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科学研究

新型污染物的生物富集与降解转化

2018-03-19 17:57:00 来源:9001aa金沙登录环境研究院 点击:

新型污染物,如全氟化合物(PFASs)、药物和个人护理品(PPCPs)等,引起的环境问题已成为近年来科学家和大众关注的热点。这些化学品在使用后大量进入环境,特别是水生环境,能够在水生生物体内富集,或在环境中降解转化。本研究团队近年来对新型污染物的生物富集及其生物降解/生物转化过程进行了研究。研究发现,对于离子型污染物,如抗生素、药物、个人护理品,不仅能够在野生鱼体的肌肉和肝脏组织中检出,还能够在胆汁和血浆中检出很高的浓度,与传统持久性污染物的生物富集模式具有明显差异。另外,研究还发现,活性污泥中的微生物和环境中的藻类对激素等新型污染物具有较好的降解作用,为生物降解法去除此类污染物提供了理论基础。研究成果有助于人们更好了解新型污染物的环境行为,能够为政府评价新型污染物的生态风险,进行化学品管理提供依据。

(1). PFASsPPCPs的生物富集

珠江和长江是我国经济最为发达的区域之一,工业废水、养殖废水和生活污水排放量都很大,在珠江和长江的水体沉积物中检出PFCAsPPCPs等新型污染物的存在,这些污染物能够在水生生物体内进一步富集。


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14. 新型污染物在野生鱼体的潜在生物富集性

 

我们采集了珠江(东江干流惠州段、石马河、淡水河、西枝江)和长江(宜宾、武汉、南京和镇江段)野生鱼体,解剖获取鱼肉、肝脏、血浆和胆汁等生物样品。首先,建立了复杂生物基质中提取和分析抗生素、个人护理品、全氟化合物的方法,如采用HLB固相萃取柱串联SAX/PSA双层柱,用以去除鱼体组织中脂肪和蛋白成分对抗生素的干扰,采用QuEChERS提取和净化试剂盒,可快速分析鱼体组织中的个人护理品。然后,对我国珠江和长江野生鱼体中PFASs、抗生素和个人护理品的生物富集特征进行了研究。对于PFASsPFOS在鱼肉和肝脏中含量最高,分别达到79 ng/g1500 ng/g湿重,平均log BAFmuscle范围为2.7–3.4。对于抗生素,26种抗生素中12种抗生素可以在野外鱼体样品中检出,特别是胆汁中检出率高,在胆汁、血浆、肝脏和鱼肉中的平均log BAF分别为2.06–4.081.85–3.471.41–3.510.48–2.70。对于个人护理品(PCPs),24PCPs13PCPs可在鱼肉和肝脏中检出,包括9个杀生剂、2个合成麝香、2个苯并三唑类紫外吸收剂,其中佳乐麝香在鱼肉和肝脏含量较高,分布为299 ng/g2620 ng/g湿重,PCPs在鱼肉和肝脏中平均log BAF分别为0.63–3.450.84–4.73


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15. 珠江和长江流域生物样品采样点


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16. 抗生素在野外鱼体不同组织中的生物富集因子

 

在实验室条件下进一步研究了离子型药物的生物富集及其吸收/净化动力学过程。研究表明,太阳鱼(Lepomis macrochirus)暴露于1000 ng/L2000 ng/L4000 ng/L磺胺甲噁唑、美索巴莫、双氯酚酸、罗苏伐他汀、替马西泮的环境相关浓度下,药物的生物富集效应大小为:替马西泮>美索巴莫>双氯酚酸、磺胺甲噁唑>罗苏伐他汀。胆汁的生物富集性最强,其中替马西泮在胆汁中的生物富集因子(BCF)达到数千。单一、两两混合和四种混合的14天吸收/14天净化动力学过程符合经典的一级药物代谢动力学过程。混合条件暴露的吸收和净化动力学与单个暴露基本接近,表明鱼体组织可能同时以较高能力富集不同的PPCPs,从而在复合PPCPs污染情况下对鱼体造成危害。


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17. 药物在鱼体组织的吸收/净化代谢过程



(2). 新型污染物的降解转化

环境中微生物对各种新型污染物有不同程度的降解能力。我们研究了2种孕激素黄体酮和左炔诺酮在实验室内的降解动力学、降解产物、拟降解路径及降解菌的筛选。研究表明:黄体酮降解较快,符合零级动力学,半衰期T1/2 = 4.3 h;左炔诺酮降解相对较慢,符合一级动力学,半衰期T1/2 = 12.5 d。对于黄体酮,共发现8种降解产物,其中有四种通过标准品确定其结构,有三种通过LC-MS/MSGC-MS推测出结构;对于左炔诺酮,共发现4种降解产物,其中三种通过LC-MS/MSGC-MS推测出结构。在活性污泥中筛选出1种黄体酮降解菌和6种左炔诺酮降解菌。

 

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图18. 黄体酮和左炔诺酮的降解曲线


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19. 好氧条件下黄体酮和降解产物


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20. 好氧条件下黄体酮潜在降解途径



藻类在环境中广泛存在,在一定条件下藻类对污染物具有降解作用。我们研究了两株常见藻种斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的降解行为。两株菌株都表现出对黄体酮和诺炔孕酮的去除能力,生物降解是主要的去除机理,而吸附仅起到了很小的去除作用。两株藻的降解效率不同,其中斜生栅藻的降解效率更高。研究发现,合成的孕激素诺炔孕酮降解效率明显低于天然孕激素黄体酮。对于黄体酮的降解产物,鉴定得到3种主要产物和6种微量产物;而诺炔孕酮发现2种产物。可能的降解途径包括羟基化、氧化(脱氢)、还原(加氢)以及侧链的部分断裂。

研究还发现,淡水藻对双酚ABPA)和四溴双酚ATBBPA)也具有较好的降解总有。近头状伪蹄形藻(Pseudokirchneriella subcapitata)可以将TBBPA转化为糖基化、磺酸化的产物;尖细栅藻(Scenedesmus acuminatus)可以转化TBBPA为甲基化产物。藻类对污染物的降解和转化作用对于阐明环境中孕激素、环境激素等物质的代谢行为,以及污水处理厂中去除工艺的应用都具有重要意义。

 

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21. 黄体酮在斜生栅藻和蛋白核小球藻作用下的降解动力学曲线



代表性论文论著:

(1)     Yao L, Zhao JL, Liu YS, Zhang QQ, Jiang YX, WR Liu WR, Yang YY, Ying GG. Personal care products in wild fish: Bioaccumulation potential and human health risks. Submitted to Journal of Hazardous Materials, Under review.

(2)     Zhao JL, Furlong ET, Schoenfuss HL, Kolpin DW, Bird KL, Feifarek DJ, Schwab EA, Ying GG. 2017. Uptake and disposition of select pharmaceuticals by bluegill exposed at constant concentrations in a flow-through aquatic exposure system. Environmental Science & Technology, 51(8): 4434-4444.

(3)     Yao L, Zhao JL, Liu Y-S, Yang YY, Liu W-R, Ying GG. 2016. Simultaneous determination of 24 personal care products in fish muscle and liver tissues using QuEChERS extraction coupled with ultra pressure liquid chromatography-tandem mass spectrometry and gas chromatography-mass spectrometer analyses. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 408(28): 8177-8193.

(4)     Zhao JL, Liu YS, Liu WR, Jiang YX, Su HC, Zhang QQ, Chen XW, Yang YY, Chen J, Liu SS, Pan CG, Huang GY, Ying GG. 2015. Tissue-specific bioaccumulation of human and veterinary antibiotics in bile, plasma, liver and muscle tissues of wild fish from a highly urbanized region. Environmental Pollution, 198: 15-24.

(5)     Liu S, Chen H, Xu XR, Liu SS, Sun KF, Zhao JL, Ying GG. 2015. Steroids in marine aquaculture farms surrounding Hailing Island, South China: Occurrence, bioconcentration, and human dietary exposure. Science of the Total Environment, 502: 400-407.

(6)     Peng FQ, Ying GG, Yang B, Liu YS, Lai HJ, Zhou GJ, Chen J, Zhao JL. 2014. Biotransformation of the flame retardant tetrabromobisphenol-A (TBBPA) by freshwater microalgae. Environmental Toxicology and Chemistry, 33(8): 1705-1711.

(7)     Pan CG, Zhao JL, Liu YS, Zhang QQ, Chen ZF, Lai HJ, Peng FJ, Liu SS, Ying GG. 2014. Bioaccumulation and risk assessment of per- and polyfluoroalkyl substances in wild freshwater fish from rivers in the Pearl River Delta region, South China. Ecotoxicology and Environmental Safety, 7: 192-199.

(8)     Zhou GJ, Ying GG, Liu S, Zhou LJ, Chen ZF, Peng FQ (2014) Simultaneous removal of inorganic and organic compounds in wastewater by freshwater green microalgae. Environmental Sciences: Processes & Impacts 16, 2018-2027.

(9)     Liu S, Ying GG, Liu YS, Peng FQ, He LY (2013) Degradation of norgestrel by bacteria from activated sludge: comparison to progesterone. Environmental Science & Technology 47, 10266-10276.

(10)     Zhou GJ, Peng FQ, Yang B, Ying GG (2012) Cellular responses and bioremoval of nonylphenol and octylphenol in the freshwater green microalga Scenedesmus obliquus. Ecotoxicology and Environmental Safety 87, 10-16.



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