烟炱（soot）来自于化石燃料和生物质的不完全燃烧，是由球形碳质颗粒组成的链状团聚体，包括内部的碳核和外部结合的有机物。烟炱颗粒广泛存在于气溶胶中，在大气传输过程中会发生老化反应，对气候变化和人体健康有重要影响。
烟炱是一种全光谱吸收的颗粒，目前对其在老化过程中的吸光行为和效应缺乏足够的理解和认识。针对此，北京大学环境科学与工程学院尚静课题组开展了系列研究。前期研究中，从微观结构角度明晰了烟炱中碳核具有“类还原氧化石墨烯”的本征结构（Environ. Pollut., 2021, 270, 116079），说明其可能具有光化学活性；从物化特性角度阐明了臭氧老化对烟炱表面结构、物种和潜在毒性的影响（Environ. Sci. & Technol., 2020, 54, 8558; Atmos. Environ., 2019, 214, 116835; Chemosphere, 2019, 220, 883），表明该过程可能会导致烟炱吸光性能的改变。鉴于此，课题组近期考察了在光照和臭氧老化下，烟炱的微观结构、物种组成、光学特性和氧化潜势/细胞毒性变化，探究了烟炱颗粒在大气老化过程中的氧化路径以及吸光性和毒性改变机制。
课题组研究发现，烟炱颗粒在可见光照射下可以产生多种活性氧物种（ROS）如超氧阴离子和羟基自由基，产物生成量与碳核含量相关。光照下内部碳核产生活性氧物种，氧化表面有机物如多环芳烃，氧化了的有机物增强了烟炱颗粒的氧化潜势和细胞毒性。本研究证实了烟炱颗粒具有光催化特性，阐明了活性氧物种引发的烟炱光化学自氧化机制及增强的负面健康效应，加深了对烟炱颗粒的大气光化学行为和健康效应的理解。研究结果近期发表于Environmental Science & Technology杂志上（Environ. Sci. & Technol., 2022, 56, 7668）。北京大学环境科学与工程学院2016级博士生朱佳丽和2019级博士生盛梦霜为论文共同第一作者，北京大学环境科学与工程学院尚静副教授为通讯作者。
通过动力学研究和物种定量分析，课题组发现烟炱中棕色碳的光吸收随臭氧老化程度的增加而降低，且多环芳烃的损失是棕色碳吸光性降低的主要因素，由此阐明了关键有机物种主导的棕色碳光学特性的改变机制。对比不同种类柴油燃烧得到的烟炱，源自生物柴油混合物的棕色碳光吸收较高，而氧化潜势较低，说明添加生物柴油虽然有助于改善健康效应，但可能不利于缓解气候效应。这对于思考能源替代所导致的健康和气候效应，具有一定的参考价值。上述研究结果发表在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Journal of Environmental Sciences杂志上（J. Hazard. Mater., 2021, 413, 125406；Environ. Pollut., 2020, 266, 115273；J. Environ. Sci., 2020, 87, 184）。北京大学环境科学与工程学院2017级博士生旷宇为论文第一作者，北京大学环境科学与工程学院尚静副教授为通讯作者或共同通讯作者。
本系列研究从分子水平上解析了烟炱的大气老化机制，研究结果有助于更好地认识烟炱在大气传输过程中的吸光行为和效应，可以为评估烟炱颗粒的大气环境效应、气候和健康影响提供新的证据。研究工作受到国家自然科学基金资助（41961134034，21876003，21577003）。
烟炱颗粒的光催化自氧化过程：ROS的生成和增强的负面健康效应
论文信息及链接：
Zhu JL, Sheng MS, Shang J*, Kuang Y, Shi XD, Qiu XH, Photocatalytic Role of Atmospheric Soot Particles under Visible-Light Irradiation: Reactive Oxygen Species Generation, Self-Oxidation Process, and Induced Higher Oxidative Potential and Cytotoxicity, Environ. Sci. & Technol., 2022, 56, 7668-7678..
https://doi.org/10.1021/acs.est.2c00420
Kuang Y, Shang J*, Chen QC, Effect of ozone aging on light absorption and fluorescence of brown carbon in soot particles: The important role of polycyclic aromatic hydrocarbons, J. Hazard. Mater., 2021, 413, 125406.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125406
Kuang Y, Shang J*, Changes in light absorption by brown carbon in soot particles due to heterogeneous ozone aging in a smog chamber, Environ. Pollut., 2020, 266, 115273.
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115273
Kuang Y, Guo Y, Chai J, Shang J*, Zhu JL, Stevanovic S, Ristovski Z*, Comparison of light absorption and oxidative potential of biodiesel/diesel and chemicals/diesel blends soot particles, J. Environ. Sci., 2020, 87, 184-193.
https://doi.org/10.1016/j.jes.2019.06.014
前期研究相关论文：
Zhu JL, Shang J*, Chen YY, Kuang Y, Zhu T, Reactive oxygen species-related inside-to-outside oxidation of soot particles triggered by visible-light irradiation: physicochemical property changes and oxidative potential enhancement, Environ. Sci. & Technol., 2020, 54, 8558-8567.
https://doi.org/10.1021/acs.est.0c01150
Zhu JL, Shang J*, Zhu T, A new understanding of the microstructure of soot particles: The reduced graphene oxide-like skeleton and its visible-light driven formation of reactive oxygen species, Environ. Pollut., 2021, 270, 116079.
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116079
Zhu JL, Chen YY, Shang J*, Kuang Y, Zhu T, Dithiothreitol (DTT) activity of different fractions of fresh and ozonised soot and quantitative contributions of ozonised products of phenanthrene, Atmos. Environ., 2019, 214, 116835.
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.116835
Zhu JL, Chen YY, Shang J*, Zhu T, Effects of air/fuel ratio and ozone aging on physicochemical properties and oxidative potential of soot particles, Chemosphere, 2019, 220, 883-891.
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.12.107
