研究团队在中国和美国的22种不同的煤灰中均发现了其大量赋存，经过详细的识别和分类，进而对各个形态进行准确的晶体结构鉴别，确认该Magnéli相是一种典型的次生纳米颗粒物，可能与人类活动及燃煤密切相关。
华东师大科学家首次发现可追踪燃煤活动的纳米级颗粒物（右一为杨毅教授）
华东师大地理科学学院杨毅教授、刘敏教授和化学与分子工程学院教授葛建平教授与国内外多个研究单位合作，在人类活动产生的纳米级颗粒的鉴别和环境毒理学意义研究方面取得了重要进展。
他们首次发现一种新型的次生Magnéli相氧化钛在煤灰中广泛存在，并具有潜在的生态毒性。
这种新型纳米颗粒物的发现不仅可以作为指示器示踪全球的煤燃烧活动，而且对于了解燃煤引发的人类健康风险具有重要意义。
该成果以全文形式刊登在8月8日出版的Nature Communications期刊上，同时被选为当期热点文章
煤炭是人类的主要能源，不断增加的燃煤对全球气候环境和人类健康均产生了显著的影响。煤炭的燃烧被认为是工业革命以来温室气体剧增的主要原因；煤炭燃烧产生的大量空气动力学直径小于2.5μm（即PM2.5）的颗粒物也被认为是城市的雾霾和人类呼吸道疾病频发的主要原因之一。
全世界每年大约有330万例过早死亡与PM2.5相关，尤其是其中富含的超细颗粒物纳米级颗粒物，其可以穿透肺泡，转移到血液，进而损害包括心脏和大脑在内人体其他器官，对人类健康造成严重威胁。
在中国国家自然科学基金以及美国国家自然科学基金的联合资助下，杨毅教授和美国弗吉尼亚理工大学Hochella教授团队近年来就环境中次生纳米颗粒物（incidental nanoparticle）环境毒理学方面开展了卓有成效的合作研究。
研究团队部分成员
在追踪由煤灰泄露引发的砷污染与纳米颗粒物的相互作用、迁移和生物有效性的过程中（Yang et al., 2015 ES&T），他们首次发现了一种新型的纳米颗粒物，其在透射电镜下显示出具有独特条纹的超细结构。
在历时三年的反复鉴别和论证后，他们认为该纳米颗粒物是一种在自然界中极其罕见的氧化钛的氧缺失形态— Magnéli相 (TixO2x-1,4 ≤ x ≤ 9)。
研究团队后续在中国和美国的22种不同的煤灰中均发现了其大量赋存，经过详细的识别和分类，进而对各个形态进行准确的晶体结构鉴别，确认了该Magnéli相是一种典型的次生纳米颗粒物，并认为其可能与人类活动及燃煤密切相关。
为了揭示该次生纳米颗粒物的形成机制，研究团队通过多次尝试，最终模拟煤燃烧微环境合成了Magnéli相，证明了其源自煤炭中的TiO2，且在煤的燃烧过程中产生。
某发电厂煤灰中的Magnéli相氧化钛，电子衍射分析显示其为Ti6O11
他们还进一步测试了该类次生纳米颗粒物在环境中的稳定性，结果表明这类Magnéli 相的氧化钛在环境中高度稳定，因此可用作环境示踪剂来追踪和评估全球的燃煤活动。
该项研究由杨毅教授与Hochella教授共同设计。其中杨毅教授为本文第一作者，Hochell教授为通讯作者，华东师范大学为该成果的第一完成单位。其他参与者还有美国弗吉尼亚理工大学陈波博士、Priya教授；美国应用能源研究中心Hower教授；加拿大劳伦森大学Schindler教授；美国杜克大学Di Giulio教授以及吉林大学张立军教授等。
Magnéli相氧化钛的合成及其相应的XRD图
此外，研究团队通过对斑马鱼胚胎的毒理学实验发现，纳米级Magnéli相氧化钛有着不同于二氧化钛纳米颗粒物的光致毒途径，它们在没有光照刺激的条件下更具有生物毒性。
研究团队同时强调，纳米级Magnéli相氧化钛对于人类健康的影响，还需要进一步在人体组织中进行相关毒性测试来确认。
“由于Magnéli 相由一系列物质组成，不同煤级、不同温度和条件的燃煤产物则含有不同的Magnéli 相单体，精确鉴别有助于指示燃煤的条件，并对燃煤污染进行有效调控。”杨毅教授说，“在医学方面，该种纳米颗粒物的发现也可为肺癌及呼吸道等相关疾病的病理学研究提供新的思路。”
来源 | 地理科学学院
编辑 |吴冬妮
