供有关某些有机分子的特定化学反应速率及其与大气中存在的自由基的反应的数据成为可能。多亏了这次富有成效的合作，才有可能估计从绿叶中释放出来的 GLV 化合物在大气中的寿命。

GLV 在大气中的转化和寿命严格取决于相。为什么?存在于大气中的水往往会形成微小的水滴，具有溶解许多化合物的巨大能力。许多大气化合物在水中的反应速度比在气相中快得多。研究人员在实验室模拟了大气条件，以获取有关在许多自由基存在的情况下空气中某些 GLV 会发生什么变化的信息。

“水相 GLV 反应在潮解气溶胶和雾水中似乎可以忽略不计，但在云和雨中则不然。随着液态水含量和自由基浓度的增加，GLV 的大气寿命从数天减少到数小时，”通讯作者 Dr. Krzysztof J. Rudzinski。

并不是每个人都知道大气化学覆盖了地表和大气层上层的过程。尽管如此，该领域对于创建更准确的大气模型和了解悬浮在空气中的化合物对健康的影响具有重要意义。

此外，作者还提出审查有关基于GLV化学大气和它的意义最近发表了2次在大气(MDPI)十二月，指出GLV领域的探索的重要性。

IPC PAS 研究人员进行的研究使我们更接近于了解空气中的过程，并指出我们不能忽视水相反应，即使它们包括 GLV。他们的研究表明，当植物吸收到液滴中并吸附在悬浮在空气中的固体颗粒上时，它们释放的挥发物会发生什么。研究人员进行了一系列光化学实验，揭示了 GLV 在大气中所经历的过程。

这项研究最重要的结果是确定了 GLV 作为大气中新气溶胶源的速率常数和寿命。因此，这项研究证明了这些分子在模拟大气中的重要性，使我们更接近于更好地预测大气现象，甚至了解气候变化。该研究于2021 年 9 月28日发表在《环境科学与技术》上。

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