土壤中典型有机污染物的分子转化与生物效应机制研究

Contaminants in the environment undergo not only a series of physical, chemical and biological interfacial processes, but also chemical transformations. However, there is a big gap between the studies on the transportation and chemical transformation of contaminants in the environment, and the toxicity of the transformation products have remained largely unclear, which may result in misunderstandings on the processes and particularly the risks of the contaminants in the environment. Therefore, this proposal attempts to explore the mechanisms of chemical transformation and biological effects of typical organic contaminants in soils. The following researches are included: to develop methods of in situ analysis of interfacial reactions of typical organic contaminants such as in soils at molecular level; to investigate the mutual effects of transportation and transformation of typical organic contaminants in soils, and the conjoint effect of abiotic and biotic transformations; to explore the effects of chemical transformation on interfacial processes and biological responses of typical organic contaminants using a combination of advanced analytical technologies, molecular biological methods and theoretical calculations. This research will be an important step towards the understanding of behaviors of typical organic contaminants in soils, providing the scientific basis for the assessments of the fates and risks of organic contaminants in soils.

污染物进入环境后不但会发生一系列多介质的物理/化学/生物界面过程，同时还会通过生物和非生物过程发生分子转化。但是目前关于污染物环境界面过程与污染物分子转化的研究相互脱节，许多转化产物的生物效应尚不清楚，导致对污染物环境行为特别是健康风险的认知出现偏差。因此，本项目的研究目标是系统阐述土壤中典型有机污染物的分子转化及生物效应的微观机制。研究包括以下几方面：发展在分子水平原位表征环境介质与生物体中典型有机污染物界面转化反应的技术与方法；阐述污染物的界面行为与分子转化反应的交互作用及耦合机理；认识污染物非生物与生物转化过程的协同作用机制及影响因素；结合先进分析技术、分子生物学技术和理论化学计算从污染物结构差异性角度认识有机污染物转化的土壤界面行为，以及在细胞和分子水平上明确其生物效应。为全面准确评价土壤中典型有机污染物的迁移、转化与归趋及其健康风险提供重要的科学依据。

土壤是典型的多介质体系，污染物进入土壤后不但会发生一系列多介质的物理/化学/生物界面过程，同时还会通过生物和非生物过程发生分子转化，但是目前尚缺乏对于土壤中有机污染物分子转化及生物效应微观机制的认识。为此，本项目围绕着土壤中有机污染物的非生物和生物分子转化，系统研究了土壤介质的反应活性微观机制，土壤-植物系统有机污染物转化反应和生物效应。取得以下研究成果：1、建立了基于同步辐射谱学技术原位表征土壤有机碳（SOM）和SOM与典型有机污染物相互作用的方法，建立了FT-ICR MS分析土壤可溶性有机质(DOM)的分析方法，系统阐述了DOM的分子组成与界面分子行为、氧化还原特性及其环境效应；2、探索了土壤锰氧化物矿物通过生成活性氧物种介导转化有机污染物的反应机理，以及微生物参与的土壤铁氧化物还原-再氧化过程中活性物种的产生过程及机理，提出了土壤矿物反应活性形成的新路径和新机制；3、通过野外采样分析揭示了典型有机污染物在土壤-植物体系的转化和生物累积特征；4、结合实验和理论计算从分子结构差异性阐述了植物中典型有机污染物转化的反应路径、构效关系和生物驱动因子；5、阐明了有机污染物在植物角质层上的跨膜过程及作用机制，建立了“三区”逐级扩散模型；6、应用分子生物学技术研究了多溴联苯醚和其羟基/甲氧基转化反应的生物效应，筛选出参与羟基和甲氧基衍生物吸收和传输、代谢转化和解毒、胁迫响应以及能量代谢的关键调控基因及代谢通路的胁迫应答，在细胞水平揭示了六溴环十二烷异构体的毒性效应差异和机制。该项目研究大大提升了对于土壤-植物系统有机污染物转化机理的认识，为准确评价土壤-植物系统中典型有机污染物的迁移、转化与归趋及其健康风险提供了重要的科学依据。..