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我国学者率先证实大气中的铁酸溶解过程

在国家自然科学基金项目(项目编号:41622504,41575116)的资助下,山东大学李卫军教授及其合作者首次从大气外场观测实验中证实了铁酸溶解过程。相关成果的研究论文以“Air pollution–aerosol interactions produce more bioavailable iron for ocean ecosystems ”(空气污染与气溶胶相互作用能够为海洋生态系统提供大量生物可利用铁)为题于2017年3月1日发表在Science Advances上。论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1601749。

20世纪90年代到21世纪早期,环境科学家逐渐形成了人类活动和自然排放形成的酸性物质能够促进不可溶解铁向可溶解铁转变这一科学假说(简称铁酸溶解假说)。由于这一科学假说不仅可以作为核心理论依据,用以讨论来自人类活动和自然排放的大气颗粒物如何通过沉降于海洋表面,增加海洋表面生物有效可利用的铁,进而增加海洋中营养物的供给,影响海洋碳吸收效率,并对海洋生态系统和气候产生重要影响等重大科学问题,而且还可很好地解释工业革命以来人为活动导致海洋表面输入的可溶的气溶胶铁增加了2倍或3倍以上的最新模型模拟结果。所以,自铁酸溶解假说提出以来,就被科学家广泛关注并加以运用。但事实上,这一假说之前并没有被大气外场观测证据直接证实。

我国学者与英国、美国和日本等国的科学家合作在中国大陆与朝鲜半岛之间的黄海海域采集大气气溶胶颗粒,利用多种纳米级精密显微仪器从中发现了钢铁工业和燃煤产生的含铁颗粒的表面有一层厚厚的硫酸盐包裹层,并进一步发现该硫酸盐包裹层中含有可溶解的硫酸铁(图1)。由于钢铁工业和燃煤过程直接排放的含铁颗粒没有明显的硫酸盐包裹层,也没有在直接排放的含铁颗粒物中检测到可溶解的铁。研究结果表明,在黄海上空采集的铁质颗粒物的硫酸盐包裹层应由含硫气体污染物转化而成(特别是人为排放的二氧化硫经过二次化学反应而形成),其中所含有的可溶解性铁硫酸盐是由铁酸溶解过程的直接结果。这意味着我国学者用大气外场观测样品率先为铁酸溶解假说提供了“铁证”。这将促进量化人为可溶铁对海洋生态系统和气候的影响的研究,特别是针对空气污染物中可溶性铁作为一种“新”源促进海洋储存大量的二氧化碳,进而减缓全球变暖的效应的研究(图2)。

图1. 黄海上空收集的含铁硫酸盐颗粒:(a)扫描透射电镜的暗场图像显示了一个颗粒物;元素面扫描图展示了碳(C,代表有机物)、硫(S,代表硫酸盐)和铁元素(Fe,代表含铁物质)在单颗粒上分布特征;铁元素不只存在于不可溶的铁质颗粒中还存在于他们表层二次形成的硫酸盐中;(b)纳米二次离子质谱分析显示含铁的硫酸盐单颗粒中CN离子(代表有机物)、S离子(代表硫酸盐)、FeO离子(代表含铁物质)和FeS离子(代表可溶性铁硫酸)在单颗粒中分布特征。FeO离子聚集点代表不可溶的铁氧化物颗粒;该分析确认了长距离输送的工业或燃煤电厂排放的不可溶铁质氧化物在铁酸溶解过程中释放出可溶性的硫酸铁。

图2. 此研究证实的铁酸溶解过程示意图。大陆空气污染气团含大量飞灰和铁质颗粒和酸性气态污染物混合;酸性气体污染物在颗粒物的表面发生非均相反应,形成硫酸盐等包裹层;这些酸性物质和不可溶的铁氧化物发生反应,导致可溶铁的形成;这些颗粒物在沉降于海洋表面以后,其中生物可利用的铁有可能会促进海洋表面微生物的生长并增加海洋吸收二氧化碳能力。

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