部分典型有机污染物及其主要降解产物的生态毒理效应研究

论文摘要

目前针对处理水中难降解有机污染物的技术,多以母体化合物的去除率或总体指标（如总有机碳、化学需氧量等）作为评价指标。但是由于难降解有机污染物在降解过程中生成的产物可能毒性更强,仅使用这些指标是不够的。而且对于新型的持久性有机污染物,其降解规律和产物性质仍有待研究。本研究的目的是考察难降解有机污染物在降解过程中的毒性变化特征,增进对新型持久性有机污染物及其降解产物的毒性机制的了解,以期为建立水处理新技术的环境安全性和生态毒理评价指标体系提供依据,为制定处理工艺过程毒性削减方案奠定理论基础。光电催化技术以其强氧化能力而对于去除水中微量难降解有机污染物具有广阔的前景。本研究以一种简单的、典型的多氯代芳香烃化合物一五氯酚（PCP）为目标物,用生态毒理学试验考察其在光电催化过程中的毒性特征。并研究了新型持久性有机污染物—全氟烷酸化合物及其降解产物对淡水绿藻的毒性。主要开展了以下几方面工作:（1）用藻类生长抑制试验考察PCP在光电催化降解过程中的毒性特征。结果表明PCP在光电催化过程中能够被有效去除,且反应过程中对绿藻的毒性逐渐降低,未生成对藻类具有显著毒性的产物。而且光电催化过程对于PCP和其藻类毒性的去除能力均优于直接光解和电氧化。（2）用发光菌毒性试验考察PCP在光电催化降解过程中的急性毒性特征,结果与藻类生长抑制试验的结果相似。光电催化PCP过程中未生成具有显著急性毒性的产物,而且光电催化过程对于PCP的急性毒性的去除能力优于直接光解和光催化。（3）利用芳香烃受体效应生物测试—EROD诱导试验考察光电催化降解PCP过程的类二恶英效应,以监测PCP生成的类二恶英产物,并用化学分析方法确定二恶英产物的组分。结果发现PCP在光电催化反应过程中生成了二恶英类产物,但这类物质在光电催化反应中能够被去除,如果反应时间足够长,二恶英产物能够完全被去除。而直接光解和光催化降解PCP生成的产物的类二恶英效应高于光电催化过程。光电催化降解PCP的二恶英类产物的能力优于直接光解和光催化。此外,EROD诱导生物测试方法和高分辨率气相色谱/高分辨率质谱的结果相关性较好,生物测试和化学分析得到的2,3,7,8-TCDD毒性当量（TCDD-TEQ）接近处于同一数量级上。该方法能够准确、灵敏的监测复杂混合物中的二恶英类物质,适于纳入水处理技术的生态毒理和环境安全性评价体系。（4）利用SOS/umu测试方法检测光电催化降解PCP过程的遗传毒性特征,以考察该过程的遗传毒性生态风险。五氯酚在光电催化降解过程中生成了间接遗传毒性物质,但反应120 min后,该类物质能够在光电催化过程中被去除。而PCP经直接光解、光催化处理120 min的产物仍具有遗传毒性风险。进一步证明光电催化技术的环境安全性优于直接光解、光催化技术。SOS/umu测试作为一种简单、灵敏、快速的遗传毒性物质检测方法,适合于评价光电催化技术的遗传毒性特征,可以作为评价水处理技术环境安全性的生态毒理学方法之一。（5）考察一系列全氟烷酸化合物（PFAAs）对绿藻的毒性,毒性指标包括群体水平和细胞水平上的毒性,细胞水平上的毒性主要利用流式细胞仪考察测试化合物对细胞膜的影响。在测试化合物中,全氟辛烷磺酸（PFOS）、全氟十二酸（PFDoA）和全氟十四酸（PFTeA）对斜生栅藻具有生长抑制作用,PFOS、全氟辛酸（PFOA）、PFDoA和PFTeA使斜生栅藻细胞线粒体膜电位和细胞膜通透性显著升高,其效应浓度低于这些化合物对斜生栅藻产生生长抑制作用的浓度。全氟烷酸化合物对斜生栅藻的生长抑制作用与其对细胞膜性质的干扰密切相关。全氟磺酸化合物和全氟羧酸化合物对于斜生栅藻群体水平和细胞水平上的毒性随碳链长度增加而增强,而且PFOS毒性比PFOA强。根据目前PFOS和PFOA的降解研究,全氟烷酸化合物降解后对绿藻的毒性应降低。对PFOS和其他化合物的联合毒性研究结果表明,尽管PFOS对斜生栅藻的生长抑制作用较低,但由于其具有表面活性,能干扰细胞膜的功能,因而影响斜生栅藻细胞对其他化合物的摄取,进而影响其他化合物的毒性,这种影响对不同化合物表现为协同作用或拮抗作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 国内外相关领域研究进展
• 1.1 水处理技术的评价指标
• 1.1.1 物理化学指标
• 1.1.2 生物毒性指标
• 1.2 生物毒性测试方法的研究进展
• 1.2.1 生物毒性测试方法的分类
• 1.2.2 发光菌毒性试验方法
• 1.2.3 藻类毒性试验方法
• 1.2.4 芳烃受体效应（类二恶英效应）生物测试方法
• 1.2.5 遗传毒性试验方法
• 2光电催化技术的研究进展'>1.3 TiO₂光电催化技术的研究进展
• 1.3.1 光电催化氧化反应的机理
• 1.3.2 光电催化技术在处理难降解有机污染物中的应用
• 1.3.3 光电催化技术的发展前景
• 1.4 五氯酚的性质及水中五氯酚处理方法的研究
• 1.4.1 五氯酚的理化性质
• 1.4.2 环境中五氯酚的来源和浓度水平
• 1.4.3 五氯酚的毒性
• 1.4.4 五氯酚的降解研究
• 1.4.5 五氯酚的光化学降解产物及其毒性
• 1.5 全氟烷酸化合物的性质及其污染控制研究
• 1.5.1 全氟烷酸化合物的理化性质
• 1.5.2 全氟烷酸化合物的用途
• 1.5.3 环境中全氟烷酸化合物的来源和浓度水平
• 1.5.4 全氟烷酸化合物的毒性
• 1.5.5 全氟烷酸化合物的污染控制研究
• 1.6 选题依据、目的、意义和内容
• 1.6.1 选题依据和研究目的
• 1.6.2 研究意义
• 1.6.3 研究内容
• 2 用藻类生长抑制试验考察光电催化降解五氯酚过程的毒性特征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂和仪器
• 2.1.2 光电催化反应体系
• 2.1.3 毒性试验
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 藻细胞密度与光密度的标准曲线
• 2.2.2 五氯酚对蛋白核小球藻的毒性
• 2.2.3 光电催化降解五氯酚过程的毒性变化
• 2.2.4 光电催化反应条件对五氯酚降解效率和毒性去除效率的影响
• 2.2.5 光电催化、直接光解以及电氧化方法降解五氯酚过程的毒性比较
• 2.3 小结
• 3 用发光菌毒性试验考察光电催化降解五氯酚过程的急性毒性特征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂和仪器
• 3.1.2 光电催化反应体系
• 3.1.3 样品前处理方法
• 3.1.4 毒性试验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 五氯酚对发光菌的毒性
• 3.2.2 光电催化、直接光解以及光催化过程对五氯酚的去除效率
• 3.2.3 五氯酚光电催化、直接光解和光催化过程中的急性毒性变化
• 3.3 小结
• 4 用芳香烃受体效应生物测试考察光电催化降解五氯酚过程的类二恶英效应
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂和仪器
• 4.1.2 光电催化反应体系
• 4.1.3 样品前处理方法
• 4.1.4 毒性试验方法
• 4.1.5 二恶英仪器分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 光电催化五氯酚过程中的类二恶英效应
• 4.2.2 不同反应条件下光电催化五氯酚过程中的类二恶英效应
• 4.2.3 直接光解和光催化降解五氯酚过程中的类二恶英效应
• 4.2.4 光电催化降解五氯酚过程中生成的二恶英产物
• 4.3 小结
• 5 用SOS/umu测试评价光电催化降解五氯酚过程的遗传毒性特征
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂和仪器
• 5.1.2 光电催化反应体系
• 5.1.3 样品前处理方法
• 5.1.4 毒性试验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 五氯酚光电催化 直接光解以及光催化降解产物对Salmonella typhimurium TA1535/pSK1002的细胞毒性
• 5.2.2 五氯酚光电催化、直接光解以及光催化降解产物的遗传毒性
• 5.3 小结
• 6 全氟烷酸化合物及其降解产物对绿藻的毒性研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试剂和仪器
• 6.1.2 测试藻种
• 6.1.3 对绿藻群体水平的毒性研究
• 6.1.4 对绿藻细胞水平的毒性研究
• 6.1.5 PFOS对其他有机污染物毒性的影响
• 6.1.6 经PFOS暴露后斜生栅藻细胞对其他有机污染物的摄取
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 斜生栅藻细胞生物量指标之间的关系
• 6.2.2 全氟烷酸化合物对斜生栅藻的生长抑制作用
• 6.2.3 全氟烷酸化合物对斜生栅藻细胞存活率的影响
• 6.2.4 全氟烷酸对斜生栅藻线粒体膜电位的影响
• 6.2.5 全氟烷酸对斜生栅藻细胞膜通透性的影响
• 6.2.6 PFOS对其他有机污染物毒性的影响
• 6.2.7 PFOS对斜生栅藻细胞对其他有机污染物摄取的影响
• 6.3 小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历