廣州地球化學研究所在孢粉素吸附多環芳烴(菲)的機制方面取得進展

  

雖然生態環境中花粉和孢子的數量相當的豐富,無處不在,然而它們在有機汙染物的遷移、轉化和歸宿等過程中的作用,往往被忽視。花粉粒是産生雄配子(精子細胞)的種子植物的雄配子體。孢子是非開花植物(例如蕨類和苔藓)、細菌、真菌和藻類的單細胞繁殖體。花粉和孢粉在水、土、氣、生物圈中無處不在,並可通過風媒傳粉的方式進入大氣中,成爲主要的生物氣溶膠顆粒;特別是孢粉在附著毒性汙染物的情況下,它可以引起或增強哮喘和過敏。在美國南部的孢粉區,大氣中最大花粉粒可以高達15,000/m3,這將導致約15粒的雲凝結核 (CNN)/m3。由于空氣中的花粉和真菌孢子不僅大量地産生,而且還可以通過長距離的運輸至高海拔地區,因此,它們是全球空氣汙染物運輸的重要媒介。然而這些孢粉在汙染物的歸宿和遷移中的作用卻被忽略了。此外,孢子或花粉可以充當CNN或冰核形成雲滴,通過幹濕沈降降落到水體和土壤中,並以孢粉素的形式保存在地層中;孢粉素的難降解特性使其成爲沈積中有機碳或幹酪根中的重要成分,以及孢粉作爲生態系統變化和全球變化的沈積檔案。

由于孢粉素表面具有酚類、烷烴和羧酸等官能團,因此,孢粉素是一種潛在的、低成本的生物吸附劑;根據現有文獻報道,它可以用于去除環境中的汙染物,例如農藥、多環芳烴、以及來自廢水、土壤和沈積物等不同來源的多氯聯苯等。然而,目前針對孢粉素進行疏水性有機汙染物 (HOCs) 的吸附研究只有兩項。之前的研究中只對高等植物的花粉進行了研究,尚未研究多種孢粉的成分和結構在HOCs吸附中的作用。並且相對地缺乏基于多種孢子/花粉對多環芳烴吸附的定量信息。

天然有機物(NOM)的化學結構、微孔和極性會控制HOC的吸附能力;NOM的脂肪結構或芳香結構在HOCs的吸附中的重要性,仍然具有爭議。先前的一些研究表明,NOM的芳香結構在HOCs的吸附親和力中扮演著重要的作用,然而,另外一些研究指出NOM的脂肪結構在HOCs的吸附中占據關鍵的作用,尤其是高抗性孢粉素的聚亞甲基等脂質碳結構域的作用不容忽視。此外,在水體沈積物中,難降解有機質的微孔體積也是影響HOCs的吸附、解吸、歸宿過程的主要因素。針對以上科學問題,中國科學院广州地球化学研究所有機地球化學國家重點實驗室徐德成硕士研究生和冉勇研究員,深入地研究了多种孢粉及其孢粉素的化学成分、化学结构和微孔特性等性质对菲吸附行为的作用及其环境意义。

在這項研究中,我們選擇了來自低等和高等植物的七種孢粉(OS),依次分級爲無脂質級分(LF)和孢粉素級分(SP),並運用元素分析、CO2氣體吸附、高級固態13C核磁共振光譜等技術進行表征。選擇菲作爲代表性的多環芳烴,運用批處理吸附技術調查了菲在原樣和各個級分上的吸附等溫線。研究結果顯示孢粉是一種高度交聯的高分子聚合物,包括烷基碳、聚亞甲基碳和芳香碳以及含氧官能團等。孢粉素對菲的吸附能力(Koc)可以高達1,170,000 mL / g,表明一些孢粉素是良好的生物吸附劑,可用于去除水介質中的疏水性有機汙染物。的吸附能力與孢粉素的聚甲基碳、聚亞甲基碳等脂質碳結構域之間存在著高度顯著的正相關關系,表明它們對菲的非吸附行爲的重要性。同時,極性指數和極性基團與菲的吸附容量呈高度顯著的負相關,表明孢粉及其級分的可及性在吸附過程中也扮演著重要的作用。此外,還觀察到吸附容量與孢粉及其孢粉素的微孔體積之間存在做不同的顯著相關性。本文的研究結果在自然環境中有機汙染物的遷移、轉化、生物可利用性、水環境的汙染修複等方面具有重要的理論和實踐意義。

該成果以封面文章形式發表于Environmental Science & Technology上。研究得到了國家自然科學基金-廣東省聯合基金(U1701244)和面上項目(41773137))資助。

論文信息:Decheng Xu, Shujie Hu, Dainan Zhang, Yongqiang Xiong, Yu Yang, Yong Ran. Importance of sporopollenin structure and accessibility in the sorption of phenanthrene by biota spores and pollens.

原文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b03911 

 

圖一、孢粉素對菲的logKoc值與脂肪碳、烷基碳、聚亞甲基、芳香碳、芳香C-C 和芳香C-O含量之間的線性分析(來源:ACS

 

圖二、Environ. Sci. & Technol.期刊封面介紹

 

有機地球化學國家重點實驗室&科技與規劃處 供稿

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