新型被动采样技术应用于水环境中新兴极性污染物的监测

This proposed research will develop a robust understanding of the physical, chemical, and biological processes that may affect the performance of novel passive water samplers for polar chemicals of emerging concern (CECs). These chemicals include modern pesticides, pharmaceuticals and personal care products, as well as metabolites and degradates of these compounds. Many such polar CECs are designed to elicit profound biological effects at low concentrations, and are released continuously into the aquatic environment from both point sources (e.g., wastewater discharge) and non-point sources (e.g., runoff from agricultural use). Our knowledge of the occurrence, behavior, fate, and effects of these chemicals is stymied by their temporal variability in the aquatic environment, which is accounted for using passive samplers. We will evaluate factors currently limiting the effectiveness of polar passive samplers, such as membrane resistance, competing analytes, and biofilms; adapt existing novel designs to measure polar CECs in porous media (soils, sediments); and evaluate the effectiveness of these devices on quantifying polar CEC metabolites, which we suspect are at levels that will rival the parent compounds. These devices will then be used to estimate use histories, loadings, and discharge levels of polar CECs in the southern Chinese estuarine and coastal environment.

本项目将拓展新型被动采样器在新兴极性化学品检测方面的应用，着重研究一些物理、化学和生物过程对该采样器性能的影响。目标化学品包括现代农药，药物和个人护理产品，以及这些化合物的代谢物和降解产物。很多极性化学品可在低浓度下引起生物效应，并且可以从点源（如废水排放）和非点源（如来自农业用途的径流）连续释放到水环境中。我们对这些化学品的赋存状态、环境行为、归趋及影响的认知，可能会因它们在水环境中的动态变化而受到阻碍，但采用被动取样器可加以弥补。本项目将评估限制极性被动采样器使用功能的因素，如膜阻力、竞争目标物和生物膜等，并利用现有的新型设计来测量多孔介质（如土壤和沉积物）中极性化学品，评估这些采样器量化极性化学品代谢物的功效，而这些代谢产物与其母体化合物浓度水平相当。这些采样器将用于估计中国华南地区河口和沿海环境中极性化学品的使用历史、载荷和排放水平。

新型被动采样器在新兴极性化学品检测方面具有重要的科研和应用价值。本项目主要研究内容包括（1）进一步拓展无滤膜o-DGT配置在采集淡水环境中极性有机化合物方面的应用，优化可以用于采集全氟烷基酸和微囊藻毒素的o-DGT采样器；（2）系统地研究生物膜对o-DGT采集极性有机污染物的影响，探究生物膜污染对PFAS在o-DGT中的扩散和质量累积变化的影响，估算生物膜存在下的扩散边界层厚度；（3）探究沉积物孔隙水中全氟烷基酸与抗生素的动力学过程，研究环境因素（酸碱度、离子强度、溶解性有机质）对DGT沉积物采样的影响，将DGT探针进行实地原位采样应用，测定全氟烷基酸的沉积物—水界面通量。由此取得重要结果则为（1）证实了聚丙烯酰胺凝胶（polyacrylamide gel）和混合型弱阴离子交换吸附剂（WAX）的polyacrylamide-WAX o-DGT配置可以应用于水体中PFAS的监测和聚丙烯酰胺凝胶（polyacrylamide gel）和亲水亲脂平衡反相吸附剂（HLB）的polyacrylamide-HLB o-DGT配置可以应用于水体中MCs的监测；（2）揭示了生物膜在o-DGT表面的缓慢累积不会对PFAS的采样产生明显影响；（3）确认了DGT采样装置可以用于研究极性化合物在沉积物-水界面分布与扩散通量，发现了全氟烷基酸与抗生素的再补给与其固水分配相关，酸碱度可以显著影响全氟烷基酸在沉积物中的分配与再补给。本项目优化的o-DGT采样装置可以用于淡水水体和沉积物中新兴极性有机污染物的监测，进一步拓展了DGT采样技术的应用范围，可以极大地提高对环境中有机污染物进行准确有效监测的能力，更好地了解不同种类污染物的分布和水平，并应用于风险评估。未来可以建立起多国家和实验室之间的相互合作，构建全球有机污染物监测网络，为国家和地区控制环境污染和制定环境决策提供更有力的科学依据。