Organic nitrogen in PM_2.5 in Beijing

Abstract

Nitrogenous species, as important chemical components in PM_2.5, include organic nitrogen (ON) and inorganic nitrogen (IN), both of which have potential effects on human health, climate change and visibility degradation. In this study, we analyzed total nitrogen (TN) by CHN Elemental analyzer and inorganic nitrogen by ion chromatography (IC) respectively to obtain ON by calculating the difference between TN and IN. The results show that the mean ON concentrations in winter and summer are both 2.86 μg·m⁻³, ten times higher than other places reported on average. ON contributes about 20%–30% to TN on average in both seasons, presenting higher contribution in summer. N:C ratios are much higher in summer than winter. ON sources or formation were strengthened by heavy PM_2.5 pollution loads, especially sensitive to sulfate. ON concentrations are higher at night in the both seasons, however with distinguished day and night difference patterns influenced by relative humidity (RH) conditions. In winter, ON concentrations increase with RH on average through low RH values to high RH values. The variations are far larger than the ones caused by day and night difference. However in summer, day and night difference dominates the variations of ON concentrations at low RH values, and RH conditions promote ON concentrations increase significantly only at high RH values. Dust related source and anthropogenic emission related secondary source are identified as important sources for ON. At heavy pollution loads, ON sources are more of secondary formation, possibly strengthened by combination influence of RH and acidity increase.

Keywords

organic nitrogen / N:C ratio / secondary / day and night variation / relative humidity (RH) / acidity

References

[1] Yang F, Tan J, Zhao Q, Du Z, He K, Ma Y, Duan F, Chen G, Zhao Q. Characteristics of PM_2.5 speciation in representative megacities and across China. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011, 11(11): 5207–5219

[2] He K, Yang F, Ma Y, Zhang Q, Yao X, Chan C K, Cadle S, Chan T, Mulawa P. The characteristics of PM_2.5 in Beijing, China. Atmospheric Environment, 2001, 35(29): 4959–4970

[3] Cape J N, Cornell S E, Jickells T D, Nemitz E. Organic nitrogen in the atmosphere—Where does it come from? A review of sources and methods. Atmospheric Research, 2011, 102(1−2): 30–48

[4] Qiu C, Zhang R. Multiphase chemistry of atmospheric amines. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15(16): 5738–5752

[5] Özel M Z, Hamilton J F, Lewis A C. New sensitive and quantitative analysis method for organic nitrogen compounds in urban aerosol samples. Environmental Science & Technology, 2011, 45(4): 1497–1505

[6] Seitzinger S P, Sanders R W. Atmospheric inputs of dissolved organic nitrogen stimulate estuarine bacteria and phytoplankton. Limnology and Oceanography, 1999, 44(3): 721–730

[7] Jickells T, Baker A R, Cape J N, Cornell S E, Nemitz E. The cycling of organic nitrogen through the atmosphere. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 2013, 368(1621): 20130115

[8] Kanakidou M, Duce R A, Prospero J M, Baker A R, Benitez-Nelson C, Dentener F J, Hunter K A, Liss P S, Mahowald N, Okin G S, Sarin M, Tsigaridis K, Uematsu M, Zamora L M, Zhu T. Atmospheric fluxes of organic N and P to the global ocean. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(3): GB3026

[9] Cornell S E. Atmospheric nitrogen deposition: revisiting the question of the importance of the organic component. Environmental Pollution, 2011, 159(10): 2214–2222

[10] Zhang Q, Anastasio C. Chemistry of fog waters in California<?Pub Caret?>’s Central Valley—Part 3: concentrations and speciation of organic and inorganic nitrogen. Atmospheric Environment, 2001, 35(32): 5629–5643

[11] Ge X L, Wexler A S, Clegg S L. Atmospheric amines—Part I. A review. Atmospheric Environment, 2011, 45(3): 524–546

[12] Miyazaki Y, Kawamura K, Sawano M. Size distributions of organic nitrogen and carbon in remote marine aerosols: Evidence of marine biological origin based on their isotopic ratios. Geophysical Research Letters, 2010, 37(6): L06803

[13] Russell K M, Keene W C, Maben J R, Galloway J N, Moody J L. Phase partitioning and dry deposition of atmospheric nitrogen at the mid-Atlantic U.S. coast. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2003, 108(D21): 4656, ACH-1–1-ACH-1–16

[14] Zhang Q, Anastasio C. Conversion of fogwater and aerosol organic nitrogen to ammonium, nitrate, and NO_x during exposure to simulated sunlight and ozone. Environmental Science & Technology, 2003, 37(16): 3522–3530

[15] Bruns E A, Perraud V, Zelenyuk A, Ezell M J, Johnson S N, Yu Y, Imre D, Finlayson-Pitts B J, Alexander M L. Comparison of FTIR and particle mass spectrometry for the measurement of particulate organic nitrates. Environmental Science & Technology, 2010, 44(3): 1056–1061

[16] Rollins A W. Formation mechanisms and quantification of organic nitrates in atmospheric aerosol. Dissertation for the Doctoral Degree. Berkeley: UC Berkeley, 2010

[17] Day D A, Wooldridge P J, Dillon M B, Thornton J A, Cohen R C. A thermal dissociation laser-induced fluorescence instrument for in situ detection of NO₂, peroxy nitrates, alkyl nitrates, and HNO₃. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2002, 107(D6): 4046, ACH 4–1-ACH 4–14

[18] Rollins A W, Browne E C, Min K E, Pusede S E, Wooldridge P J, Gentner D R, Goldstein A H, Liu S, Day D A, Russell L M, Cohen R C. Evidence for NO_x control over nighttime SOA formation. Nature, 2012, 337(6099): 1210–1212

[19] Day D A, Dillion M B, Wooldridge P J, Thornton J A, Rosen R S, Wood E C, Cohen R C. On alkyl nitrates, O₃, and the “missing NO_y”. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2003, 108 (D16): 4501, ACH-7–1-ACH-7–10

[20] Nakamura T, Ogawa H, Maripi D K, Uematsu M. Contribution of water soluble organic nitrogen to total nitrogen in marine aerosols over the East China Sea and western North Pacific. Atmospheric Environment, 2006, 40(37): 7259–7264

[21] Zhang Y, Zheng L, Liu X, Jickells T, Neil Cape J, Goulding K, Fangmeier A, Zhang F. Evidence for organic N deposition and its anthropogenic sources in China. Atmospheric Environment, 2008, 42(5): 1035–1041

[22] Duan F, Liu X, He K, Dong S. Measurements and characteristics of nitrogen-containing compounds in atmospheric particulate matter in Beijing, China. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2009, 82(3): 332–337

[23] Shi J, Gao H, Qi J, Zhang J, Yao X. Sources, compositions, and distributions of water-soluble organic nitrogen in aerosols over the China Sea. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2010, 115(D17): D17303

[24] Cheng Y, He K B, Duan F K, Du Z Y, Zheng M, Ma Y L. Ambient organic carbon to elemental carbon ratios: influence of the thermal-optical temperature protocol and implications. Science of the Total Environment, 2014, 468−469: 1103–1111

[25] Miyazaki Y, Fu P, Ono K, Tachibana E, Kawamura K. Seasonal cycles of water-soluble organic nitrogen aerosols in a deciduous broadleaf forest in northern Japan. Journal of Geophysical Research, D, Atmospheres, 2014, 119(3): 1440–1454

[26] Rastogi N, Zhang X, Edgerton E S, Ingall E, Weber R J. Filterable water-soluble organic nitrogen in fine particles over the southeastern USA during summer. Atmospheric Environment, 2011, 45(33): 6040–6047

[27] de Haan D O, Corrigan A L, Smith K W, Stroik D R, Turley J J, Lee F E, Tolbert M A, Jimenez J L, Cordova K E, Ferrell G R. Secondary organic aerosol-forming reactions of glyoxal with amino acids. Environmental Science & Technology, 2009, 43(8): 2818–2824

[28] Lim Y B, Ziemann P J. Kinetics of the heterogeneous conversion of 1,4-hydroxycarbonyls to cyclic hemiacetals and dihydrofurans on organic aerosol particles. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, 11(36): 8029–8039

[29] Wang X, Gao S, Yang X, Chen H, Chen J, Zhuang G, Surratt J D, Chan M N, Seinfeld J H. Evidence for high molecular weight nitrogen-containing organic salts in urban aerosols. Environmental Science & Technology, 2010, 44(12): 4441–4446

[30] Sun Y, Wang Z, Fu P, Jiang Q, Yang T, Li J, Ge X. The impact of relative humidity on aerosol composition and evolution processes during wintertime in Beijing, China. Atmospheric Environment, 2013, 77: 927–934

[31] Neff J, Holland E, Dentener F, Mcdowell W, Russell K. The origin, composition and rates of organic nitrogen deposition: A missing piece of the nitrogen cycle? Biogeochemistry, 2002, 57−58(1): 99–136

[32] Aiken A C, Decarlo P F, Kroll J H, Worsnop D R, Huffman J A, Docherty K S, Ulbrich I M, Mohr C, Kimmel J R, Sueper D, Sun Y, Zhang Q, Trimborn A, Northway M, Ziemann P J, Canagaratna M R, Onasch T B, Alfarra M R, Prevot A S H, Dommen J, Duplissy J, Metzger A, Baltensperger U, Jimenez J L. O/C and OM/OC ratios of primary, secondary, and ambient organic aerosols with high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometry. Environmental Science & Technology, 2008, 42(12): 4478–4485

[33] Fry J L, Draper D C, Zarzana K J, Campuzano-Jost P, Day D A, Jimenez J L, Brown S S, Cohen R C, Kaser L, Hansel A, Cappellin L, Karl T, Hodzic Roux A, Turnipseed A, Cantrell C, Lefer B L, Grossberg N. Observations of gas- and aerosol-phase organic nitrates at BEACHON-RoMBAS 2011. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, 13(17): 8585–8605

[34] Galloway M M, Chhabra P S, Chan A W H, Surratt J D, Flagan R C, Seinfeld J H, Keutsch F N. Glyoxal uptake on ammonium sulphate seed aerosol: reaction products and reversibility of uptake under dark and irradiated conditions. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009, 9(10): 3331–3345

[35] Ervens B, Volkamer R. Glyoxal processing by aerosol multiphase chemistry: towards a kinetic modeling framework of secondary organic aerosol formation in aqueous particles. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010, 10(17): 8219–8244

[36] Walsh M P. PM_2.5: global progress in controlling the motor vehicle. Frontiers of Environment Science and Engineering, 2014, 8(1): 1–17

Acknowledgements

This work was supported by the National Science and Technology Support Program of China (No. 2014BAC22B01), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21107061 and 21190054), and the Fund of Japan International Cooperation Agency (JICA). Authors also thank to Energy Saving and Pollution control Association of East Asia (ESPA), for their helps to the management of the field observation program.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg