土壤沉积物—生物系统多环芳烃生物地球化学过程.doc

土壤沉积物生物系统多环芳烃生物地球化学过程【摘要】：多环芳烃(PAHs)作为一种典型的持久性有机污染物(POPs),在世界各种生态系统多介质中被广泛检出。土壤/沉积物作为PAHs的主要汇集和累积场所,而生长于土壤/沉积物上的各种生物是PAHs进入食物网累积,并发生迁移、转化的关键介质。因此,深入开展本项研究不仅对丰富PAHs生物地球化学研究内容具有重要的理论意义,而且可为提高生态和健康风险评价准确度和控制陆地生态系统PAHs污染提供重要科学依据。本研究选择典型土壤/沉积物生物系统,通过实地资料收集与室内分析与模拟相结合的方法,联合环境地球化学、土壤学、与生物学等学科,研究了典型土壤/沉积物生物系统中PAHs的累积、迁移与降解机制与影响因素。土壤植物系统选择植物为优势生物的土壤水稻系统为例,研究结果显示,上海市周边水稻田表层土壤(0-10cm)TPAHs含量水平空间差异很大。稻田表层土壤中5环和6环的高环PAHs占优势地位,约为43.4%,比例最小的化合物为2环和3环的低环PAHs,仅占总量的18.5%。表层土壤中PAHs总量、高、中、低环化合物和土壤理化性质之间均没有明显的相关关系。农田水稻植物体累积PAHs的途径主要为叶片吸附和吸收大气中的PAHs。稻根从土壤中获取PAHs也是水稻累积PAHs的一个重要途径。籽和茎主要依赖叶片与根部获取PAHs。TPAHs总量的根累积因子为0.050.08,PAH化合物根累积因子为00.41。说明上海农田水稻根系未发现从土壤中富集放大PAHs的现象。无论水稻种植前后,PAHs总量和化合物在土壤中的垂直分布都具有向下逐渐递减的趋势,而且自土壤表层向亚表层迅速减少,60cm以下变化较小,趋于稳定。水稻种植可以使土壤中PAHs含量明显降低。除萘外,菲和中、高环PAH化合物均在水稻种植后出现亚表层(10-20cm)截存富集现象。稻田土壤低环PAH化合物表现为随深度增加所占比例逐渐增大的规律,而中、高环PAH化合物则显示出相反的趋势。SOC(土壤有机碳)是影响土壤PAHs累积与迁移的关键因素,而BC(碳黑)重要性远小于SOC。相对富集系数计算结果显示,水稻种植前PAHs在土壤剖面中出现了隔层相对富集的现象,水稻种植后PAHs在土壤剖面中的相对富集系数与种植前有很大差异,表明水稻种植能够有效去除土壤剖面中PAHs,影响PAHs垂直变化。另外,水稻种植前后土壤剖面PAHs相对富集系数与1gk_(OW)相关性均不明显,表明PAHs自身理化性质对其迁移特征影响较弱,其他作用机制(如淋溶、扰动等)影响较强。沉积物动物系统选择动物为优势生物的冬季潮滩沉积物底栖动物系统为例,研究结果表明,长江口滨岸边滩表层沉积物中TPAHs总量为87.71851.0ngg(-1),平均值为599.7ngg(-1),具有从长江口内向口外逐渐减少的趋势。边滩表层沉积物中环和高环PAH化合物占优势地位。崇明表层沉积物TPAHs含量表现为中潮滩高潮滩低潮滩的特征,且低环化合物占绝对优势,与边滩表层沉积物形成鲜明对比,高环化合物所占比例自高潮滩向低潮滩逐渐减少。表层沉积物理化性质中SOC是控制PAHs累积与迁移最重要的影响因素。来源辨析结果表明边滩表层沉积物PAHs主要来源于不完全燃烧,崇明低潮滩显示出较强的石油类产品泄漏来源的特征。长江口潮滩底栖动物中BLG弹涂鱼TPAHs含量最高,达到891.0ngg(-1),CM中潮滩蟹体内TPAHs含量最低,为36.1ngg(-1),表现出营养级放大效应。所有底栖动物体内累积的低环PAH化合物占有绝对统治地位,且所有动物体内均未检测到4环PAH化合物,仅在部分样品中有少量高环PAH化合物检出。脂含量是影响PAHs在底栖动物体内累积的关键因素。长江口滨岸潮滩动物体PAHs的含量水平与BSAF并没有随沉积物PAHs含量、SOC的变化而对应变化的趋势。TPAHs和PAH(5+6)的BSAF均较小,表明底栖动物自沉积物中富集高环PAH化合物的能力较弱。由于水溶性较强,沉积物中低环PAH化合物被底栖动物食用后易于吸收,而且底栖动物还可以从上覆水体直接获取低环PAH化合物,所以PAH(2+3)化合物的BSAF要高许多。BSAF与LogK_(OW)具有较强的相关性,当LogK_(OW)6时,BSAF值通常随着K_(OW)值的升高而升高,当LogK_(OW)6时,BSAF值则开始降低。土壤微生物系统选择受PAHs污染严重且微生物为优势生物的Mosel河流沿岸土壤微生物系统为例,研究结果发现,Temmels土壤添加的D_(10)-PA被很快释放,并被本土微生物迅速降解,在2周时间内降解了约92%,并在4周内降解了约99%,以后基本保持稳定。加入Konzerbr(u|)ck土壤中的D_(10)-PA同样很快被释放并被本土微生物降解,但D_(10)-PA的降解速度约为Temmels降解速度的一半,这与两种土壤溶液的D_(10)-PA降解速度正好吻合,后者土壤中微生物数量约为前者的一半强,表明微生物数量对于PAHs降解速度具有重要作用。Temmels土壤微生物降解组和灭菌对照组结果表明,Temmels土壤中的PAHs能够被本土微生物少量降解。Konzerbr(u|)ck土壤微生物降解组PAHs则未发生明显降解现象。Temmels土壤的Saar煤炭对照组降解了20.02.7mgkg(-1),约占初始浓度的19.0%,表明Temmels土壤的Saar煤炭对照组PAHs被微生物小幅降解,显示加入额外Saar煤炭后土壤中PAHs可降解能力会提高。Konzerbr(u|)ck土壤的Saar煤炭对照组中TPAHs共降解了46.01.1mgkg(-1),约占初始浓度的31.5%,表明Konzerbr(u|)ck土壤的Saar煤炭对照组中PAHs可以被本土微生物明显降解,这与Konzerbr(u|)ck土壤的微生物降解组几乎无降解形成鲜明对比,表明本土微生物能够大幅度降解新鲜Saar煤炭。Novgorod煤炭的加入没有明显增加Temmels土壤PAHs的降解水平。Konzerbr(u|)ck土壤的Novgorod煤炭对照组TPAHs共降解了初始浓度的20.4%。结果显示Novgorod煤炭的加入,大幅提高了PAHs的降解水平,但与Konzerbr(u|)ck土壤的Saar煤炭对照组对比,降解百分比低于后者,表明本土微生物降解外来煤炭的能力小于本地煤炭。Temmels土壤Saar煤炭对照组中PAH化合物降解量对总降解量贡献率排序为PAH(2+3)PAH(5+6)PAH(4),其中Nap、1-MNap和PA降解最明显;Konzerbr(u|)ck土壤的Saar煤炭和Novgorod煤炭对照组中PAH化合物降解量对总降解量贡献率大小顺序一致,均为PAH(2+3)PAH(4)PAH(5+6),其中中Saar煤炭对照组Nap、1-MNap、2-MNap和PA降解最明显。Novgorod煤炭对照组中Nap、1-MNap和PA降解最明显。【关键词】：PAHs土壤/沉积物-生物系统累积迁移降解【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：X53【目录】：摘要14-17ABSTRACT17-23第一章绪论23-361.1多环芳烃(PAHs)概况23-241.2多环芳烃的来源241.3研究意义24-261.4多环芳烃(PAHs)国内外研究进展26-341.5研究思路与创新点34-36第二章土壤植物系统PAHs累积与迁移机制36-762.1研究区概况36-372.2样品采集37-382.3分析测试仪器与方法38-402.4表层土壤PAHs总量分布特征40-412.5表层土壤PAHs化合物分布特征41-422.6表层土壤理化性质影响机制42-472.7根际土壤PAHs分布特征及其影响因素47-522.8水稻植物体PAHs累积与迁移机制52-582.9稻田土壤PAHs垂直迁移特征及影响因素58-742.10小结74-76第三章沉积物动物系统PAHs累积与迁移机制76-1053.1研究区概况76-773.2样品采集77-793.3分析测试仪器与方法79-813.4边滩沉积物中TPAHs分布特征81-823.5边滩沉积物PAH化合物分布特征82-853.6崇明东滩沉积物TPAHs分布特征853.7崇明东滩沉积物PAHs化合物分布特征85-883.8沉积物理化性质影响88-913.9沉积物PAHs源解析91-933.10底栖动物PAHs含量水平及累积特征93-963.11底栖动物PAHs含量与脂含量关系96-983.12沉积物-动物系统PAHs累积与迁移机制98-1043.13小结104-105第四章土壤微生物系统PAHs降解特征105-1394.1研究区概况105-1064.2样品采集106-1074.3实验设计107-1084.4分析测试与质量控制1084.5净化过程讨论108-1104.6模拟实验样品采集方法讨论110-1124.7实验用土壤和煤炭中PAHs分布特征112-1174.8微生物降解PAHs能力和效率