北师大环境学院开题报告

北京师范大学硕士研究生学位论文开题报告研究生姓名学号导师姓名、职称系所环境学院专业环境科学研究方向环境化学入学时间2008.9毕业时间2011.7论文题目:沉积物中黑碳对菲解吸与矿化作用的影响目录1.立题依据 (1)1.1研究意义 (1)1.2国内外研究进展 (1)1.2.1多环芳烃的生物有效性 (2)1.2.2沉积物/土壤中PAHs的生物降解 (2)1.2.3颗粒物对疏水性有机污染物吸附解吸影响 (3)2.研究方案 (6)2.1研究目标、内容和拟解决的关键问题 (6)2.1.1研究目标 (6)2.1.2研究内容 (6)2.1.3拟解决的关键问题 (6)2.2研究方法、技术路线、实验方案和可行性分析 (7)2.2.1研究方法 (7)2.2.2技术路线 (7)2.2.3实验方案 (8)2.2.4可行性分析 (9)2.3研究特色与创新 (9)2.4预期论文进展和结果 (9)2.4.1论文研究进展 (9)2.4.2预期成果 (9)3.研究基础 (10)3.1已参加过的研究工作和已取得的工作成绩 (10)3.2已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径 (10)4.论文大纲 (10)5.主要参考参考文献 (12)1.立题依据1.1研究意义多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs）是指分子中含有2个或2个以上苯环的碳氢化合物，以线状、角状或簇状排列的稠环型化合物，熔点和沸点较高，具有疏水性强、蒸汽压小、辛醇-水分配系数高等特点。

目前已知的多环芳烃有200多种，如萘、菲、蒽、联苯等。

由于PAHs的低水溶性，易在土壤或沉积物等固相上富集，不易从土壤和沉积物中解吸出来被微生物所利用，因而导致它们在环境中具有生物化学方面的持久性，在环境中的存留时间比较长，并且，经研究表明多数PAHs具有“三致”效应(Menzie,Potocki and J. Santodonato,1992;Wilson,1993)，是环境中一类危险而需要重点研究的化合物。

美国环保局已经将16种不带支链的多环芳烃列为环境优先污染物(Mastral et al.,2000)，有关多环芳烃的污染也越来越受到人们的重视。

水体中多环芳烃的主要来源是煤、石油、天然气等化石燃料的不完全燃烧。

化石燃料不完全燃烧产生产物排入大气，然后随大气干/湿沉降等进入水体，由于沉积物的稳定性而成为PAHs的主要载体，而导致多环芳烃在沉积物中的大量富集。

目前国内外对河流沉积物中的PAHs来源及分布进行了大量的研究(徐士奋等,2001;刘现明等,2001;罗孝俊等,2005;胡国成等,2009;Hites,Laflamme and Farrington JW,1977;Boehm and Farrington,1984; Croudace and Cundy,1995)。

有机污染物在环境中的归趋和物理化学及生物过程历来受到环境科学家们的关注，而吸附/解吸作用是影响其在环境中的归趋和生态毒性的重要因素。

研究发现很多有机污染物的吸附并不是可逆的过程,具有一定程度的解吸迟滞性（Braida et al.,2003;Hunter,Kan and Tomson M B,1996;Drori,Aizenshtat and Chefetz B,2005），这样，基于沉积物中有机污染物总浓度的风险评价往往会夸大了其潜在危害性(Hatzinger and Alexander,1995;Paine et al., 1996;Reid et al.,2000)，但是，Michael et al.(2004)则指出，沉积物/土壤中PAHs的生物有效性并没有限制其生物降解，因为在试验中大量的PAHs解吸到水相，因此，PAHs对环境有机体的危害比先前的认识往往更大。

研究表明，沉积物中新添加的污染物比“老化”的污染物具有强的多的生物有效性(Wang and Jones,K.C.,1994;Fu,Mayton and Alexander,M.,1994;Hatzinger and Alexander,M., 1995)。

因此，Lisa et al.(1996)指出，即使在富含有微生物的土壤中，PAHs的解吸过程依然是限制其生物降解的关键步骤。

于此相对应地，Gerard et al.(1998)指出，在解吸的第二阶段，即慢解吸部分，解吸速率是限制PAHs降解的关键步骤。

但是，慢解吸部分与其生物降解之间的关系机理目前还不是很明确(Gerard et al.,2005)。

本论文主要以菲作为目标物，研究沉积物中黑炭中吸附态菲的解吸与生物降解之间关系的机理，从而为进一步确定吸附态PAHs可降解程度奠定理论基础，并为沉积物中疏水性有机污染物(hydrophobic organic matters,HOCs)，如多环芳烃，的风险评价质量基准提供一定的理论基础。

1.2国内外研究进展1.2.1多环芳烃的生物有效性目前对生物有效性的概念还没有较为明确的定义，对环境科学家来说，生物可利用性是指，化学物质被吸收或可能的毒性途径；对哺乳动物毒理学家来说，生物有效性是指，化学物质穿过细胞膜并进入细胞内的有效性。

一般环境研究选择第一种定义(Martin Alexander, 2000)。

一般认为，微生物可以利用溶解的或那些被束缚在聚集的颗粒表面的以及被束缚在颗粒内部在被降解之前转移到颗粒外面的污染物(Alexander,1995;Nam and Alexander,1998)，即，只有溶于水相的PAHs才具有生物有效性并被微生物利用。

提高疏水性有机污染物的生物有效性的主要措施有：ⅰ增强吸附态污染物的解吸附和NAPL基质的溶解；ⅱ强化污染物与微生物间的质量传递。

采取的主要措施包括：施用表面活性剂，电动力学强化，使用共溶剂和乳化剂，热处理，水裂和气裂，超声波处理，机械搅动等。

表面活性剂的添加可以有效地提高疏水性有机污染物的水溶性及其迁移能力(Barkay et al.,1999;Volkering,1995;Volkering,Breure and Rulkens W.H.,1998)，因此，表面活性剂(surfactants)常被应用于研究当中。

表面活性剂是两性物质，即，具有亲水性和疏水性，这使得其在不同极性液体界面聚集，从而降低其表面张力。

微生物产生的活性剂就成为生物表面活性剂，因为生物表面活性剂与化学表面活性剂相比，除具有降低表面张力、稳定乳化液等相同的作用外，还具有生物可降解性和低毒性，并可在极端温度或PH状态下仍具有较高的活性，因此比化学表面活性剂更具广阔的应用前景(Cameotra and Makkar R.S.,1998；马歌丽,2003)。

生物表面活性剂(Biosurfactants)是由多环芳烃降解菌在一定的条件下，通过分泌生物表面活性剂，产生胞外聚合物质或形成生物膜来提高多环芳烃的生物有效性。

如Deziel等(1996)研究发现，一株生长在菲和萘上的绿浓杆菌产生的生物表面活性剂提高了多环芳烃的溶解度，从而促进了基质的生物有效性。

天然的微生物不一定都具备降解污染的能力，而引入的微生物较易进入到环境中，其生存依赖于污染物的浓度。

一旦污染物的生物修复完成，则这些菌株也会在环境中最终消亡，少数情况下，接种的菌株可以在环境中长期存在，这可能是由于环境的压力较小或其他生存机制的存在。

有待于进一步研究。

1.2.2沉积物/土壤中PAHs的生物降解目前PAHs降解的研究主要有化学、物理和生物修复三个方面。

其中生物降解被认为是土壤/沉积物中PAHs去除的主要途径(Hwang and Cutright,2002;Chang,Shiung and Yuan S Y, 2002)。

在微生物降解PAHs的研究中，对菲的研究比较多，因为K区和湾区结构是PAHs 具有致癌性的特征性结构(刘淑琴,王鹏)，而菲是具有K区和湾区的最小的结构单元，并且，菲分子量小，惰性强（Pignatello and Xing,1996;Xing and Pignatello,1997;Huang et al., 1997;Weber and Miller,1988）。

因此许多研究以菲为模式化合物来研究PAHs的生物降解途径、机制，以及影响PAHs生物利用率、生物降解潜力和降解率的相关因素(陈春云等，2007)。

在自然环境中，微生物对多环芳烃的降解是其转化的一个重要的途径。

微生物降解的一般过程为：首先降解菌细菌分泌双氧酶，通过引入氧分子的两个氧原子而将多环芳烃氧化为顺式-二氧化合物中间体，顺式-二氧化合物中间体继续氧化，先形成芳香二醇化合物（如儿茶酚），然后通过间位或临位环裂继续氧化，进一步代谢为三羧酸循环的中间产物。

降解过程中的产物被微生物用来合成自身的生物量，同时产生CO2和H2O。

具体如图所示：最新的一些研究表明，降解疏水性化合物的微生物的一些特异性的物理生物性质可能提高该类化合物的生物可利用性。

这些能促进疏水性基质传输速率的机制包括：（i）产生生物表面活性剂或具有乳化性质的特异性细胞表面组分(Desai and Banat I.M,1997)；（ii）具有对基质高效亲和能力的吸收系统，能有效降低细胞表面的附近的基质浓度，从而提高基质扩散通量；（iii)通过细胞表面结构来增强对疏水性表面的吸附力，从而缩短细胞与基质之间的距离(Harms and Zehnder A.J.B,1995;Harms and Bosma T.N.P,1997)。

不少研究表明，多环芳烃降解菌可能通过分泌生物表面活性剂，产生胞外聚合物质或形成生物膜来提高多环芳烃的生物有效性。

如Deziel等(1996)研究发现，一株生长在菲和萘上的绿浓杆菌产生的生物表面活性剂提高了多环芳烃的溶解度，从而促进了基质的生物有效性。

另一些研究认为，细菌的活动可将疏水性表面变成亲水性表面（反之亦然），从而调控污染物的微生物可利用性(Neu TR,1996)。

1.2.3颗粒物对疏水性有机污染物吸附解吸影响早在1968年人们就发现土壤和沉积物中的有机质（OM）是影响有机污染物在环境中吸附的最主要因子(Cornelissen et al.,2005)，据此，线形分配模型被提出以机械地定量描述吸附平衡(Chiou et al.,1979;Karickhoff et al.,1979)。

在这个模型中，吸附被想象成HOCs简单地从水相进入到相应的均质的无定型像橡胶一样的SOM相。

因为它定义和机理比较简单，并且被推测的可以描述吸附平衡的能力被认可，所以该模型在环境化学中被广泛应用(Schwarzenbach et al.,1993)。