随着工业化的快速发展，细颗粒物逐渐成为全球性的环境污染物。目前，人 们重点关注的细颗粒污染物有纳米颗粒物（NPs）、大气细颗粒物（PM2.5）和微 纳塑料等。其中，纳米颗粒物（如 SiO2 NPs）已广泛应用于生产生活的各个领域， 如催化剂、塑料、橡胶、医药和食品等；PM2.5 是全球工业化发展的副产物，同 时也是影响空气质量的主要污染物之一；微纳塑料污染遍布全球，已成为近期的 研究热点。细颗粒污染物可通过呼吸、饮食和皮肤渗透等方式进入人体，进而引 起潜在的健康效应。对细颗粒污染物进行精准溯源是评价其毒理学效应的重要前 提，也是控制其环境污染的重要保障；此外，细颗粒污染物的健康效应也受其环 境转化行为的影响，因此，开展细颗粒污染物的溯源方法与环境转化研究十分必 要。考虑到含硅细颗粒在环境中的普遍性，本文重点研究了纳米（SiO2 NPs）和 微米（PM2.5）尺度含硅细颗粒污染物的来源及其环境转化行为。

      （1）开发了 Si-O 二维同位素指纹技术，用以甄别 SiO2 NPs 的人为来源和 天然来源。由于人为源和天然源纳米颗粒具有非常相似的形貌和化学组成，导致 目前常规手段无法甄别二者的来源，因此如何甄别自然环境中纳米颗粒的来源成 为困扰纳米分析领域的瓶颈问题。在此背景下，我们尝试将新兴的溯源手段—非 传统稳定同位素技术应用于 SiO2 NPs 的来源甄别研究中。通过分析天然来源（石 英和硅藻土）和人为来源（气相法白炭黑、凝胶法白炭黑和沉淀法白炭黑）SiO2 NPs 中的 Si 和 O 同位素组成，我们发现天然同位素指纹可以为 SiO2 NPs 的来源 甄别提供一种可行的方法。人为来源和天然来源 SiO2 NPs 具有可分辨的 Si-O 二 维同位素指纹，这一差异可能来自于工程 SiO2 NPs 合成过程中伴随的 Si 和 O 同 位素的分馏效应。进一步，我们开发了机器学习模型用以定量识别 SiO2 NPs 的 不同来源，识别准确率达到了 93.3%。此外，该技术还可用于识别工程 SiO2 NPs 的合成工艺和生产厂商。

       （2）开发了新型的二维 Si 指纹技术，用以解析 2013-2017 年北京地区 PM2.5 来源的年际变化。PM2.5 的成因和来源非常复杂，导致目前很多区域性重度灰霾 的成因解析仍然存在诸多争议。而传统溯源方法需要分析数十种示踪剂的浓度， 非常耗时，且容易引入较大误差。因此开发新型 PM2.5 溯源方法，理清典型区域 PM2.5 的来源，仍具有重要的科学意义。我国于 2013 年颁布了大气污染防治行动 计划（2013-2017），期间 PM2.5 得到了很好地控制。在此背景下，我们采集了 2013- 2017 年冬季北京地区 PM2.5 样品，分析了其中的 Si 同位素组成（δ 30Si）和 Si 丰 度（Si%，Si 元素占 PM2.5 的质量分数）。基于此，我们构建了新型二维 Si 指纹 技术（δ 30Si 和 Si%的组合），其中，PM2.5 中 δ 30Si 值可以示踪 PM2.5 的一次来源， 而 Si%的变化可以反映二次气溶胶的贡献。对于一次污染源而言，2015-2017 年 PM2.5 中 δ 30Si（>−0.5‰）显著高于 2013 年的 δ 30Si（−1.24‰），说明从 2013 到 2017 年富集轻同位素的排放源（即燃煤燃烧源和工业排放源）的贡献显著下降。 对于二次气溶胶而言，平均 Si%从 2013 年的 1.2%上升到 2017 年的 4.6%，经模 型估算，二次气溶胶的贡献从 2013 年的 83%降到了 2017 年的 42%。此外，我 们还进一步对比分析了不同粒径大气颗粒物（PM2.5 和总悬浮颗粒物（TSP））中 的 Si 同位素指纹，结果显示，二者在同一时期的污染事件中具有不同的 Si 同位 素指纹特征，说明同一时期的 PM2.5 和 TSP 可能具有不同的一次来源。

      （3）SiO2 颗粒具有很高的化学惰性，在环境中不易发生化学转化，因此我 们重点关注了 SiO2 颗粒的晶体转化过程。石英和方石英已被国际癌症研究中心 认定为一级致癌物，而典型燃烧过程（如煤和生物质燃烧）是暴露石英的常见途 径之一。煤和生物质燃烧可以提供 900 oC 以上的高温环境，据此我们猜想燃烧 过程会导致 SiO2 颗粒的晶体结构发生改变，进而影响其暴露毒理。为了验证这 一猜想，我们研究了煤和生物质燃烧过程中 SiO2 颗粒的晶体转化过程。结果显 示，在煤燃烧过程中，无定型 SiO2 颗粒从 1100 oC 开始转化为方石英，石英颗粒 从 1100 oC 开始转化为方石英；在生物质燃烧过程中，无定型 SiO2 颗粒从 800 oC 开始转化为方石英。需要说明的是，煤和生物质中都含有大量的金属元素，在燃 烧过程中可能起到促进晶体转化的作用（催化效应）。上述结果验证了我们的猜 想，进而有助于提高人们对燃烧过程中可吸入 SiO2 颗粒暴露的认识。

       综上，针对自然环境中普遍存在、且具有毒性效应的含硅细颗粒污染物（SiO2 NPs 和 PM2.5），我们开发了有效的新型溯源方法，并探究了燃烧环境中 SiO2 颗 粒的晶体转化行为，为未来细颗粒污染物的来源管控和健康风险评估提供了方法 学支撑和有效的科学数据。