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俄罗斯贵宾会吴文成课题组揭示:工业地块中地下水短链氯化石蜡分布特征、迁移机制及细菌群落的响应
撰写时间:2021/09/06文章来源:生态环境修复技术研究中心、科技管理处

     

  快讯:短链氯化石蜡(Short-Chain Chlorinated Paraffins, SCCPs)是一类新型持久性有机污染物,其在土壤、大气和水体中的污染状况已受到越来越高的关注,但地下水污染及其生态效应还缺乏认识。本研究依托课题组牵头承担的国家重点研发计划“粤港澳大湾区污染场地安全利用保障技术与集成工程示范”等项目,以遗留氯化石蜡生产场地为研究对象,首次揭示了地下水中SCCPs的分布特征、同系物组成及迁移扩散机制,并刻画了地下水细菌群落的响应特征。研究成果以“Groundwater contaminated with short-chain chlorinated paraffins and microbial responses”为题发表于环境科学领域知名期刊Water Research,俄罗斯贵宾会吴颖欣助理研究员为第一作者,吴文成研究员为通讯作者。 

  文章链接:Groundwater contaminated with short-chain chlorinated paraffins and microbial responses

  图片摘要 

   

   研究背景 

  氯化石蜡是一类氯代直链烷烃,由于化学稳定性较高,被广泛用作工业生产。自20世纪30年代以来,常用于金属加工液、PVC增塑剂及橡胶和纺织品阻燃剂等。其中,SCCPs由于具有环境持久性、远距离传输性、生物蓄积性和毒性等特点,联合国环境规划署持久性有机污染物审查委员会于2006年开始对其进行审查。2017年,《斯德哥尔摩公约》和《鹿特丹公约》首次同时将其增列为工业受控化学品。近年来,SCCPs的污染问题吸引了越来越多环境工作者的关注,但对于地下水环境中SCCPs的分布特征和生态效应仍缺乏研究。 

  研究方法 

  结合遗留氯化石蜡生产场地生产历史及地下水文地质特征,根据目标污染物性质,在场地设置了16个地下水监测井。采集地下水样品后,利用高效液相色谱-电喷雾离子化-四级杆串联飞行时间质谱(HPLC-ESI-QTOF/MS)检测SCCPs含量及同系物组成情况,并通过16S rRNA扩增子高通量测序等手段表征细菌群落组成、多样性和种间关系等特征,揭示细菌群落与地下水环境因子的响应关系。 

  研究结果 

   1.地下水SCCPs分布特征及迁移规律 

  与河流、海洋、污水处理厂进水和出水等水体相比,本研究中地下水SCCPs含量较高,浓度范围为ND-70.3μg/L,平均浓度为9.1μg/L。一方面由于地下水环境黑暗、缺氧、微生物多样性低等特点,SCCPs自然降解过程与一般水体相比非常缓慢;另一方面,同系物组成特征揭示,地下水SCCPs 以C13-CPs 和 Cl7-CPs为主,与土壤及氯化石蜡商品CP-52中的SCCPs同系物组成模式类似,但高碳链和高氯代同系物的相对丰度低于土壤和商品,说明研究场地的地下水直接受到了生产过程中氯化石蜡泄漏的影响,并同时导致了土壤和地下水的污染。 

  与土壤污染类似,该工业地块中地下水中SCCPs呈现热点分布(hotspot distribution)特征。与土壤含量最高的点位位于生产车间不同,地下水含量最高的点位为生产车间下游位置,表明SCCPs在水流带动作用下显著迁移。通过不同点位样品中同系物分布特征可以发现,SCCPs可能通过两个途径在含水层中进行迁移:一是溶解态的SCCPs随水流向下游扩散,由于疏水性有机物的分馏效应,表现为地下水样品中高碳链组分(C13-CPs)相对丰度从上游的40.2%(G4点位)逐步向下游降低至24.1%(G6点位)、14.7%(G9点位)及11.2%(G8点位);二是吸附于土壤颗粒上的SCCPs也跟随微颗粒的迁移向下游迁移,表现为下游某些点位(G1、G2、G3)高碳链组分(C13-CPs)相对丰度较高。 

    

  图1 地下水SCCPs分布特征:(a)SCCPs空间分布;(b)SCCPs分布垂向图;(c)C13-CPs空间分布;(d) C13-CPs分布垂向图 

    

  图2 工业地块地下水中SCCPs同系物组成 

   2.地下水细菌群落对SCCPs的响应 

  与土壤环境不同,地下水环境中细菌群落特征除了受环境影响,还在很大程度上受到水文地质条件的影响。特别是浅层地下水交换频繁,由特定环境因子筛选的物种可能没有足够的时间定植,也无法与原生物种竞争有限的生态位,因此细菌群落整体对SCCPs等污染物的响应并不显著。然而,群落中明显存在一部分“机会主义者”(opportunists),其相对丰度并非最高,但对SCCPs的响应显著,经种间关系分析及功能分析,可能对SCCPs的自然降解起到重要的作用。比如,基石物种Desulfobacca, Desulfomonile、Ferritrophicum、Methylomonas、Syntrophobacter、Syntrophorhabdus、 Syntrophus和Thermoanaerobaculum相对丰度较低,但其在共出现网络的中心度较高,并互为正相关,说明其协同作用对维持群落功能起到关键作用。进一步分析表明,基石物种与其他相关物种可能通过厌氧脱卤呼吸作用共同降解SCCPs。另外,群落中还有一类物种,如Aquabacterium和Hydrogenophaga等,则可能通过共代谢途径降解SCCPs。共出现网络显示参与两个代谢途径的物种之间相对丰度呈显著负相关,且与SCCPs各同系物的相关性相反,说明两个途径由不同物种主导且可能互不兼容。 

    

  图3 地下水细菌共出现网络:(a)模块化情况;(b)种间相关性

   小 结 

  1.地下水SCCPs分布特征与氯化石蜡生产布局高度关联,地下水SCCPs以C13-CPs 和 Cl7-CPs为主。 

  2.地下水SCCPs可通过水流迁移和颗粒物吸附共迁移等途径向下游迁移扩散。 

  3.地下水细菌群落结构同时受水文地质条件和SCCPs污染影响,其中基石物种在SCCPs的自然降解中起到了关键作用。 

  4.地下水SCCPs可能通过厌氧脱卤呼吸途径和共代谢途径实现自然降解,两个途径之间由不同物种主导且独立发生。为修复SCCPs污染地下水,可通过调节细菌群落结构、提供营养物质和电子供体、局部改变氧化还原条件等手段实现强化自然降解。 

  本研究获得国家重点研发计划项目(2019YFC1803900)、国家自然科学基金项目(41907115)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(PM-zx097-202002-070)的资助。近五年来,课题组在基础科研、环境管理支撑和科技服务等方面取得多项突破性进展,牵头承担国家重点研发计划项目2项、国家自然科学基金项目3项,为主推进国家土壤和农业农村生态环境综合整治广东试点工作,形成了土壤重金属迁移机制和调控、土壤有机污染物环境行为、效应和降解机制等研究方向。 

  作者简介 

    

  吴颖欣: 俄罗斯贵宾会博士,助理研究员。主要围绕粤港澳大湾区场地和农田土壤生态环境保护需求,开展技术研发、应用示范和管理支撑工作,主持或参加国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划等各级科研项目20余项,包括国家自然科学基金项目1项;在Water Research、Environmental Pollution、Science of the Total Environment等重要SCI期刊发表论文10余篇,授权发明专利3项;2021年获广东省环境保护科学技术奖一等奖(第一完成人)。 

    

  吴文成:俄罗斯贵宾会博士,研究员,主要从事土壤污染生态过程与修复技术研究。近年来,承担了多项国家重点研发计划和国家重金属治理专项,30余项省、市级科技计划、土壤污染防治行动计划、土壤环境保护规划、场地调查和风险评估、治理修复项目。在Water Research、Environmental Pollution等知名期刊发表论文40余篇,授权发明专利5项,有8项技术成果得到生态环境部采纳。入选 “国家生态环境保护专业技术青年拔尖人才”和“黄埔人才”,荣获“全国农用地土壤详查成果表现突出个人”、生态环境部记功奖励和广东省环境保护科学技术奖一等奖。 

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