《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：From Emission to Toxicity: Unraveling the Overlooked Challenge of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons from Vehicle Exhaust
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可溶性铁时空分布及来源解析在青岛港低硫燃料政策下，通过三周观测发现船舶排放高峰期PM2.5中可溶性铁占比达11.7%，较低排放期高65%，矩阵因子分析表明船源贡献占比达38.6%，溶度实验显示燃烧灰在pH=2时铁溶度超40%，揭示港口大气化学过程显著增强船源铁溶出。
陈一奇|谭伟|方园|袁泉|王玉珏|关薇薇|支敏康|刘晓欢|徐亮|张健|王国臣|姚小红|高慧旺
中国海洋大学海洋环境与生态学重点实验室，深海多圈层与地球系统前沿科学中心，中国青岛
摘要
铁的溶解度（%Fe
S）决定了气溶胶中铁的生物可利用性和健康影响，然而在2020年后低硫燃料政策下，船舶排放对沿海港口中%Fe
S的影响仍知之甚少。我们在青岛港开展了一项为期三周的监测活动，测量了PM
2.5样品中的总铁（Fe
T）和可溶性铁（Fe
S）。通过使用钒和风速指标，将样品分为高船舶排放（HSE）和低船舶排放（LSE）两个时期。与LSE时期相比，HSE时期的Fe
S含量更高（89.1 ± 46.9 ng m
-3 vs 57.1 ± 33.1 ng m
-3），%Fe
S也更高（11.7 ± 6.4% vs 7.2 ± 2.2%）。正矩阵分解分析表明，平均有28.7%的Fe
S来自船舶排放，在HSE时期这一比例上升至38.6%。对从船舱内壁收集的船舶废气灰烬进行的浸出实验显示，铁的释放速度很快且受酸度影响，pH=2时溶解度超过40%。HSE时期的气溶胶pH值（3.1 ± 0.6）低于LSE时期（4.6 ± 0.5），这表明港口大气环境起到了化学放大作用，优先释放了原本易分解的船舶来源铁。这些结果共同表明，船舶排放仍然是沿海港口中可溶性气溶胶铁的重要来源，凸显了其对邻近海洋生态系统和人类健康的潜在影响。
引言
铁（Fe）是一种重要的微量营养素，调节海洋系统中的浮游植物生产力，在二氧化碳（CO
2）封存和全球碳循环及气候中起着关键作用（Mahowald等人，2009；Martin等人，1994）。然而，生物可利用铁的有限性限制了许多海洋区域的浮游植物生长（Schulz等人，2012）。气溶胶中的生物可利用铁通过大气沉降到海洋表面，成为维持海洋初级生产力的主要外部铁来源（Ito等人，2019；Mao等人，2017；Zhang等人，2025）。除了生态重要性外，细颗粒物中的铁还通过参与呼吸系统中的氧化还原反应对公共健康构成威胁（Song等人，2024；Wang等人，2025）。大气中铁的这些环境和健康影响主要受其溶解度（%Fe
S）的控制（Baker等人，2021；Chen等人，2024a；Fang等人，2017；Shi等人，2012）。
人为燃烧源，尤其是石油燃烧，通常具有比矿物尘埃更高的%Fe
S，据报道可达到约80%（Fu等人，2012；Schroth等人，2009）。船舶排放是沿海地区的主要燃烧源，全球约70%的船舶石油燃烧发生在距离海岸线400公里范围内（Endresen等人，2003），导致富含铁的燃烧颗粒物直接释放，例如含有高溶解度铁相的飞灰（Fu等人，2012；Schroth等人，2009）。值得注意的是，自2020年1月国际海事组织（IMO）实施限制海洋燃料硫含量的规定以来，船舶排放气溶胶的化学特性发生了显著变化（IMO，2020）。这一规定导致船舶相关颗粒物和硫酸盐（SO
42?）排放量分别减少了72%和94%（Yu等人，2020）。这种由法规驱动的燃料成分和排放特性的变化可能会改变气溶胶的酸度和老化过程，从而可能改变受船舶影响的气溶胶中铁的溶解路径。然而，在低硫燃料制度下，当代船舶排放对沿海港口气溶胶中Fe含量的影响仍不明确。
沿海港口地区的船舶活动频繁且强度高，包括停靠、机动和辅助发动机运行，导致船舶来源颗粒物的持续近表面排放（Le Berre等人，2025）。这些局部排放与区域空气污染物传输、高环境湿度和丰富的酸性物质相结合，促进了气溶胶的老化和铁的溶解过程（Shi等人，2020；Yuan等人，2020）。此外，在港口区域内排放或处理的气溶胶更有可能直接沉积到附近的近岸水域，放大其潜在的生物地球化学影响（Ito等人，2019；Ito等人，2021）。尽管全球有超过4000个沿海港口（AGENCY，2019），但对港口大气中气溶胶铁溶解度的实地研究仍然很少。特别是，在低硫燃料制度下，当代船舶排放对Fe含量升高的贡献尚未在真实港口环境中系统量化。这种观测证据的缺乏限制了我们准确评估船舶排放在调节大气中铁生物可利用性及其对沿海地区生态和健康影响的能力（Zhai等人，2023）。
青岛港是中国最大的港口之一，船舶交通繁忙，受到区域空气污染物传输的频繁影响，是研究船舶排放对气溶胶铁溶解度调节作用的理想场所（Chen等人，2024b；Shang等人，2024）。在这项研究中，我们进行了一项为期三周的密集野外监测，系统地分析了沿海港口细颗粒物中的总铁、可溶性铁和Fe含量。通过区分高船舶排放和低船舶排放时期，并结合源分配和实验室溶解实验，我们旨在阐明船舶排放对沿海港口环境中气溶胶铁溶解度升高的贡献。这些结果为评估船舶来源大气铁沉积在沿海地区的生态和健康影响提供了新的实地证据。
样本地点
采样地点位于青岛港黄岛码头的一栋建筑物的屋顶（36°29′12″N，120°13′41″E），该港口是全球货物吞吐量前十的港口之一（图1a）。青岛港是一个大型港口综合体，包含四个主要港区，持续运营，拥有100多个活跃泊位和密集的海上交通。在采样期间，该地点经常受到船舶排放的影响，这一点从盛行风向可以看出。
气溶胶中铁的质量浓度和溶解度
在青岛港测量的PM
2.5样品中的Fe
T、Fe
S和%Fe
S的质量浓度与全球城市和海洋环境报告的数据进行了比较（表1）。青岛港大气中的平均Fe
T质量浓度为986 ± 672 ng m
-3，低于中国主要城市地区的值，如北京（1490 ± 428 ng m
-3）、邯郸（1310 ± 271 ng m
-3）和杭州（2945.9 ± 735.1 ng m
-3）。相比之下，青岛港的Fe
T浓度...
结论与大气影响
本研究量化了青岛港收集的PM
2.5中的Fe
S和%Fe
S，发现平均%Fe
S为9.9 ± 5.6%，高于城市气溶胶中通常报告的值。通过将监测活动分为HSE和LSE时期，正矩阵分解分析表明，在HSE时期，船舶相关因素对Fe
S的贡献更大（38.6% vs 21.4%）。结合浸出实验的结果，这些表明即使在2020年后的低硫燃料制度下，船舶排放的颗粒物仍然是高溶解度铁的重要来源。
作者贡献声明
张健：方法学、正式分析。
徐亮：方法学、数据管理。
刘晓欢：方法学、正式分析、数据管理。
支敏康：方法学、数据管理。
关薇薇：方法学、数据管理。
王玉珏：方法学、资金获取、数据管理。
袁泉：写作 – 审稿与编辑、写作 – 初稿、资金获取、概念构思。
方园：方法学、数据管理。
高慧旺：监督、资金获取。
谭伟：写作 – 审稿与...
未引用参考文献
AGENCY, N.G.-I, 2019.
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了
国家重点研发计划（2024YFC2815800）、
国家自然科学基金（42430405、42561160138）、
香港特别行政区研究资助委员会支持的NSFC/RGC联合研究计划以及
国家自然科学基金（N_CUHK431/25）的支持。
