綠色植物及其根際環(huán)境能夠有效的清除環(huán)境中的有機(jī)污染物,尤其是難降解的有機(jī)污染物。土壤-水-植物體系所形成的微環(huán)境,因含有土壤、水和植物等重要的環(huán)境介質(zhì)以及特殊的微生物群落,被證明可以加速很多有機(jī)污染物的降解轉(zhuǎn)化。生長在淹水土壤中的植物能夠通過根系釋放02提高根際土壤的氧氣含量,改變土壤中原有的微生物群落結(jié)構(gòu),增強(qiáng)好氧的微生物活性。同時植物根系分泌物也為根際微生物的生長提供了碳源和其他的營養(yǎng)物質(zhì),從而提高土壤微生物的數(shù)量、刺激微生物的活性以及改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu),尤其是可以通過促進(jìn)污染物降解菌的生長和活性,加速污染物的分解代謝。隨著氧氣通過水層不斷向土壤中擴(kuò)散,會在水面下形成一層好氧土層,因此淹水土壤同時擁有相鄰的好氧-厭氧區(qū)域。淹水土壤的這種特點(diǎn)使得污染物在土壤-水-植物組成的系統(tǒng)中會經(jīng)歷好氧、厭氧降解以及不同降解途徑之間的相互作用,有助于加速其生物轉(zhuǎn)化過程。本研究以土壤中新型的酚類污染物四溴雙酚A (TBBPA)和壬基酚(NP)為研究對象,結(jié)合14C示蹤法,研究了這兩種化合物在淹水土壤-植物體系中的環(huán)境行為,探索了污染物在復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中生物降解代謝的機(jī)理,為這類污染物的植物修復(fù)提供實(shí)驗(yàn)室水平上的參照。實(shí)驗(yàn)所得到的主要研究成果如下：1. TBBPA及其代謝物在淹水土壤-植物體系中的環(huán)境歸趨。利用標(biāo)記的14C-TBBPA,研究了TBBPA在淹水土壤以及蘆葦、水稻根際的降解、代謝情況。在66天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,TBBPA在淹水土壤中的降解半衰期為20.8天,大于文獻(xiàn)中報(bào)道的純好氧條件以及純厭氧條件下的降解速率。礦化量為11.5%而結(jié)合殘留態(tài)則達(dá)到了60.8%。這樣的結(jié)果證明淹水土壤所具有的好氧-厭氧界面為TBBPA的降解提供了良好的環(huán)境。根據(jù)第66天不同處理組土壤提取液中鑒定出的不同代謝物,我們推測出在淹水土壤中TBBPA在不同氧化還原條件下產(chǎn)生的四種代謝路徑,分別是：好氧的碳骨架斷裂、甲基化反應(yīng)、ipso-取代反應(yīng)和厭氧的還原脫溴。這些通過某一種代謝路徑產(chǎn)生的代謝物,又會經(jīng)歷其他的代謝路徑進(jìn)一步降解,最終在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時三個處理組的土壤提取液中檢測、鑒定出12種代謝物,其中10種存在于未種植植物的土壤,7種存在于種植了植物的土壤,并且兩種植物的根際土中還含有一種未鑒定出結(jié)構(gòu)的極性代謝物。兩種受試植物都促進(jìn)了TBBPA在土壤中的降解,其中蘆葦?shù)拇龠M(jìn)效果最為明顯,TBBPA在蘆葦根際的半衰期為11.4天,同時甲基化產(chǎn)物有所提高,達(dá)到了11.3%。水稻和蘆葦?shù)某霈F(xiàn)抑制了TBBPA的礦化和在土壤上結(jié)合殘留態(tài)的形成,但刺激了TBBPA在根際的還原脫澳和甲基化。同時兩種受試植物對TBBPA及其代謝物都有較強(qiáng)的吸收,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時在水稻和蘆葦體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的放射性量分別達(dá)到了總放射性量的21.3%和33.1%。對植株的放射性掃描和氧化燃燒的結(jié)果顯示放射性在兩種植物整株均有分布,但大部分都集中在根部。2.4-NP111在淹水土壤-水稻體系中的環(huán)境歸趨。NP異構(gòu)體4-NP111作為一種厭氧條件下難降解的有機(jī)化合物,在180天的實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)未發(fā)現(xiàn)在淹水土壤中有明顯的降解。在2 mg/kg20 mg/kg兩種濃度處理組,180天后未種植水稻處理組分別有85.7±0.9%和81.9±0.8%的4-NP111依然以可提取態(tài)的形式存在于土壤中。利用帶不銹鋼網(wǎng)的根盒,我們研究了在2 mg/kg和20 mg/kg濃度下4-NP111在根區(qū)、距離根區(qū)0.5 cm和8 cm的垂直土層中的降解情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示根區(qū)的可提取態(tài)4-NP111含量隨水稻生長而下降的最快,到了110天時只剩下總體的11.2±1.7%和12.2±0.4%且伴隨產(chǎn)生了微量的非極性代謝物,可提取態(tài)的4-NP111含量在第180天時略有上升。隨著氧氣和根系分泌物隨著根際的距離而不斷減少,4-NP111在水稻根土中的降解也隨著與根系距離的增加而梯度下降,且滯后期也越來越長。第180天時的4-NP111在0.5 cm的土層中可提取2 mg/kg 和 20 mg/kg態(tài)的含量為37.4±6.3%和47.0±5.4%,而在8 cm的土層中含量則為60.4±4.8%和65.8±9.0%。伴隨著4-NP111可提取態(tài)下降的是根際土中4-NP111的結(jié)合態(tài)殘留隨水稻的生長在不同土層中呈梯度增加,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時兩種濃度下根區(qū)的結(jié)合態(tài)殘留為50.1±9.6%和49.9±10.5%,0.5 cm土層中約達(dá)到了50.1±9.6%和39.1±2.5%而在8 cm的土層中則只有26.2±2.2%和25.0±3.9%。4-NP111隨著水稻的生長不斷在植物體內(nèi)累積,生長10天時放射性量已經(jīng)分布到了整個水稻植物體,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時整株結(jié)構(gòu)中都檢測到了放射性,兩種濃度的處理組中分別占總量的18.3±5.8%和30.0±7.0%。放射性量在植物體內(nèi)的分布為根部葉片莖稈米粒。3.植物根系分泌物中的小分子有機(jī)酸乙酸會顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)中腐殖酸吸附疏水性酚類污染物的能力。利用平衡滲透體系,以乙酸為例,研究標(biāo)記的疏水性酚類污染物14C.TBBPA.14C_4-NO111在不同來源的土壤腐殖酸上的吸附并且同時驗(yàn)證小分子有機(jī)酸對吸附的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種污染物在不同來源的腐殖酸上都有不同程度的吸附。小分子有機(jī)酸如乙酸是常見的植物根系分泌物,有報(bào)道稱環(huán)境中乙酸的濃度達(dá)到0.5×10-3 M時,就可以破壞土壤腐殖酸的超分子結(jié)構(gòu),使其破碎成小分子的碎片。而我們的實(shí)驗(yàn)證明,這種腐殖酸分子結(jié)構(gòu)上的改變能夠影響疏水性有機(jī)物在腐殖酸上的吸附。在平衡滲透體系中加入0.5×10-3M的乙酸后,都不同程度的增加了兩種污染物TBBPA和4-NP111在腐殖酸上的吸附,且污染物在腐殖酸上吸附程度的越小,促進(jìn)程度越明顯。但腐殖酸這種結(jié)構(gòu)上的變化對于水溶性較強(qiáng)的酚類污染物如14C-BPA的吸附則幾乎沒有影響。由上所述,本文工作首先研究了TBBPA在淹水土壤-兩種植物體系下的環(huán)境歸趨和代謝途徑,證明了植物根系對污染的物降解有積極影響；其次明確了水稻根系對污染物4-NP111降解的影響范圍以及污染物進(jìn)入作物可食用部分的可能性。最后,進(jìn)一步研究了植物常見的根系分泌物乙酸對兩種污染物在不同來源土壤腐殖酸上吸附的影響。未來的工作包括污染物在植物體內(nèi)的降解與轉(zhuǎn)化、對根際微生物菌落的分析以及進(jìn)一步的田間試驗(yàn)等等。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：X53;X173
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
創(chuàng)新點(diǎn)
第一章 前言
    1.1 酚類污染物的土壤污染
        1.1.1 四溴雙酚A（TBBPA）
        1.1.2 壬基酚（nonyphenol,NP）
    1.2 有機(jī)污染物的根際降解
    1.3 有機(jī)污染物在土壤-水-植物體系中的降解
    1.4 植物對有機(jī)污染物吸收與降解
    1.5 本文選題意義及思路
        1.5.1 研究目的
        1.5.2 研究內(nèi)容
第二章 TBBPA在淹水土壤-植物體系中的環(huán)境歸趨
    2.1 前言
    2.2 材料與方法
14C- TBBPA'>        2.2.1 ¹⁴C- TBBPA
        2.2.2 受試植物與土壤
        2.2.3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)
        2.2.4 土壤樣品分析
        2.2.5 代謝物檢測
        2.2.6 土壤提取液的分離
        2.2.7 代謝物結(jié)構(gòu)分析
        2.2.8 植物吸收和放射性在植物體內(nèi)的分布
    2.3 結(jié)果與討論
        2.3.1 TBBPA的礦化和揮發(fā)
        2.3.2 TBBPA的降解與代謝
        2.3.3 TBBPA代謝物的動態(tài)變化
        2.3.4 TBBPA在不同處理組中的代謝路徑
        2.3.5 植物對TBBPA及其代謝物的吸收
        2.3.6 土壤中結(jié)合態(tài)殘留及其在土壤有機(jī)質(zhì)上的分布
    2.4 本章小結(jié)
111在水稻根系土壤中的環(huán)境歸趨'>第三章 4-NP₁₁₁在水稻根系土壤中的環(huán)境歸趨
    3.1 前言
    3.2 材料與方法
14C-NP₁₁₁'>        3.2.1 ¹⁴C-NP111

        3.2.2 受試土壤與水稻選擇
        3.2.3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)
        3.2.4 土壤樣品分析
        3.2.5 代謝物檢測
        3.2.6 植物樣品分析
        3.2.7 礦化與揮發(fā)的測定
    3.3 結(jié)果與討論
111的礦化與揮發(fā)'>        3.3.1 4-NP₁₁₁的礦化與揮發(fā)
111在水稻根系的空間消散'>        3.3.2 4-NP₁₁₁在水稻根系的空間消散
111結(jié)合態(tài)殘留的形成以及在土壤有機(jī)質(zhì)上的分布'>        3.3.3 4-NP₁₁₁結(jié)合態(tài)殘留的形成以及在土壤有機(jī)質(zhì)上的分布
111的吸收'>        3.3.4 水稻對4-NP₁₁₁的吸收
    3.4 本章小結(jié)
111和TBBPA的影響'>第四章 乙酸對腐殖酸吸附4-NP₁₁₁和TBBPA的影響
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 不同來源腐殖酸的提取
        4.2.2 透析平衡實(shí)驗(yàn)
    4.3 結(jié)果與討論
111在不同來源腐殖酸上吸附的影響'>        4.3.1 乙酸對4-NP₁₁₁在不同來源腐殖酸上吸附的影響
        4.3.2 乙酸對TBBPA在不同來源腐殖酸上吸附的影響
    4.4 本章小結(jié)
第五章 研究結(jié)論與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀博士期間科研成果
致謝

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2884076

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