雌激素化合物在土壤中的吸附问题及生物降解的研究

　　雌激素化合物在土壤中的吸附问题及生物降解的研究第1章绪论1.1课题背景及研究意义关于雌激素的文章[1，2]在英国《Nature》杂志上发表后，其环境效应并没有引起学者和公众的关注，但越来越多的奇怪现象却相继出现，例如：野生物种、动物及人类遭受到了不可逆转的生殖与发育障碍、机体的内分泌调节干扰、免疫系统损伤等副作用。为了防止海螺大量附着在船底，采用烧基锡（内含内分泌干扰物）涂料喷涂船体外部，不久便发现沿海区域己很难找到雄性海螺；加拿大科学家也发现许多雄性白鳍豚不仅有精巢，而且还长出了卵巢；北美大湖地区曾受到含氯有机化学品污染，20世纪60年代一些食鱼的野生鸟类便出现蛋壳变软、胚胎死亡等生殖、发育问题，从而导致种群退化，濒临灭绝等。越来越多的化学物质被认为是导致这类现象出现的凶手。美国在20世纪90年代连续举办了3次环境雌激素研讨会，对环境雌激素正式进行了定义：环境雌激素是指一类外源性化合物进入机体后，具有干扰体内正常分泌物质的合成、释放、运转、代谢、结合等过程，激活或抑制内分泌系统功能，从而破坏其维持机体稳定性和调控作用的物质。大会还讨论了环境雌激素的化学性质、生物毒性及对人类、家禽及野生生物的潜在影响，以及其的检测方法和预防措施[4]。1996年，食品质量保护法和安全饮用水法修正案促使美国国家环境保护局（USEPA)建立具有雌激素活性化学物质的蹄选方案并评价其的相关危害[4，5]。1997年，我国首次参加了在美国华盛顿召开的环境雌激素国际会议，并在国内提出了内分泌干扰物引起的生态环境问题[6]。2000年前，关于环境雌激素资助项目主要集中在美国、英国、日本、加拿大、欧共体等发达国家，涉及环境动物的生态学效应、环境暴露实验、对人类健康危害以及其的作用机制等方面[7，8];2003年左右，我国的863计划及国家自然科学基金委对环境内分泌干扰物的筛选与控制技术以及内分泌干扰物的环境效应和生物效应等多个方面的研宄进行了立项资助。相对于发达国家，我国对环境雌激素的系统性研究正处于起步阶段，需要继续开展与发达国家进行学术交流及深入地进行实验研宄工作。 2010年2月9日，国家环境保护部公布了全国污染源普查公报，明确指出农业非点源常规特征污染物化学需氧量、总氮和总憐分别占全国排放总量的43.7%、57.2%和67.4%,必须把农业源污染防治纳入环境保护的重要议程，而农业源污染中比较突出的是畜禽养殖业污染问题[9]。改革开放二十多年来，随着畜禽养殖规模化、集约化程度不断提高，我国畜牧养殖业得到了长足发展，畜禽养殖业居于世界首位。有关部门的调查显示，仅1999年，我国畜禽粪便产生量为19亿吨，是工业固体废物的2.4倍。据专家预计，以后我国每年畜禽粪便产生量将达到40亿吨，如果不进行有效的处理，将进一步导致环境恶化。目前，国内对畜禽类便的处置方式主要作为农业肥料直接使用，部分经过好氧堆肥或沼气发酵处理后的液、澄也作为农业肥料，畜禽养殖业废水没有经过集中处理而直接排放到水体，对生态环境及野生生物构成了潜在危害。畜禽养殖业不仅是环境常规污染物的重要贡献者，还是水体环境中留体雌激素类污染物主要之一。留体雌激素主要是由黄体、卵泡、肾上腺皮质、胎盘等人体或畜禽体内的器官分泌出来的，主要包括雌二醇（17p-estradiol,E2)、雌激素酮（estrone，El)和雌三醇（estriol，E3)同系物乙炔基雌二醇(17a-ethynylestradiol,EE2)等。各种脊椎动物都分泌并向外界环境排放雌激素，但排放量不尽相同，与动物种类、性别、生长阶段等有着密切关系。与奶牛相比，人均排泄的雌激素量约是每头奶牛排放量的1/10，奶牛粪便中留体雌激素类化合物排放量一般在0.3-11.4mg/d浓度范围内，尿液中排放量为0.5-163mg/d;母猪粪便中雌激素类化合物排放量处于0.1-1.6mg/d，尿液中排放量为0.4-108mg/d。于奶牛和猪II中的E2总量为10-30kg/天，E1为20-80kg/天，约为污水处理厂排放环境雌激素量的10倍。Fumich等在日本的一家养猪场排放废水中检测到E2、E1、E3的浓度分别高达1.0-1.5ng/L、5.2-5.4ng/L、2.2-3.0ng/L之间[14]。EE2是一种口服避孕药物，常常在养殖饲料中添加，畜禽粪便中关于对E1、E2和E3的检测结果报道较多，而对EE2的测定分析鲜有报道，有关文献[1114_19]中畜禽粪尿检测到留体雌激素的含量见表1-1。鉴于养殖业的分散性、不确定性和广泛性等非点源污染的特点，我国养殖业产生的畜禽固体废物直接（以肥料）或间接（堆肥或发酵后作为肥料）应用于农田，而产生的废水则是就近直接排放到水体，较少部分进入市政污水处理系统[29，21]。此外，生活污水也是地表水体中雌激素的重要，人类粪便的排放携带雌激素进入污水处理系统，而大部分的污水处理系统并不是专门针对雌激素的去除而设计的，只有少部分的雌激素被去除。因此，生活污水中的雌激素进入外界水体的量不可忽视，值得引起人们的重视。第2章主要试剂、仪器及采集样品水体特征 2.1实验试剂松花江流域位于我国东北地区。全长1900公里，流域面积54.56万平方公里，超过珠江流域面积，径流总量759亿m3。松花流域水资源丰富，全流域水资源总量为880.28亿m3，其中地表水资源量和地下水可开采量合计为851.5亿m3，在全国七大江河中少于长江和珠江，列居第三位。吉林市地处东北腹地长白山脉向松嫩平原过渡地带的松花江畔，三面临水、四周环山，松花江干流纵贯全境，本文选择的土壤样品的釆样地点位于松花江吉林市江段的国防园广场附近。采集时间为2006年7月，pH值6.9-7.4。第3章雌激素在水相/有机相中的分配行为..........34-403.1研究方法.........343.1.1实验过程.........343.1.2色谱条件.........343.2结果与讨论.........34-393.2.1EDCs在萃取相/水相中.........34-363.2.2EDCs与萃取剂及溶剂分子间.........36-373.2.3EDCs与离子液体之间作用.........37-393.3本章小结.........39-40第4章水环境中痕量雌激素的测定方法.........40-784.1研究方法.........40-434.2水体中痕量雌激素测定方法的建立.........43-754.3本章小结.........75-78第5章雌激素在水/土壤体系中的竞争吸附行为.........78-1125.1研究方法.........78-795.1.1土壤的采集及预处理.........785.1.2土壤对雌激素的吸附.........78-795.2结果与讨论.........79-1105.2.1土壤样品吸附雌激素的动力学特征.........79-805.2.2土壤样品吸附雌激素的热力学特征.........80-895.2.3雌激素在土壤/水体系中的吸附行为.........89-1025.2.4雌激素在土壤/水体系中的竞争吸附.........102-1045.2.5吸附机理探讨.........104-1105.3本章小结.........110-112结论 本文建立了以有机溶剂氯苯、离子液体为萃取剂的分散液液微萃取-高效液相色谱联用测定水样中痕量BPA的方法，从线性范围、检出限、精密度和准确度、基质效应等方面对所建方法进行了评价，所建立方法能够应用于不同水体中BPA的测定。与其它方法比较的结果显示所建立方法具有快速、操作简便、环境友好、费用低等优点。在水体中痕量BPA测定方法的基础上，建立并完善了以离子液体、十二醇为萃取剂的分散液液微萃取-柱前衍生-高效液相色谱法同时萃取测定水样中多种雌激素的方法，从线性范围、检出限、精密度和准确度、基质效应等方面对所建方法进行了评价，所建立方法能够应用于不同水体中雌激素的同时测定。与其它方法比较表明所建立方法具有快速、操作简便、环境友好、费用低等优点，并且萃取相为有机相，可直接进行衍生化反应，避免了样品脱水和氮气挥干环节，简化了衍生化的传统步骤，为一种可普及的水中痕量雌激素检测方法。选择的添加剂Mn02、腐植酸、蒙脱石及磁铁矿均能够促进土壤对雌激素的吸附作用，解吸验证表明添加剂可有效阻止雌激素因解吸作用而再次进入水体中，实现了雌激素在土壤中的固定化。所选添加剂对雌激素的固定化效果为：Mn02>磁铁矿>蒙脱石>腐植酸，但磁铁矿对E1去除率没有明显的增强作用。利用傅里叶红外光谱技术，从分子层面推断添加剂增强土壤吸附雌激素的方式主要以氢键缔合、分配作用为主，同时也存在表面吸附作用。