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 PAHsTPAHs 总量的根累积因子为 0.05—0.08,PAH 化合物根累积因子为 0—0.41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 87.7—1851.0ngg~(-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 20.0±2.7mgkg~(-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 46.0±1.1mgkg~(-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 117-1194.9 微生物降解组与灭菌对照组 PAHs 降解特征 119-1244.10 煤炭对照组 TPAHs 与化合物降解特征 124-1264.11 煤炭对照组 PAH 化合物降解特征 126-1374.12 小结 137-139 第五章结论与展望 139-1435.1 主要结论 139-1415.2 研究展望 141-143 参考文献 143-155 在读期间科研工作及学术成果 155-156 后记 156 本论文购买请联系页眉网站。