燃煤锅炉排放污染对香樟树叶片中硫积累影响的PIXE和XAN

2008年北京同步辐射装置年报110燃煤锅炉排放污染对香樟树叶片中硫积累影响的PIXE和XANES研究包良满1张桂林1张元勋1李燕1*林俊1刘卫1赵屹东2马陈燕2韩勇21中国科学院上海应用物理研究所上海2018002中国科学院高能物理研究所北京1000491前言SO2和大气颗粒物(Particulatematter-PM)是我国主要的空气污染物，尤其在大城市或工业区SO2和颗粒物污染问题比较突出。据统计，2005年中国煤炭消耗21.7亿吨，占能源总消耗的68.9%；SO2排放2549万吨，居世界第一位。SO2是酸雨的前体物，酸雨的沉降对森林、土地和水资源造成污染破坏，对钢铁等金属和建筑材料具有腐蚀作用。SO2和颗粒物在酸雨沉降、气候变化、水和陆地生态系统都有重要影响。硫是植物必须的主量营养元素，是蛋白质组成部分。植物的硫主要来自根部吸收，但当土壤硫供应不足或大气中SO2浓度较高时，叶片吸收SO2也是硫的一个来源。SO2和含硫颗粒物通过开放的气孔进入叶肉组织，经过生化反应生成硫化合物，参与植物新陈代谢。当硫的吸收超过新陈代谢所需时，会对植物产生危害。本文使用PIXE和硫的K边XANES谱测定叶片中硫，监测和评估燃煤锅炉排放对香樟树叶子中硫的影响。2采样和样品制备香樟树(Cinnamomumcamphora(L.)Presl)主要分布在长江以南地区，樟科梓属常绿高大乔木，叶革质互生，卵形或椭圆形，表面光滑，叶枝茂盛，树冠大而荫浓，是优良的城市绿化树种，广泛作为行道树、庭荫树、防护林和风景林。采样在上海市嘉定郊区上海应用物理所进行，选取一台600kg/h的锅炉作为固定排放点源，锅炉月消耗无烟煤约5吨。因采用自然通风和缺乏有效污染排放控制设施，SO2和颗粒物污染严重。据估计，燃煤1吨，约排放数十kg的SO2和烟尘颗粒物。除锅炉外，周围无其他固定排放源。选取离锅炉3m、1500m处的香樟树，在树冠3～6m高处采集新叶(叶龄约一周)、成熟叶子(约9月)和即将脱落的老叶(约1年)，每种叶子选取60余片用聚乙烯塑料袋带回实验室；采集两个采样点表层土壤(0-5cm)和深层土壤(5-20cm)；采集锅炉的原煤、飞灰和颗粒物。树叶、土壤、煤、飞灰样品在65oC下烘干至恒重，过筛后经油压压片机压成Φ10mm×3mm的薄片。3样品分析PIXE测量在中科院上海应用物理研究所4MU静电加速器上进行。使用标准物质灌木枝叶(GBW07603)、杨树叶(GBW07604)以及土壤(GBW07405)作为参考物质来做定量计算。用AXIL软件分析PIXE数据。S的K边XANES谱测量在北京同步辐射4B7A中能实验站进行。用2.5GeV电子束，流强80~180mA，使用Si(111)平面双晶单色器和Si(Li)固体探测器。采用FeS2、氧化型谷胱甘肽(disulfide:R-S-S-R')、还原性谷胱甘肽(thiol:R-SH)、二苯并噻吩、亚砜(R-S(O)-R')、砜、Fe2(SO4)3作为硫的标样。用IFEFFIT软件对XANES谱进行最小二乘法拟合。*中国科学院知识创新工程重要方向项目（KJCX3-SYW-N3）资助通讯作者：李燕([e-mail])2008年北京同步辐射装置年报1114结果和讨论：表一树叶、土壤、煤、飞灰、PM2.5中硫的浓度(单位：mg/kg干重,平均值±标准偏差)SulfurinPlantsSulfurinSoilNewMatureOldSurfaceDeepSite11311±1694870±4295033±736405±241238±65Site21270±1522487±3203521±509151±41276±115Coal19000±2000Flyash2205±990PM34858±5023Site1：离锅炉3m处；Site2：离锅炉1500m处24602470248024902500024Site2Site1NormalizedAbsorptionEnergy(eV)247024802490024NormalizedAbsorptionEnergy(eV)RawdataSteppeak1Peak2Peak3Peak4Peak5FitSite1图2香樟树成熟叶子样品中硫的K边XANES谱（左）和硫的K边XANES谱最小二乘法拟合（右）表2:锅炉点（Site1）和对照点（site2）叶子中硫的XANES谱最小二乘法拟合结果(atom%S)(n-幼叶；m-成熟叶；o-老叶)disulfidesthiols/thioetherssulfoxidessulfonatessulfatesSite1-n37%32%10%3%17%Site3-n37%32%8%2%20%Site1-m8%16%4%3%69%Site3-m10%20%7%4%59%Site1-o9%12%6%4%68%Site3-o8%13%5%4%70%采用外标法计算样品的含硫量(表1)。两个采样点成熟叶片和老叶片中总硫浓度差别显著。受污染处叶子的硫含量高，对照点叶子硫含量低。新叶的硫含量差别不大，随着叶龄的增加，硫含量增加。两个采样点深层土壤硫含量在同一范围，锅炉旁表层土壤含硫量较高。表层中无树根系，因此从土壤吸收而导致硫含量的差异可以忽略。燃煤排放的飞灰和颗粒物中硫的含量显著高于土壤中硫含量。燃煤排放的SO2和含硫颗粒物通过叶片气孔的长期吸收，导致硫在香樟树叶的积累。采用最小二乘法拟合，把硫的归一化XANES谱分解为阶跃函数和高斯函数，得到不同种态的硫(图2)，包括有机硫(二硫化物、硫醇、硫醚、亚砜、磺酸盐)和无机硫(硫酸盐)(表2)。两个采样点叶子中SO42-的含量存在差别，锅炉边成熟叶子SO42-含量比对照点SO42-含量高10%(图3)。通过叶片吸收的硫，一部分转换为有机硫，作为养分参与新陈代谢；2008年北京同步辐射装置年报112多余的硫超过了正常新陈代谢所需，以SO42-形式存储积累起来。83%80%31%41%32%30%17%20%69%59%68%70%0%20%40%60%80%100%Site1-nSite2-nSite1-mSite2-mSite1-oSite2-oOrganicSulfurInorganicSulfur图3锅炉点(Site1)和对照点(site2)叶子中有机和无机硫含量(n-幼叶；m-成熟叶；o-老叶)5结论1结合PIXE分析和硫的K边XANES谱，可以直接、无损定量分析植物叶片中硫的含量和种态。2小锅炉污染物排放SO2和烟尘颗粒物的复合污染，导致香樟树叶子中总硫和硫酸盐含量的积累。通过测定香樟树叶子中的硫含量可以监测大气硫污染。2008年北京同步辐射装置年报113硫的K边XANES光谱分析Acidithiobacillusferrooxidans和Acidithiobacilluscaldus胞内外硫球硫的形态夏金兰湖南长沙中南大学1引言大量研究表明许多微生物都能够氧化还原型硫化物如硫化物，硫代硫酸钠到硫酸，从于提供自身生长所需能量。在氧化过程中有时候会产生一些不溶于水的硫球作为中间产物或者是末端产物，这些产物分布在细胞胞内或胞外。因为硫有着丰富的化学价态（从-2~+6），所以目前对这些硫球中硫的化学形态一直没有形成统一的认识。硫的K边XANES光谱由于其优越特性已被广泛应用于微生物样品中硫球硫的形态分析。已有研究表明在光合硫氧化细菌及部分嗜热硫氧化菌胞内外硫球硫中，硫分别以环状S8，链状硫，连多硫酸盐或者是末端为有机残基的链状硫存在。嗜酸硫氧化细菌在生物浸出金属硫化矿中扮演着重要角色，已有报道表明该类细菌也可以在细胞胞内外累积硫球，但是有关硫的具体形态不是很清楚。本文选择两种代表性的嗜酸硫氧化菌嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillusferrooxidans）和嗜酸硫氧化硫杆菌（Acidithiobacilluscaldus），比较研究这两种细菌细胞胞内外累积硫球硫的形态差异，希望通过这些研究找出硫细菌中的种间差异性与硫形态差异之间的关联性，并为嗜酸硫氧化菌对还原型硫化物的生物氧化过程提供部分基础数据。2材料和方法2.1微生物菌株和培养条件A.ferrooxidansATCC23270和A.caldusATCC51957分别用9K基本盐培养和Starkey基本盐培养基，培养基中分别加入单质硫和硫代硫酸钠作为能源底物。2.2样品的制备和光谱分析两种细胞培养到对数生长期后离心收获细胞，收获的细胞样品置于液氮中快速冷冻后再冷冻干燥成菌粉。在硫代硫酸钠基本盐中培养两种细胞，当培养液变为乳白色后，将培养液用滤纸过滤，收集滤纸上残留物。利用硫的K边XANES光谱对收集到样品中硫的形态进行分析。XANES光谱测量在北京同步辐射装置中能软X射线站(4B-7A)实验站完成。用于光谱拟合的标准样品包括环状S8,线状硫，人工制备沉积硫，还原型谷胱甘肽，氧化型谷胱甘肽，甲硫氨酸，半胱氨酸，胱氨酸，亚硫酸钠，硫代硫酸钠，连四硫酸钾，硫酸钠。获得XANES谱用WinXAS进行背景扣除和归一化处理后，然后利用LSFitXAFS对样品进行定量拟合分析。3.结果与讨论3.1A.ferrooxidans和A.caldus形成胞外硫球中硫的XANES光谱分析2008年北京同步辐射装置年报114图1-1a&b所示为A.ferrooxidans和A.caldus形成胞外硫球中硫的XANES光谱及拟合光谱。我们利用标准样品的吸收光谱对样品中硫的吸收光谱进行拟合,拟合结果见表1-1。结果发现A.ferrooxidans在硫代硫酸钠中形成胞外硫球主要是由单质硫，还原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽，其中各自所占的比例为85.6%，1.8%和12.5%。而A.caldus在硫代硫酸钠中形成的胞外硫球主要是由沉积硫，硫酸盐和硫代硫酸钠组成，各自所占比例分别为48.9%，51%和0.8%。图1-1（a）A.ferrooxidans在硫代硫酸钠中形成胞外硫球(测量谱，点线),拟合光谱（红线）,人工制备沉积物（蓝线），S8（黑线）（b）Acaldus在硫代硫酸钠中形成的胞外硫球(measured,点线),拟合光谱（红线），硫代硫酸钠（绿线），人工制备的沉积物（蓝线），硫酸盐（黑线）(a.u.abitraryunit).A.ferrooxidans在亚铁，单质硫和硫代硫酸钠中生长细胞中硫的K边XANES光谱及其拟合光谱如图2-2a所示。由光谱拟合结果可知（表1-1），亚铁中生长的细胞中硫的吸收光谱主要由甲硫氨酸和氧化型谷胱甘肽和硫酸盐的吸收峰叠加而成。在单质硫和硫代硫酸钠中生长的A.ferrooxidans在2.4705KeV处存在一个明显的吸收峰，通过与参比化合物的比较这说明样品中含有单质硫，光谱拟合结果表明在单质硫和硫代硫酸钠中生长的细胞累积胞内硫球硫分别为线状硫和S8。并且单质硫中生长的A.ferrooxidans和A.caldus在2.4741KeV处均出现了一个小的吸收包，通过文献查证，该处吸收峰是由巯基的Rydberg跃迁所致。另根据光谱拟合结果可知，两种细胞在单质硫和硫代硫酸钠中生长时细胞胞内还原型谷胱甘肽的相对含量均明显增加，谷胱甘肽是生物体内富含巯基的多肽物质，这说明巯基在两者利用单质硫过程中扮演重要角色。A.ferrooxidans和A.caldus在硫代硫酸钠中生长时，细胞胞内硫的K边XANES光谱在2.4759处均出现一个吸收峰，通过与参比化合物的谱图进行比较及光谱拟合结果可知，该处吸收峰可能是由连四硫酸盐或硫代硫酸酸盐中磺酸基团所致，这一结果也说明在两者利用硫代硫酸钠过程中会在细胞胞内累积连四硫酸盐的中间产物。2008年北京同步辐射装置年报115图1-2(a)硫酸亚铁，单质硫和硫代硫酸钠中生长的A.ferrooxidans细胞中硫的K边XANES光谱，(b)单质硫和硫代硫酸钠中生长A.caldus细胞中硫的K边XANES光谱，以及其各自的拟合光谱(a.u.arbitraryunit).表1-1利用不同标准化合物硫的