土壤中持久性有机污染物生物可利用性的预测及其生物降解的促进方法

摘要

微生物修复技术以其成本低、二次污染少等优点，已成为持久性有机污染物(POPs)污染土壤修复的主要手段之一。由于多环芳烃(PAHs)和有机氯农药(OCPs)等POPs与土壤之间较强的疏水相互作用，使得部分POPs难以从土壤表面脱附进入水相而被微生物充分降解利用。且由于POPs与不同土壤之间相互作用的强度不同，使得不同土壤中POPs的生物可利用性存在较大差异，这就导致对不同污染土壤中POPs存在的生态风险难以衡量，对生物修复的可行性难以判断。因此，有效评价土壤中POPs的生物可利用性，并采取措施促进POPs的生物降解是目前土壤生态风险评估和土壤修复领域的研究热点和难点。
　　相关研究中发现，羟丙基-β-环糊精(HPCD)水溶液对土壤中四环以下PAHs的萃取量可以反映出PAHs与土壤之间的相互作用强弱，并可预测PAHs在土壤中的生物可利用性。但当将HPCD萃取法用于不同种类的土壤时，其对PAHs生物可利用性的预测效果存在一定程度的偏差。由于有机质是土壤中限制POPs生物可利用性的主要组分，有机质的组成及其对污染物吸附能力的差异对HPCD萃取法对POPs生物可利用性预测能力的影响仍有待进一步研究。此外，环糊精对POPs的增溶作用使其有潜力作为添加剂促进POPs的生物降解，环糊精能否促进不同POPs的生物降解仍有待进一步验证。因此，本论文一方面以土壤/沉积物的有机质各组分为研究对象，旨在考察土壤中限制POPs生物可利用性及影响HPCD萃取法对POPs生物可利用性预测能力的主要因素，并进一步考察HPCD萃取法对不同种类POPs及POPs混合污染体系中POPs生物可利用性的预测能力;另一方面通过考察环糊精对不同POPs分子的包结能力，探讨环糊精对不同POPs生物降解的影响。为预测土壤中POPs的生态风险、评估不同POPs污染土壤的生物修复的可行性以及提高POPs污染土壤的生物修复效率提供理论依据。主要研究内容和结果如下:
　　(1)以菲为模式污染物，从七种不同来源的土壤/沉积物中提取得到有机质组分胡敏素及胡敏酸，通过HPCD萃取实验和微生物降解实验，比较了不同有机质中菲的生物可利用性，并考察了不同有机质对HPCD萃取法预测菲生物可利用性准确程度的影响。结果表明，与原土壤/沉积物和胡敏酸相比，胡敏素对菲的吸附能力最强，其吸附的菲最难被HPCD萃取，且对菲生物可利用性的限制程度最大。对于土壤/沉积物及其胡敏素，HPCD萃取率与菲的生物降解率线性相关，且两者表现出近似1∶1的关系。这说明了HPCD萃取法准确的预测不同土壤/沉积物及其胡敏素中菲的生物可利用性。对于胡敏酸，七种胡敏酸中菲的生物降解率均在90％以上，菲的生物降解率显著高于HPCD对菲的萃取率，这表明胡敏酸中一部分处于吸附态的菲可能被降解菌直接利用，而土壤中过量胡敏酸的存在可能会影响到HPCD对于预测菲生物可利用性的准确性。
　　(2)为了判断HPCD萃取法能否用于预测不同POPs分子在土壤中的生物可利用性，分别考察了HPCD对土壤中不同PAHs和DDTs的萃取率与其生物降解率之间的相关性。结果发现，在5种PAHs混合物的污染土壤中，HPCD对芴、菲、荧蒽和芘的萃取率与其在土壤中的生物降解率接近1∶1的关系，而HPCD对蒽的萃取率显著高于蒽的生物降解率;在DDTs污染土壤中，HPCD对p，p'-DDT和o，p'-DDT的萃取率与其生物降解率呈现出近似1∶1的关系，而HPCD对p，p'-DDD和p，p'-DDE的萃取率均显著高于其生物降解率。此结果表明HPCD萃取法对不同POPs的生物可利用性预测的准确性还受不同POPs分子性质差异的影响。
　　(3)以菲为模式污染物，以非水相流体（十六烷和邻苯二甲酸二辛酯）为模拟体系，通过计算机分子模拟和实验相结合的手段分别考察β-环糊精(β-CD)和HPCD对非水相流体中菲的萃取能力及其对菲生物降解的影响。结果表明，环糊精可以有效的将菲从非水相流体中萃取进入水相，并促进了其中菲的生物降解。相同浓度的HPCD和β-CD，HPCD对菲生物降解的促进效果优于β-CD，这源于HPCD对菲较高的结合常数。不同浓度的环糊精对非水相流体中菲的萃取量与菲的生物降解速率呈现正相关，这表明环糊精对菲生物降解的促进主要源于其大大的促进了菲从非水相流体向水相中的分配。
　　(4)分别在水相和土壤体系下考察了HPCD对PAHs和DDTs生物降解的影响。在水相降解体系中，HPCD加入使5种PAHs混合物中芴、菲、荧蒽和芘完全降解所需时间由7天缩短为5天，而蒽的生物降解率由63％提高到75％。在老化20天的土壤中，HPCD的加入仅能显著提高水溶性最低的蒽的生物可利用性(p＜0.05);而对于老化100天的土壤，HPCD的加入可以显著提高蒽、荧蒽和芘的生物可利用性(p＜0.05)。两种老化时间下，HPCD对芴和菲的生物降解率均没有显著的影响。这表明HPCD的加入能否提高土壤中PAHs的生物可利用性主要受到PAHs的疏水性和老化时间的影响。HPCD的加入使水相体系中4种DDTs的生物降解率降低了30％～50％，且HPCD的加入使土壤中4种DDTs的降解率均有显著的降低(p＜0.05)，这表明HPCD抑制了DDTs的生物降解。分析其原因可能为，与PAHs相比，HPCD对DDTs较高的结合常数使得与HPCD结合的DDTs难于被降解菌利用。

目录

声明

摘要

主要符号表

英文缩写说明

1 绪论

1.1 问题提出与研究意义

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 持久性有机污染物的概述

1.2.2 土壤中的POPs污染现状

1.2.3 POPs污染土壤修复技术

1.2.4 影响POPs污染土壤微生物修复的因素

1.2.5 环糊精的性质及其在土壤修复中的应用

1.3 本文主要研究思路与内容

2 不同有机质对菲生物可利用性预测的影响

2.1 引言

2.2 实验材料及方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 土壤的选取

2.2.3 胡敏素和胡敏酸的分离

2.2.4 吸附等温线的测定

2.2.5 土壤／沉积物及其胡敏素和胡敏酸中菲的老化样品制备

2.2.6 HPCD对吸附态菲的萃取

2.2.7 吸附态菲的生物降解

2.2.8 脱矿胡敏素中菲的吸附、HPCD萃取及生物降解

2.2.9 菲的定量方法

2.3 结果和讨论

2.3.1 胡敏素和胡敏酸对菲的吸附规律

2.3.2 HPCD对胡敏素、胡敏酸及原土壤／沉积物中菲的萃取

2.3.3 胡敏素、胡敏酸及原土壤／沉积物中菲的生物降解

2.3.4 菲的HPCD萃取率与生物降解率之间的关系

2.3.5 脱除矿物质对胡敏素中菲的吸附、HPCD萃取及生物降解的影响

2.4 本章小结

3 HPCD萃取法对土壤中PAHs生物可利用性的预测

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 HPCD对PAHs的增溶实验

3.2.3 PAHs污染土壤的制备与老化

3.2.4 HPCD对土壤中PAHs的萃取

3.2.5 土壤中PAHs的生物降解

3.2.6 PAHs的定量方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 HPCD对五种PAHs的增溶能力比较

3.3.2 HPCD对土壤中PAHs的萃取

3.3.3 土壤中PAHs的生物降解

3.3.4 HPCD对PAHs的萃取率与PAHs生物降解率之间的关系

3.4 本章小结

4 HPCD萃取法对土壤中DDTs生物可利用性的预测

4.1 引言

4.2 实验材料及方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 HPCD对DDT、DDD及DDE的增溶实验

4.2.3 DDTs污染土壤的制备及老化

4.2.4 HPCD对土壤中DDTs的萃取

4.2.5 土壤中DDTs的生物降解实验

4.2.6 DDT、DDD及DDE的定量检测

4.3 实验结果和讨论

4.3.1 HPCD对不同DDTs的增溶能力比较

4.3.2 HPCD对土壤中DDTs的萃取

4.3.3 土壤中DDTs的生物降解

4.3.4 HPCD对土壤中DDTs萃取率与DDTs生物降解率之间的关系

4.4 本章小结

5 环糊精对非水相流体中菲生物降解的影响

5.1 引言

5.2 实验材料及方法

5.2.1 实验材料

5.2.2 平衡分配实验

5.2.3 菲的定量方法

5.2.4 环糊精对菲结合常数的测定

5.2.5 菲降解菌的培养和降解体系的制备

5.2.6 分子对接(Docking)方法考察环糊精与菲及NAPLs的相互作用

5.3 结果与讨论

5.3.1 环糊精对NAPL中菲的萃取

5.3.2 环糊精对NAPL-水体系中菲生物降解的影响

5.3.3 环糊精对菲的萃取能力与菲生物降解速率之间的关系

5.4 本章小结

6 HPCD对PAHs和DDTs生物降解的影响

6.1 引言

6.2 材料和方法

6.2.1 实验材料

6.2.2 水相体系中PAHs和DDTs的生物降解

6.2.3 土壤体系中PAHs和DDTs的生物降解

6.2.4 PAHs和DDTs的定量方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 HPCD的加入对PAHs生物降解的影响

6.3.2 HPCD对DDTs生物降解的影响

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点摘要

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

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