Abundance and sources of phthalic acids, benzene-tricarboxylic acids

phenolic acids in PM2.5 at urban and suburban sites in Southern China. Xiao He, X. H. Hilda Huang, Ka Shing Chow, Qiongqiong Wang, Ting Zhang, Dui...
0 downloads 11 Views 833KB Size
Subscriber access provided by Gothenburg University Library

Article

Abundance and sources of phthalic acids, benzene-tricarboxylic acids and phenolic acids in PM at urban and suburban sites in Southern China 2.5

Xiao He, X. H. Hilda Huang, Ka Shing Chow, Qiongqiong Wang, Ting Zhang, Dui Wu, and Jian Zhen Yu ACS Earth Space Chem., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/ acsearthspacechem.7b00131 • Publication Date (Web): 11 Jan 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on January 12, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

ACS Earth and Space Chemistry is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry



Abundance and sources of phthalic acids, benzene-



tricarboxylic acids and phenolic acids in PM2.5 at



urban and suburban sites in Southern China



Xiao He,† X. H. Hilda Huang,† Ka Shing Chow^, Qiongqiong Wang, Ting Zhang,‡ Dui Wu, § Jian Zhen Yu†,,‡,* 





Division of Environment and Sustainability, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water 



Bay, Kowloon, Hong Kong, China 



Department of Chemistry, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, 



Hong Kong, China  ^



Environmental Science Program, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, 

10 

Kowloon, Hong Kong, China 

11 

‡Atmospheric Research Center, HKUST Fok Ying Tung Graduate School, Guangzhou, China 

12 

§Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangzhou, China 

13 

*

14 

Keywords:  Organic  aerosol,  Aerosol  chemical  Characterization,  aromatic  acids,  primary  sources,  secondary 

15 

formation pathways 

Correspondence to: Jian Zhen Yu ([email protected]), 852‐2358‐7389 (Ph) 

 

1    ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 28

16 

Abstract 

17 

The  organic  composition  of  airborne  fine  particulate  matter  (PM2.5,  aerodynamic  diameter  less  than  2.5 

18 

micrometers) at a molecular level has yet to be achieved, hindering a full understanding of the climatic impacts 

19 

and health effects of PM2.5. Compounds containing aromatic rings are closely associated with optically active 

20 

brown  carbon  and  toxicologically  important  quinones.  In  this  work,  a  group  of  ten  aromatic  organic  acids 

21 

including three phthalic acids, four phenolic acids and three benzene‐tricarboxylic acids (BTCAs) in PM2.5 were 

22 

studied for their abundance and potential sources through quantifying their ambient concentrations at four 

23 

sites  in  the  Pearl  River  Delta  (PRD)  region  in  Southern  China,  where  biomass  burning  and  anthropogenic 

24 

emissions are both significant PM sources. Average concentrations of individual aromatic acids in a total of 240 

25 

PM2.5 samples collected throughout 2012 were in the order of 0.1‐20 ng/m3, with p‐and o‐phthalic acid being 

26 

the most abundant. Inter‐species correlation analysis with known PM source tracers reveals different source 

27 

origins for the ten aromatic acids. The four phenolic acids, all possessing partial lignin structures, are highly 

28 

correlated with levoglucosan, indicating their association with biomass burning emissions. Specific lignin tracer 

29 

ratios  characteristic  of  different  types  of  biomass  fuels  (i.e.,  cinnamyl‐  to  vanillyl‐phenol  ratio)  revealed 

30 

significant influence of crop burning emissions in the PRD region. The three BTCAs have moderate correlation 

31 

with sulfate but no correlation with levoglucosan, suggesting a strong association with secondary formation 

32 

origins while negating a strong link with biomass burning. The three phthalic acids are moderately correlated 

33 

with  sulfate,  levoglucosan,  and  a  number  of  polycyclic  aromatic  hydrocarbons  (PAHs),  indicating  multiple 

34 

significant  sources.  This  study  provides  a  valuable  data  set  towards  establishing  quantitative  links  between 

35 

molecular  composition  of  organic  matter  and  the  optical  and  toxicological  properties  of  PM2.5  as  well  as 

36 

assisting identification of tracers for PM2.5 sources.

37 

1. Introduction 

38 

Particulate matter (PM) in the atmosphere affects the Earth’ radiative balance1 by scattering or absorbing 

39 

solar  radiation2  and  modifying  cloud  properties.2,  3  Epidemiological  studies  also  have  established  the 

2    ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

40 

association  of  fine  PM  with  a  range  of  adverse  human  health  effects  from  allergic,  respiratory,  and 

41 

cardiovascular  diseases  to  increased  mortality.4‐7  Unlike  inorganic  components  that  have  been  studied 

42 

extensively  and  relatively  well  characterized,  molecular  composition  of  the  organic  matter  in  PM  and  their 

43 

source  contributions  are  far  less  understood  mainly  due  to  the  large  number  of  individual  organic  species 

44 

possibly present in the atmospheric PM, a wide variety of emission sources, and multiple secondary formation 

45 

pathways.8‐11 

46 

In this work, we target a group of ten aromatic organic acids present in PM2.5. The list includes three phthalic 

47 

acids (i.e., o‐, m‐, p‐phthalic acid), three benzene‐tricarboxylic acids (BTCAs) (i.e., 1,2,3‐BTCA, 1,2,4‐BTCA and 

48 

1,3,5‐BTCA), and four phenolic acids (i.e., 3‐hydroxy benzoic acid (3‐OHBA), 4‐hydroxy benzoic acid (4‐OHBA), 

49 

syringic acid, and vanillic acid). Their chemical structures are shown in Figure 1. Our motivations are multi‐fold. 

50 

At  a  fundamental  level,  the  benzene  ring  is  a  significant  chromophore  contributing  to  brown  carbon  (BrC) 

51 

constituents  (e.g., nitro‐aromatics)12  and  is the  basic  structure  leading to  the  atmospheric  formation of the 

52 

toxicologically important quinone compounds.13‐15 Hence, there is the need to track the PM sources for the 

53 

aromatic constituents and one of the study goals is to evaluate the suitability of the target aromatic acids as 

54 

source tracers. Among them, syringic and vanillic acid are known to be associated with biomass burning (BB) 

55 

emissions.16‐19 In comparison, the sources of the other eight aromatic acids are less clear. Kleindienst et al.20 

56 

proposed  o‐phthalic  acid  as  a  tracer  for  secondary  organic  aerosol  (SOA)  derived  from  naphthalene  and  its 

57 

methyl analogs on the basis of smog chamber product experiments. However, it is uncertain whether o‐phthalic 

58 

is predominantly formed as a secondary product or its precursors are limited to naphthalene and the derivatives. 

3    ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry

100

Phthalic acids

Phenolic acids

COOH

1

COOH

0.1

3-OHBA

Syringic acid

Vanillic acid

4-OHBA

1,3,5-BTCA

1,2,3-BTCA

1,2,4-BTCA

m-phthalic acid

0.01 o-phthalic acid

59 

BTCAs

10

p-phthalic acid

Concentration (ng/m3)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 28

 

60  61  62 

Figure  1.  Measured  abundance  and  chemical  structures  of  phthalic  acids,  BTCAs,  and  phenolic  acids.  The  squares  and  horizontal lines  in  the  box  denote the  average  and  median,  respectively. The  lower  and  upper  boundaries of the boxes represent the 25 and 75 percentile values.   

63 

  The  second  motivation  is  related  to  the  potential  of  these  aromatic  acids  serving  as  ligands  to  complex 

64 

metals. Organic aromatic carboxylates are an important family of multiple‐dentate O‐electron‐donor ligands to 

65 

form coordinate bonding with metal ions.21‐23 The carboxylic functional group, especially two such functional 

66 

groups in adjacent substituents on the benzene ring, is capable of bonding with metal thereby mediating the 

67 

bioavailability of metals.6, 24 Among the target aromatic acids, o‐phthalic acid, 1,2,3‐BTCA and 1,3,5‐BTCA serve 

68 

as  the  ligands  complexing  with  transition  metals  such  as  Copper(II),  Iron(II),  Manganese(II),  and  Zinc(II)  by 

69 

coordinating through carboxylate oxygen.25‐28 For example, Baca et al.29 enumerated the coordination modes 

70 

of  o‐phthalic  acid  as  ligand  with  metals  from  mono‐dentate,  di‐dentate  to  heptad‐dentate.  Quantitative 

71 

abundance  measurements  of  carboxylate  ligands  provide  necessary  data  to  assist  the  assessment  of 

72 

toxicological effects posed by metal species.30‐32   

73 

This suite of ten aromatic acids, along with major PM2.5 components and select known organic source tracers, 

74 

were determined in a total of 240 filter samples collected at four locations of different pollution characteristics 

75 

in the Pearl River Delta (PRD) in Southern China throughout 2012. Inter‐species correlations and temporal and 

76 

spatial variation are examined to gain insights into major sources for the aromatic acids. From this real‐world 

4    ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

77 

data set, we aim to extract findings that will contribute towards establishing quantitative links between the 

78 

measured molecular‐level composition and the end impacts of PM on climate and health. 

79 

2. Experimental 

80 

2.1. Sites and sampling 

81 

Ambient PM2.5 filter samples were collected at Dongguan (DG), Guangzhou (GZ), Nanhai (NH), and Nansha 

82 

(NS) in the PRD region. Their locations in a map are shown in Figure 2. The PRD region consists of a network of 

83 

cities  including  nine  prefecture‐level  ones,  namely  Guangzhou,  Shenzhen,  Foshan,  Dongguan,  Zhuhai, 

84 

Zhongshan, Huizhou, Jiangmen, Zhaoqing, the Hong Kong SAR, and the Macau SAR in southeast China. It is one 

85 

of  the  most  densely  populated  regions  in  the  world. Located  in  a  subtropical  area,  the  PRD  is  subjected  to 

86 

monsoon climate, i.e. during summer time, marine wind from the Pacific Ocean to the inland dominates in the 

87 

region bringing in clean and humid air mass, while in winter more aged and polluted air is transported into the 

88 

region by the prevailing wind from the northern continent. The season boundaries used in this work are spring 

89 

(16 Mar to 15 May), summer (16 May to 15 Sep), fall (16 Sep to 15 Nov), and winter (16 Nov to 15 Mar). Daily 

90 

average  relative  humidity  (RH)  ranged  from  22%  to  95%,  with  an  average  value  of  67%.  Daily  average 

91 

temperature ranged from a very low ‐1.3 °C to an extreme high 45 °C, averaged at 17.2 °C. 

92 

The DG site (22°57′44.85″N, 113°44′39.36″E) is the field observation site of Dongguan Meteorological Bureau, 

93 

located inside the Dongguan Botanical Garden. The GZ site (23°7′51.08″N, 113°17′51.19″E) is on the rooftop of 

94 

a 24‐storey building in a downtown Guangzhou residential area. The NH site (23°3′48.81″N, 113°8′42.13″) is on 

95 

the rooftop of a 3‐storey building in Foshan Nanhai meteorological bureau in an industrial area of Foshan city. 

96 

The NS site (22°45′08.90″N, 113°36′09.17″E) is on the  rooftop of a 5‐storey building in Nansha  Information 

97 

Technology Park in Nansha District, a rural district of Guangzhou city.   

98 

Sampling was carried  out concurrently at the  four sites, following  a regular  schedule of one 24‐h  sample 

99 

every  six  days  throughout  2012.  A  total  of  240  valid  samples  were  obtained.  All  the  sampling  sites  were 

100 

equipped  with  one  high‐volume  PM2.5  sampler  (Tisch  Environmental,  Cleves,  OH)  and  one  PM2.5  speciation 

101 

sampler (SASS, Met One Instruments, Inc., Grants Pass, OR). Sample collection substrates in the SASS sampler 

5    ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 28

102 

included  Teflon,  Nylon,  and  quartz  fiber  filters  to  meet  analytical  needs  for  different  constituents  in  PM2.5. 

103 

Specifically, gravimetric determination of mass concentration and elemental analysis using X‐ray fluorescence 

104 

spectrometry were carried out using the Teflon filters, nitrate and other water‐soluble ions using the Nylon 

105 

filters, and organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) with the quartz filters. Determination of individual 

106 

organic compounds was carried out with the quartz fiber filters collected using the high‐volume samplers. More 

107 

details regarding the sampling and laboratory analysis of major PM2.5 components can be found in our previous 

108 

paper.33 Field blank filters were collected at the end of each sampling month and subject to the same suite of 

109 

chemical analyses and the overall percentage of field blank filter was about 16.7%. No target compounds were 

110 

detected in field blanks.   

111  112 

  Figure 2. Sampling site locations and the surroundings. 

 

6    ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

113 

ACS Earth and Space Chemistry

2.2. Chemical analysis of organic compounds 

114 

A portion of 20 cm2 was precisely removed from a quartz fiber filter and cut into strips before placing into an 

115 

amber bottle for extraction. Palmitic acid‐d31, prepared in acetonitrile (ACN) was spiked onto the filter strips 

116 

followed by ultrasonic extraction in dichloromethane (DCM) and methanol mixture (4:1 v/v) for 10 minutes. 

117 

The extract was filtered with a syringe filter (Millipore 0.2 μm PTFE) and transferred to a 5 mL cone vial. The 

118 

filter pieces were further extracted twice, and the extracts were combined and blown to dryness under a mild 

119 

stream of N2 (Ultra‐high purity grade, 99.999%). The extract was then mixed with a 200 μL mixture of n‐methyl‐

120 

n‐(trimethylsilyl) trifluoroacetamide (MSTFA), pyridine and 8 ppm tetracosane‐d50 in hexane (2:1:1.14 v/v) for 

121 

trimethylsilylation reactions at 70°C for 2 h. The derivatized sample was cooled to room temperature before 

122 

analysis  by  gas  chromatography‐mass  spectrometry  (GC‐MS)  (Agilent  6890  GC  coupled  with  a  5973N 

123 

quadrupole mass spectrometer). 

124 

The  GC/MS  instrumental  parameters  are  similar  to  those  previously  published  for  aerosol  polar 

125 

compounds.34 Briefly, the injector, operated in splitless mode, was set at 275°C and an aliquot of 2 µL of the 

126 

derivatized sample was injected. Compounds were separated on a DB‐5MS column (30 m×0.25 mm×0.25 µm, 

127 

J&W Scientific) using Helium as the carrier gas at 1.2 mL/min. The GC oven temperature was initially set at 80 

128 

°C for 5 min, increased to 200°C at 3°C/min and held for 2 min, then to 310 °C at 10°C/min and held for 25 min. 

129 

The MS analysis was conducted in electron impact positive (EI+) mode over an m/z range of 50‐650 amu. The 

130 

ion source, quadrupole, and interface temperatures were kept at 230, 150, and 280 °C, respectively. 

131 

Calibration  standards  were  prepared  by  spiking  different  volumes  of  a  standard  solution  mixture  onto 

132 

ambient filter samples and analyzed following the same analytical procedure as that for ambient PM2.5 filter 

133 

samples.  This  approach  has  the  advantage  of  taking  into  account  of  matrix  effect.  All  the  samples  were 

134 

quantified  using  the  calibration  curves  by  this  standard  addition  method.  In  the  process  of  method 

135 

development,  the  extent  of  matrix  effect  was  examined  by  analyzing  a  parallel  set  of  standard  solutions, 

136 

skipping the steps of spiking onto ambient filter and subsequent extraction, evaporation and reconstitution, 

137 

while the other steps remaining the same. The result showed that the matrix effect existed to a varied degree 

7    ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 8 of 28

138 

from ‐5% to 145 % for the target analytes (Table S1), indicating the necessity of using standard addition method 

139 

to generate calibration curves for quantification of this set of aromatic acids.     

140 

3. Results and Discussion 

141 

3.1. Abundance of aromatic acids compounds 

142 

Figure S1 shows an example of gas chromatogram of the target aromatic acid compounds in standard and 

143 

real sample. Their quantification ions and recoveries are shown in Table S2. Recoveries in the range of 78‐97% 

144 

were  obtained  by  spiking  a  standard  solution  onto  a  blank  filter  before  and  after  solvent  extraction  and 

145 

comparing the two sets of normalized peak areas. 

146 

The annual average and concentration range of the ten aromatic acids are shown for the four‐site combined 

147 

data set and the site‐specific data in Table 1 and Figure 1. The average concentrations of individual compounds 

148 

in the whole data set were in the order of 0.1‐20 ng/m3, with p‐ and o‐phthalic acid being the most abundant 

149 

(23  and  13  ng/m3,  respectively).  Individual  phenolic  acid  had  lower  concentrations  than  the  two  abundant 

150 

phthalic acids by one order of magnitude or more. Among the four phenolic acids, 3‐OHBA, vanillic acid and 

151 

syringic acid were at a comparable level, with an average of 0.47, 0.55, and 0.50 ng/m3, respectively, while 4‐

152 

OHBA  (averaged  at  1.4  ng/m3)  was  twice  as  abundant.  An  additional  phenolic  acid,  isovanillic  acid,  was 

153 

tentatively identified based on retention time and mass spectrum in comparison with those of vanillic acid. Its 

154 

concentration was an average of 0.48 ng/m3 (range: below detection‐4.6 ng/m3), estimated assuming the same 

155 

GC/MS  response  as  that  of  vanillic  acid.  Isovanillic  acid  was  not  included  in  the  ensuing  discussion,  as  its 

156 

identification  still  awaits  confirmation  using  an  authentic  standard.  Of  the  three  BTCA  isomers,  the 

157 

concentration of 1,2,4‐BTCA and 1,2,3‐BTCA were of comparable abundance (average: 3.1 and 2.8 ng/m3) while 

158 

1,3,5‐BTCA (average: 0.11 ng/m3) was 25 times lower in concentration. 

159 

A small number of studies reported the abundance of the aromatic acids in our study region. Li and Yu35 

160 

measured a range of 16.7‐169 ng/m3 for o‐phthalic acid at six air monitoring stations in Hong Kong from 2003 

161 

to  2005  under  different  meteorological  conditions  (i.e.  local,  regional  and  long‐rang  transport).  Ho  et  al.36 

162 

conducted  24‐h sampling of PM2.5  and collected 8  samples in  the  2006‐2007 winter  and 7 samples in 2007 

8    ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

163 

summer on the campus of Sun Yat‐Sen University in urban GZ. They reported o‐phthalic acid concentration was 

164 

the highest among its isomers, averaging 91.8 ± 38.9 and 215 ± 86.1 ng/m3 in the winter and summer samples, 

165 

respectively. It is difficult to speculate the cause for the lower o‐phthalic acid level observed in our current study 

166 

in comparison with the previous studies as the latter had a much limited temporal coverage. o‐Phthalic acid 

167 

has multiple primary and secondary sources, which most likely differ in time and in space. 

168 

3.2. Seasonal and spatial variation of aromatic acids 

169 

Levoglucosan  and  sulfate  are  established  tracers  for  BB  and  secondary  formation,  respectively,  thereby 

170 

serving  as  useful  references in  the  ensuing  discussion  of  the  spatiotemporal characteristics  of  the  aromatic 

171 

acids. Spatially,  NH  had  the  highest  sulfate  as  well as  levoglucosan  while the lowest  concentration  for  both 

172 

occurred at NS (Figure S2). The spatial gradient was larger in levoglucosan (site average from 67 to 181 ng/m3) 

173 

than in sulfate (9.7‐12.7 µg/m3) (Table 1). The seasonal variations of levoglucosan and sulfate are shown in 

174 

Figure 3.Both sulfate and levoglucosan had higher abundance in fall and winter than the other two seasons, 

175 

but their highest abundance season differed, with sulfate in the fall and levoglucosan in winter. This observation 

176 

is consistent with the seasonal pattern of BB activities. While biofuel consumption in rural areas occurs year 

177 

around, in winter time, BB‐related activities such as crop residue burning are quite common in northern China 

178 

and the prevailing northerly wind in PRD at that time transports a large amount of BB emissions to the PRD 

179 

region. The difference is larger in NS where the regional factors play a more important role than local emissions.

9    ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46

180 

Page 10 of 28

Table 1. Annual average and concentration ranges of ten aromatic acids (ng/m3), K+, levoglucosan, sulfate, OC, and PM2.5 at four sites in the PRD  DG 

 

Range 

Avg.  Range 

Avg.  Range 

Avg.  Range 

Avg.  Range 

Avg. 

166  166  166  138  138  168  198  210  210  210 

BD*‐29.3  BD‐3.4  2.0‐96.4  BD‐3.3  BD‐9.3  BD‐3.0  BD‐4.0  BD‐15.6  BD‐0.45  BD‐12.2 

8.7  0.60  19.3  0.36  1.11  0.42  0.38  1.65  0.07  1.7 

BD‐47.5  BD‐3.1  0.9‐70.0  0.03‐2.1  0.05‐6.6  0.05‐2.7  BD‐1.7  BD‐21.1  BD‐0.66  BD‐18.0 

12.2  0.89  22.0  0.46  1.4  0.50  0.43  3.5  0.14  3.6 

BD‐73.2  BD‐10.0  0.43‐178.5  BD‐3.9  BD‐10.8  BD‐4.6  BD‐5.7  BD‐47.4  BD‐0.98  BD‐43.4 

22.6  1.7  35.8  0.74  2.0  0.96  0.99  5.3  0.15  6.1 

BD‐28.0  BD‐2.5  BD‐86.7  BD‐1.4  BD‐5.2  BD‐1.8  BD‐2.0  BD‐3.9  BD‐0.48  BD‐6.8 

7.9  0.55  16.9  0.33  1.0  0.38  0.29  0.80  0.08  1.2 

BD‐73.2  BD‐10.0  BD‐178.5  BD‐3.9  BD‐10.8  BD‐4.6  BD‐5.7  BD‐47.4  BD‐0.98  BD‐43.4 

12.6  0.9  23.1  0.47  1.4  0.55  0.50  2.8  0.11  3.1 

         

2.2‐32.5  0.08‐2.1  2‐683  2.6‐27.0  11.8‐108.7 

9.7  0.69  110  10.0  42.1 

2.1‐31.9  0.16‐2.1  7‐308  3.3‐24.6  12.4‐108.3 

11.2  0.71  90  11.8  47.2 

3.0‐37.6  0.21‐3.0  2‐743  3.5‐33.7  16.5‐130.1 

12.7  0.92  181  13.6  58.8 

1.6‐38.0  0.04‐2.4  0.6‐613  1.2‐30.8  6.5‐124.5 

10.9  0.69  67  9.2  40.1 

1.6‐38.0  0.04‐3.0  0.6‐743  1.2‐33.7  6.5‐130.1 

11.0  0.74  104  10.7  45.7 

 

MW 

o‐phthalic acid  m‐phthalic acid  p‐phthalic acid  3‐OHBA  4‐OHBA  Vanillic acid  Syringic acid  1.2.3‐BTCA  1,3,5‐BTCA  1,2,4‐BTCA  Sulfate (µg/m3)  K+ (µg/m3)  Levoglucosan (ng/m3)  OC (µgC/m3)  PM2.5 (µg/m3) 

GZ 

 

NH 

 

NS 

 

All sites 

 

* Below Detection

181 

10    ACS Paragon Plus Environment

Page 11 of 28

300

Median

250

Avg.

20

Median Avg.

15

200

Sulfate

Levoglucosan

(a) Levoglucosan (ng/m3) and sulfate (µg/m3)

150 100

10 5

50 0

0

Spring Summer

Fall

Winter

Spring Summer

Fall

Winter

(b) Aromatic acids (ng/m3) 25

Median Avg.

o-phthalic acid

3-OHBA

1.2 0.8 0.4 0 4

20

Avg.

15 10 5 0

Spring Summer

Fall

Winter Median

2

2 1

9 6 3 0

Spring Summer

Fall

Winter Median

12

Avg.

10

1.5

1,2,4-BTCA

m-phthalic acid

3

Median

Avg.

Avg.

4-OHBA

12

Median

1,2,3-BTCA

1.6

1 0.5

Spring Summer

Fall

Winter Median Avg.

8 6 4 2

0

0

Spring Summer

Fall

Winter Median

60

1

0.5

Fall

Winter Median

40 30 20 10

0 2

0

Spring Summer

Fall

Winter Median

0.4

Spring Summer

Fall

Avg.

50

p-phthalic acid

Syringic acid

Avg.

0

Spring Summer

Winter Median Avg.

1,3,5-BTCA

1.5

0.3 0.2 0.1 0

Spring Summer

Fall

Winter

Spring Summer

Fall

Winter

Avg.

Vanillic acid

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

1.5 1 0.5 0

Spring Summer

182  183  184  185 

Fall

Winter

 

Figure  3.  Seasonal  variations  of  (a)  sulfate  and  levoglucosan;  and  (b)  individual  aromatic  acids.  Squares  denote  median  value  and  dots  denote  average  value.  Lower  and  upper  whiskers  represent  25  and  75  percentile values.   

11   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 12 of 28

186 

Concentration variations of the individual aromatic acids are compared across seasons in Figure 3 and 

187 

spatially  in  Figure  S2.  All  the  aromatic  acids  had  the  highest  concentration  in  NH  and  the  lowest 

188 

concentration in NS on an annual scale. NH is well known as an industry center in PRD, which consumes a 

189 

higher amount of energy and emits more anthropogenic pollutants. GZ is a high‐density residential city 

190 

where  the  vehicle  exhausts  and  other  anthropogenic  emissions  are  quite  common,  many  of  which  are 

191 

considered to be key sources for aromatic acids. NS is at a rural‐suburban adjoining site, in which the more 

192 

localized anthropogenic sources are fewer. DG, as a suburban site, lies in between.   

193 

By seasonality, the ten aromatic acids separate into two groups. The four phenolic acids form one group, 

194 

exhibiting  the  highest  concentration  in  winter  followed  by  fall,  spring  and  the  lowest  concentration  in 

195 

summer,  in  line  with  that  of  levoglucosan.  Phthalic  acids  and  BTCAs  form  the  second  group,  with  the 

196 

concentrations in fall exceeding the other three seasons, similar to the seasonality of sulfate (Figure 3). The 

197 

seasonality could be attributed to their secondary formation origins. The atmospheric oxidation processes 

198 

are highly effected by physical parameters such as temperature, solar radiation and atmospheric oxidants 

199 

level. In fall, with higher temperature and stronger solar radiation than in winter while fewer rains and more 

200 

pollution precursors in comparison with summer, the oxidation activities in the atmosphere are stronger 

201 

than  the  other  three  seasons,  speeding‐up  the  secondarily  related  formation  processes.  The  largest 

202 

difference  between  fall  and  the  other  three  seasons  occurs  in  NH  specifically,  consistent  with  the  site 

203 

characteristic  of  NH  as  a  severely  polluted  industry  city,  which  supplies  more  hydrocarbon  and  NOx 

204 

precursors to sustain a higher level of atmospheric oxidation.   

205 

3.3. Site by site correlation 

206 

In  order  to  discern  the  relative  strength  of  regional  and  local  factors  that  affect  the  pollutant 

207 

concentrations, a site by site correlation (n=60) was conducted between every pair of the  four sites for 

208 

individual species including PAHs and select major components (i.e., sulfate, K+, OC and EC). The results are 

209 

exhibited in Figure 4, from which we may gain a direct knowledge of pollutants belonging to different spatial 

210 

scales. For those species with good site by site correlations, they are more likely to be transported from 

211 

other places on a regional scale originating from either primary or secondary sources while for those with 

212 

weak site by site correlations, they are more strongly associated with different local sources. 

12   

ACS Paragon Plus Environment

Page 13 of 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

213 

The correlation strength varied among chemical constituents, as expected. The major components (e.g., 

214 

OC, EC, and sulfate) and the two know BB emission markers (i.e., K+, levoglucosan) had strong inter‐site 

215 

correlation (R> 0.5). Among them, sulfate was most tightly correlated amongst the four sampling sites (R: 

216 

0.80‐0.94). Sulfate is known to be a regional pollutant as a result of its secondary formation origin and this 

217 

is confirmed by the tight inter‐site correlations. On the other hand, all PAHs from 3‐ring phenanthrene all 

218 

the way up to 6‐ring benzo[ghi]perylene had highly variable correlations among the sites, ranging from poor 

219 

correlations (R0.68). Such spatial characteristics 

220 

signaled significant influence of local emissions.37, 38   

221 

BTCAs and phenolic acids show relatively good inter‐site correlations (R: 0.58‐0.93) with a little bit of 

222 

fluctuation, illustrating that local and regional sources coexist to some extent. For example, the site by site 

223 

correlation for one of the phenolic acids, 4‐OHBA, ranges from 0.59 to 0.91, which is consistent with the 

224 

other  phenolic  acids  and  levoglucosan  (0.58‐0.82).  It  is  worth  noting  that  m‐/p‐phthalic  acids  are 

225 

moderately inter‐site correlated while o‐phthalic acid shows low inter‐site correlation, further confirming 

226 

that the source characteristics for o‐phthalic acid is more complex than the two isomers. 

13   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry

1.00

Aromatic acids

Major components DG&GZ DG&NH DG&NS GZ&NH GZ&NS NH&NS

0.90

PAHs

0.80 0.70 0.60

R

0.50 0.40 0.30 0.20

227 

K+ Sulfate OC EC Levoglucosan Oxalate

phenanthrene anthracene fluoranthene pyrene cyclopenta[cd]pyrene benzo[c]phenanthrene benz[a]anthracene+chrysene triphenylene benzo[b+k]fluoranthene benzo[a]fluoranthene benzo[e]pyrene benzo[a]pyrene perylene indeno[1,2,3-cd]pyrene benzo[ghi]perylene 1,3,5-TPB

3-OHBA 4-OHBA Syringic acid Vanillic acid

0.00

1,2,3-BTCA 1,2,4-BTCA 1,3,5-BTCA

0.10

o-phthalic acid m-phthalic acid p-phthalic acid

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 14 of 28

 

228  229  230  231 

Figure 4. Inter‐site correlation (R) of ten aromatic acids, PAHs and major compounds. Orange boxes cover  the aromatic acids and major components of PM2.5 and dark blue box covers PAHs. (Reference R range:  ൐0.9 indicates very high correlation; 0.68‐0.9 indicates strong correlation; 0.35‐0.67 indicates moderate  correlation).38 

232 

3.4. Inter‐species correlations 

233 

Table S3 shows the correlation matrix of the ten aromatic acids and a few select aerosol constituents, 

234 

considering all the 240 samples. Figure 5 plots pairs of correlation coefficients, R (X, levoglucosan) and R (X, 

235 

sulfate), where X is an aromatic acid compound or a  select PM2.5 species. Levoglucosan  and sulfate are 

236 

selected  as  characteristic  source  indicators  for  biomass  burning  and  secondary  formation  processes, 

237 

respectively.39‐41 It reveals that the aromatic acids fall into three sub‐groups: (1) The four phenolic acids 

238 

form one group that show common strong correlations with levoglucosan but low correlations with sulfate, 

239 

which  indicates  predominant  BB‐related  origins;  (2)  The  three  phthalic  acids  form  a  group  that  show 

240 

comparable correlations with  both levoglucosan and  sulfate,  suggesting  significant  multiple  sources;  (3) 

241 

The  three  BTCAs  form  a  group  showing  strong  correlations  with  sulfate  but  weak  correlations  with 

242 

levoglucosan, favoring secondary formation sources. The three subgroups are further discussed below in 

243 

greater details. 

244 

3.4.1. Phenolic acids 

245 

Phenolic acids are highly correlated with each other, with correlation coefficient R ranging from 0.86 to the 

14   

ACS Paragon Plus Environment

Page 15 of 28

246 

extremely high value of 0.97 between 3‐OHBA and 4‐OHBA. They are strongly correlated with levoglucosan, 

247 

clearly seen from the scatter correlation plots shown in Figure 5a. Levoglucosan is a specific marker for BB 

248 

emissions since it is abundantly and distinctively produced during pyrolysis of cellulose, which is a linear 

249 

polymer of glucose that widely exists in plant cell walls.39, 42 The strong correlation confirms their origins in 

250 

BB activities.      Vanillic

1.0

Syringic

(a) R (x, levoglucosan)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

(a) Phenolic acids vs levolucosan 4-OHBA

3-OHBA

Syringic acid

Vanillic acid

3-OHBA

0.8

4-OHBA

(b)

0.6

o-phthalic

(b) Phthalic acids vs sulfate o-phthalic acid

m-phthalic acid

p-phthalic acid

m-phthalic p-phthalic

0.4

1,2,3-BTCA (c) BTCAs vs sulfate

(c)

1,2.4-BTCA

0.2

1,2,4-BTCA

1,3,5-BTCA

1,2,3-BTCA

1,3,5-BTCA K+

0.0 0.0

0.2

0.4

0.6

R (x, sulfate)

251 

0.8

1.0

NH4+ oxalate

 

252  253 

Figure 5. Correlations of individual aromatic acids with  sulfate and levoglucosan and  the corresponding  scatter plots of (a): Phenolic acids vs levoglucosan; (b): BTCAs vs sulfate; and (c): phthalic acids vs sulfate.   

254 

While levoglucosan is derived from cellulose, the phenolic acids are structurally linked with lignin, the 

255 

most abundant polymeric aromatic organic substance in the plant world. Lignin is the exclusive material 

256 

basis  for  the  conductive  tissue  of  vascular  plants  for  transporting  water  and  nutrients.  Different  from 

257 

cellulose, lignin is a highly amorphous and branched polymer without any repeating unit.42‐44 The most 

258 

common monomeric unit in lignin is a phenyl‐propanoid unit linked through various ether‐types.43 Figure 6 

259 

shows an example structure of lignin, highlighting in different colors three C9 building units of lignin, namely 

260 

cinnanyl‐phenols (C), vanillyl‐phenols (V), and syringyl‐phenols (S). We can see oxidation degradation acting 

261 

on the C=C bond on the side chain of the three types of phenols would lead to 4‐OHBA, vanillic and syringic 

262 

acids, respectively. Indeed, they have been intensively reported to be major components from breakdown 

263 

of lignin.16‐19, 39, 45, 46 4‐OHBA was also reported to be one of the major organic tracers for smoke emissions 

264 

from burning plastics.47 The strong correlation of 4‐OHBA with 1,3,5‐triphenylbenzene (TPB, tracer for trash 

265 

burning) observed in this study (R: 0.70) indicates burning plastics is likely a significant source for 4‐OHBA 

266 

in this region. 

15   

ACS Paragon Plus Environment

ACS Earth and Space Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 16 of 28

267 

We could not identify a lignin building block that has the hydroxyl and carboxyl groups in meta‐position, 

268 

as  that  of  3‐OHBA;  however,  the  excellent  correlation  between  3‐OHBA  and  4‐OHBA  (R:  0.97)  strongly 

269 

suggests 3‐OHBA is derived from BB origin as well. Some literature also identified 3‐OHBA as BB product. 

270 

For example, Pietrogrande et al.48 reported a 3‐OHBA to 4‐OHBA ratio ranging from 0.62‐0.91 in different 

271 

sampling  periods  from  2011‐2014  in  urban  Bologna  and  rural  San  Pietro  Capofiume;  Decesari  et  al.49 

272 

reported the ratio to be 0.09‐0.22 in dry season, 0.08‐0.17 in transition season, and 0 in wet season in 

273 

Rondonia, Brazil. In our work, the 3‐OHBA to 4‐OHBA ratio was averaged at 0.34.   

C9 units Cinnamyl

Vanillyl

Syringyl

OH OMe

OH

4-OHBA Vanillic acid

274 

Syringic acid

 

275  276 

Figure 6. Example chemical structure of lignin and its three C9 units: cinnanyl‐phenol (red) vanillyl‐phenol  (blue), and syringyl‐phenol (green).   

277 

The relative proportions of the three phenol groups (C, V, and S) convey additional source information. 

278 

The  lignin  compositions  of  the  two  most  abundant  vascular  plants  i.e.,  softwood  and  hardwood  are 

279 

characteristically different.50 The ratios of lignin tracers (i.e., the phenols) are specific to vegetation types 

280 

or different taxonomical groups of plant. In particular, vanillyl‐phenols (V) are produced in all vascular plants 

281 

and serve as the reference for discrimination between vascular and non‐vascular plant. Syringyl‐phenols (S) 

282 

are produced exclusively in hardwood tissues although trace levels are found in softwood tissues in a few 

283 

exception cases. As a result, S/V >1 is applied to distinguish hardwood from softwood.51 Cinnamyl‐phenols 

284 

(C) are present in non‐woody tissues, therefore the C/V ratio is used to estimate the contributions from the 

285 

burning of non‐woody vegetation (e.g., crops).52 Figure 7 plots the distributions of the index phenol ratios 

286 

to distinguish biomass fuel types and the frequency distribution of C/V values. The S/V ratio averages at 

287 

0.86 and ranges from 0‐2.0, which is consistent with other similar measurements reporting S/V ratios in the 

288 

range of 0‐4.50 The S/V ratios more or less evenly distributed on both sides of the S/V =1 boundary line,  16   

ACS Paragon Plus Environment

Page 17 of 28

289 

indicating that BB fuels in the PRD region are a mixture of both hardwood and softwood. The C/V ratio 

290 

measured for hardwood was reported to approach zero and less than 0.25 for softwood and this ratio was 

291 

larger  for  non‐woody  plants  (0.5‐2).50,  52  In  comparison,  the  C/V  ratio  in  our  samples  (2.69±1.08)  is 

292 

significantly larger, revealing the high load of non‐woody plants burning, which could be attributed to crop 

293 

residue burning. Crops such as rice and wheat are major crops in the PRD and its upwind areas. These crop 

294 

straws are considered non‐woody plants and their burning at the end of harvest season were common.    2.5

From source studies 2.0

S/V Distribution

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Earth and Space Chemistry

1.5

Hardwood

Hardwood

0.443

1.0

Softwood Non-woody

Softwood

0.206

0.202

0.5

0.074

0.044

0.013 0.018

0.0 0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

C/V Distribution

295 

5-6

6-7

 

296  297  298  299  300  301  302 

Figure  7.  Distributions  of  characteristic  lignin  phenol  ratios,  syringyl‐  to  vanillyl‐phenols  (S/V)  versus  cinnamyl‐  to  vanillyl‐phenols  (C/V)  and  the  frequency  distribution  of  C/V  values  in  our  samples.  The  numbers  above  each  column  denotes  the  frequency  of  occurrence  from  corresponding  range.  S/V>1  denotes hardwood and S/V