类固醇雌激素对包气带和浅层地下水的穿透和修复机理

As emerging contaminants, estrogens pose a great risk to eco-environment and human health. However their transport in the vadose zone and shallow aquifer is still unclear, which leads to a scientific uncertainty for control and remediation of this type of contamination. Taking the most popular type of steroid estrogens as objectives, this project brings together contaminant hydrogeology, microbiology, molecular biology, green materials and bio-photoelectrochemistry, and investigates spatial and temporal distribution of steroid estrogens in at typical site in Xinmin, Liaoning. Through lab experiments and analysis, the penetration processes and controlling factors can be studies under various environmental conditions. The behavior and solid-liquid interfaces are investigated via understanding of correlations between estrogens and geologic media, seepage, hydro-bio-geochemistry. To solve the detection and treatment of low content estrogens in subsurface, nano-graphite fluorescent sensors are adopted for better visualization of estrogens experiments. In-situ remediation with combined bio-enhanced SAT and laccase-immobilized enzyme catalysis magnetic nano-materials PTZ will be studied to achieve an earlier and shallower interception of estrogens, to also obtain an insight theoretic knowledge of fate/transport of emerging subsurface contaminants.

雌激素作为一种新型污染物，对生态环境和人类健康存在巨大风险，然而它们在包气带和含水层中的迁移转化机理尚不清楚，其污染防控和修复也缺乏科学依据。因此本项目选择环境中最为广泛的类固醇雌激素为研究对象，融合污染水文地质、微生物、分子生物、新型材料和生物光电化学等理论和方法，在辽宁新民野外污染场地雌激素污染组分和环境参数时空调查基础上。通过实验室模拟和分析、研究不同环境条件下雌激素穿透过程和迁移归趋的调控机理；通过研究雌激素时空分异特征与地下环境介质、渗流、水文/生物地球化学特征之间的动态关联，揭示类固醇雌激素穿透行为的水土界面效应和作用机制。针对低浓度雌激素检测和去除问题，采用石墨纳米粒子荧光探针技术实现其时空分布和迁移的"可视化"，研究生物增强SAT和漆酶固定化磁性纳米酶催化材料PTZ原位复合修复原理，实现雌激素污染的浅层快速拦截和高效修复；从而深化对地下环境新型污染物迁移转化机理的理论认识。

本项目以SEs在农业包气带和浅层地下水的迁移和修复机理为研究主题，以野外调查—室内试验—机理探索—原位应用为研究主线，融合了水文地质、胶体与界面化学、分子生物学、纳米与材料科学等多学科理论，探索了实际场地中SEs组分穿透包气带和地下水的时空分布规律；SEs胁迫下地下环境微生态和水文地球化学参数变化特征；不同地质、环境条件下SEs在土壤和地下水中的吸附和自然衰减演化规律；SEs的控制和修复机理。研究结果表明：基于UAE/SPE-GC/MS技术和荧光探针技术能实现环境样品中痕量SEs的同时检测。利用建立的SEs分析方法，开展了农业场地地下环境中SEs的污染调查与风险评价，发现吸附-解吸和微生物降解/转化是控制SEs时空分异的主要过程；环境风险评价结果表明，场地SEs的生态风险较高；不同暴露途径下人体健康非致癌风险为可接受水平。针对吸附-解吸和微生物降解过程开展了室内机理实验， SEs在土壤及有机组分中的吸附过程可分为快吸附与慢吸附，且为非线性吸附，存在明显的解吸滞后现象。疏水分配是控制SEs吸附的主要机理，表面吸附与微孔扩散是造成非线性吸附、慢吸附以及解吸滞后性的主要原因。吸附剂的极性越小，脂肪碳含量越高，越有利于SEs的吸附。吸附“锁定”对SEs的降解/转化影响显著。土壤及其有机组分中凝聚态有机碳对SEs的不可逆吸附及其较强的解吸滞后性是造成微生物可利用性降低的主要原因。在SEs降解过程中监测微生态指标发现，SEs对细菌生长、土壤呼吸强度、土壤酶活性以及微生物群落多样性影响显著。相对于土壤矿物，土壤胶体与SEs的相互作用更强，土壤胶体能显著促进SEs在包气带与含水层中的迁移。光聚合漆酶包埋水凝胶膜能够高效的去除水体中的E2，且在水体中具有较强的稳定性；磁性生物炭、石墨烯与大孔吸附树脂（H103）均对SEs具有较强的吸附亲和力，可用于水体中SEs的高效去除。利用石墨烯与大孔吸附树脂（H103）构建增强SAT处理系统能够实现SEs污水的原位去除，通过优化二者的构成比例可显著提高污水效率，且可达到最大的经济效益。