氯代阻燃剂得克隆在土壤-植物系统中的形态转化及消减机制研究

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作为一种新兴有机污染物,得克隆(DP)的环境行为及其环境效应受到人们广泛关注与重视。我国电子垃圾处理点、阻燃剂生产点、城市工业区等典型区域土壤中DP污染问题日益严重。土壤圈是自然环境的重要组成要素,环境有机污染物在土壤-植物系统中的迁移转化过程与农产品安全和人类健康关系密切。然而,目前关于DP在土壤中的环境行为及其生态效应研究较少,对它在土壤-植物系统中的迁移转化过程尚不清晰。因此,本论文以江苏省典型水稻土为研究对象,建立了土壤中DP不同赋存形态分析方法,研究了它们在土壤老化过程中的形态转化特征;采用实验室模拟土壤-植物系统,系统研究了DP在土壤-水稻系统的迁移转化规律,揭示了DP在水稻根际土壤中的形态变化规律与消减机制。论文主要研究结果如下:(1)对土壤中有机污染物的不同赋存形态进行定义,分别为活性态(labile fraction)、稳定吸附态(stable-adsorbed fraction)和结合态(bound-residue fraction)。并以DP为例,对其在土壤中各形态的提取方法进行了确立和验证,分别使用Tenax-TA树脂提取、有机溶剂提取和水浴加热-碱性水解方法提取DP的三种形态。(2)利用已经建立的赋存形态提取方法,研究DP于“老化”效应下在土壤中的各赋存形态转化规律,并观察DP的两种同分异构体在活性态和结合态两种形态中的立体选择性残留规律。此外还利用一阶动力学数学模型定量分析长时间的老化作用对DP各形态转化的影响。(3)设计多隔层根箱装置,通过150天的水稻培育实验,观测DP在植物中的吸收积累和在植物体内的迁移分配规律。并观察了DP在根际区土壤中的消减行为和其形态转化规律。水稻培育150天后,在不同DP浓度土壤中,根室中DP浓度比初始量分别下降了55.4%、47.6%和23.8%,表明植物生长对根系邻近土壤中DP的消减有明显的促进作用。并通过各根层土壤中微生物碳量(MBC)与DP消减量的相关性分析得出,根际微生物降解是造成根际土壤中DP消减的主要原因。(4)建立了基于植物吸收、土壤水中DP的扩散迁移和赋存形态转化的多介质迁移与消减耦合模型,用来预测DP在植物中的净化总量,并分析在根际作用下各消减过程(植物吸收、土壤水中的迁移、结合态的形成)对DP总消减量的贡献率。结果表明,根际效应对DP的生物可利用性有“活化作用”并可以改变DP的结合态形成过程。DP在植物根系中的积累与DP在土壤中的活性态浓度呈显著正相关(R2=0.852-0.961)。DP在根际土壤中的各赋存形态存在时空变化,并且土壤中的溶解性有机碳(DOC)和活性态的相关性分析表明DOC对DP具有促溶作用。最后,模型结果表明各消减行为对DP总量消减的贡献率为:微生物降解占8.33-54.14%、结合态形成占3.64-16.43%,另外植物吸收占0.54-3.85%。在所有这些消减作用下,DP在100 ng/g的DP土壤中的半衰期缩短至105天。本论文的主要创新成果为:(1)建立三步连续提取法,研究了老化土壤中不同赋存形态的DP转化规律;建立形态转化数学模型,模拟260天老化期间DP各赋存形态之间的转化过程。(2)采用根箱系统研究了DP在根际土壤中的消减、在植物体内的积累和净化和根际土壤中各赋存形态DP之间的转化规律。(3)建立一个基于植物吸收、土壤水中的迁移和各赋存形态转化的多介质迁移、消减耦合模型,分析研究微生物降解、植物吸收和净化、在土壤水中的扩散迁移等各项因素对DP消减总量的贡献。本研究所阐释的DP在土壤中的环境行为有助于了解土壤-植物系统中有机污染物的环境归趋,并为当前热点地区的DP风险评估和进一步的土地管理提供基础信息。
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