近岸水域中海洋微藻对酞酸酯的耐受性及其净化作用

发布时间：2018-11-05 14:00

【摘要】：酞酸酯类化合物(Phthalate Esters,简称PAEs)是一类环境激素类物质,被广泛应用于塑料制品的增塑剂和软化剂。塑料制品在工农业生产和日常生活各领域的广泛使用使PAEs具持续存在的排放源,进而使之能在环境中长期残留,成为典型的假持久性有机污染物,是目前环境科学领域备受关注的有机污染物。海洋近岸水体,因为直接受到周围经济相对发达地区生产和生活活动的影响,属于污染最严重的水体类型之一。其中,PAEs作为一种常见的有机污染物已经被普遍检出,而生物降解是环境中PAEs消减的主要途径。海洋微藻是近海浅水生态系重要的初级生产者且生物量巨大,显著影响着污染物的环境行为。其中,底栖微藻不仅存在于沉积物中,还可通过再悬浮进入上覆水,对近岸水环境的污染净化至关重要,但是目前相关研究尚属空白。本论文选取了海洋近岸生态系统中普遍存在的浮游硅藻—角毛藻(Chaetoceros sp.)、浮游绿藻—杜氏盐藻(Dunaliella salina)和底栖硅藻—新月柱鞘藻(Cylindrotheca closterium)为受试藻种,研究了它们对2种典型PAEs,酞酸二乙酯(DEP)和酞酸二丁酯(DBP)单独和共存情况下的耐受性。在此基础上,考察了这3种海洋微藻对水中PAEs的净化作用,以及新月柱鞘藻对沉积物中PAEs的净化作用,探讨了净化作用机制。取得如下主要研究成果:1.海洋微藻对PAEs的耐受性DEP单独作用下对角毛藻、杜氏盐藻、新月柱鞘藻生长的96 h的半抑制效应浓度(EC50)、不可见效应浓度(NOEC)和叶绿素合成的96 h的EC50值顺序均为:角毛藻新月柱鞘藻杜氏盐藻;3种藻生长的EC50值依次为194、77和62 mg·L-1,NOEC值分别为100、50和30 mg·L-1,叶绿素的EC50值分别为146、73和56 mg·L-1。DBP单独作用下对角毛藻、杜氏盐藻、新月柱鞘藻生长的96 h的半抑制效应浓度(EC50)、不可见效应浓度(NOEC)和叶绿素合成的96 h的EC50值顺序与DEP不同,均为:新月柱鞘藻角毛藻杜氏盐藻;3种藻生长的EC50值依次为4.2、3.5和0.7 mg·L-1,NOEC值分别为2.5、1和0.4 mg·L-1,叶绿素的EC50值分别为3.3、2.5和0.6 mg·L-1。根据时间-效应曲线,2种硅藻在受到DEP或DBP显著的抑制作用后,都具有一定的生长恢复能力,但是底栖硅藻(新月柱鞘藻)的生长恢复能力远远强于浮游硅藻(角毛藻);而浮游绿藻(杜氏盐藻)基本不具生长恢复能力,主要是因为这2类微藻的细胞结构和生理特性不同。可见,硅藻对这2种paes的耐受性明显强于绿藻;相比细胞生长,微藻叶绿素合成对paes更敏感;与dep相比,dbp对3种微藻细胞生长和叶绿素合成的ec50值小1~2个数量级。因此,dbp的对海洋微藻的生态风险较大。采用水生毒理联合效应的相加指数法进行分析,dbp与dep对这3种海洋微藻的联合毒性效应均表现为简单相加。2.海洋微藻对水中paes的净化作用选取4种不同浓度(0.1mg·l-1、ec20、ec50和ec75),研究了dep和dbp单独和联合作用下,这3种微藻净化paes的作用。结果表明:在dbp单独作用下,角毛藻、杜氏盐藻、新月柱鞘藻对dbp的96h的生物富集系数(bcf)顺序为:新月柱鞘藻角毛藻杜氏盐藻;bcf数值依次为4.69?104~9.92?104、8.40?103~5.55?104和4.65?103~7.87?103。这3种藻对dbp降解率的大小顺序与bcf值相同。虽然这3种藻对dbp均具有一定的富集能力,但是富集作用仅占水中dbp净化的一小部分(富集率分别不超过32%、10%和5%)。3种微藻对dbp富集作用的浓度效应也各不相同:角毛藻对dbp的富集作用随染毒浓度的增大而显著减弱;杜氏盐藻对dbp的富集作用基本上与染毒浓度无关;对于新月柱鞘藻,当染毒浓度≥ec20,对dbp的富集作用随浓度增大而显著下降。在dep单独作用下,这3种海洋微藻对dep的富集作用很小(bcf值?50),对水中dep净化作用的贡献可忽略不计。dep浓度为0.1mg·l-1时,3种海洋微藻对dep的降解率均超过90%;但是当浓度≥ec20时,3种海洋微藻对dep的降解率骤降至20%以下,表明微藻的生长状态是影响微藻降解dep的重要因素。在dep-dbp联合作用下,这3种海洋微藻对dbp的富集能力显著强于dep。两种浮游微藻(角毛藻和杜氏盐藻)对dep的降解率总体上显著强于dbp;新月柱鞘藻只在浓度为0.1mg·l-1时表现为对dep的降解率显著高于dbp,而当浓度≥ec20,对这2种paes的降解率均可达90%以上。dbp单独作用与dbp-dep等浓度联合作用相比,这3种海洋微藻富集和降解dbp作用的变化各不相同。对于角毛藻,dep的引入会显著抑制它对dbp的富集作用,而对它降解dbp的作用没有显著影响。对于杜氏盐藻,污染物的作用方式对dbp的富集效应没有明显的差异,但对dbp的降解表现出一定程度的抑制作用。对于新月柱鞘藻,两种作用方式均表现出,在能够引起微藻生长抑制效应的浓度下(ec20)能刺激微藻对dbp的降解作用;而且相比微藻生长状态(即ec值),染毒浓度是影响新月柱鞘藻降解paes的主要因素。当染毒浓度为0.1mg·l-1,dbp-dep的联合作用还会显著减弱三种微藻对dep的降解能力。3.底栖微藻(新月柱鞘藻)对沉积物中等浓度dep和dbp的净化作用为了弄清新月柱鞘藻对沉积物中paes净化作用的影响,进行了沉积物表面接种微藻(有菌有藻)实验,同时还做了不接种微藻(有菌无藻)和无菌情况下仅接种微藻(无菌有藻)的对照实验。结果表明:无菌有藻组沉积物中DEP在实验初期变化不显著(P0.05),第4天后沉积物表层和深层DEP的净化率显著增加,至第8天时净化率分别为79.5%和58.6%。可见,新月柱鞘藻不仅能够降解表层沉积物中DEP,还可以降解深层沉积物中DEP。其原因可能是(1)微藻分泌的胞外酶向深层扩散进并降解DEP;(2)表层DEP浓度的快速下降使深层DEP在浓度梯度的驱动力作用下向上迁移所致。DBP的降解率远小于DEP,第8天时仅表层沉积物中DBP含量下降,净化率为25.9%,原因是DBP分子量大于DEP,易吸附于沉积物颗粒而不易被微藻吸收所致。各实验组沉积物中DBP的降解均符合一级动力学方程,表层(0~0.5 cm)和深层(0.5 cm以下)沉积物中DBP的降解速率常数k值大小顺序为:有菌有藻组(2.098和0.309 d-1)有菌无藻组(0.460和0.256 d-1)无菌有藻组(0.216和0.039 d-1),表明菌在PAEs的降解过程中起关键作用,而接种新月柱鞘藻可显著加速菌对PAEs的降解速率。对底层沉积物PAEs的降解趋势与表层相似,但是有菌有藻组与有菌无藻组净化速率常数k值间差异显著小于表层沉积物;因此,底栖微藻的存在对微生物降解PAEs促进作用表现为:对表层沉积物(0.5cm)显著强于底层沉积物;对DEP的降解显著强于DBP。磷脂脂肪酸(PLFA)的测定结果表明,向沉积物表层接种新月柱鞘藻会显著改变微生物群落结构特征,主要表现为好氧菌PLFAs值及其在总PLFAs中的比例大幅增加,而且与PAEs净化率之间显著正相关,表明好氧菌在新月柱鞘藻促进沉积物中PAEs降解过程中起着重要作用。因此,新月柱鞘藻具有潜在的修复受PAEs污染海洋沉积物的能力。
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【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X173;X55

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