水生植物水蔥對(duì)沉積物中十溴聯(lián)苯醚的修復(fù)機(jī)制研究.pdf

1、十溴聯(lián)苯醚(Decabromodiphenyl Ether，BDE-209)由于優(yōu)異的阻燃效能而最為全球性普遍使用的的溴劑阻燃劑。近年來，BDE-209被發(fā)現(xiàn)在環(huán)境中普遍存在，甚至南極的沉積物和企鵝中都可檢測(cè)到其存在，由于其持久性、易于生物富集并且具有內(nèi)分泌干擾作用而。由于BDE-209的高疏水性，水環(huán)境沉積物是BDE-209的主要蓄積庫，中國(guó)是世界上沉積物BDE-209檢出率與檢出值最高的國(guó)家之一。目前，對(duì)于環(huán)境中的BDE-209污染

2、的修復(fù)方法主要有光降解、高溫和微生物降解，但這些方法大都不適用于水環(huán)境中BDE-209污染的修復(fù)。綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)性的生物修復(fù)技術(shù)-植物修復(fù)是解決沉積物有機(jī)污染物最有前景的修復(fù)技術(shù)，由于在水環(huán)境沉積物污染物修復(fù)中微生物修復(fù)技術(shù)難以有效應(yīng)用，因此植物修復(fù)技術(shù)具有更好的應(yīng)用前景，但是目前關(guān)于沉積物PBDEs污染的植物修復(fù)技術(shù)研究尚未有報(bào)道。本研究前期通過篩選實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水生植物水蔥(Scirpus validus Vahl)對(duì)沉積物中的BDE

3、-209具有良好的修復(fù)效果。因此，本研究進(jìn)一步開展水蔥來對(duì)沉積物中的BDE-209的抗性及修復(fù)機(jī)制研究，包括水蔥對(duì)BDE-209的抗性、生物富集能力及修復(fù)效率，增效方法、BDE-209代謝變化、根際微生物群落及降解菌分析等，本研究結(jié)果對(duì)水環(huán)境多溴聯(lián)苯醚污染的生物修復(fù)具有參考價(jià)值。
　　 通過比較我國(guó)常見的四種挺水植物對(duì)BDE-209的修復(fù)效果，選擇水蔥(Scirpus validus Vahl)用于進(jìn)一步研究。為了解水蔥對(duì)BDE

4、-209的抗性，研究了水蔥對(duì)沉積物中BDE-209的生理學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明沉積物中的BDE-209在2-30 mg·kg-1dw內(nèi)不會(huì)對(duì)水蔥產(chǎn)生不利影響(p>0.05)，但其作為一種OPs在高濃度時(shí)(30 mg·kg-1)在修復(fù)初期對(duì)水蔥產(chǎn)生了脅迫，表現(xiàn)在根部丙二醛(MDA)增加，葉綠素含量、葉綠素?zé)晒?、根系活力有所降低?0天內(nèi)植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)及過氧化氫酶(CAT)活性增強(qiáng)，但BDE-2

5、09的早期脅迫并沒有對(duì)水蔥的生長(zhǎng)造成明顯影響，其生物量無顯著差異(p>0.05)。以上結(jié)果表明水蔥能在BDE-209高達(dá)30 mg·kg-1的底泥中正常生長(zhǎng)，對(duì)該污染物有很強(qiáng)生理學(xué)抗性。
　　 研究了水蔥對(duì)三種典型沉積物(淤泥、黃泥、砂質(zhì)沉積物)中BDE-209的修復(fù)效率及吸收富集能力。經(jīng)過18個(gè)月修復(fù)實(shí)驗(yàn)，淤泥修復(fù)組、黃泥修復(fù)組、砂質(zhì)沉積物修復(fù)組中BDE-209分別減少了92.84％、84.04％及72.22％，去除率比各自對(duì)

6、照組分別提高了148％、197％、233％。結(jié)果表明水蔥可有效修復(fù)三種典型沉積物中BDE-209污染。水蔥不僅可以通過根部從沉積物中吸收富集BDE-209，而且還具有向地上部分傳導(dǎo)的能力。但是水蔥組織對(duì)沉積物中BDE-209的吸收富集過程是一個(gè)被動(dòng)過程，與沉積物中BDE-209的濃度緊密相關(guān)。由于BDE-209的高疏水性，水蔥對(duì)BDE-209的BCFs與TFs都相對(duì)較小，表明其對(duì)BDE-209的吸收富集傳導(dǎo)作用有限。BDE-209主要富

7、集在水蔥根部，只有少量傳輸?shù)降厣喜糠帧?br>　　 水生植物修復(fù)沉積物BDE-209污染過程中，光解及其他非生物因素對(duì)沉積物中BDE-209去除貢獻(xiàn)比例較小，分別占8.44％及8.23％，水蔥根部及地上部分對(duì)沉積物中BDE-209吸收富集對(duì)BDE-209的去除貢獻(xiàn)作用有限，僅僅占0.5％。沉積物土著微生物及水蔥根際微生物才是植物修復(fù)BDE-209的主要成員，對(duì)照組中土著微生物的降解占83.35％，實(shí)驗(yàn)組中水蔥根際微生物的作用占94.6

8、6％。采用GC/MS對(duì)BDE-209在根際沉積物、水蔥根部及地上部分的降解產(chǎn)物進(jìn)行了研究，在根際沉積物中發(fā)現(xiàn)了16種PBDEs同系物，主要為NDona-BDEs、Octa-BDEs、Hepta-BDEs、Hex-BDEs、Penta-BDEs、Tetra-BDEs及Tri-BDEs7種溴代PBDEs，水蔥根部組織中檢測(cè)出16種BDE-209代謝產(chǎn)物，主要為Nona-BDEs、Hex-BDEs、Penta-BDEs、Tetra-BDEs、

9、Tri-BDEs及Di-BDEs6種溴代PBDEs，地上部分發(fā)現(xiàn)7種BDE-209代謝產(chǎn)物，主要Hepta-BDEs、Penta-BDEs、Tetra-BDEs及Di-BDEs4種溴代PBDEs，以上結(jié)果表明BDE-209在沉積物-水生植物系統(tǒng)中可通過脫溴作用代謝成低溴代PBDEs。
　　 為提高水蔥對(duì)沉積物中BDE-209污染的修復(fù)效率，分析了表面活性劑及β-環(huán)糊精強(qiáng)化植物修復(fù)的效果以及水蔥對(duì)增效劑的耐受能力。結(jié)果表明沉積物中

10、濃度范圍為300～1000 mg·kg-1的四種增效劑CATB、SDS、Tween80、β-CD在整個(gè)修復(fù)過程中對(duì)水蔥的生長(zhǎng)(株高及莖干直徑)沒有明顯影響，說明水蔥對(duì)這四種高濃度增效劑具有較強(qiáng)抗性。沉積物中加入600～1000 mg·kg-1CATB、SDS、Tween80都可有效提高水蔥修復(fù)沉積物中BDE-209的效率；180天對(duì)照組BDE-209去除了34.93％，300～1000 mg·kg-1 CTAB對(duì)BDE-209修復(fù)效率提

11、高了2.85％～11.78％；300～1000 mg·kg-1 SDS的對(duì)BDE-209的修復(fù)效率提高了4.52％～14.25％；300～1000mg·kg-1 Tween80對(duì)BDE-209的修復(fù)效率提高了7.37％～19.33％；β-CD在300～1000 mg·kg-1對(duì)BDE-209的植物修復(fù)效率只增加了1.03％～7.78％，其對(duì)沉積物中BDE-209的去除沒有明顯促進(jìn)作用。以上結(jié)果表明三種表面活性劑都可以作為沉積物BDE-2

12、09水蔥修復(fù)的增效劑，其中Tween80效率較好。
　　 為揭示水蔥修復(fù)沉積物中BDE-209過程中根際微生物的作用，采用DAPI熒光染色計(jì)數(shù)、平板計(jì)數(shù)法、及沉積物脫氫酶與脲酶活性分析了根際及非根際沉積物中微生物(細(xì)菌、真菌、放線菌)數(shù)量和活性。結(jié)果表明水蔥的種植可顯著提高沉積物中微生物的數(shù)量，三種沉積物根際中細(xì)菌數(shù)量較非根際增加了2～12倍，根際效應(yīng)明顯，根際沉積物真菌數(shù)量較非根際增加了1～4倍，水蔥的種植對(duì)沉積物中放線菌的影

13、響較小，淤泥和黃泥根際沉積物中放線菌數(shù)量較非根際區(qū)別不明顯，砂質(zhì)根際沉積物中放線菌數(shù)量明顯高于非根際。同時(shí)，由于微生物數(shù)量的增加，三種沉積物根際微生物酶活力(脫氫酶及脲酶)在修復(fù)過程中都顯著大于非根際，說明水蔥的種植可以提高沉積物中微生物的活力。沉積物酶活表現(xiàn)出淤泥>黃泥>砂質(zhì)沉積物的趨勢(shì)。以上結(jié)果顯示微生物數(shù)量及沉積物酶活的差別是造成水蔥對(duì)三種典型沉積物中BDE-209修復(fù)改率不同的主要原因之一。
　　 為了解水蔥根際沉積物中

14、細(xì)菌群落特征并辨別主要降解菌，采用限制性內(nèi)切酶片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)分析了水蔥根際沉積物中細(xì)菌多樣性及差異。結(jié)果表明，水蔥根際沉積物中細(xì)菌多樣性豐富，最多包含分布于12個(gè)已知門類的細(xì)菌和一些未被認(rèn)知的序列：α-變形菌(Alphaproteobagteria)、β-變形菌(Betaproteob acteria)、δ-變形菌(Deltaproteobac

15、teria)、γ-變形菌(Gammaproteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和酸桿菌門(Acidobacteria)、優(yōu)桿菌屬(eubacterium)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、綠彎菌門(Chloroflexi)及未能歸類的OTUs。BDE-209污染根際沉積物及未污染根際沉積物中優(yōu)勢(shì)菌群為β-變形菌(β-proteobacteda)、δ-變形菌(

16、δ-Proteobacteria)、α-變形菌(α-proteobacteria)及酸桿菌(Acidobacteria)及綠彎菌(Chloroflexi)，但是兩種沉積物優(yōu)勢(shì)菌數(shù)量及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)上有明顯差異。本研究表明根際沉積物中優(yōu)勢(shì)菌β-Proteobacteria及α-Proteobacteria有可能是降解BDE-209的主要菌群。
　　 淡水河河道水質(zhì)持續(xù)凈化技術(shù)集成示范工程由沉淀塘、曝氣、人工濕地和水生植物塘組成，目的

17、是研究集成技術(shù)對(duì)河道有毒污染物和常規(guī)污染物的處理效果。由于植物修復(fù)是該工程的主要工藝環(huán)節(jié)，本文對(duì)該示范工程運(yùn)行中有毒有機(jī)污染物的處理效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。多次監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，示范工程對(duì)多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)處理效率達(dá)40％以上，其中5種同系物的去除率：萘(NAP)44.13％～59.23％，芴(FLU)44.1％～54.61％，菲(PHE)50.90％～54.70％，芘(PYR