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《中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)》 2015年
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酚类溴代阻燃剂的污染特征、生物强化降解及其相关微生物群落变化研究

熊举坤  
【摘要】:溴代阻燃剂是一类具有持久性、亲脂性和生物富集性的含溴类有机化合物。由于它们在水、土壤、沉积物和空气中都能检测到,并且具有一定的毒性,因此受到环境研究者们的广泛关注。本研究主要从典型电子垃圾拆解区域的溴代阻燃剂的污染特征研究着手,研究了其在环境中的分布特征及其可能产生的环境暴露风险,同时对其对应的污染区域生物多样性进行了研究。接着借助能够降解四溴双酚A(TBBPA)的苍白杆菌(Ochrobactrum sp.)T开展了对TBBPA生物强化(生物放大和生物刺激)的降解研究,同时也开展了能够降解2,4,6-三溴苯酚(TBP)的芽孢杆菌(Bacillus sp.)GZT对TBP生物强化降解和能够降解双酚A(BPA)的芽孢杆菌(Bacillus sp.)GZB对BPA的生物强化降解研究。另外,研究了生物强化降解过程中微生物菌群变化情况,认识生物强化降解过程中起主要作用的微生物菌群结构的变化。为了进一步认识酚类溴代阻燃剂在环境中的来源与归趋,我们运用气相色谱/燃烧/稳定同位素质谱(GC/C/IRMS)建立了酚类溴代阻燃剂单体碳稳定同位素测定方法,利用所建立的方法进一步研究了酚类溴代阻燃剂在生物降解过程中碳同位素的分馏,为进一步研究酚类溴代阻燃剂来源与归趋提供有价值的理论研究基础。研究结果表明:(1)通过对北江流域水体和表面沉积物的溴代阻燃剂和双酚A污染状况研究,发现附近的电子垃圾拆解回收区域对北江流域的影响很小或者基本不受影响。水体中多溴联苯醚(20种PBDEs同系物,用Σ20PBDEs表示)浓度范围为nd(not detected)-2.2 ng L-1,表面沉积物中Σ20PBDEs浓度范围为0.3-5.6 ng g-1,因此其并不会给环境造成生态风险。而酚类溴代阻燃剂和双酚A在北江流域水体和表面沉积物中基本上不存在。(2)而另外一个长期从事电子垃圾拆解回收的区域能够严重影响周边环境,发现其临近的主要河流水体和表面沉积物普遍受到多溴联苯醚(20种PBDEs同系物)、酚类溴代阻燃剂(TBP、五溴苯酚(Pe BP)和TBBPA)和双酚A(BPA)的污染。水体中Σ20PBDEs浓度范围为0.31-8.9×102 ng L-1,平均值为1.6×102 ng L-1,主要组分为低溴代联苯醚,而高溴代联苯醚和BDE-209浓度很低或者低于检测线。表面沉积物中Σ20PBDEs浓度范围为nd-6.0×103 ng g-1,平均值为2.8×103 ng g-1,以BDE-209为主要的溴代联苯醚同系物污染。水体中TBP、Pe BP、TBBPA和BPA浓度范围分别为nd-3.2×102、nd-37.0、nd-9.2×102和nd-8.6×102 ng L-1。表面沉积物中TBP、Pe BP、TBBPA和BPA浓度范围分别为nd-47.0、nd-25.0、nd-2.4×102和nd-5.6×102 ng g-1。通过浓度计算生态风险评价结果表明:水体中,除了S1和S10两个采样点外,其他采样点对绿藻、大型溞和鱼三个不同营养级生物都存在可预测潜在的毒性(RQTotal≥100),而表面沉积物对绿藻、大型溞和鱼三个不同营养级生物也都存在不同级别的影响。TBBPA和BPA两种物质雌激素活性评价结果表明其数值远小于欧盟委员会设定的内分泌干扰化学物质阈值(1 ng E2 L-1)。(3)对电子垃圾拆解回收区域水体和表面沉积物中微生物多样性进行研究。结果表明:电子垃圾拆解回收区域水体中微生物具有较高的物种均匀度和丰度(H’为2.6~3.4),而表面沉积物中的微生物具有较低物种均匀度和丰度(H’为1.6~2.9)。变形梯度凝胶电泳(denatured gradient gel electrophoresis,DGGE)指纹图谱结果表明,水体中微生物的相似性系数多在60-80%,而表面沉积物中相似性系数较低,在30-50%。核糖体数据库项目分析(Ribosomal Database Project,RDP)分类结果表明:除了少数未分门类菌种外,所有条带均属于变形菌门(Phylum Proteobacteria)、厚壁菌门(Phylum Firmicutes)、拟杆菌门(Phylum Bacteroidetes)和酸杆菌门(Phylum Acidobacteria)四个门类,而其中变形菌门又是主要的菌门。通过DGGE条带基因序列与NCBI数据中的基因序列进行比对分析,发现很多条带都与NCBI数据库中已报道的能降解各种含卤化合物微生物的基因序列的同源性很高。(4)TBBPA、TBP和BPA生物强化降解实验结果表明:TBBPA污染的沉积物中本身存在着能降解TBBPA的土著微生物,发现10周内有3.4%的TBBPA能够被土著微生物降解。而同时加入能够高效降解TBBPA的菌种Ochrobactrum sp.T能使TBBPA的降解速率明显提高,10周内有52.1%的TBBPA被降解。另外研究了加入同类外来污染物(2,4-二溴苯酚(2,4-DBP)、TBP和BPA)对Ochrobactrum sp.T的生物刺激作用,结果表明:加入共代谢基质的生物刺激,不但没有提高Ochrobactrum sp.T对TBBPA的降解,反而会对TBBPA的降解有抑制作用。生物多样性结果表明Ochrobactrum sp.是生物放大中的主要微生物菌属,随着实验时间的延长,其丰度不断增加,Ochrobactrum sp.占总微生物的比例从34.08%增加到55.80%。其他菌属分别为Parasegetibacter(2.28-9.92%)、Thermithiobacillus(0.20-6.49%)、Phenylobacterium(0.82-4.33%)和Sphingomonas(0.90-2.39%),因此Ochrobactrum sp.在TBBPA降解过程中起主要作用。而TBP在Bacillus sp.GZT的生物强化降解过程中表现出明显的降解。添加物酵母膏提取物、氯化钠、腐殖酸、乳酸钠、葡萄糖和丙酸能够明显促进对TBP的生物降解速率,7周内,有54.0%、46.6%、46.0%、44.3%、59.0%和47.0%的TBP分别被降解,特别是酵母膏提取物和葡萄糖对TBP的生物降解具有比较明显的提高作用比较明显。生物群落结构多样性的宏基因分析结果表明:变形菌门(Phylum Proteobacteria)(52.08-66.22%)、放线菌门(Phylum Actinobacteria)(20.03-5.47%)、拟杆菌门(Phylum Bacteroidetes)(6.68-13.68%)和厚壁菌门(Phylum Firmicutes)(4.53-20.83%)是生物强化降解过程中的主要细菌门类。Bacillus sp.GZT(能够高效降解TBP的菌种)属于后壁菌门,在整个实验过程中后壁菌门的丰度从11.56%增加到20.83%。BPA生物强化降解研究结果表明,加入Bacillus sp.GZB(能够高效降解BPA的菌种)后,BPA的降解速率明显增加。7周内,有35.9%的BPA被降解。加入酵母膏提取物、氯化钠、腐殖酸和葡萄糖对生物强化降解BPA有促进作用,7周内有56.3%、44.4%、47.6%和56.6%的BPA分别被降解,其中酵母膏提取物和葡萄糖对BPA的生物降解提高作用比较明显。生物群落结构多样性宏基因分析结果表明:变形菌门(Phylum Proteobacteria)(37.54-59.05%)、厚壁菌门(Phylum Firmicutes)(11.59-33.97%)、拟杆菌门(Phylum Bacteroidetes)(8.56-21.84%)、放线菌门(Phylum Actinobacteria)(5.54-12.44%)和酸杆菌门(Phylum Acidobacteria)(1.57-3.54%)是主要的细菌门类。生物放大所加入的Bacillus sp.GZB高效菌属于后壁菌门(Phylum Firmicutes),厚壁菌门在整个实验过程中从11.59%增加到33.97%。(5)用气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱仪(GC/C/IRMS)建立了环境样品中酚类溴代阻燃剂和双酚A的碳同位素组成的测定方法。根据该方法可以精确测定酚类溴代阻燃剂和双酚A单体碳稳定同位素组成,为研究它们的来源与归趋示踪提供实验方法。并研究了酚类溴代阻燃剂和双酚A生物降解过程中碳同位素的分馏富集情况,结果发现酚类溴代阻燃剂和双酚A在生物降解过程中未发生明显单体碳同位素的分馏富集。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X592;X172

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