论文部分内容阅读
黑碳(Black carbon,BC)和碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)等硬碳吸附剂统称为碳质材料(Carbonaceous materials,CMs),它们对疏水性有机污染物(Hydrophobic organiccontaminants,HOCs)具有很强的吸附作用,成为当前研究的热点和前沿。当这些CMs引入沉积物之后,可能与环境中既存的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)产生不同方式的结合作用,从而对HOCs的迁移转化和生物有效性产生影响,但目前研究主要停留在DOM对CMs吸附性能的影响,有关生物有效性方面的影响研究相当欠缺。多环芳烃(Polyeyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一类排放量大、污染面广的HOCs,沉积物是PAHs迁移和积累的主要载体和最终环境归宿之一。因而,本研究应用沉积物中优势种摇蚊幼虫,利用生物积累方法研究了CMs来源和含量,以及CMs以不同方式与DOM结合后对PAHs生物有效性的影响,并配合吸附实验以及聚乙烯膜采样装置预测及实测了PAHs自由溶解态浓度(Ciw),从多角度分析了CMs和DOM对PAHs生物有效性的影响机理。
本研究选用六种人工碳质材料:包括利用不同来源植物枝干在不同热解温度下制备的三种黑碳(CS320、CW340和CW400),以及三种商购碳纳米管(MWCNT57、MWCNT159和MWCNT305)；选用两种溶解性有机质:富里酸(fulvic acid,FA),单宁酸(tannic acid,TA)。以菲、芘、屈1三种PAHs作为模式污染物,开展了沉积物中PAHs在摇蚊幼虫体内的生物富集实验,研究了CMs来源和含量以及DOM对沉积物中(老化60 d)PAHs生物有效性的影响。主要研究结果如下:
(1)以菲作为模式污染物用来评价六种碳质材料的吸附能力。各CMs对菲的吸附均符合Fruedlich吸附等温模型,六种CMs的lg KF,CM值(KF,CM,Freundlich容量参数((mg/kgCM)J(mg/L)n))的变化范围为4.13—5.17,吸附能力排序为CS3201.5％时,三种PAHs的BSAF值随CMs含量增加而降低的幅度趋缓,而且,含有MWCNT305的体系中BSAF值反而出现上升的趋势。基于菲的Ciw的生物积累系数(Bioaccumulation factor,BAF)(Lwater/kglipid)显示,lgBAF值与沉积物中CMs含量呈显著正相关,当沉积物中MWCNT57和MWCNT305的含量由0增加至5％时,lgBAF值分别由4.16上升至5.17,4.70上升至7.38。说明摇蚊幼虫对PAHs的生物积累途径既包括孔隙水吸收,也包括沉积物摄食。
(3)向沉积物中添加1％负载了DOM的碳质材料(CW400和MWCNT159),发现负载DOM后,PAHs的Ciw均有一定上升。以芘为例,其在CW400负载FA体系中的Ciw由0.89μg/L上升至1.33μg/L。负载DOM通过降低CMs的吸附能力以及与水相PAHs的结合作用而影响PAHs的CiW。PAHs的BSAF值和BAF值均随CMs负载DOM含量的升高而降低,其中当CW400负载FA的含量由0增加至100 mg/L时,沉积物中芘的lgBAF从5.07降至4.63。单因素方差分析结果表明,在MWCNT159上负载不同种类DOM对芘的Ciw和lgBAF的影响有显著差异(p<0.05),而对屈无显著影响(p>0.05)；在CW400上负载不同种类DOM对芘和屈的Ciw和lgBAF均无显著影响(p>0.05)。这些结果表明,CMs上负载DOM对污染物生物有效性的影响随CMs种类和污染物的性质而发生变化。
(4)向已含有1％的MWCNT159的沉积物中引入不同浓度DOM溶液后,PAHs的Ciw均随着DOM溶液浓度的增加而上升。如当MWCNT159体系中引入的FA浓度从0上升至100mg/L时,芘的Ciw值从50.4上升至297.4ng/L。对于生物积累量,除芘和屈在MWCNT159与低浓度FA共存体系中有些上升外,PAHs的BSAF值皆随DOM浓度升高而降低；且PAHs的IgBAV值与DOM浓度呈显著负相关(p<0.05)。单因素方差分析结果显示,DOM种类对芘的lgBAF值有显著影响(p<0.05),但对屈的IgBAF值无显著影响(p>0.05)。
(5)碳质材料以不同方式与DOM结合后,均降低了PAHs对摇蚊幼虫的生物有效性,且摇蚊幼虫对PAHs的生物积累量基本呈现随负载或共存的DOM浓度升高而降低的趋势。但Ciw却随DOM含量增加而升高,由此说明,DOM的存在显著影响了不同摄食途径对摇蚊幼虫积累PAHs的贡献,而且摇蚊幼虫可能摄食DOM而抑制其对沉积物(包括CMs)的摄食,从而导致生物富集量呈现随DOM的增加而降低的趋势。
本研究结果表明,沉积物中不同来源的碳质材料能显著降低PAHs的生物有效性,DOM(>10mg/L)的存在能进一步降低PAHs在底栖生物摇蚊幼虫体内的生物富集作用,这可能是由于DOM作为外加营养源抑制了摇蚊幼虫通过摄食沉积物积累PAHs的途径,相关研究有待进一步开展。CMs可能作为沉积物中疏水性有机污染物的潜在修复材料,但由于底栖生物对CMs存在摄食作用,可能增加HOCs的生态风险,因此在实际修复应用之前还需进行深入的研究,同时还要考虑DOM的影响。