类固醇雌激素环境转化过程中溶解性有机质光化学和电子穿梭作用的耦合效应

The photochemistry and electron shuttle effects of dissolved organic matter (DOM) play essential roles in photochemical transformation and biodegradation of persistent organic pollutants, which are important elimination ways for those compounds in water environment. However, the coupling effects of the two mechanisms have never been studied. Although electron shuttle effects of DOM can promote the pollutants reduce and oxidation, most of our focus were put on reducing metallic oxides and organic matters with little attention paid on the oxidation of steroid estrogens (SEs). In this work, we intend to: (1) explore the effects and mechanisms of dissolved oxygen during the photochemical transformation of SEs promoted by DOM laying a foundation for studying the coupling effects of DOM; (2) build electron shuttle system of DOM-microorganism-SEs and investigate the acceleration ability of electron shuttle effects of DOM for SEs oxidation; (3) and research the coupling effects of photochemistry and electron shuttle roles in the transformation of SEs. This project carried out is capable of forming a more systematic understanding for transformation behaviors and mechanisms of steroid estrogens in the aquatic environment and providing essential information for the ecological risk assessment.

光化学转化和微生物转化是水环境中持久性有机污染物的主要削减途径，而溶解性有机质（DOM）的光化学和电子穿梭过程，能够分别对这两种途径产生重要的介导作用，但这两种介导作用之间的耦合效应尚未引起关注。虽然DOM的电子穿梭过程可以起到加速污染物氧化和还原的双重作用，但大多是考察其对环境中金属氧化物和有机物的还原转化机制，对类固醇雌激素（SEs）的氧化转化还有待研究。本项目拟以17β-雌二醇（E2）和17α-乙炔基雌二醇（EE2）为研究对象，考察溶解氧对DOM介导E2和EE2光解的影响及作用机制，为后续厌氧条件下的耦合效应研究提供基础；构建电子穿梭系统并探究DOM的电子穿梭过程对微生物厌氧氧化E2和EE2的促进能力；综合考察DOM光化学和电子穿梭作用对SEs转化的耦合效应。本项目的实施能对天然水体中SEs的转化行为及机制形成较系统的认识，为生态风险评价提供基础信息。

类固醇雌激素（SEs）所造成的环境污染与健康问题已经成为全球关注的新的研究领域。溶解性有机质（DOM）的光化学和电子穿梭过程，能够分别对水环境中SEs的光降解和微生物降解产生重要的介导作用，但这两种介导过程的作用机制和耦合效应有待研究。本项目系统研究了17β-雌二醇（E2）和17α-乙炔基雌二醇（EE2）两种典型SEs在DOM介导下的光化学转化、微生物转化及两者的耦合转化过程，以及各种水环境因子（包括溶解氧、pH值、DOM浓度、离子强度等）对DOM介导SEs转化的影响；并在DOM结构组成、组分分级和理化性质改变的基础上，分析了其对SEs不同转化过程的作用机制；最后探究了各种转化过程中SEs降解产物的雌激素活性和植物生长毒性。结果显示，DOM的存在促进了EE2和E2的光化学转化和微生物转化过程，将DOM加入到耦合体系后，SEs的半衰期极大缩减。DOM的光敏化过程产生的HO•和3DOM*是引起EE2快速光降解的主要活性物质，而DOM的电子穿梭作用是加速E2生物去除的主要原因。因此，DOM的光化学和电子穿梭过程共同存在促使了EE2的快速去除。通过对DOM组分分级以及结构组成的改变进一步说明了发色基团和醌类基团在耦合降解过程中的重要作用。对光降解和耦合降解产物进行酵母菌和MCF-7细胞检测显示，光化学和微生物转化能彻底消除EE2雌激素活性，但是光化学转化对植物的生长刺激效应并不能被彻底消除。本项目的实施能对天然水体中SEs的转化行为及机制形成较为系统的认识，为生态风险评价提供了基础信息。