两种代表性离子型与非离子型有机污染物在土壤-植物体系中的转运机制

Pharmaceutical compounds (PCs), as a newly defined organic micropollutants, are introduced to soil through the application of biosolids, animal wastes or irrigation with reclaimed water. The residual PCs in soil could be accumulated in plants, causing contamination of food crops and thus posing a human exposure risk. Investigating the transport of PCs in soil-plant system has theoretical and practical implications for the development of green agriculture. However, it is still unclear in mechanisms involved in this process, especially lack of the comparative study tailored to PCs with different chemical properties. In this proposal, we will select two anticonvulsant drugs lamotrigine (LTG) and carbamazepine (CBZ) as our target PCs, which represent the ionizable and non-ionizable organic micropollutants, respectively. We aim to explore the plant uptake for different species of PCs through the hydroponic and pot experiment, combined with high performance liquid chromatography - tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS) analysis. More importantly, effects of root exudate on the partition of LTG/CBZ to soil will be studied, and the bioavailability of two PCs will be evaluated using film-based passive sampler. To reveal the mechanisms under this process, the association of LTG/CBZ with root exudate will be studied for the first time through equilibrium dialysis and three-dimensional excitation–emission matrix (3D-EEM) fluorescence spectroscopy. We expect results of the study will provide more reliable data for model developing to predict plant uptake for PCs, and guidance for the controlling of agricultural product safety.

药品是一类新型有机污染物，在使用后经过污泥、畜禽粪便土地利用及污水灌溉等多种方式进入土壤环境，并通过植物根系吸收富集于植物可食用部分，威胁人类健康。深入研究有机污染物在土壤-植物体系中转运对于促进发展绿色农业具有重要的理论和现实意义，但目前转运机制仍不清楚，尤其缺乏针对不同结构性质污染物开展对比性研究。本项目拟选择两种抗癫痫药物拉莫三嗪和卡马西平作为离子型及非离子型有机物代表，通过水培及盆栽实验，结合液相色谱-质谱串联（HPLC-MS/MS）的分析方法，探索植物对不同形态有机物吸收积累差异；重点考察根系分泌物对两种有机物在土壤分配的影响，使用被动采样薄膜评价污染物生物有效性；最后通过透析平衡技术与三维荧光光谱相结合，首次阐明根际分泌物与有机物络合特征，揭示影响机理。研究结果将弥补当前研究空缺，为探索更加准确的植物对有机物吸收模型提供基础数据，同时为有效开展农作物产品安全提供理论指导。

环境有机质NOM作为土壤的重要组分，可能通过络合作用改变污染物生物有效性，进而决定了植物对污染物的吸收，对有机药物及其他污染物的环境行为具有重要影响意义。本研究选择一种离子型有机药品拉莫三嗪LTG为代表，采用透析吸附实验、核磁共振表征及红外表征，分别证明了静电力、氢键在LTG-NOM络合中的重要作用。在此基础上对不同分子量的NOM组分进行三维荧光及吸收光谱表征，发现分子量较大的NOM芳香性更高，与污染物通过疏水性作用进行络合的可能性更大。植物实验表明，植物根系可能更容易吸收分子形态的LTG，NOM的存在可以增加植物对LTG的吸收，说明NOM通过络合改变了污染物的生物有效性。为了进一步研究NOM对污染物迁移转化的影响，项目最后选择一种无机纳米材料MoS2，通过定量纳米材料在阳离子作用下的团聚动力学，发现NOM通过空间位阻作用抑制了MoS2的团聚，增加胶体稳定性；在NOM存在的情况下团聚体更容易分散，主要是由于NOM吸附在表面增加材料水合作用力，且分子量越大的NOM在材料表面吸附更强，引起团聚体再分散的作用更显著。本研究通过分子学表征与模拟实验相结合，全面掌握了离子型有机药物与NOM的络合机理及分子学特征，同时考察了NOM对无机材料迁移转化的影响，为研究多种污染物在土壤-植物体系的迁移奠定了理论基础。