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土壤/沉积物—生物系统多环芳烃生物地球化学过程

程书波  
【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0.05—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1g k_(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—1851.0ng g~(-1),平均值为599.7 ng g~(-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891.0 ng g~(-1),CM中潮滩蟹体内TPAHs含量最低,为36.1 ng g~(-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±2.7 mg kg~(-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±1.1 mg kg~(-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。


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