大气生物气溶胶花粉单颗粒的形貌特征及吸湿特性研究

贾 嘉，宋晓焱，滕晓咪，罗伊琳，徐 亮，袁 琦，李卫军*

1. 华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 4500462. 浙江大学地球科学学院大气科学系，浙江 杭州 310027

生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，是含有微生物或生物大分子等生命活性物质的微粒，粒径从几百纳米到几微米不等，包括真菌、细菌、病毒、霉菌孢子和植物花粉等[1-3]，生物气溶胶的产生包括自然排放和人类活动，即自然源和人为源[4]. 生物气溶胶体积小、质量轻，易于扩散和远距离传送，通过吸收和散射太阳辐射直接影响地球吸收-辐射平衡，进而直接影响气候；它还可以作为云凝结核(cloud condensation nuclei，CCN)和冰核粒子(ice-nucleating particles，INPs)影响成云和降雨，间接影响气候[5-9]. 据估算，全球每年生物气溶胶的排放量可达1000 Tg，占大气气溶胶数浓度的30%左右[1]. 花粉作为一类粒径较大的生物气溶胶，是重要的生物气溶胶组成部分，对气候效应和人类健康也有很大的影响，如被称为“巨云凝结核”，可在更低的过饱和状态下形成云滴，并迅速生长至较大的液滴尺寸，从而促进雨的形成；花粉颗粒通过在空气中的传播扩散，侵入人体呼吸系统引起过敏或中毒反应[10-13].

吸湿性是大气气溶胶的一个重要物理化学性质，常用于表达气溶胶颗粒物在相对湿度下的吸湿能力，其大小用吸湿增长因子〔growth factor，GF(RH)〕[14]表示. 生物气溶胶吸湿特性的重要作用表现在对环境效应和健康效应的影响方面：首先，高相对湿度时，吸湿性气溶胶粒径增大会导致散光系数增强，影响大气温度以及大气能见度[15-16]，同时颗粒物的吸湿性能决定气溶胶云凝结核活性，吸湿性强的颗粒物更易成核[17]. 其次，生物气溶胶的吸湿性会影响其在大气中的传播和停留时间[18-20]，如病毒的存活和传播[21]. 此外，人体呼吸过程是一个空气加湿过程，吸气时，健康肺部的鼻、咽、气管和支气管内黏膜使得空气的相对湿度快速增加，人体呼吸系统的加湿作用对吸湿性颗粒物的沉积必然造成较大影响，生物气溶胶较一般气溶胶而言其传染性、致病性更强，可被人体吸入，进而对人体健康造成更严重的威胁[22-23]. 尤其是粒径较大的生物气溶胶(如花粉)，目前已知的较为常见的研究花粉吸湿性的方法有：①吸湿性串联差分分析仪法(HTDMA)[24]，该仪器能够通过检测气溶胶吸湿前后粒径变化率来衡量吸湿性能；②蒸气吸附分析仪法(VSA)[25-26]，通过此仪器可以精确测量花粉颗粒在不同相对湿度下的质量变化，并以此得到不同花粉颗粒的吸湿性参数(κ)；③电动平衡技术(EDB)[27]，根据电力平衡原理，使带电气溶胶颗粒所受电场力与自身重力平衡来计算颗粒物质量，并推算颗粒物吸湿前后质量变化. 吸湿性串联差分分析仪、蒸汽吸附分析仪可以获得群体颗粒物的吸湿特性，电动平衡技术可以通过测量单个颗粒物的质量变化来推算其吸湿特性，但无法通过直接观察单个花粉颗粒的吸湿增长过程，来回答花粉颗粒本身是由于表面化学物质还是颗粒内部物理性形变影响吸湿性，通过使用环境扫描电子显微镜可以观察花粉颗粒物表面结构和形貌特征，来判断影响花粉颗粒吸湿的因素[28]. 为了能够直接观察花粉颗粒的吸湿增长过程，该研究拟采用单颗粒吸湿性系统(individual particle hygroscopic system，IPH)直接观察花粉颗粒的吸湿增长过程，并利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对花粉颗粒进行形貌观察，以期为深入理解花粉颗粒物表面及内部的吸湿特性提供参考.

1 样品采集与分析

1.1 样品采集

花粉采集时间为2021年3—4月. 采用机械方法收集花粉：用剪刀将含有花粉的枝条剪下，摘下枝条上的花粉球装进自封袋带回实验室，然后将其均匀地铺开在覆盖有锡箔纸的干净托盘中，用镊子摘下花药，烘干或自然风干至花药开裂，将散落花粉进行收集；或者先用纸袋套在花朵上面，轻轻敲打其茎段，使花粉自然脱落于纸袋中. 将收集好的花粉放入装有硅胶的干燥器中予以干燥. 用筛子除去花粉的花絮等杂物，将筛后的花粉分装入15 mL离心管，对应做好标记并用封口膜密封，保存在干燥箱中.

选择山茶花(Camellia)、诸葛菜(Orychophragmus violaceus)、耧斗菜(Aquilegia)、锦带花(Weigela florida)、三色堇(Viola tricolor)作为试验花材(见图1). 山茶花为山茶科山茶属木本植物，野生山茶在我国仅集中分布于山东和浙江两省，浙江省现有野生山茶30万株，分布面积达220 hm2[29]. 诸葛菜为十字花科诸葛菜属草本植物，主要分布在我国华东、东北、华北地区.太白诸葛菜、湖北诸葛菜分别主要分布于陕西秦岭地区和湖北省，铺散诸葛菜仅分布于浙江省和上海市. 我国十字花科植物种类十分丰富，约有94属400余种，具有很高的经济价值，与人类生活息息相关[30].耧斗菜为双子叶植物纲毛茛科耧斗菜属下的一个植物种，主要分布于我国东北、华北等地，不仅具有极高的观赏价值，还是物种演化研究的模式植物，具有很重要的研究价值，全球约70种，广泛分布于北半球的温带地区，其中中国有13种[31]. 锦带花是忍冬科锦带花属植物，分布于我国各地，5月开花，叶浓花艳，花期长达2个月，适应性强，可丛植于草坪、路旁及庭院，是东北、华北等地的观赏性植物，是一种重要的园林绿化灌木[32]. 三色堇是堇菜科堇菜属的二年或多年生草本植物，其品种繁多，色彩鲜艳，花期长，耐寒，有“花坛皇后”的美誉. 三色堇目前在我国广泛栽培，是重要的花坛花卉和盆栽花卉，市场需求量大[33].这5种花均在我国广泛分布，目前很少有对这5种花粉的吸湿性研究.

图1 不同试验花材的照片Fig.1 Pictures of the different experimental flower material

1.2 单颗粒吸湿性系统

该研究设计搭建了一个用于研究气溶胶吸湿性的装置—单颗粒吸湿系统(IPH). 该系统用于表征在实验室制备的复合粒子样本和通过外场观测收集到的单个气溶胶粒子样本在吸湿过程中的形态和粒子尺寸的变化[34].

该系统由温度控制系统、湿度控制系统以及颗粒物显微观察系统组成. 具体试验操作如下：

a) 通过电脑控制质量流量计(MFC)调节干、湿氮气的流量比例，从而控制吸湿腔室内的相对湿度(RH)变化. 试验从RH=5%开始，逐步增加5%直至95%，每次改变之后稳定30～300 s，待相对湿度稳定后再拍摄样品照片，当观察花粉颗粒粒径不再增长时表明花粉颗粒在这一相对湿度下达到平衡.

b) 将花粉颗粒样品放在铜网膜或单晶硅片上，固定在腔体内不锈钢底座(高20 mm，直径30 mm)上，吸湿腔内设置有温度和湿度传感装置，并连接电脑，实时探测并显示腔体内的温度和相对湿度.

c) 使用配备的相机通过光学显微镜(Olympus BX51M，Japan)拍摄吸湿腔室内不同相对湿度时的花粉颗粒图片，拍摄图片时保证每张图有足够数目的花粉单颗粒，每种花粉样品做3次.

d) 对于所拍摄图片，利用Radius软件(EMSIS GmbH，Germany)获取颗粒物不同相对湿度下的粒径，通过计算加湿后颗粒物在某一相对湿度下的粒径(Dp)与初始干燥状态颗粒物粒径(Dp0)的比值，可得到不同相对湿度下气溶胶颗粒物的吸湿增长因子(GF)，即GF=Dp/Dp0.

1.3 扫描电镜分析

扫描电子显微镜可以直接观察真空腔体内固态物质的表面微观结构形态和构成. 该研究使用飞纳台式扫描电子显微镜(Phenom，XL，Holland)观察花粉颗粒的形貌：首先用导电胶将干燥的花粉颗粒固定在钉形样品台上，使用压缩气体吹扫除尘；然后使用专用镊子将样品台竖直地插入样品杯中，调节高度，打开舱门，将样品杯放入；最后调节电镜的焦距、亮度以及对比度直至观察到清晰的样品，拍摄花粉颗粒不同角度的图片.

2 结果与讨论

2.1 花粉颗粒形貌与大小

利用台式扫描电子显微镜观察正常室温以及相对湿度下5种不同类型的花粉微观结构，从不同角度展示其微观形貌特征.

山茶花花粉颗粒：呈长球形，两极较平；赤道面观为长椭圆形，极面观呈三裂圆形；有3条萌发孔，萌发孔达两极端〔见图2(a)〕；花粉颗粒表面纹饰呈皱波状，有大小不等、深浅不一的孔穴，且穿孔大小由中间向极面逐渐减小. 平均极轴P=55.4 μm，变化范围为49.3～61.5 μm；平均赤道轴E=28.5 μm，变化范围为25.6～31.4 μm，P/E平均值为1.94(见表1).

诸葛菜花粉颗粒：呈长球形，两极较尖；赤道面观为长椭圆形，极面观呈三裂圆形；有3条萌发孔，萌发孔达两极端；花粉颗粒表面纹饰为不规则网状纹饰，网眼大小不一致，形状不规则〔见图2(b)〕. 平均极轴P=34.3 μm，变化范围为33.7～34.9 μm；平均赤道轴E=18.0 μm，变化范围为16.9～19.1 μm，P/E平均值为1.90(见表1).

耧斗菜花粉颗粒：近椭球形；有3条萌发孔，赤道面观为椭圆形或近圆形，极面观为三裂圆形或圆形，萌发孔狭长或稍宽，有整齐或不整齐下陷的边缘，孔膜上有颗粒状纹饰或刺状纹饰萌发孔达两极端〔见图2(c)〕. 平均极轴P=102.6 μm，变化范围为95.0～107.5 μm；平均赤道轴E=47.8 μm，变化范围为45.0～53.2 μm，P/E平均值为2.15(见表1).

锦带花花粉颗粒：呈不规则球形，两极较秃，花粉颗粒平滑表面携带着一些赤凸状小颗粒，并且表面分散着一些针状尖刺状颗粒. 不同的是，锦带花花粉颗粒未观察到典型的萌发孔，但是部分花粉颗粒表面的凹陷较为明显，表明该类颗粒物内部呈现镂空〔见图2(d)〕. 平均极轴P=46.3 μm，变化范围为42.4～50.8 μm；平均赤道轴E=39.1 μm，变化范围为37.7～43.1 μm，P/E平均值为1.18(见表1).

图2 不同花粉颗粒的SEM图片Fig.2 SEM images of pollen particles

表1 不同花粉形态特征测量结果Table 1 Pollen morphology feature measurement results

三色堇花粉颗粒：近长柱形；有4条萌发孔，萌发孔达两极端，两级有近圆形的平面，中部粗糙，外壁光滑〔见图2(e)〕. 平均极轴P=73.5 μm，变化范围为68.3～81.9 μm；平均赤道轴E=44.6 μm，变化范围为40.7～49.3 μm，P/E平均值为1.64(见表1).

基于不同花粉颗粒的形貌特征(见表1)发现，大部分花粉颗粒表面都有明显的萌发孔，这些萌发孔的裂隙连通着花粉颗粒的内部与表面，花粉颗粒表面大部分表现出粗糙不平整的特性，颗粒物通常呈长球形.

2.2 花粉颗粒吸湿特性

山茶花花粉〔见图3(a)〕：20 ℃下山茶花花粉吸湿增长因子(GF)随相对湿度(RH)的增加而增大.当RH=20%时，花粉颗粒吸湿增长极其缓慢或不增长，＞20%～＜40%时逐渐吸湿增长，40%～＜80%时吸湿增长较缓慢，80%时花粉颗粒粒径明显增加(GF=1.06)，95%时GF迅速增至1.11. 山茶花花粉的粒径在RH接近饱和(95%)时较RH=5%时增长了约10.8%.

诸葛菜花粉〔见图3(b)〕：RH从5%增至10%时，诸葛菜花粉颗粒粒径增加了4.7%，说明RH较低时诸葛菜花粉颗粒粒径发生了明显的吸湿增长；为10%～＜80%时，诸葛菜花粉的粒径增长平缓，GF从1.05增至1.08；＞80%时，GF增速略有增加；RH=95%时，GF为1.10，此时诸葛菜花粉的粒径较RH=5%时增长了约9.8%，说明诸葛菜花粉的吸湿增长特性比山茶花粉略弱.

耧斗菜花粉〔见图3(c)〕：当RH=10%时，花粉颗粒吸湿增长缓慢，30%时开始吸湿增长，75%时粒径明显增加，＞80%时吸湿增长加快. GF从RH=80%时的1.07迅速增至RH=95%时的1.11，耧斗菜花粉的粒径在RH接近饱和(95%)时较RH=5%时增长了约10.9%，说明耧斗菜花粉颗粒物的吸湿性与山茶花花粉颗粒相近.

锦带花花粉〔见图3(d)〕：RH＜20%时，花粉粒径迅速增长，GF从RH=5%时的1.00增至RH=20%时的1.06. RH＞20%时，花粉颗粒吸湿增长放缓，GF从RH=20%时的1.06增至RH=80%的1.09. RH＞80%时，花粉颗粒粒径增长再次加快，GF从RH=80%时的1.09迅速增至RH=95%时的1.14，锦带花花粉的粒径在RH接近饱和(95%)时较RH=5%时增长了约13.7%. 此外，当锦带花花粉颗粒在高湿条件下颗粒物表面凹下去的部分〔见图2(d)〕会再次鼓起，并形成接近圆形的颗粒，这部分形变也包含在锦带花颗粒的吸湿增长过程中. 因此，锦带花花粉颗粒的吸湿增长既包括颗粒表面的吸湿变化，也包括颗粒整体结构形态的变化.

图3 20 ℃下不同花粉颗粒的吸湿性曲线Fig.3 Hygroscopic growth of individual pollen particles at 20 ℃

三色堇花粉〔见图3(e)〕：5%＜RH＜80%时，花粉颗粒吸湿增长缓慢，GF增加了10%；RH＞80%时，花粉颗粒粒径明显增加；RH=95%时，GF迅速增至1.16. RH由80%增至95%时，GF迅速增加了5%，RH=95%时三色堇花粉的粒径较RH=5%时增长了约16.2%. 三色堇花粉颗粒的吸湿增长特性明显高于诸葛菜花粉和山茶花花粉.

20 ℃条件下RH从5%升至95%时三色堇花粉颗粒的吸湿增长过程见图4. 低湿度时花粉颗粒吸湿增长缓慢，形变不明显，直到高湿度时（RH＞80%）出现明显吸湿增长和形变.

图4 光学显微镜下三色堇花粉吸湿过程Fig.4 Optical images of hygroscopic growth of Viola tricolor pollens

该研究发现，RH由5%增至20%过程中，山茶花、耧斗菜和三色堇花粉颗粒吸湿增长缓慢，诸葛菜和锦带花花粉颗粒表现出明显的吸湿增长. 随着相对湿度增加，花粉颗粒的粒径也逐渐增加，内部吸水膨胀，未观察到花粉颗粒外部润湿. RH＞80%时花粉颗粒粒径明显增加，观察到花粉颗粒表面润湿，花粉颗粒表面逐渐吸水膨胀，形变明显. 花粉颗粒在萌发孔处最先被观察到润湿，由此可见花粉萌发孔处先出现吸水现象，导致花粉颗粒整体吸水膨胀. 山茶花、诸葛菜、耧斗菜和锦带花的花粉颗粒均具有3条萌发孔，RH=90%时，呈长球形和椭球形花粉颗粒的吸湿增长因子(GF)相似，山茶花、诸葛菜和耧斗菜花粉颗粒的GF分别为1.09、1.09和1.08. 不规则球形花粉颗粒的GF相对较大，为1.13，而三色堇花粉颗粒呈长柱形，具有4条萌发孔，GF较大，为1.14.RH=95%时，形貌特征和萌发孔数量对花粉颗粒GF的影响更加明显，山茶花、诸葛菜和耧斗菜花粉颗粒的GF均约为1.10，锦带花约为1.14，三色堇约为1.16. 这说明花粉形貌特征和花粉颗粒萌发孔数量会影响花粉颗粒吸湿性，花粉颗粒越近球形或者花粉颗粒的萌发孔数量越多，其吸湿性越好.

2.3 花粉颗粒的吸湿性增长机制探讨及应用

该研究中，RH=90%时，5种花粉气溶胶颗粒的吸湿增长因子(GF)主要集中在1.08～1.14范围，这与其他生物气溶胶吸湿性研究结果[35]相似. 例如：Madelin等[36]利用空气动力学粒径谱仪测定白色链霉菌和绿色糖单胞菌在RH=95%时的GF分别为1.09和1.30；Johnson等[37]研究发现，丁香假单胞菌和枯草芽孢杆菌两种细菌在RH=90%时的GF分别约为1.15和1.22，影响细菌气溶胶吸湿性的不仅是细菌种类，还包括气溶胶表面性质. Reponen等[38]测量了多种真菌孢子的吸湿性，发现大部分真菌气溶胶粒径有明显变化，GF范围为1.04～1.16. 因此，不同生物气溶胶的吸湿性差异可能与其化学成分与微观结构密切相关[39]. 已有研究表明较高OH基团含量的花粉具有较高的吸湿性[27]，但确切原因尚不明确.

Chen等[26]使用蒸气吸附分析仪测定在25和37 ℃条件下花粉样品的吸湿性能，研究发现，花粉均具有一定吸湿性，湿度升高时花粉质量显著增加，温度对花粉吸湿性影响很小，在25 °C、RH=90%以及37 °C、RH=90%两个条件下，11个花粉样品质量(相对于RH≤1%时的样品质量)分别被归一化 后为(1.325±0.004)～(1.433±0.015)和(1.296±0.002)～(1.389±0.014). 郭 利亚[40]使用吸湿性串联差分电迁移率分析仪(HTDMA)、蒸汽吸附分析仪(VSA)和云凝结核计数器(CCNc)等仪器开展系统研究，得到RH=90%、环境温度为(298±1) K时矿尘气溶胶(包括钙盐、镁盐和甲磺酸盐气溶胶在内)的吸湿增长因子为1.26～1.79，海盐气溶胶约为2.3. 由此可见，笔者所得5种花粉的吸湿增长因子远低于大气中无机盐颗粒的吸湿增长因子.

该研究中花粉颗粒的吸湿增长过程与其他研究结果相似. 例如，甘启航等[41]利用相对湿度、能见度等气象要素计算出气溶胶吸湿增长因子，并将其与相对湿度进行非线性拟合，发现气溶胶的吸湿增长因子在低湿度(＜80%)下平缓增加，高湿度(＞80%)下快速增加. 这说明花粉的吸湿性与其他生物气溶胶的吸湿性相似，均具有较弱的吸湿增长特性. 考虑到花粉颗粒的吸湿性差异可能与其化学组分和形貌特征有关，可以推测粒径较大的花粉颗粒由于其吸湿特性更容易粘附在上呼吸道，对人体健康产生影响[22,42].

3 结论

a) 电子显微镜观察结果显示，山茶花和诸葛菜花粉颗粒呈长球形，有3个萌发孔；耧斗菜花粉颗粒呈椭球形，有3个萌发孔；锦带花花粉颗粒呈不规则球形，3个萌发孔分布在对称的3个部位；三色堇花粉颗粒呈长柱形，具有4个萌发孔. 不同花粉颗粒的表面纹饰不一，山茶花花粉为皱波状，诸葛菜花粉为网状纹饰，耧斗菜花粉为刺状纹饰，锦带花花粉表面具有突起，三色堇花粉表面平整.

b) 诸葛菜和锦带花的花粉颗粒在相对湿度低于20%时表现出明显的吸湿增长，其他3种花粉在相对湿度较低时吸湿增长缓慢. 随着相对湿度逐渐升高，花粉颗粒内部不断膨胀，但是没有明显的外部润湿，在相对湿度高于80%时吸湿增长因子迅速增加，花粉颗粒出现明显形变，观察到花粉表面润湿，水吸收最初在萌发孔处被观察到，然后吞没整个花粉颗粒.

c) 相对湿度从5%升至95%过程中，花粉颗粒吸湿增长过程与有机气溶胶类似，呈现连续吸湿增长，在相对湿度为90%时，山茶花、诸葛菜、耧斗菜、锦带花和三色堇花粉颗粒的吸湿增长因子分别为1.09、1.09、1.08、1.13和1.14. 花粉种类、花粉萌发孔数目和花粉表面结构是影响花粉吸湿性的因素，花粉萌发孔的数目越多，其吸湿性能越好.