超分子主体化合物环糊精抽提技术定量评估典型污染物土壤生物有效性的机制及验证

基于超分子空腔的包络作用，环糊精不仅可用于评估有机污染物的生物有效性，还可通过增溶效应来提高污染物的生物有效性，而应用于污染修复工程实践中。然而，环糊精的选择通常根据实践经验或工程运行结果来确定，对于环糊精评估或增加污染物生物有效性的机制缺乏了解。基于我们的前期研究，本项目将联合实验模拟和理论计算等技术手段，开展代表性农药与环糊精包合性能和包合位点判定、农药赋存形态变化、农药生物有效性的形态依赖性等研究，采用模拟环境条件下的实验结果对其进行验证，以阐明环糊精型定量评估污染物生物有效性的机制，并将有机结合单细胞模拟研究和真实土壤降解研究，以提高预测方法的可信性。项目成果预计建立土壤或沉积物体系中农药的赋存形态及其生物有效性的定量预测方法或理论方程，为预测或评估真实环境体系中污染物的生物有效性及其污染修复提供科学依据和方法指导。

生物有效性是限制有机污染物土壤原位修复与降解的限制因素。环糊精可调控生物有效性已被用于有机污染物的生物有效性评估及强化污染修复。然而，其调控机制不清楚限制了环糊精的应用。采用相溶实验和光谱滴定技术证实环糊精与污染物生成1:1包合物，其稳定性依赖于污染物与环糊精的结构。联合采用包合物的FTIR、H-NMR技术测试和分子动力学模拟，明确了包合物的化学结构。这种包合作用可影响污染物的溶解性能、光化学特性、内源脱氯解毒反应等速率，具体影响与污染物的化学结构显著相关。.我们采用序批式实验和XPS、FTIR及SEM表征证实了环糊精本身具有不同的吸附特性，与环糊精和吸附剂的种类有关；基于平衡分配原理(即有机污染物的吸附平衡)和环糊精的包合平衡，发现环糊精被吸附后仍能包合溶液中的有机污染物，表现出“伪相”作用，提出了环糊精影响有机污染物土壤赋存形态的数学模型；通过绿藻、斑马鱼急性毒性测试，证实了自由溶解态和环糊精包合态有机污染物的毒性效应相似；综合考虑污染物的形态分布及各形态毒理活性，提出了有效性分数概念，构建了环糊精调控有机污染物生物有效性的数学模型。结果表明环糊精对有机污染物生物有效性的影响与污染物的种类、环糊精的种类与用量相关。该数学模型可考虑环糊精调控效应及成本差异，为环糊精的选择与应用提供了理论指导。同时，我们采用化学合成技术将环糊精功能材料化，制备了一系列可循环使用的微球型材料。揭示了该材料对水体微污染物的选择性吸附与分离机制，量化了环糊精包合作用、网络捕捉、填孔作用等吸附机制的相对贡献，建立材料吸附-分离性能与材料本身理化特性相关联的数学模型，发现该类材料可预测水体中有效态污染物的浓度水平。.值得关注的是，土壤中沼渣的添加可以提高土壤中有机质含量，增强土壤对于农药的吸附作用，降低农药的生物有效性。沼渣还可以通过释放养分刺激土壤微生物对酰胺类除草剂的生物降解作用。从综合的效果看，污染物吸附作用的增强没有显著降低其土壤降解。环糊精是天然无毒的，改善土壤碳循环，可能影响土壤的微生态。然而，环糊精对土壤微生态的影响及其对污染物的生物降解影响没有文献报道。.综上，我们从污染物环境赋存层面阐明了环糊精影响污染物生物有效性的机制，构建了相应的数学模型，达到了课题的预期目标。部分成果发表在ES&T, Water Res, Plos ONE, EP, JAFC等期刊上。