单体和对映体稳定碳同位素技术示踪多氯联苯和多溴联苯醚在沉积物中的生物地球化学过程

Microbial degradation is one of the most important factors affecting the migration and distribution of pollutants in sediments. In the present project, compound-specific and enantiomer-specific stable carbon isotope analysis are introduced as tools to investigate the biogeochemical processes of polychlorinated biphenyls (PCBs) and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in pond and river sediments by laboratory experiments and field study. Compound-specific and enantiomer-specific carbon isotope compositions are investigated in terms of in situ microbial degradation of PCBs and PBDEs as well as congener profile, metabolites and atropisomers of chiral PCB congeners in sediments. Moreover, high throughput sequencing and quantitative PCR technology are used to identify and analysis the relative abundance of the key dehalogenators. Finally, the internal correlations among PCB and PBDE levels, the function dehalogenators, stereisomer and isotope characteristic of PCBs and PBDEs are exploreed to illuminate the in situ microbial degradation of PCBs and PBDEs in sedimentary environment from the points of microbial ecology and geochemistry. The results of this study will provide scientific basis for objective appraisal of the potential nature restoration of PCBs and PBDEs.

微生物降解是影响沉积物中污染物归趋的重要生物地球化学过程。本项目拟引入单体稳定碳同位素分析和对映体稳定碳同位素分析技术，以受PCBs和PBDEs复合污染场地池塘和河流沉积物为研究对象，通过野外原位分析和室内降解实验，利用目标物单体及手性分子对映体的稳定碳同位素组成，结合目标物的浓度分布、同系物组成、代谢产物分析和异构体组成特征，原位示踪PCBs和PBDEs的微生物降解过程。利用高通量测序和定量PCR技术，表征沉积物中与PCBs和PBDEs代谢相关的脱卤菌群，分析功能型脱卤菌的分布及相对数量。探讨PCBs和PBDEs残留、功能型脱卤微生物、PCBs和PBDEs同位素特征以及PCBs对映异构体组成变化之间的内在联系，从地球化学和微生物生态学相结合的角度阐明PCBs和PBDEs在沉积环境中原位降解的生物地球化学过程，研究结果对正确评估这两类卤代有机污染物的自然修复潜力提供科学依据。

多氯联苯（PCBs）和多溴联苯醚（PBDEs）是环境中两类典型的持久性有机污染物（POPs）。微生物原位降解作为沉积物中POPs主要的自然修复途径一直是环境科学领域研究的重点内容。但由于自然环境的复杂性及研究手段的局限性，开展污染物的原位降解研究存在诸多难点。为较全面评估沉积环境中PBDEs 和 PCBs 的来源和生物降解过程，本研究选取电子废物回收厂附近的一个封闭池塘，采集三个复合沉积柱样品，应用单体稳定碳同位素技术结合污染物定性定量分析、16S rRNA高通量测序和q-PCR技术等多重证据法，综合论证沉积物中PCBs和PBDEs的原位微生物降解过程。三个采样点沉积柱中PCBs总浓度在垂直深度上的差异性分布模式和PCBs单体同位素比值的差异表明采样点3与采样点1/2可能具有不同的PCBs输入来源。16S rRNA高通量测序及q-PCR技术在野外沉积物中检测出Dehalococcoides、Dehalobacter和Sulfurospirillum等多种潜在的脱卤功能菌。CPB与PCBs摩尔浓度归一化后的Dehalococcoides丰度（Log Dhc/TPCB）在三个采样点沉积柱中具有显著的负相关关系（p＜0.05），而对于PBDEs，其因子5/TBDE与潜在PBDEs脱卤菌相对丰度在三个采样点中随沉积深度增加总体呈现同步变化，该结果进一步表明沉积物中PCBs和PBDEs可能在脱卤菌（如Dehalococcoides）作用下发生了不同程度的微生物脱卤降解过程。随着沉积深度的增加，部分PBDE和 PCB单体13C富集越显著表明其微生物降解程度增强。本研究结果表明，MLEA 分析技术可为PCBs和PBDE的分析提供多维信息，进而可以较深入认识这些污染物在环境中的来源和归趋。