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典型多溴联苯醚在土壤中的吸附及对其生物降解性的影响

作　者: 辛佳
导　师: 刘翔
学　校: 清华大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 2,2’4,4’-四溴联苯醚（BDE-47）土壤有机组分吸附解吸生物可降解性
分类号: X53
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

多溴联苯醚（Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs）是斯德哥尔摩公约中新增的受控物质，在PBDEs作为阻燃剂长期使用的过程当中，其原料生产、产品添加和后处理过程都可能造成相关场地土壤介质的污染，而产生严重的环境风险。本研究系统地考察了PBDEs典型单体在土壤中的吸附作用，分析了该吸附过程对其后续生物可降解性的影响，研究结果对于准确评价PBDEs的环境风险和相关场地采取相应的管理手段有重要的意义。选择典型单体2,2’,4,4’-四溴联苯醚（2,2’,4,4’-tetrabromodiphenyl ether, BDE-47）为研究对象，以土壤、典型矿物以及胡敏酸（humic acid, HA）和黑碳（black carbon,BC）组分为吸附剂，在对其表面/结构特性表征的基础上，开展了静态吸附/解吸试验，结合其吸附性能的差异，识别了土壤有机组分在影响BDE-47水土体系吸附行为中的关键作用，其中，BC组分体现出了更明显的吸附非线性和解吸滞后性特征，而不同样本的有机组分间都存在着有机碳归一化吸附系数的显著差异，说明有机组分的表面/结构特性会对其吸附能力产生影响。采用pp-LFER理论对BDE-47在20种模式有机组分上的三个浓度区间的单点吸附系数Koc进行了多参数线性回归，显著性分析的结果识别出基于芳香环结构的表面吸附和基于微孔结构的微孔填充是影响有机组分吸附BDE-47的关键因素，通过双模式模型，对其各自的贡献进行了定量解析，表明在吸附初始阶段，微孔填充占主导地位，吸附进程中，微孔点位逐渐饱和，优势地位逐渐被表面吸附替代。通过对照苯胺、苯酚、对羟基苯甲酸和环己醇、环己酮、1,5-己二烯-3-醇在模式有机组分上的吸附特性，排除了环状结构、氢键和不饱和双键作为核心作用位点的可能性，识别出芳香环结构是表面吸附的核心作用位点，采用紫外/红外光谱技术，解析了供电子基团（羟基）对于BDE-47与芳香环结构之间作用力强弱的影响，揭示了π-π电子供受体作用是影响有机组分吸附BDE-47的关键作用力。基于降解速率和潜在可降解性两个指标，考察了不同吸附作用对于吸附质在土壤体系的生物降解的影响，发现BDE-47从土壤有机组分上解吸过程是影响其降解速率的关键环节，选择生物表面活性剂提供优化的促解吸环境，发现解吸进行完全后，依托表面吸附的吸附质分子几乎能够全部从有机组分上解吸下来而得以降解，而微孔填充的吸附质分子无法从微孔位点释放，难以被微生物降解。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-40
  1.1 选题背景  11-17
    1.1.1 典型 PBDEs 的生产、使用与危害  11-14
    1.1.2 开展 PBDEs 在土壤中吸附机理研究的必要性  14-17
  1.2 国内外研究进展  17-37
    1.2.1 土壤有机组分的构成及结构特征  17-22
    1.2.2 疏水性有机化合物（HOCs）与土壤有机组分的吸附作用机理  22-32
    1.2.3 土壤中 HOCs 的生物可降解性  32-37
  1.3 研究内容、研究目的及技术路线  37-40
    1.3.1 研究目的  37
    1.3.2 研究内容  37-38
    1.3.3 技术路线  38-40
第2章土壤的有机组分构成及特征分析  40-50
  2.1 试验材料与方法  40-41
    2.1.1 土壤样品的采集和制备  40
    2.1.2 土壤中不同有机组分的提取和定量  40-41
    2.1.3 有机组分的表面特性及结构特性表征  41
  2.2 土壤中有机组分构成及含量  41-43
  2.3 土壤中有机组分的元素组成和比表面积  43-45
  2.4 土壤中有机组分的官能团解析  45-48
    2.4.1 土壤中有机组分的红外光谱分析  45-46
    2.4.2 土壤中有机组分的含氧官能团  46-48
  2.5 小结  48-50
第3章 BDE-47 在土壤矿物/有机组分体系吸附解吸行为  50-63
  3.1 试验材料与方法  50-52
    3.1.1 BDE-47 在水土体系吸附/解吸特性试验  50-51
    3.1.2 BDE-47 的 GC-MS 测试方法  51
    3.1.3 吸附/解吸等温线的数据分析  51-52
  3.2 土壤及矿物/有机组分对 BDE-47 的吸附特性  52-60
    3.2.1 土壤对 BDE-47 吸附平衡时间的确定  52
    3.2.2 BDE-47 在土壤及无机矿物组分上的吸附特性  52-54
    3.3.3 BDE-47 在土壤有机组分（HA 和 BC）上的吸附特性  54-56
    3.2.4 共存溶质对土壤吸附 BDE-47 的影响  56-60
  3.3 BDE-47 在土壤及有机组分上的解吸特性  60-62
  3.4 小结  62-63
第4章土壤有机组分对于 BDE-47 的吸附机理研究  63-105
  4.1 研究方法  63-73
    4.1.1 模式有机组分的获取与表征方法  63-64
    4.1.2 模式有机组分对 BDE-47 的吸附特性研究  64-65
    4.1.3 模型的构建与应用  65-68
    4.1.4 化学顺序提取法表征 BDE-47 在不同有机组成的土壤中分布状态  68-70
    4.1.5 模式有机化合物的吸附实验设计  70-71
    4.1.6 模式有机化合物的紫外/红外光谱测定  71-73
  4.2 模式有机组分的表面/结构特性与吸附特性  73-79
    4.2.1 模式有机组分的表面特性及结构特性  73-77
    4.2.2 模式有机组分与 BDE-47 的吸附特性  77-79
  4.3 PP-LFER 模型解析土壤有机组分与 BDE-47 的吸附机理  79-92
    4.3.1 吸附行为的影响因素的分析  79-82
    4.3.2 微孔结构对吸附行为的影响  82-92
  4.4 土壤有机组分吸附 BDE-47 的Π-Π作用  92-99
    4.4.1 模式有机化合物在有机组分上的吸附特征  92-96
    4.4.2 表面吸附的核心作用位点鉴别及机理分析  96-99
  4.5 吸附进程中优势作用机理贡献模式的定量解析  99-103
  4.6 小结  103-105
第5章功能微生物的筛选及其降解特性研究  105-122
  5.1 试验材料与方法  105-111
    5.1.1 试验材料  105-106
    5.1.2 降解菌的分离筛选与鉴定  106-109
    5.1.3 降解菌降解与摄食特性的研究方法  109-111
  5.2 降解菌的选育与鉴定  111-113
    5.2.1 降解菌的筛选  111-112
    5.2.2 降解菌的鉴定  112-113
  5.3 降解菌的生物降解特性  113-118
    5.3.1 BDE-47 为唯一碳源的生物降解动力学  113-114
    5.3.2 pH 值对 TZ-1 降解 BDE-47 的影响  114-115
    5.3.3 温度对 TZ-1 降解 BDE-47 的影响  115-116
    5.3.4 接菌量对 TZ-1 降解 BDE-47 的影响  116
    5.3.5 共基质对 TZ-1 降解 BDE-47 的影响  116-118
  5.4 降解菌的摄食机制  118-120
    5.4.1 细菌表面疏水性及其影响因素  118-119
    5.4.2 细菌胞外聚合物分泌及其影响因素  119-120
  5.5 小结  120-122
第6章吸附对土壤有机组分中 BDE-47 的生物可降解性的影响  122-136
  6.1 试验系统建立与试验方法  122-123
    6.1.1 土壤有机组分影响 BDE-47 生物可降解性研究体系建立  122-123
    6.1.2 生物代谢物对有机组分上 BDE-47 的促解吸特性  123
  6.2 土壤有机组分共存的三相体系中 BDE-47 生物降解过程  123-127
    6.2.1 土壤有机组分对于 BDE-47 的化学可提取性的影响  123-124
    6.2.2 土壤有机组分对于 BDE-47 的生物降解动力学的影响  124-127
  6.3 解吸过程对生物降解动力学的影响  127-129
  6.4 生物代谢物对 BDE-47 解吸过程的影响效果  129-133
    6.4.1 降解菌的胞外分泌物对 BDE-47 的解吸效果影响  129-130
    6.4.2 生物表面活性剂-鼠李糖脂对 BDE-47 解吸的影响  130-133
  6.5 吸附机理对生物表面活性剂促 BDE-47 解吸效果的影响  133-135
    6.5.1 生物表面活性剂对表面吸附的 BDE-47 的促解吸效果  133
    6.5.2 生物表面活性剂对微孔填充的 BDE-47 的促解吸效果  133-135
  6.6 小结  135-136
第7章结论与建议  136-138
  7.1 结论  136-137
  7.2 建议  137-138
参考文献  138-147
致谢  147-149
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  149-150

典型多溴联苯醚在土壤中的吸附及对其生物降解性的影响

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