六氯環(huán)己烷(俗稱,六六六,HCH),作為一種有機氯殺蟲劑在上個世紀七十年代前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用而被釋放到環(huán)境中對土壤和水體造成污染,被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列入持久性有機污染物(persistent organic pollutants,簡稱POPs)名單。最近,歐洲環(huán)境保護署報道由于六氯環(huán)己烷大對人類和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)健康的巨大的危害,大約有342,000個六氯環(huán)己烷污染場地需要治理修復的。而且在美國也存在類似情況,也有大約294,000個污染場地需要修復。鑒于此,表層水體、地下水、土壤、湖泊和江河的沉積物和淤泥等介質(zhì)中的六氯環(huán)己烷污染對環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅,危害著人類的健康,破壞和危及整個生態(tài)系統(tǒng),帶來的經(jīng)濟損失也十分嚴重,由此引起的環(huán)境污染問題成為一個棘手的世界性難題,這就迫切需要開發(fā)出能有效地從自然環(huán)境中去除六氯環(huán)己烷的技術(shù)手段。自然環(huán)境中的原位微生物降解被認為是六氯環(huán)己烷最廉價和有效的轉(zhuǎn)化方式,它通過降解轉(zhuǎn)化成其它低氯有機物或無機物,才能最終在自然環(huán)境中消失。由于自然系統(tǒng)中微生物對污染物的遷移,轉(zhuǎn)化過程相當復雜,用目前常規(guī)方法深入研究有關(guān)微生物降解六氯環(huán)己烷的途徑和機制受到較大限制,使得大部分的研究都未能從定量的角度闡明其作用機制,而且當前我國對于六氯環(huán)己烷的微生物降解、遷移轉(zhuǎn)化的研究只是從微生物物質(zhì)代謝的角度進行研究,仍處于初始定性階段,測定降解速率的方法還沒有標準化,各實驗室結(jié)果之間的可比性較差,一般集中于降解六氯環(huán)己烷微生物的富集、分離及菌種鑒定、影響因素對降解的影響、六氯環(huán)己烷降解脫氯機理等方面。當然,從微生物物質(zhì)代謝的角度研究六氯環(huán)己烷微生物降解動力學也已經(jīng)取得了很多有意義的成果,但是,若能以現(xiàn)有的物質(zhì)代謝研究為基礎(chǔ),從同位素效應的角度對微生物在六氯環(huán)己烷降解及遷移轉(zhuǎn)化過程中所起的作用以及它們的作用機制進行研究,將有助于從定性和定量的角度闡明微生物與六氯環(huán)己烷的相互作用機制。由于有機污染物在環(huán)境中經(jīng)歷的各種過程中伴隨著不同特征的同位素分餾效應,在降解反應過程中含有輕同位素會優(yōu)先參加反應,從而導致在殘留的污染物中富集較重的同位素。隨著分析技術(shù)的發(fā)展,應用化合物特定元素同位素分析(CSIA)技術(shù)監(jiān)測微生物降解六氯環(huán)己烷過程中特定元素的同位素效應,有助于獲得六氯環(huán)己烷在環(huán)境中降解、遷移和轉(zhuǎn)化等地球化學信息,從而為解決六氯環(huán)己烷的環(huán)境污染這一世界性難題提供更有效的理論技術(shù)支持。α-HCH和許多其他有機化合物以對映體的外消旋混合物出現(xiàn)在環(huán)境中,對映異構(gòu)體(EF)的同位素分餾也可以顯示生物降解的有關(guān)信息。因此,將碳穩(wěn)定同位素分析和對映體穩(wěn)定同位素分析相結(jié)合的技術(shù)可以用來研究手性有機氯污染物的降解轉(zhuǎn)化路徑與機理。本次研究將微生物學、微生物地球化學、有機地球化學和環(huán)境科學的理論與穩(wěn)定同位素分析、生化分析等現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合,根據(jù)實驗中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象,從同位素角度研究幾種六氯環(huán)己烷的同分異構(gòu)體與降解微生物的作用機制,并將不同環(huán)境體系下的微生物降解轉(zhuǎn)化的路徑和同位素分餾特征進行比較,從而建立六氯環(huán)己烷的環(huán)境行為過程中伴隨的穩(wěn)定同位素分餾特征和同位素組成。為環(huán)境生物有機地球化學及微生物學的研究提供新的技術(shù)手段,形成微生物學、微生物地球化學和有機地球化學等多學科交叉滲透研究微生物對環(huán)境中有機污染物原位降解轉(zhuǎn)化機制的新途徑,并為開發(fā)和利用微生物資源來修復我國大量有機氯農(nóng)藥化合物污染環(huán)境提供重要的科學依據(jù)和技術(shù)支撐。具體內(nèi)容如下：首先,研究了六氯環(huán)己烷在厭氧條件下被Dehalococcoides strains 195降解過程碳同位素分餾特征,并對碳穩(wěn)定同位素技術(shù)在六氯環(huán)己烷生物原位厭氧微生物降解轉(zhuǎn)化研究中的可行性進行評價。還通過分析六氯環(huán)己烷在厭氧降解轉(zhuǎn)化過程中的中間代謝產(chǎn)物和最終產(chǎn)物,來揭示六氯環(huán)己烷的厭氧微生物降解路徑。此外,比較評價了六氯環(huán)己烷在被Dehalococcoides strains 195和污染場地富集培養(yǎng)微生物厭氧降解過程中穩(wěn)定碳同位素分餾特征的變化,為碳穩(wěn)定同位素分析在污染場地的厭氧原位應用提供理論數(shù)據(jù)。其次,在純培養(yǎng)條件下,測定了六氯環(huán)己烷的α-同分異構(gòu)體的兩種對映體被兩株新降解菌(S. quisquilarium P25和S. chinhatense IP26)好氧降解轉(zhuǎn)化過程中的同位素分餾,對比分析不同對映異構(gòu)體的降解特征,并和總的α-HCH與γ-HCH對應的厭氧降解轉(zhuǎn)化過程中的碳同位素的分餾情況進行比較。此外,進一步研究了α-HCH的兩種對映體在降解過程中對映體同位素分餾及對映體富集系數(shù)的變化,檢驗瑞利分餾方程是否可以用來擬合計算α-HCH對映體同位素分餾系數(shù)(ε。),從而驗證將碳穩(wěn)定同位素分析與對映體同位素分析技術(shù)結(jié)合使用來研究環(huán)境中有機對映體污染物的微生物降解轉(zhuǎn)化路徑與機理的有效性。最后,首次利用碳穩(wěn)定同位素分析技術(shù)研究分析了六氯環(huán)己烷各種主要同分異構(gòu)體在污染土壤體系下被好氧微生物S quisquilarium P25降解轉(zhuǎn)化途徑機制。并對比評價了六氯環(huán)己烷在純培養(yǎng)體系和污染土壤介質(zhì)中的好氧微生物降解過程及可持續(xù)性,建立相應的同位素分餾特征曲線及同位素富集數(shù)據(jù),為碳穩(wěn)定同位素分析在污染場地的原位應用提供理論數(shù)據(jù)。主要研究結(jié)果如下：測定計算了六氯環(huán)己烷的同分異構(gòu)體(α,γ-,δ-HOH)在厭氧和好氧微生物降解轉(zhuǎn)換過程對應的碳同位素富集系數(shù)。α和γ-HCH被S. quisquilarium P25與Schinhatense IP26好氧降解具有相同的反應機制,對應的碳同位素富集系數(shù)也很相近,分別對應為：α-HCH,εc=-1.43±0.3‰ and -0.86±0.2‰；γ-HCH, εc=-1.03±0.1‰ and -1.27±0.2‰。在污染土壤介質(zhì)中α和γ-HCH被S.quisquilarium P25好氧微生物降解所對應的碳同位素富集系數(shù)分別為：ε。=-2.52±0.1‰和εc=-2.06±0.3%,并首次發(fā)現(xiàn)在污染土壤介質(zhì)比純培養(yǎng)條件下相同微生物降解反應所對應的碳同位素富集系數(shù)都要大。與γ-HCH的好氧微生物降解(-0.86% to -1.43%)相比,厭氧微生物降解對應的碳同位素分餾系數(shù)較大(D.ethenogenes strain 195, εc=-5.5±0.8‰;污染場地富集培養(yǎng)微生物,ε。=-3.1土0.4%)。此外,在好氧微生物降解過程中比較分析了γ-HCH的異構(gòu)體和對映體選擇性碳同位素分餾及富集特征。γ-HCH的兩種手性對映體,(+)和(-)α-HCH被S. quisquilarium P25和S. chinhatense IP26降解過程所對應的碳同位素富集系數(shù)有很大的差異,(+)α-HCH對映體微生物降解的碳同位素富集系數(shù)(-1.72±0.8%0和-2.27±0.6%)比(+)α-HCH的碳同位素富集系數(shù)(-0.73±0.2%和-1.01±0.6%)大。(-)α-HCH比(+)α-HCH更容易被降解,被微生物降解所對應的對映體分餾系數(shù)值(EF-)分別為：S.quisquilarium P25,0.447～0.142; chinhatense IP26,0.495～0.236.并擬合計算出α-HCH被S.guisquilarium P25和S. chinhatense IP26微生物降解對應的對映體富集系數(shù)(εe)分別為-44±16%和-23±6%。在α-HCH好氧微生物降解研究中出現(xiàn)了對映體選擇性降解轉(zhuǎn)化和同位素分餾。研究中α-HCH的每個對映體的對映體富集系數(shù)(εe)和總的α-HCH的同位素富集系數(shù)有很好的一致性,這也證明了對映體同位素分析技術(shù)的有效性。在所有的實驗室研究中,碳穩(wěn)定同位素分餾的程度和差異性也證實了利用碳穩(wěn)定同位素分析技術(shù)來研究環(huán)境中六氯環(huán)己烷污染物的微生物降解轉(zhuǎn)化路徑與機理的可行性。對映體同位素分析(ESIA)技術(shù)可以用來辨別手性對映異構(gòu)體微生物降解之間的差異,因此這種技術(shù)可以潛在的用來示蹤環(huán)境中手性有機污染物的遷移轉(zhuǎn)化。污染土壤介質(zhì)中微生物降解的碳穩(wěn)定同位素分析(CSIA)的首次研究,也提出了利用該技術(shù)來確定環(huán)境中六氯環(huán)己烷污染源和估算沿著污染原濃度梯度分布的污染物降解程度。簡而言之,本次研究為環(huán)境中六氯環(huán)己烷微生物降解的研究提出了一個新的概念。將微生物學、分子生物學和環(huán)境地球化學基本原理結(jié)合,利用穩(wěn)定同位素分析技術(shù)來測定六氯環(huán)己烷微生物降解轉(zhuǎn)化過程中的碳同位素分餾特征,將更好的解釋六氯環(huán)己烷微生物降解轉(zhuǎn)化的路徑與機理。將碳穩(wěn)定同位素分析與對映體同位素分析技術(shù)結(jié)合使用來研究有機氯污染物的微生物降解轉(zhuǎn)化路徑與機理,從而為將碳穩(wěn)定同位素分析與對映體同位素分析技術(shù)結(jié)合使用來研究環(huán)境中有機對映體污染物的微生物降解轉(zhuǎn)化路徑與機理的研究提供理論基礎(chǔ)。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：X172
【文章目錄】：
作者簡介
摘要
ABSTRACT
List of abbreviations
Chapter 1 Introduction
    §1.1 Statement of the Problem and Objectives
    §1.2 Organization of the Thesis and Novelty Statement
    §1.3 Sources of the Research Projects
    References
Chapter 2 Literature Review
    §2.1 Properties and persistence of HCHs
    §2.2 Environment contamination and risks of HCHs
    §2.3 Remediation strategies for contaminated site
    §2.4 Microbial degradation of HCHs
    §2.5 Approaches for assessment of biodegradation of HCHs
    §2.6 Compound-Specific Isotope Analysis(CSIA)
    §2.7 Enantiomer-Specific Isotope Analysis(ESIA)
    References
Chapter 3 CSIA Study for Anaerobic Biodegradation HCHs by Dehalococcoides
    §3.1 Introduction
    §3.2 Materials and Methods
    §3.3 Results and Discussion
    §3.4 Summary
    References
Chapter 4 CSIA Study for Aerobic Biodegradation of HCHs by sphingomonad
    §4.1 Introduction
    §4.2 Materials and Methods
    §4.3 Results and Discussion
    §4.4 Summary
    References
Chapter 5 CSIA Study for Biodegradation of HCHs within a Contaminated Soil
    §5.1 Introduction
    §5.2 Materials and Methods
    §5.3 Results and Discussion
    §5.4 Summary
    References
Chapter 6 Conclusions and Suggestions
    §6.1 Conclusions
    §6.2 Suggestions
    References
Acknowledgements

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 馬愛芝,武俊,汪婷,張國順,李順鵬;六六六(HCH)降解菌Sphingomonassp.BHC-A的分離與降解特性的研究[J];微生物學報;2005年05期

本文編號：2838049