铊的沉积物微界面过程及其水生生物毒性影响机制

Being a highly toxic element, thallium is one of the 13 priority pollutant metals. The chemical and microbiological processes on minerals have a big effect on the migration, transformation and toxicity of pollutants. The aims of the project are to study the fate of thallium on mineral surface, to investigate the interactions between natural organic matter, microorganism and minerals and their effect on the sorption and oxidation-reduction reaction of thallium. Surface complexation models and modern instrumental analysis are used to reveal the chemical and microbiological processes mechanisms of thallium on minerals in molecular level. On the basis of the previous research, the bioavailability and toxicity of thallium to aquatic organisms will be investigated; the change of eco-toxicity of thallium in water and sediment with the micro-interfacial processes of thallium on minerals will also be evaluated. The results are helpful for revealing the migration and transformation of thallium with different valences on the particles and sediments interface. It can also provide a scientific foundation for the thallium control and its ecological effect evaluation.

高毒性的铊是世界上公认的13种优先控制的金属污染物之一。矿物界面的化学和微生物相互作用过程是水体颗粒物和沉积物微界面复杂反应过程的代表，极大的影响着环境中污染物的归趋和水生生物毒性。本课题针对中国铊污染严重问题，围绕铊在矿物等微界面的环境过程开展研究，探讨天然有机质和微生物与矿物的相互作用对铊的吸附、界面氧化还原的影响，利用表面络合模型和现代结构仪器分析技术等手段，试图从分子水平揭示不同价态铊的化合物在矿物界面的化学和微生物相互作用机理，在此基础上，探讨微界面过程对铊的水生生物毒性和生物有效性的影响机制，明确微界面过程中铊赋存形态的变化，进而阐明微界面过程对铊的吸附氧化作用等对铊的水生生物有效性和毒性的变化机制。研究结果有助于揭示不同价态铊的化合物在水体颗粒物和沉积物微界面中的迁移转化规律，为铊污染的控制和生态效应评价提供科学基础。

高毒性的铊是世界上公认的13种优先控制的金属污染物之一。本项目围绕铊在矿物等微界面的环境过程开展研究，并探讨天然有机质和矿物的相互作用对铊的吸附、界面氧化还原的影响，并利用现代仪器分析技术等手段，尝试从分子水平揭示不同价态铊的化合物在矿物界面的化学和光氧化作用机理，在此基础上，探讨微界面过程对铊的水生生物毒性和生物有效性的影响机制。获得的主要研究结果如下：（1）不同吸附剂对一价铊、三价铊的吸附能力顺序分别依次为：水合氧化锰>铁锰氧化物>水铁矿；水铁矿>铁锰氧化物>水合氧化锰。锰氧化物或者铁锰氧化物可作为去除水体中Tl(I)的吸附剂使用；（2）采用Hamilton PRP-X100阴离子色谱柱和Dionex CS12A 阳离子色谱柱进行Tl(I)和Tl(III)形态分离优化，确定了HPLC-ICP-MS的最优检测方法；（3）在无光条件下，Fe(III)无法自发氧化Tl(I)。在无机Fe(III)溶液对Tl(I)的光氧化过程中，•OH自由基是Tl(I)的重要氧化剂。Fe(III)–HA络合物可在光照条件下生成一系列活性产物如O2•-/HO2•，并且实现Fe(III)/Fe(II)循环，生成大量•OH自由基，从而使Tl(I)发生氧化并以Tl(III)的形式稳定存在。（4）在底栖生物作用下，沉积物的pH值、粒度、结构等发生改变，使得沉积物中的重金属更易以溶解态形式释放至上覆水，同时微囊藻毒素与鱼腥藻毒素均对颤蚓与羽摇蚊幼虫产生了相应毒性，改变了其行为，从而改变铊和其它重金属的迁移转化行为。（5）铊在斑马鱼肝中的积累量最大，因为肝脏是生物体重要的代谢器官。另外由于锰氧化物对铊的吸附作用，实验中添加锰氧化物的复合体系对斑马鱼的积累浓度均低于单一铊的体系。重金属铊可以诱导斑马鱼各个器官中酶活性的增加，不过随着时间的增长，酶的活性有所下降，但仍高于空白对照组。单一铊的体系比锰氧化物和铊的复合体系对酶活性刺激性更大。单一铊体系对AChE的活性的刺激作用也更大。研究结果有助于揭示不同价态铊的化合物在水体颗粒物和沉积物微界面中的迁移转化规律，为铊污染的控制和生态效应评价提供科学基础。