碳-14示踪法研究十溴联苯醚在土壤和土壤动物中的转化和归趋

摘要

十溴联苯醚(Deca-BDE)是目前广泛使用的一种溴代阻燃剂，在环境中的检出频率和浓度呈逐年上升趋势，所导致的环境污染问题倍受关注，已成为一种新型有机污染物。全面认识Deca-BDE在环境介质中及生物体中的降解、转化、蓄积、残留规律，是正确认识和科学评价其环境行为与环境风险性的基础，而上述科学问题的诠释需要依赖同位素标记化合物及其相应的示踪技术。然而，目前因缺乏标记化合物制约了相关研究的深入开展。本论文在合成示踪剂14C-Deca-BDE的基础上，采用碳-14示踪法系统研究了Deca-BDE在土壤和土壤动物中的转化和归趋。为完整和正确的评价十溴联苯醚在环境中的风险提供依据。
　　(1)利用放射性14C标记苯酚作为原料，优化放射性中间产物二苯醚和放射性标记14C-Deca-BDE的合成路线及方法。其中，放射性中间产物标记二苯醚的最佳投料量为碳酸铯(5.66g，17.37mmol)、溴化亚铜(0.1478g，1.03mmol)，2-环己酮甲酸乙酯(0.3311g，9.73mmol)、碘苯(1.699g，8.32mmol)和非标记苯酚(0.7301g，7.7mmol)，标记苯酚(24.096mg,0.251mmol)，最终获得放射性中间产物二苯醚1.0177g。并利用放射性中间产物最终合成目标化合物14C-Deca-BDE，其最佳投料量为标记中间产物二苯醚0.5311g、溴素3ml、二氯化碳3.5mL、三氯化铝0.25g、反应时间为7h，最终获得14C-Deca-BDE2.0788g。并通过GC-MS、红外和HPLC-LSC等定性定量手段，测定标记化合物的结构、化学纯度(98.4％)、放射性纯度(98.6％)和比活度为(1.25mCi/mmol)。
　　(2)充分发挥同位素示踪技术的独特优势，从质量平衡和示踪动力学角度，综合考量Deca-BDE在土壤中的可提残留量、结合残留量和矿化动态规律。研究表明:在130d的培养周期内，Deca-BDE在不同土壤类型、活性污泥改性土壤及灭菌土壤中很难降解、不易矿化，属于典型的持久性有机污染物;其中，结合态残留和可提态残留在中性土壤黄泥田土(S-3)中分别为97.4％和2.6％;在酸性土壤红砂田土(S-1)中分别为99.65％和0.35％;在碱性土壤淡涂泥田土(S-4)中分别为1.3％和98.7％;在灭菌活性污泥（添加比例为5％-20％）改性黄松土(S-2)中分别为0.79％-98.87％和1.13％-3.21％;在非灭菌活性污泥添加的改性黄松土(S-2)（灭菌和非灭菌）中分别为98.36％-98.53％和1.47％-1.64％;灭菌和非灭菌的黄松土(S-2)分别为98.4％-98.7％以及1.3％-1.6％。通过多组实验阐明了Deca-BDE在土壤中的残留主要以可提态形式存在，结合态残留不足4％，且结合态残留的形成量随着土壤中有机质含量和活性污泥添加而上升。进一步分析可提态残留中的成分可知，土壤和活性污泥中的微生物并不是十溴联苯醚降解的主要因素。
　　(3)实验分别从某地污水处理厂和电子拆解厂以及农田中采集活性污泥和土壤样品，从中富集、筛选出CZ-1、PT-12和HZ-4三株降解菌，并在20mg/L的条件下分别测定其降解率分别为11.0％、15.82％和21.04％，故选用HZ-4(Rhodococcus erythropoli)（重新命名为HNS209-1）作为研究对象，进行下一步研究。选取34种代表性药物对其耐药性进行检测,结果表明;菌株HNS209-1对11种药物较为敏感;对21种药物具有一定的耐药性;仅对两种药物有较强的耐药性，且不会对异育银鲫产生生物毒性。将十溴联苯醚在添加到好氧土壤中发现，菌株的添加导致黄松土(S-2)的结合残留从0.45％上升到1.75％，但并没有促进十溴联苯醚在好氧土壤中的降解。
　　(4)进一步将菌株添加到土壤-蚯蚓的生物系统中，以研究降解菌株对于蚯蚓以及土壤中十溴联苯醚的影响。实验表明在35天的培养周期内十溴联苯醚没有发生显著地降解。在添加有蚯蚓的土壤中十溴联苯醚的结合残留＜2.5％，仍显著地高于不加蚯蚓的土壤。在所有处理中土壤中的十溴联苯醚均会被蚯蚓吸收，但由于蚯蚓生物富集系数值较小(BSAF≤0.31)，其体内十溴联苯醚不会进行生物富集。此外，通过放射自显影技术对蚯蚓体内吸收的十溴联苯醚的分布作出研究发现其分布规律为砂囊＞消化系统＞头部＞尾巴＞体壁。且十溴联苯醚降解菌株HNS209-1并没有显著地影响蚯蚓的生物富集和土壤中十溴联苯醚的环境行为。另值得注意的是，蚯蚓所吸收十溴联苯醚总量的近三分之一是以结合态残留形式存在于体内，该结果证实了以可提态为基础的传统研究严重低估了十溴联苯醚在蚯蚓体内的真实浓度，换言之，传统的基于可提态的生物富集和环境评价手段急需进一步改进，且存在于蚯蚓肠道中的十溴联苯醚的含量需要引起足够的重视。

目录

声明

论文说明

致谢

术语与缩略语表

摘要

第一章 文献综述

1 多溴联苯醚概述

1．1 多溴联苯醚概述

1．2 PBDEs种类及使用情况

1．3 PBDEs的毒性

2 多溴联苯醚的环境行为

2．1 空气中的环境行为

2．2 水体中的环境行为

2．3 沉积物中的环境行为

2．4 土壤中的环境行为

2．5 生物体分布

3 同位素示踪技术在环境领域的应用

3．1 同位素示踪技术概述

3．2 放射性同位素示踪剂合成

3．3 同位素示踪在环境中的应用

3．4 同位素示踪技术在代谢中的应用

4 十溴联苯醚的生态风险评价研究进展

4．1 十溴联苯醚的使用和环境赋存情况

4．2 十溴联苯醚环境降解行为研究进展

4．3 十溴联苯醚的环境风险评价

4．4 十溴联苯醚毒理学研究进展

5 选题依据及研究意义

第二章 14C-Deca-BDE的合成

1 材料与方法

1．1 实验材料

1．2 主要仪器

2 实验方法

2．1 主要化学反应式

2．2 反应装置及步骤

2．3 二苯醚的结构鉴定

2．4 十溴联苯醚的放射性纯度鉴定

3 结果与讨论

3．1 二苯醚反应条件优化和鉴定

3．2 二苯醚结构和鉴定

3．3 十溴联苯醚反应条件的优化

3．4 十溴联苯醚反应条件的结构鉴定

3．5 十溴联苯醚化学和放射性纯度

4 小结

第三章 十溴联苯醚在土壤中的环境行为和归趋

1 材料与方法

1．1 实验材料

1．2 标记化合物

1．3 供试土壤

1．4 主要仪器

2 实验方法

2．1 土壤培养

2．2 活性污泥添加实验

2．3 样品提取

2．4 HPLC样品预处理

2．5 HPLC-LSC分析

2．6 数据分析

3 结果与讨论

3．1 十溴联苯醚在不同土壤中的环境行为

3．2 土壤和活性污泥微生物对十溴联苯醚在土壤中的环境行为的影响

3．3 活性污泥添加量对十溴联苯醚在土壤中的环境行为的影响

4 小结

第四章 十溴联苯醚降解菌的筛选和土壤环境行为影响

1 实验材料

1．1 试剂

1．2 标记化合物

1．3 培养基

1．4 溶液和缓冲液

1．5 供试土壤

1．6 主要仪器

2 实验方法

2．1 十溴联苯醚母液的制备

2．2 降解菌富集、筛选和分离纯化

2．3 高效降解菌的鉴定

2．4 菌株特性和毒性研究

2．5 土壤处理

2．6 十溴联苯醚的萃取

2．7 HPLC-LSC分析

2．8 十溴联苯醚降解率计算

3 结果与讨论

3．1 十溴联苯醚提取率的测定

3．2 十溴联苯醚降解菌的筛选及鉴定

3．3 十溴联苯醚降解菌株研究

3．4 十溴联苯醚降解菌株土壤行为研究

4 小结

第五章 十溴联苯醚在土壤和土壤动物中的转化归趋

1 实验材料

1．1 标记化合物

1．2 供试土壤

1．3 实验动物

1．4 微生物和溶液培养基

1．5 主要仪器

2 实验方法

2．1 蚯蚓染毒实验

2．2 土壤处理

2．3 土壤样品提取

2．4 蚯蚓提取

2．5 HPLC-LSC分析

2．6 放射自显影

2．7 分析和拟合

3 结果与讨论

3．1 十溴联苯醚在土壤中的降解和矿化

3．2 蚯蚓和菌株对十溴联苯醚降解的作用

3．3 土壤中十溴联苯醚的结合残留

3．4 蚯蚓体内的生物富集

3．5 蚯蚓体内可提态和结合态

3．6 蚯蚓富集规律和系数

3．7 十溴联苯醚在蚯蚓体内分布

4 小结

第六章 结论与展望

1 主要结论

2 论文主要创新点

3 研究展望

参考文献

博士期间发表的主要论文