重金属-pOPs复合污染土壤POPs的植物吸收及其转运机理研究

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重金属—POPs复合污染土壤是常见的土壤污染类型。电子垃圾污染土壤这一典型的重金属—POPs复合污染土壤,由于污染物成分复杂、污染物浓度高、治理难度大等特点,成为环境科学领域的研究热点之一。植物是联接有机界与无机界的桥梁,土壤中的污染物可通过植物根系吸收进而迁移至地上部,最终进入食物链,从而危害生态圈。因此基于根际圈,围绕污染物在土壤一植物系统中的分布趋势、组成特征及迁移规律的研究具有十分重要的意义。  本论文立足于植物根际环境,基于野外实地考察及盆栽实验,研究根际环境及其根系生理状态对复合污染土壤中POPs在植物根际土壤中的分布、组成特征的影响;探索POPs的根系吸收及向植物地上部转运的机制。主要研究结果如下:  对电子垃圾拆解区周边农田不同品种蔬菜及其根际和非根际土壤中多溴联苯醚(PBDEs)、新型溴代阻燃剂(NBFRs)、得克隆(DPs)和多氯联苯(PCBs)的含量、组成及迁移特点进行调查。结果显示:在检测的四类化合物中,PBDEs的浓度最高;而DPs的含量与背景土壤含量接近。四类化合物在大部分根际土中的浓度大于其在非根际土壤中的浓度,根际富集效应明显。分析卤代化合物在根际和非根际的浓度与辛醇一水(Log Kow)系数的关系,发现卤代化合物在根际区的分布不完全受控于Log Kow系数;除NBFRs之外,PBDEs、DPs和PCBs均与土壤有机质含量(TOC)呈现正相关关系,表明TOC对PBDEs、DPs和PCBs在土壤中分布的影响要大于NBFRs。蔬菜组织中各类污染物的含量与其在土壤中的顺序相似;根部摄取卤代化合物过程主要受控于卤代化合物自身的Log Kow系数;总体上,低卤代化合物比高卤代化合物更容易在植物组织中富集。PBDEs在土壤或蔬菜组织中的含量与其替代品NBFRs含量之间始终呈现正相关关系,说明PBDEs与NBFRs之间的取代关系在环境介质中的表征并不明显。手性PCBs对映体组成特征上,PCB136的第二流出组分和PCB95的第一流出组分在大部分土壤和蔬菜样品中被选择性富集;而PCB149的第一流出组分和第二流出组分则分别在土壤和蔬菜样品中得到富集。PCB95和PCB136在蔬菜地上部与土壤中的EF值基本一致,表明这两类PCBs在蔬菜地上部的累积可能更多的是源自土壤PCBs挥发。  水培试验,采用铜处理及热水处理两种根系破坏方式,研究根系受损下BDE209和BDE47在水培溶液一玉米体系中的迁移规律。结果显示,玉米根系电导率随着溶液中铜浓度或热水温度的提高而升高,两种处理造成玉米根系离子通道被打开,大量BDE209和BDE47被动进入植物根系继而往植物地上部迁移。土培试验验证了水培试验结果,玉米地上部BDE209浓度随着土壤中铜浓度的提高而增加,说明强疏水性化合物在植物根系受损的情况下可被植物吸收及转运,可见单独用化合物物理化学参数(如Log Kow)来预测其在土壤一植物系统中归趋的缺陷性。因此,当评估POPs的潜在生态风险时,需将植物生理、污染类型等环境因子一同加以考虑。基于根际破坏理念,采用盆栽模拟实验探索手性PCBs(PCB95和PCB136)在土壤一植物系统中的对映体组成特征。结果显示,玉米或向日葵均选择性富集了PCB95的第一流出组分和PCB136的第二流出组分,并随着PCBs处理时间的延长,植物组织中PCBs对映体选择性行为增大,综合表明PCB95和PCB136在植物体内存在生物转化过程。根系破坏虽能造成植物根系过量吸收PCBs并往地上部迁移,但并未改变PCBs对映体偏离外消旋的程度;说明由铜离子所引起的植物被动吸收过量PCBs的过程不涉及PCBs的生物转化过程。  探索乙二胺四乙酸(EDDS)对植物提取电子垃圾污染土壤中PBDEs和PCBs的影响。结果显示,植物地上地下部中PCBs和PBDEs的浓度随着EDDS添加量的提高而升高,EDDS处理中植物地上部PCBs和PBDEs含量平均升高了1.58和1.32倍。施加EDDS能够提高土壤中DOC的含量,增加电子垃圾污染土壤颗粒上PBDEs和PCBs的溶解性,从而提高PBDEs和PCBs的生物有效性,同时活化了电子垃圾土壤中的铜;铜离子浓度的提高造成了植物根系的破坏,进而促进PBDEs和PCBs等疏水性化合物被动的进入植物体,并转移至地上部。  本论文研究成果为理解污染物在土壤一植物系统的迁移规律,以及植物生理状态对污染物在根一土界面分配过程的影响作用有着重要的意义。此外,为重金属-POPs复合污染体系的生态风险评估及控制提供理论依据。
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