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【科学讲座】刘倩:环境中的颗粒污染物

2018年9月27日19点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第160讲在中国科学院大学玉泉路校区阶一4教室开讲。中国科学院生态环境研究中心的刘倩老师深入浅出地为我们讲解了有关“环境中的颗粒污染物”的知识。

刘老师从2016年《PNAS》中一篇关于“人脑中的磁铁纳米颗粒”的文章开篇。通过研究人的大脑样本,研究人员发现了四氧化三铁的纳米颗粒。这个发现并不惊人,因为我们已经了解到正是这种颗粒的存在让我们能辨识方向。但是不同于生物矿化产生的有光滑边缘的晶体,他们报道了一种特殊的不规则的磁性纳米颗粒。通过形貌比较,我们可以发现这是在高温条件下产生的,与煤工厂的磁性纳米颗粒相似。但是大脑的自我保护意识很强,会将外界好的和坏的物质都隔绝开。那这种纳米磁性颗粒是怎样进入人类大脑的呢?刘老师介绍人的大脑有一个“后门”——鼻腔,其中的神经触手用于产生“嗅觉”,但是当它受损时,颗粒物就可以经由它直接进入大脑。

刘老师介绍这就引出了研究颗粒污染物时几个基本的问题:如果人体中有颗粒物,它从何而来?如果从外界而来,它与人类疾病有关吗?如果有关,这个疾病周期是多久?而我们今天谈到的环境细颗粒污染物分为大气PM2.5和人工纳米颗粒物。

刘老师介绍到粒子尺寸与其在人体中所能达到的位置密切相关:PM10可以进入人体下呼吸道,PM2.5可以进入人体肺部,而PM1可以进入血液。而要彻底解决PM2.5的问题,刘老师介绍,我们必须进行“雾霾三部曲”——源解析、毒理与健康、控制与应对。国内研究分析雾霾来源在分类上大同小异,但是各来源占比存在争议。APEC蓝表明我们采取正确有力的措施,就可以有效地控制及应对雾霾问题,但是停止一系列社会活动并非长期之道。而国内,“毒理与健康”是缺失的一环,需要开展大量研究。现有细颗粒毒性研究方法存在明显的缺陷,对细颗粒毒性的分子机理认识也不足。

刘老师介绍,纳米颗粒物虽然在质量上只占据了PM2.5的一小部分,但在数目上占据了PM2.5的大部分。研究纳米的原因可以追溯到两句话:There is plenty of room at the bottom. Small is different. Very small is very different.这样的研究是有益的。“水面清圆,一一风荷举”是由于荷叶表面有疏水蜡质和三维纳米结构,这种纳米结构非常粗糙,可以容纳空气分子。师法自然,仿照这种结构制作的衣物基本不用清洗。水蝇可以“轻功水上漂”,一是因为它身体很轻,二是其腿上有很多空腔可以容纳空气,使其在水面如履平地,仿照这种结构就可以制作水面行走的机器人。

纳米材料还有很多其他应用范围:优良的羽毛球拍采用纳米材料增强机械强度并保持轻便;银可以使生物酶失活,具有杀菌作用,纳米银保留了这种作用而且可以降低成本;磁性纳米材料可以载药,在体内病灶处放置磁铁;磁性纳米材料在水体处理中也有很好的应用前景;量子点粒径不同颜色不同,是电视生产中最先进的颜色技术……但是,刘老师提出,根据辩证关系,纳米材料就真的安全吗?研究表明,纳米材料与我们的皮肤亲密接触,对健康具有潜在危害。

最后,刘老师介绍痕量污染物分析主要从定性、定量和溯源三方面进行研究,即环境中污染物是什么?有多少?从哪里来?刘老师又具体解释了如何对环境中纳米颗粒物的来源进行区分。前文提及的关于“人脑中的磁铁纳米颗粒”的研究主要基于形貌鉴别和化学组分鉴别,但是可信度不高。我们怎样获知颗粒物的来源呢?我们可以通过指纹识别身份,同样的,元素也有“指纹”——天然同位素的组成。这种组成一般相对稳定,但差别一般在千分之一量级,需要借助灵敏的仪器。利用Si同位素研究可以发现,不同季节PM2.5来源不同,春冬季的Si同位素范围比夏秋季更宽,这表明春冬季的来源更复杂,受燃煤、工业排放影响更大。同位素指纹研究门槛比较高,但是应用广泛。在环境中的应用才刚刚起步,但是具有强大的生命力。讲座即将结束,同学们提出了不少有意思的问题,刘老师也做了解答。讲座结束,同学们爆发出热烈的掌声。(文/黄姹 图/赵然 作者系国科大记者团成员)

刘老师为同学们做精彩讲座
 

报告人简介:

刘倩:中国科学院生态环境研究中心研究员。主要研究方向:污染物分析方法与溯源技术。科学贡献:基于新型超痕量分析检测技术,针对环境中的颗粒污染物,开发出能够甄别其来源、追踪其行为、以及对其快速筛查鉴定的技术,为环境科学中颗粒污染物的研究注入新的活力。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。