固体废物重金属污染源解析技术研究进展

明晰固体废物中重金属污染物的来源与赋存形态,是正确评估其污染途径与环境风险,从而有针对性地进行污染阻断、无害化处理和环境修复的前提和依据.本文在作者工作基础上,总结了近年来固体废物重金属污染源解析的主要研究方法与进展,分别讨论了以重金属含量、化学形态、同位素指纹特征和单颗粒重金属分布特征为基础的重金属溯源方法,归纳和分析了其中的关键科学问题,并基于当前的研究现状和研究水平,展望了固体废物重金属污染源解析技术方面的研究前景.     

北秦岭铜峪铜矿床铅同位素的fsLA-MC-ICP-MS微区原位分析测定及其地质意义

利用飞秒激光剥蚀多接收等离子体质谱(fsLA-MC-ICP-MS)微区原位分析技术对铜峪铜矿床的矿石硫化物以及赋矿火山岩、矿区煤沟岩体和火山碎屑岩中的长石进行了Pb同位素组成的系统测定分析.分析结果表明,矿石和赋矿火山岩的Pb同位素比值相似,反映了成矿物质与赋矿火山岩同源,在Pb同位素构造演化图解中,二者大多数样点集中于地幔演化线和造山带演化线附近,表明矿石和赋矿火山岩中的铅主要来源于地幔和下地壳的混合铅;矿区煤沟岩体Pb同位素组成高于矿石和赋矿火山岩,分布趋势与矿石和赋矿火山岩相似,主体落在造山带演化线附近;火山碎屑岩Pb同位素组成投点落入上地壳演化线附近,远离于矿石、赋矿火山岩和煤沟岩体分布范围.在(35)g-(35)b成因分类图解中,大多数矿石、赋矿火山岩和煤沟岩体样品点落入与岩浆作用有关的俯冲带铅范围内,且与形成于岛弧环境的东秦岭VHMS型铜矿床、新疆阿尔泰南缘多金属成矿带矿石的Pb分布范围重叠或接近,指示成岩成矿与俯冲作用有关的壳-幔相互作用关系密切.铜峪铜矿床和煤沟岩体形成于与早古生代商丹洋壳北向俯冲作用有关的岛弧环境,成矿物质与赋矿火山岩同源.     

粒径对纳米氧化锌的生物累积和氧化应激的影响

纳米ZnO的大量生产和使用,使其不可避免地被释放到水环境中,对水生生物产生潜在危害.研究表明,粒径是影响纳米ZnO水生毒性的重要因素之一.然而,纳米ZnO的粒径对其在生物体累积及诱导氧化应激的程度尚不清楚.为了阐明粒径对纳米ZnO的生物累积和诱导氧化应激的影响,本研究考察了大型溞(Daphnia magna)分别暴露于3种粒径ZnO(原始粒径为30、50和90 nm)时生物体Zn累积量、氧化应激生物标志物的动态变化,并分析了在单位内暴露剂量(单位Zn累积量)下粒径对纳米ZnO诱导大型溞氧化损伤的差异.结果显示, 90 nm ZnO对大型溞的24 h活动受抑制率高于其他2种粒径的纳米ZnO.与30 nm ZnO相比,暴露于50或90 nm ZnO时大型溞体内的Zn累积量在暴露前期(6 h内)就有显著升高,且6 h时90 nm ZnO暴露组大型溞体内的Zn累积量显著高于50 nm ZnO暴露组(P0.05).该结果表明, 90 nm ZnO相比于其他2种粒径的纳米ZnO更容易在大型溞体内累积.氧化应激生物标志物的测试结果显示,暴露于90 nm ZnO的大型溞体内单位Zn累积量对应的丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量显著高于30和50 nm ZnO暴露组(P0.05),表明在单位内暴露剂量下, 90 nm ZnO造成大型溞氧化损伤的程度最高.这可能与90 nm ZnO的水动力学直径显著小于其他2种粒径的纳米ZnO有关.综上,水动力学直径相对较小的90 nm ZnO更容易被大型溞摄取和累积,且在单位内暴露剂量下诱导生物体氧化应激的能力更强.纳米材料的水生态风险评价不仅要考虑其原始粒径,更应该关注其在水相中的粒径大小.     

铬稳定同位素分析技术及其在水污染研究中的应用

高含量的六价铬离子对环境与生态具有潜在的严重危害. 因此, 监测水体Cr的污染及其演化趋势具有重要的环境生态学意义. 介绍了Cr同位素原位示踪技术及其对环境水体Cr污染与演化趋势进行定量监测的原理. 在已有研究的基础上, 建立了铬同位素化学分离与纯化流程以及Cr同位素的热电离同位素质谱测定方法. 应用所建立的方法, 对湖北省某化工厂周围11个水样进行了测定. 样品的Cr 同位素特征表现为: 区域内样品的δ⁵³Cr变化范围为-1.7‰～7.3‰、样品δ⁵³Cr值随其与污染源之间距离的增加而呈现逐渐增大的趋势、δ⁵³Cr值与其所代表的水体污染程度之间存在明显的函数关系. 研究结果表明, Cr同位素比值能较好地显示当地水体Cr污染的空间分布规律, 并能根据铬同位素分馏程度对水体自净能力进行定量评估.     

蒙特卡罗不确定性分析在受体模型来源解析中的应用

利用蒙特卡罗模拟和虚拟数据矩阵对一种受体模型(非负约束的因子分析模型)来源解析结果的不确定性进行了分析. 假设多氯联苯(PCBs)产品Arolcor1016, Aroclor1248 和Aroclor1260 为PCBs 的3 个主要污染源, 并设定它们在40 个样品中的贡献值, 由此组成一个有25 种PCBs 系列物和40 个样品的虚拟数据矩阵, 通过对每个PCBs 系列物依次取变异系数(C_v) 0.1, 0.2, 0.4 和0.6, 以考察输入参数的不确定性对非负约束的因子分析模型输出结果的影响, 模型以随机数组为输入数据运行1000 次, 对输出结果进行统计分析得到均值和标准偏差等指标. 通过本研究表明, 当C_v 在0.4 之内时, 模型能够较为准确地解析出主要污染源的指纹谱图和贡献率, 在输入数据为正态分布的情况下, 输出结果也呈正态分布, 说明非负约束的因子分析模型有较好的稳健性. 受体模型解析结果的不确定性主要受到输入参数误差、污染源指纹谱图的相关性等因素的影响.     

河流悬浮物Sr-Nd同位素随深度的分异:以长江大通站为例

分析了长江干流大通水文站丰水季节不同水深(表层、中层和底层)悬浮物的Sr-Nd同位素组成,结合悬浮物粒度组成,探讨河流水动力分选和物源比例变化对悬浮物Sr-Nd同位素体系的影响.结果表明,长江大通站悬浮物87Sr/86Sr比值从表层到底层逐渐减小,变化范围从0.730332到0.720857.悬浮物εNd(0)值变化范围为–14.75~–10.09,表现为表层悬浮物较底层具有更负的εNd(0)值.洪水季节,中层样品的同位素组成大致上可以代表该时期河流搬运整体悬浮物同位素组成.研究初步认为,导致河流同位素值分层的原因,可能是由于不同物源的物质对不同层位的悬浮物贡献比例不同,至少在长江流域,来自上游的物质对底层悬浮物的贡献比例大于表层.用Sr-Nd同位素示踪河流沉积物物源是一个被学术界普遍认可的有效方法,在地质研究中被广泛应用.但本研究表明,Sr-Nd同位素在搬运过程中可能会产生一定程度的分异,在应用时应该严格控制采样位置和粒级的选择.     

富勒烯衍生物C_(60)(OH)_x(O)_y在生物体内的分布

对富勒烯衍生物的生物活性研究结果表明它们可能在医药领域存在巨大的潜在应用价值．为了能了解作为药物或药物载体的Ｃ６０衍生物在生物体内的分布,用临床上用得最多的显像核素９９ｍＴｃ对Ｃ６０的一种简单水溶性衍生物Ｃ６０（ＯＨ）ｘ（Ｏ）ｙ进行标记,使用γ计数器测定标记物在小鼠体内各脏器和组织中放射性以及ＳＰＥＣＴ（单光子发射计算机断层）对注射有标记物的新西兰大白兔进行显像来确定Ｃ６０衍生物在生物体内的分布和代谢行为．结果表明,标记物能很快被组织吸收,其中头颅骨、胸骨、脊椎、四肢蜂窝、肝脏、脾摄取较高．除脑以外,在其他各脏器的清除速度均不快,化合物可能通过肾脏和消化道排泄．生物分布与Ｙａｍａｇｏ等人的实验结论不一致,讨论了造成差异的可能原因．Ｃ６０本身在多大程度上左右Ｃ６０衍生物在生物体内的分布,有待进一步的研究．     

富勒烯衍生物C60(OH)x(O)y在生物体内的分布

对富勒烯衍生物的生物活性研究结果表明它们可能在医药领域存在巨大的潜在应用价值.为了能了解作为药物或药物载体的C₆₀衍生物在生物体内的分布,用临床上用得最多的显像核素^99mTc对C₆₀的一种简单水溶性衍生物C₆₀(OH)_x(O)_y进行标记, 使用γ 计数器测定标记物在小鼠体内各脏器和组织中放射性以及SPECT(单光子发射计算机断层)对注射有标记物的新西兰大白兔进行显像来确定C₆₀衍生物在生物体内的分布和代谢行为.结果表明,标记物能很快被组织吸收,其中头颅骨、胸骨、脊椎、四肢蜂窝、肝脏、脾摄取较高. 除脑以外,在其他各脏器的清除速度均不快,化合物可能通过肾脏和消化道排泄.生物分布与Yamago等人的实验结论不一致,讨论了造成差异的可能原因.C₆₀ 本身在多大程度上左右C₆₀衍生物在生物体内的分布,有待进一步的研究.     

利用稳定氮和碳同位素分析渤海湾食物网主要生物种的营养层次

本研究利用稳定氮和碳同位素比值构建了渤海湾食物网主要生物种的营养层次. 其中, δ¹³C值范围为-25.38‰~-11.08‰, 并且在水生生物体内没有稳定的富集现象, 梭鱼的生活习性(洄游经济鱼种)和食性可能导致其δ¹³C值明显高于其他鱼种. δ¹⁵N值范围为4.08‰~13.98‰, 随营养层次升高有明显富集趋势, 富集因子为3.8‰. 利用δ¹⁵N建立了稳定同位素比值与营养层次的关系模型, 预测出浮游动植物、无脊椎生物、鱼类和海鸟的营养层次分别为1.46~2.10, 1.91~3.32, 2.55~4.23和2.98~4.28.     

山东昌乐玄武岩内刚玉巨晶稀有气体同位素组成

玄武岩内刚玉巨晶中的稀有气体同位素组成, 国内外文献均未有报道. 对山东昌乐新生代玄武岩内刚玉巨晶研究显示, 其³He/⁴He为1.13~7.37 Ra, 介于大气比值和MORB比值之间; ²⁰Ne/²²Ne为9.67~10.75, ²¹Ne/²²Ne为0.0280~0.0372, 在²⁰Ne/²²Ne-²¹Ne/²²Ne图解中投影点沿MFL线和大气比值至MORB比值线分布; ³⁸Ar/³⁶Ar为0.177~0.194, 总体高于大气比值, ⁴⁰Ar/³⁶Ar为280.9~404.2, 近大气比值但略高; ^128~136Xe/¹³²Xe普遍高于大气比值, 其中¹²⁹Xe明显较大气过剩. 总体看, 刚玉与该区地幔包体、辉石及歪长石巨晶矿物内的稀有气体同位素组成基本一致, 与中国东部许多地区发育的幔源包体和巨晶矿物的He和Ar同位素组成也很相似. 个别刚玉较其他样品具有异常稀有气体同位素比值, 认为它曾长期暴露地表受宇宙射线作用所致. 刚玉中的稀有气体继承自其形成环境中的流体, 这种流体代表着俯冲板块脱出的流体与地幔发生混染/交代作用后的一种“地幔流体”. 刚玉中稀有气体同位素组成不具壳源比值特征, 刚玉矿物氧同位素组成也未反映出有壳源物质加入, 因此, 研究区刚玉巨晶可能是从幔源岩浆演化出的碱性熔体中直接结晶形成, 壳源物质的贡献不明显.     

慕士塔格冰芯中大气粉尘记录的季节变化

根据帕米尔东部的慕士塔格冰芯中氧同位素比值和微粒记录, 揭示了过去近40 a来该地区大气粉尘的季节变化特征. 研究显示, 慕士塔格冰芯中粉尘浓度的高值和较粗的粒径具有与氧同位素比值相似的变化趋势, 约有50%~60%的高粉尘浓度样品出现在氧同位素比值的高值时段, 即夏季高温期, 而在春季和冬季出现的频率较低. 气团反轨迹追踪结果表明西亚(如伊朗-阿富汗高原)和中亚地区是慕士塔格粉尘的主要源区, 这些源区的尘暴频发期出现在夏季(5~8月份). 而中国西部和北部的尘暴频发期出现在春季(3~5月份), 两者在时间上存在差异. 亚洲粉尘传输路径上不同地点(如日本、北太平洋和格陵兰)的粉尘浓度出现的季节与中国西北部地区一致, 其浓度峰值出现在春季(尤其是4月). 亚洲干旱区的不同区域在尘暴频发季节上存在显著差异, 这将有助于深入理解其对北半球粉尘的贡献及其气候效应.     

17β-雌二醇、壬基酚及其混合物对雄性泥鳅的雌激素效应

以卵黄蛋白原(Vtg)为生物标志物,采用半静水式暴露体系,研究了17β-雌二醇(E2)、壬基酚(NP)及其混合物对雄性泥鳅的雌激素效应.结果表明,与对照组相比,0.5μg/LE2在21d之内可诱导雄性泥鳅体内Vtg含量的增加,呈现时间-效应关系;NP也能诱导雄性泥鳅体内产生Vtg,呈明显的时间累积和剂量-效应关系,但其雌激素活性相对较弱;E2与NP混合物对雄性泥鳅体内Vtg的诱导也呈时间和剂量相关,其诱导能力显著性地强于单一化合物,且混合物对Vtg的诱导量高于两种物质分别作用时Vtg诱导量的简单加和.     

“摇铃形”金复合纳米二氧化硅在细胞和组织暗场成像中的应用

金纳米颗粒因其具有独特的物理化学及光学性质, 在生物影像、癌症诊断治疗等领域表现出极大的应用前景, 但因小尺寸纳米金颗粒(<20 nm)在生理体液环境中稳定性较差、体内安全剂量低、被动靶向效果不明显等问题, 使其在体内成像, 尤其在活体肿瘤部位成像中受到较大局限. 本文针对上述问题, 将13 nm金颗粒生长在具有特殊核壳结构的夹心二氧化硅空腔之内, 形成具有新型结构的“摇铃形”金复合纳米二氧化硅(silica nanorattles@gold nanoparticles, SN@GN), 既保留金纳米颗粒的强散射特性以利于细胞和动物组织中实现暗场成像, 同时二氧化硅壳层将金颗粒保护起来, 提高了纳米颗粒的稳定性. 细胞毒性实验表明SN@GN的细胞生物相容性良好, 毒性低. 动物急性毒性实验表明, SN@GN的最大耐受剂量大于200 mg/kg, 而GN的体内最大耐受剂量仅为4.6 mg/kg, 显著提高了金纳米颗粒的生物相容性. 本研究为SN@GN在生物暗场影像领域的应用提供了重要的实验依据.     

生物镁锌合金体内对心肝肾脾的生物相容性

骨内固定的可降解材料尚未涉及金属基材料, 机械性能差, 难以在骨承载部位发挥作用. 研制出全营养素组成的镁锌合金, 将其制成棒状物植入新西兰兔股骨髓腔, 旨在探讨该金属合金在体内是否能降解, 降解产物对骨、心、肝、肾和脾的功能影响. 将镁锌合金植入新西兰兔股骨远端髓腔, 与对侧仅建立骨隧道的股骨侧比较. 通过 X 光片、扫描电子显微镜和元素能谱分析镁锌合金降解机制; 测定外周血镁、肝肾功能和心肌酶谱含量, 将心、肝、肾和脾制成病理切片, 在组织学上分析材料对动物重要脏器及功能的影响. 结果表明镁锌合金在股骨髓腔内能降解, 术后14周约降解87%; 镁锌合金降解后血镁、肝肾功能和心肌酶谱与术前相比无统计学差异, 心、肝、肾和脾在组织学上的细胞结构无改变. 揭示镁锌合金在骨组织内能降解, 其降解产物对心、肝、肾和脾具有良好的生物相容性, 继续深入研究镁锌合金在体内体外的降解机制将给骨组织材料的选择提供新思路.     

城市污水处理厂污泥中多氯萘的污染水平与分布特征

采用同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱(HRGC/HRMS)联用技术对北京市8个城市污水处理厂污泥中的70余种多氯萘(PCNs)进行了分析测定. 污泥中SPCNs的污染水平在1.48~28.21 ng/g (干重)之间, PCN-TEQs的含量在0.11~2.45 pg/g (干重)之间, 远低于国外其他地区的含量. 结果表明, 污水处理厂的污水来源是影响多氯萘污染水平的重要因素. 探讨了污泥中多氯萘同类物的分布特征, 发现所有样品中PCNs同类物的分布大体相同, 均以二氯萘和三氯萘为主, 说明其污染来源具有一定的相似之处. 研究表明, 城市污泥中的多氯萘主要来自工业污染源; 另外, 废弃物焚烧、燃煤等热处理过程也是造成多氯萘污染的重要来源.     

好氧生物降解中烷烃单体稳定同位素分馏及其环境意义

通过气相色谱(GC-FID)监测了在好氧条件下微生物(石油降解菌GIM2.5和白腐菌Phanerochaete chrysosporium-1767)对正十二烷、正十五烷、正十六烷、姥姣烷、正十八烷以及正二十四烷烃等石油及其制品的常见组分以及原油样品的降解. 用色谱-同位素质谱(GC-IRMS)分析了降解过程中烷烃及原油中正烷烃组分(C₁₃ ~ C₂₅)的单体稳定碳、氢同位素组成. 结果发现, 在好氧微生物作用下, 上述烷烃的稳定碳 (δ ³C)、氢同位素(δ D)都较为稳定, 其同位素值变化基本上介于仪器的精确度以内, 尤其是nC₁₆以上正烷烃. 烷烃化合物δ ¹³C和δ D的稳定性和特定性可用于追索表生环境中石油类污染物的来源, 特别是当污染物风化严重, 常规的化学指纹技术难以明确判识时, 稳定同位素指纹(δ ¹³C和δ D)有望成为有效的环境污染源指示剂.     

石墨烯联合磷酸三苯酯(TPP)胁迫紫贻贝(Mytilus galloprovincialis)的生理生化响应

石墨烯纳米材料具有优良的吸附性能,进入环境后容易与其他污染物发生相互作用,进而影响其环境行为和毒理学效应.磷酸三苯酯(triphenyl phosphate, TPP)在环渤海中具有广泛的分布,且分子中含有多个苯环,易与石墨烯发生相互作用.为了研究石墨烯和TPP对海洋贝类生理响应的影响,采用指示生物紫贻贝(Mytilus galloprovincialis)进行了单一及联合暴露实验.通过对滤水率、耗氧率和排氨率的检测,分析了暴露物对紫贻贝生理代谢的影响;制作石蜡切片观察鳃和肝胰腺组织的结构变化;采用酶活试剂盒对肝胰腺组织中的抗氧化酶活性进行检测.结果表明,石墨烯和TPP单独暴露,均可对紫贻贝产生氧化胁迫和组织损伤.石墨烯和TPP联合暴露对紫贻贝的氧化胁迫和组织损伤程度,低于石墨烯单独暴露组.石墨烯对紫贻贝的耗氧率和排氨率均有显著影响(P0.05).与对照组相比,石墨烯显著抑制紫贻贝的呼吸,增加紫贻贝的排氨率. TPP暴露后显著增加紫贻贝的排氨率.联合暴露后可降低由石墨烯引起的呼吸抑制,且升高氧氮比(O:N),说明联合暴露对机体造成的压力低于石墨烯单独暴露.综合生物标志物指数(IBR)结果显示,联合暴露对紫贻贝产生的胁迫压力低于石墨烯和TPP分别单独暴露.本研究结果可为预测海洋环境污染对贝类以及海洋生态系统产生的影响提供参考.     

滨海湿地环境中微塑料表面性质及形貌变化

海岸带湿地是微塑料的重要聚集区.目前,对海岸带真实湿地土壤环境中微塑料表面形貌和性质变化研究甚少.本研究选取我国北方温带的黄河口盐沼湿地和南方亚热带的北部湾红树林湿地,以聚苯乙烯发泡和聚乙烯薄膜为受试微塑料对象,通过原位土壤掩埋(地下暴露)和非掩埋(地上暴露)定位试验和定期采样,观察和分析微塑料表面形貌、官能团、比表面积和疏水性等变化,以揭示南北典型生物地理海岸带湿地环境微塑料表面性质及形貌变化特征.在形貌上,南方北部湾红树林湿地中发泡微塑料表面出现更多的凹坑和孔洞,地上暴露的发泡18个月后,表面发生脆化和易脱落现象,而地下暴露的未出现此现象;对于比表面积,黄河口盐沼湿地原位土壤掩埋发泡和薄膜的更高;对于羰基指数,黄河口盐沼湿地土壤环境中发泡和薄膜表面的增长速率更快,地上暴露的微塑料更容易老化;对于表面疏水性,南北两类湿地土壤中掩埋薄膜表面疏水性均降低.对于微塑料类型,发泡和薄膜型微塑料均以大孔和介孔为主,发泡表面形貌更易发生变化,但薄膜比表面积变化更大.可见,滨海土壤环境微塑料表面性质及形貌变化与湿地类型及条件、微塑料种类及其暴露方式和时间等多因素有关,但对这些变化的机理有待深入研究.综上,本研究可为我国海岸带环境微塑料表面微界面化学过程和环境行为研究及其风险管控提供科学依据.     

降低纳米毒性的途径及其机理研究进展

纳米材料广泛应用在光照疗法、光声成像、癌症的早期诊断、药物转运和组织工程学等领域,通过应用或无意释放的形式进入植物、动物、人体和生态环境,带来了潜在的环境和人类健康风险.在纳米材料广泛应用或释放到环境之前,亟需探索降低其生物毒性的方法和机理.本文通过对纳米颗粒的物理化学属性,包括尺寸、纯度、表面性质(表面电荷、亲疏水性和表面修饰)以及纳米材料与细胞相互作用的环境条件,包括暴露剂量、暴露时间、反应/作用介质等的调整来探讨降低纳米毒性的方法.同时从细胞及亚细胞结构的生理生化损伤、氧化应激、基因、蛋白质和代谢5个方面来阐述纳米颗粒产生毒性及降低其毒性的途径、机理,并对今后降低纳米毒性的相关研究进行展望.     

基于稀有鮈鲫模型研究水环境中纳米银的毒理学效应

纳米银具有优越的抗菌性能,现已被很好地应用于食品工业、医疗卫生、水处理等多个行业中.然而纳米银的生物安全性也同时引起了人们的高度关注.本文采用小型实验鱼类——稀有鮈鲫,探讨了商品化纳米银在水处理推荐使用剂量范围内(1~20 mg/L)的水生毒理学效应.通过24 h急性毒性实验表明纳米银(LC50 12.79 mg/L)毒性效应远远低于银离子(LC50 22μg/L),尽管银离子与纳米银的生物富集效应并不明显,但它们同样可进入鱼体内,并引起相应靶器官的毒性作用,表现为鳃组织与肝脏表面显微结构的明显损伤效应.由此可见,水体中由于纳米银的应用而导致的潜在生态毒性风险不容忽视.