大氣生物氣溶膠花粉單顆粒的形貌特征及吸濕特性研究

賈 嘉，宋曉焱，滕曉咪，羅伊琳，徐 亮，袁 琦，李衛軍*

1. 華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 4500462. 浙江大學地球科學學院大氣科學系，浙江 杭州 310027

生物氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，是含有微生物或生物大分子等生命活性物質的微粒，粒徑從幾百納米到幾微米不等，包括真菌、細菌、病毒、霉菌孢子和植物花粉等[1-3]，生物氣溶膠的產生包括自然排放和人類活動，即自然源和人為源[4]. 生物氣溶膠體積小、質量輕，易于擴散和遠距離傳送，通過吸收和散射太陽輻射直接影響地球吸收-輻射平衡，進而直接影響氣候；它還可以作為云凝結核(cloud condensation nuclei，CCN)和冰核粒子(ice-nucleating particles，INPs)影響成云和降雨，間接影響氣候[5-9]. 據估算，全球每年生物氣溶膠的排放量可達1000 Tg，占大氣氣溶膠數濃度的30%左右[1]. 花粉作為一類粒徑較大的生物氣溶膠，是重要的生物氣溶膠組成部分，對氣候效應和人類健康也有很大的影響，如被稱為“巨云凝結核”，可在更低的過飽和狀態下形成云滴，并迅速生長至較大的液滴尺寸，從而促進雨的形成；花粉顆粒通過在空氣中的傳播擴散，侵入人體呼吸系統引起過敏或中毒反應[10-13].

吸濕性是大氣氣溶膠的一個重要物理化學性質，常用于表達氣溶膠顆粒物在相對濕度下的吸濕能力，其大小用吸濕增長因子〔growth factor，GF(RH)〕[14]表示. 生物氣溶膠吸濕特性的重要作用表現在對環境效應和健康效應的影響方面：首先，高相對濕度時，吸濕性氣溶膠粒徑增大會導致散光系數增強，影響大氣溫度以及大氣能見度[15-16]，同時顆粒物的吸濕性能決定氣溶膠云凝結核活性，吸濕性強的顆粒物更易成核[17]. 其次，生物氣溶膠的吸濕性會影響其在大氣中的傳播和停留時間[18-20]，如病毒的存活和傳播[21]. 此外，人體呼吸過程是一個空氣加濕過程，吸氣時，健康肺部的鼻、咽、氣管和支氣管內黏膜使得空氣的相對濕度快速增加，人體呼吸系統的加濕作用對吸濕性顆粒物的沉積必然造成較大影響，生物氣溶膠較一般氣溶膠而言其傳染性、致病性更強，可被人體吸入，進而對人體健康造成更嚴重的威脅[22-23]. 尤其是粒徑較大的生物氣溶膠(如花粉)，目前已知的較為常見的研究花粉吸濕性的方法有：①吸濕性串聯差分分析儀法(HTDMA)[24]，該儀器能夠通過檢測氣溶膠吸濕前后粒徑變化率來衡量吸濕性能；②蒸氣吸附分析儀法(VSA)[25-26]，通過此儀器可以精確測量花粉顆粒在不同相對濕度下的質量變化，并以此得到不同花粉顆粒的吸濕性參數(κ)；③電動平衡技術(EDB)[27]，根據電力平衡原理，使帶電氣溶膠顆粒所受電場力與自身重力平衡來計算顆粒物質量，并推算顆粒物吸濕前后質量變化. 吸濕性串聯差分分析儀、蒸汽吸附分析儀可以獲得群體顆粒物的吸濕特性，電動平衡技術可以通過測量單個顆粒物的質量變化來推算其吸濕特性，但無法通過直接觀察單個花粉顆粒的吸濕增長過程，來回答花粉顆粒本身是由于表面化學物質還是顆粒內部物理性形變影響吸濕性，通過使用環境掃描電子顯微鏡可以觀察花粉顆粒物表面結構和形貌特征，來判斷影響花粉顆粒吸濕的因素[28]. 為了能夠直接觀察花粉顆粒的吸濕增長過程，該研究擬采用單顆粒吸濕性系統(individual particle hygroscopic system，IPH)直接觀察花粉顆粒的吸濕增長過程，并利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對花粉顆粒進行形貌觀察，以期為深入理解花粉顆粒物表面及內部的吸濕特性提供參考.

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

花粉采集時間為2021年3—4月. 采用機械方法收集花粉：用剪刀將含有花粉的枝條剪下，摘下枝條上的花粉球裝進自封袋帶回實驗室，然后將其均勻地鋪開在覆蓋有錫箔紙的干凈托盤中，用鑷子摘下花藥，烘干或自然風干至花藥開裂，將散落花粉進行收集；或者先用紙袋套在花朵上面，輕輕敲打其莖段，使花粉自然脫落于紙袋中. 將收集好的花粉放入裝有硅膠的干燥器中予以干燥. 用篩子除去花粉的花絮等雜物，將篩后的花粉分裝入15 mL離心管，對應做好標記并用封口膜密封，保存在干燥箱中.

選擇山茶花(Camellia)、諸葛菜(Orychophragmus violaceus)、耬斗菜(Aquilegia)、錦帶花(Weigela florida)、三色堇(Viola tricolor)作為試驗花材(見圖1). 山茶花為山茶科山茶屬木本植物，野生山茶在我國僅集中分布于山東和浙江兩省，浙江省現有野生山茶30萬株，分布面積達220 hm2[29]. 諸葛菜為十字花科諸葛菜屬草本植物，主要分布在我國華東、東北、華北地區.太白諸葛菜、湖北諸葛菜分別主要分布于陜西秦嶺地區和湖北省，鋪散諸葛菜僅分布于浙江省和上海市. 我國十字花科植物種類十分豐富，約有94屬400余種，具有很高的經濟價值，與人類生活息息相關[30].耬斗菜為雙子葉植物綱毛茛科耬斗菜屬下的一個植物種，主要分布于我國東北、華北等地，不僅具有極高的觀賞價值，還是物種演化研究的模式植物，具有很重要的研究價值，全球約70種，廣泛分布于北半球的溫帶地區，其中中國有13種[31]. 錦帶花是忍冬科錦帶花屬植物，分布于我國各地，5月開花，葉濃花艷，花期長達2個月，適應性強，可叢植于草坪、路旁及庭院，是東北、華北等地的觀賞性植物，是一種重要的園林綠化灌木[32]. 三色堇是堇菜科堇菜屬的二年或多年生草本植物，其品種繁多，色彩鮮艷，花期長，耐寒，有“花壇皇后”的美譽. 三色堇目前在我國廣泛栽培，是重要的花壇花卉和盆栽花卉，市場需求量大[33].這5種花均在我國廣泛分布，目前很少有對這5種花粉的吸濕性研究.

圖1 不同試驗花材的照片Fig.1 Pictures of the different experimental flower material

1.2 單顆粒吸濕性系統

該研究設計搭建了一個用于研究氣溶膠吸濕性的裝置—單顆粒吸濕系統(IPH). 該系統用于表征在實驗室制備的復合粒子樣本和通過外場觀測收集到的單個氣溶膠粒子樣本在吸濕過程中的形態和粒子尺寸的變化[34].

該系統由溫度控制系統、濕度控制系統以及顆粒物顯微觀察系統組成. 具體試驗操作如下：

a) 通過電腦控制質量流量計(MFC)調節干、濕氮氣的流量比例，從而控制吸濕腔室內的相對濕度(RH)變化. 試驗從RH=5%開始，逐步增加5%直至95%，每次改變之后穩定30～300 s，待相對濕度穩定后再拍攝樣品照片，當觀察花粉顆粒粒徑不再增長時表明花粉顆粒在這一相對濕度下達到平衡.

b) 將花粉顆粒樣品放在銅網膜或單晶硅片上，固定在腔體內不銹鋼底座(高20 mm，直徑30 mm)上，吸濕腔內設置有溫度和濕度傳感裝置，并連接電腦，實時探測并顯示腔體內的溫度和相對濕度.

c) 使用配備的相機通過光學顯微鏡(Olympus BX51M，Japan)拍攝吸濕腔室內不同相對濕度時的花粉顆粒圖片，拍攝圖片時保證每張圖有足夠數目的花粉單顆粒，每種花粉樣品做3次.

d) 對于所拍攝圖片，利用Radius軟件(EMSIS GmbH，Germany)獲取顆粒物不同相對濕度下的粒徑，通過計算加濕后顆粒物在某一相對濕度下的粒徑(Dp)與初始干燥狀態顆粒物粒徑(Dp0)的比值，可得到不同相對濕度下氣溶膠顆粒物的吸濕增長因子(GF)，即GF=Dp/Dp0.

1.3 掃描電鏡分析

掃描電子顯微鏡可以直接觀察真空腔體內固態物質的表面微觀結構形態和構成. 該研究使用飛納臺式掃描電子顯微鏡(Phenom，XL，Holland)觀察花粉顆粒的形貌：首先用導電膠將干燥的花粉顆粒固定在釘形樣品臺上，使用壓縮氣體吹掃除塵；然后使用專用鑷子將樣品臺豎直地插入樣品杯中，調節高度，打開艙門，將樣品杯放入；最后調節電鏡的焦距、亮度以及對比度直至觀察到清晰的樣品，拍攝花粉顆粒不同角度的圖片.

2 結果與討論

2.1 花粉顆粒形貌與大小

利用臺式掃描電子顯微鏡觀察正常室溫以及相對濕度下5種不同類型的花粉微觀結構，從不同角度展示其微觀形貌特征.

山茶花花粉顆粒：呈長球形，兩極較平；赤道面觀為長橢圓形，極面觀呈三裂圓形；有3條萌發孔，萌發孔達兩極端〔見圖2(a)〕；花粉顆粒表面紋飾呈皺波狀，有大小不等、深淺不一的孔穴，且穿孔大小由中間向極面逐漸減小. 平均極軸P=55.4 μm，變化范圍為49.3～61.5 μm；平均赤道軸E=28.5 μm，變化范圍為25.6～31.4 μm，P/E平均值為1.94(見表1).

諸葛菜花粉顆粒：呈長球形，兩極較尖；赤道面觀為長橢圓形，極面觀呈三裂圓形；有3條萌發孔，萌發孔達兩極端；花粉顆粒表面紋飾為不規則網狀紋飾，網眼大小不一致，形狀不規則〔見圖2(b)〕. 平均極軸P=34.3 μm，變化范圍為33.7～34.9 μm；平均赤道軸E=18.0 μm，變化范圍為16.9～19.1 μm，P/E平均值為1.90(見表1).

耬斗菜花粉顆粒：近橢球形；有3條萌發孔，赤道面觀為橢圓形或近圓形，極面觀為三裂圓形或圓形，萌發孔狹長或稍寬，有整齊或不整齊下陷的邊緣，孔膜上有顆粒狀紋飾或刺狀紋飾萌發孔達兩極端〔見圖2(c)〕. 平均極軸P=102.6 μm，變化范圍為95.0～107.5 μm；平均赤道軸E=47.8 μm，變化范圍為45.0～53.2 μm，P/E平均值為2.15(見表1).

錦帶花花粉顆粒：呈不規則球形，兩極較禿，花粉顆粒平滑表面攜帶著一些赤凸狀小顆粒，并且表面分散著一些針狀尖刺狀顆粒. 不同的是，錦帶花花粉顆粒未觀察到典型的萌發孔，但是部分花粉顆粒表面的凹陷較為明顯，表明該類顆粒物內部呈現鏤空〔見圖2(d)〕. 平均極軸P=46.3 μm，變化范圍為42.4～50.8 μm；平均赤道軸E=39.1 μm，變化范圍為37.7～43.1 μm，P/E平均值為1.18(見表1).

圖2 不同花粉顆粒的SEM圖片Fig.2 SEM images of pollen particles

表1 不同花粉形態特征測量結果Table 1 Pollen morphology feature measurement results

三色堇花粉顆粒：近長柱形；有4條萌發孔，萌發孔達兩極端，兩級有近圓形的平面，中部粗糙，外壁光滑〔見圖2(e)〕. 平均極軸P=73.5 μm，變化范圍為68.3～81.9 μm；平均赤道軸E=44.6 μm，變化范圍為40.7～49.3 μm，P/E平均值為1.64(見表1).

基于不同花粉顆粒的形貌特征(見表1)發現，大部分花粉顆粒表面都有明顯的萌發孔，這些萌發孔的裂隙連通著花粉顆粒的內部與表面，花粉顆粒表面大部分表現出粗糙不平整的特性，顆粒物通常呈長球形.

2.2 花粉顆粒吸濕特性

山茶花花粉〔見圖3(a)〕：20 ℃下山茶花花粉吸濕增長因子(GF)隨相對濕度(RH)的增加而增大.當RH=20%時，花粉顆粒吸濕增長極其緩慢或不增長，＞20%～＜40%時逐漸吸濕增長，40%～＜80%時吸濕增長較緩慢，80%時花粉顆粒粒徑明顯增加(GF=1.06)，95%時GF迅速增至1.11. 山茶花花粉的粒徑在RH接近飽和(95%)時較RH=5%時增長了約10.8%.

諸葛菜花粉〔見圖3(b)〕：RH從5%增至10%時，諸葛菜花粉顆粒粒徑增加了4.7%，說明RH較低時諸葛菜花粉顆粒粒徑發生了明顯的吸濕增長；為10%～＜80%時，諸葛菜花粉的粒徑增長平緩，GF從1.05增至1.08；＞80%時，GF增速略有增加；RH=95%時，GF為1.10，此時諸葛菜花粉的粒徑較RH=5%時增長了約9.8%，說明諸葛菜花粉的吸濕增長特性比山茶花粉略弱.

耬斗菜花粉〔見圖3(c)〕：當RH=10%時，花粉顆粒吸濕增長緩慢，30%時開始吸濕增長，75%時粒徑明顯增加，＞80%時吸濕增長加快. GF從RH=80%時的1.07迅速增至RH=95%時的1.11，耬斗菜花粉的粒徑在RH接近飽和(95%)時較RH=5%時增長了約10.9%，說明耬斗菜花粉顆粒物的吸濕性與山茶花花粉顆粒相近.

錦帶花花粉〔見圖3(d)〕：RH＜20%時，花粉粒徑迅速增長，GF從RH=5%時的1.00增至RH=20%時的1.06. RH＞20%時，花粉顆粒吸濕增長放緩，GF從RH=20%時的1.06增至RH=80%的1.09. RH＞80%時，花粉顆粒粒徑增長再次加快，GF從RH=80%時的1.09迅速增至RH=95%時的1.14，錦帶花花粉的粒徑在RH接近飽和(95%)時較RH=5%時增長了約13.7%. 此外，當錦帶花花粉顆粒在高濕條件下顆粒物表面凹下去的部分〔見圖2(d)〕會再次鼓起，并形成接近圓形的顆粒，這部分形變也包含在錦帶花顆粒的吸濕增長過程中. 因此，錦帶花花粉顆粒的吸濕增長既包括顆粒表面的吸濕變化，也包括顆粒整體結構形態的變化.

圖3 20 ℃下不同花粉顆粒的吸濕性曲線Fig.3 Hygroscopic growth of individual pollen particles at 20 ℃

三色堇花粉〔見圖3(e)〕：5%＜RH＜80%時，花粉顆粒吸濕增長緩慢，GF增加了10%；RH＞80%時，花粉顆粒粒徑明顯增加；RH=95%時，GF迅速增至1.16. RH由80%增至95%時，GF迅速增加了5%，RH=95%時三色堇花粉的粒徑較RH=5%時增長了約16.2%. 三色堇花粉顆粒的吸濕增長特性明顯高于諸葛菜花粉和山茶花花粉.

20 ℃條件下RH從5%升至95%時三色堇花粉顆粒的吸濕增長過程見圖4. 低濕度時花粉顆粒吸濕增長緩慢，形變不明顯，直到高濕度時（RH＞80%）出現明顯吸濕增長和形變.

圖4 光學顯微鏡下三色堇花粉吸濕過程Fig.4 Optical images of hygroscopic growth of Viola tricolor pollens

該研究發現，RH由5%增至20%過程中，山茶花、耬斗菜和三色堇花粉顆粒吸濕增長緩慢，諸葛菜和錦帶花花粉顆粒表現出明顯的吸濕增長. 隨著相對濕度增加，花粉顆粒的粒徑也逐漸增加，內部吸水膨脹，未觀察到花粉顆粒外部潤濕. RH＞80%時花粉顆粒粒徑明顯增加，觀察到花粉顆粒表面潤濕，花粉顆粒表面逐漸吸水膨脹，形變明顯. 花粉顆粒在萌發孔處最先被觀察到潤濕，由此可見花粉萌發孔處先出現吸水現象，導致花粉顆粒整體吸水膨脹. 山茶花、諸葛菜、耬斗菜和錦帶花的花粉顆粒均具有3條萌發孔，RH=90%時，呈長球形和橢球形花粉顆粒的吸濕增長因子(GF)相似，山茶花、諸葛菜和耬斗菜花粉顆粒的GF分別為1.09、1.09和1.08. 不規則球形花粉顆粒的GF相對較大，為1.13，而三色堇花粉顆粒呈長柱形，具有4條萌發孔，GF較大，為1.14.RH=95%時，形貌特征和萌發孔數量對花粉顆粒GF的影響更加明顯，山茶花、諸葛菜和耬斗菜花粉顆粒的GF均約為1.10，錦帶花約為1.14，三色堇約為1.16. 這說明花粉形貌特征和花粉顆粒萌發孔數量會影響花粉顆粒吸濕性，花粉顆粒越近球形或者花粉顆粒的萌發孔數量越多，其吸濕性越好.

2.3 花粉顆粒的吸濕性增長機制探討及應用

該研究中，RH=90%時，5種花粉氣溶膠顆粒的吸濕增長因子(GF)主要集中在1.08～1.14范圍，這與其他生物氣溶膠吸濕性研究結果[35]相似. 例如：Madelin等[36]利用空氣動力學粒徑譜儀測定白色鏈霉菌和綠色糖單胞菌在RH=95%時的GF分別為1.09和1.30；Johnson等[37]研究發現，丁香假單胞菌和枯草芽孢桿菌兩種細菌在RH=90%時的GF分別約為1.15和1.22，影響細菌氣溶膠吸濕性的不僅是細菌種類，還包括氣溶膠表面性質. Reponen等[38]測量了多種真菌孢子的吸濕性，發現大部分真菌氣溶膠粒徑有明顯變化，GF范圍為1.04～1.16. 因此，不同生物氣溶膠的吸濕性差異可能與其化學成分與微觀結構密切相關[39]. 已有研究表明較高OH基團含量的花粉具有較高的吸濕性[27]，但確切原因尚不明確.

Chen等[26]使用蒸氣吸附分析儀測定在25和37 ℃條件下花粉樣品的吸濕性能，研究發現，花粉均具有一定吸濕性，濕度升高時花粉質量顯著增加，溫度對花粉吸濕性影響很小，在25 °C、RH=90%以及37 °C、RH=90%兩個條件下，11個花粉樣品質量(相對于RH≤1%時的樣品質量)分別被歸一化 后為(1.325±0.004)～(1.433±0.015)和(1.296±0.002)～(1.389±0.014). 郭 利亞[40]使用吸濕性串聯差分電遷移率分析儀(HTDMA)、蒸汽吸附分析儀(VSA)和云凝結核計數器(CCNc)等儀器開展系統研究，得到RH=90%、環境溫度為(298±1) K時礦塵氣溶膠(包括鈣鹽、鎂鹽和甲磺酸鹽氣溶膠在內)的吸濕增長因子為1.26～1.79，海鹽氣溶膠約為2.3. 由此可見，筆者所得5種花粉的吸濕增長因子遠低于大氣中無機鹽顆粒的吸濕增長因子.

該研究中花粉顆粒的吸濕增長過程與其他研究結果相似. 例如，甘啟航等[41]利用相對濕度、能見度等氣象要素計算出氣溶膠吸濕增長因子，并將其與相對濕度進行非線性擬合，發現氣溶膠的吸濕增長因子在低濕度(＜80%)下平緩增加，高濕度(＞80%)下快速增加. 這說明花粉的吸濕性與其他生物氣溶膠的吸濕性相似，均具有較弱的吸濕增長特性. 考慮到花粉顆粒的吸濕性差異可能與其化學組分和形貌特征有關，可以推測粒徑較大的花粉顆粒由于其吸濕特性更容易粘附在上呼吸道，對人體健康產生影響[22,42].

3 結論

a) 電子顯微鏡觀察結果顯示，山茶花和諸葛菜花粉顆粒呈長球形，有3個萌發孔；耬斗菜花粉顆粒呈橢球形，有3個萌發孔；錦帶花花粉顆粒呈不規則球形，3個萌發孔分布在對稱的3個部位；三色堇花粉顆粒呈長柱形，具有4個萌發孔. 不同花粉顆粒的表面紋飾不一，山茶花花粉為皺波狀，諸葛菜花粉為網狀紋飾，耬斗菜花粉為刺狀紋飾，錦帶花花粉表面具有突起，三色堇花粉表面平整.

b) 諸葛菜和錦帶花的花粉顆粒在相對濕度低于20%時表現出明顯的吸濕增長，其他3種花粉在相對濕度較低時吸濕增長緩慢. 隨著相對濕度逐漸升高，花粉顆粒內部不斷膨脹，但是沒有明顯的外部潤濕，在相對濕度高于80%時吸濕增長因子迅速增加，花粉顆粒出現明顯形變，觀察到花粉表面潤濕，水吸收最初在萌發孔處被觀察到，然后吞沒整個花粉顆粒.

c) 相對濕度從5%升至95%過程中，花粉顆粒吸濕增長過程與有機氣溶膠類似，呈現連續吸濕增長，在相對濕度為90%時，山茶花、諸葛菜、耬斗菜、錦帶花和三色堇花粉顆粒的吸濕增長因子分別為1.09、1.09、1.08、1.13和1.14. 花粉種類、花粉萌發孔數目和花粉表面結構是影響花粉吸濕性的因素，花粉萌發孔的數目越多，其吸濕性能越好.