Category Archives: 科研进展

ES&T Cover: POPs暴露会对昆虫(蚕)的生长发育产生负面影响

罗孝俊 研究员

久性有机污染物(POPs)的生物富集与毒性,一直是环境领域重点研究方向之一。目前大部分有关POPs的生态毒理学研究都集中在鱼类、鸟类及哺乳动物等较高等级的生物上,而对低等级生物如昆虫则关注不够。昆虫种类多、生物量大,是初级生产者与高级消费者之间连接的纽带,也是跨生境传输的重要载体,在生态系统物质流及能量流中起着决定性作用。昆虫大多具有变态发育过程,该过程对体内污染物的调控直接引起以昆虫幼虫和成虫为食的高等级生物污染物暴露的差异。近年来,昆虫的种群与数量激剧下降,已成为地球生态系统面临的一个重大危机,因此,研究POPs对昆虫发育的影响及在昆虫变态发育过程中的生理放大的规律对于全面认识POPs的环境行为及生态风险具有重要意义。

近期,中科院广州地化所麦碧娴课题组黄丽倩博士生在罗孝俊研究员指导下,利用室内暴露实验,研究了不同水平的卤代有机污染物(包括多氯联苯、溴代或氯代阻燃剂)暴露下,卤代有机污染物对家蚕生长发育的影响及相关污染物在家蚕变态发育过程中的生理放大(Bioamplification)规律。

研究发现,在环境相关水平的卤代有机污染物的暴露下,蚕生长发育各个时期(幼虫、蛹、成虫)的体重、蚕茧量、每个蚕的平均产卵量均较控制组低。此外,蚕吐丝结茧的时期出现延后、延长,上述效应表现出一定的浓度-剂量关系。这些结果表明,POPs的暴露会对蚕的生长发育产生负面的影响。在研究家蚕的生长发育过程中相关化合物的生理放大规律时发现,在幼虫转变为蛹的阶段,化合物的生理放大系数(BAmFs)与化合物的辛醇/水分配系数(log KOW)间的关系表现出浓度依赖性。低浓度下,二者无相关性,高浓度下表现为正线性相关。而从蛹到蛾,及蛾交配产卵前后,化合物的BAmFs与log KOW间的关系表现出性别差异性。蛹化蝶阶段,雄蛾的BAmFs与log KOW线性负相关,雌蛾的BAmFs与log KOW呈抛物线相关。产卵前后,雌蛾的BAmFs与log KOW线性正相关,而雄蛾相关性不明显。造成这种差异的原因目前不是很清楚,可能与雌、雄蛾在变态发育过程中新陈代谢的差异及产卵过程中母(父)-子代传递的差异有关, 相关负面效应的机理也有待进一步研究去揭示。

该项研究进一步扩展了对POPs在昆虫中富集规律的认识,同时对昆虫种群与数量下降的原因方面也提供了另一个视角。

图1:暴露组与控制组家蚕各阶段重量、蚕茧及产卵量的差异。

图2:从幼虫到蛹,生理放大因子与化合物辛醇/水分配系数之间的关系。预测的BAmF值为根据体重损失计算的理论值。

图3:蛹化蝶过程中BAmF值与辛醇/水分配系数间的关系(左:雌蛾;右:雄蛾)。

图4:交配交卵前后,BAmF值与辛醇/水分配系数间的关系(左:雌蛾;右:雄蛾)

此项工作近期以第一封面论文发表在国际期刊Environmental Science & Technology上。

论文信息:Huang LQ, Luo XJ*, Qi XM, Mai BX.Sex-Specific Bioamplification of Halogenated Organic Pollutants during Silkworm(Bombyx mori) Metamorphosis and Their Adverse Effects on SilkwormDevelopment. Environ. Sci. Technol. 2020, 54 (13), 8167-8176.

 

ES&T:大气中萘的单体三元同位素(δ13C,Δ14C 和 δ2H)组成及其源解析

唐天罡 博士研究生

中等挥发性有机物(IVOCs)是一类重要的二次有机气溶胶(SOA)前体物,对SOA的贡献率可达30%~60%。萘,因其相对较高的含量和较高的SOA生成潜势,高频次地被选作为研究IVOCs的模型化合物。深入了解大气中萘的排放源组成,可以为进一步理解IVOCs的排放源组成特征提供参考依据,有助于制定针对性的空气污染防治政策。然而,目前大气中萘的排放源组成和相对贡献仍不够明晰。基于有机污染物的单体同位素组成信息进行源解析,是一种高效、准确的源解析技术方法。近期,中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室张干研究组博士生唐天罡,首次实现了环境大气中萘的三元同位素组成(δ13C,Δ14C 和 δ2H)测量,并用其对我国五个大型城市大气中的萘进行了源解析。

首先,研究者利用大流量空气采样器采集了京津冀地区(北京、天津、石家庄)和广州的大气样品。其次,采集后的大气样品进过化学前处理和预净化后用气相色谱和稳定同位素比值质谱联用仪(GC-IRMS)分析萘的稳定碳(δ13C)和氢(δ2H)同位素组成。再利用制备气相色谱(PCGC)分离出单体萘。经微量碳石墨制靶后,利用有机地球化学国家重点实验室14C专用加速器质谱仪(GIG-CAMS),分析萘的放射性碳同位素(Δ14C)组成。

图 1 大气中萘的 δ13C-δ2H 同位素组成

图1为大气中萘的δ13C、 δ2H同位素组成。通过对比样品和排放源的同位素组成特征,识别出大气中萘的主要排放源为生物质燃烧、液体化石燃料燃烧、煤炭高温燃烧和煤炭低温燃烧。

图 2 现代生物质来源对大气中萘贡献 (%)

通过测定萘的Δ14C比值可以推算出其中生物源贡献的比例,结果如图2所示。京津冀城市大气中萘的生物源贡献约5%,郊区点生物源的贡献大于城区点,约是其4倍。季节变化特征为:冬、春季>夏季。

图 3 不同排放源对大气中萘的相对贡献(%)

依据大气中萘的三重同位素(δ13C,Δ14C 和 δ2H)组成特征,利用贝叶斯同位素混合模型估算出其排放源的相对贡献比值,结果如图3所示。结果表明:空间上,城市点的排放特征基本一致,贡献分别为液体化石燃料燃烧47%,煤炭高温燃烧27%、煤炭低温燃烧19%。郊区点煤碳低温燃烧贡献最大,占比为70%。时间上,与夏季相比,冬春季煤炭低温燃烧贡献增加约10%,同时煤炭高温燃烧减少约10%。

此项研究由张干提出概念设计,李军研究员组织协调采样工作,成志能博士参与指导实验工作博士生唐天罡承担具体工作并撰写论文。单体萘Δ14C的测量在有机地球化学国家重点实验室的14C专用加速器质谱仪(GIG-CAMS)上进行,由朱三元高级工程师提供技术支持。复旦大学陈颖军教授参与讨论。武汉大学成海容副教授参与早期工作和讨论。广州地化所徐步青、张伯龙等众多博士生参与了采样工作和学术讨论。

此项研究成果,近期发表在国际期刊 Environmental Science & Technology 上。

论文信息:Tang, T.; Cheng, Z.*; Xu, B.; Zhang, B.; Zhu, S.; Cheng, H.; Li, J.; Chen, Y.; Zhang, G.*, Triple Isotopes (δ13C, δ2H, and Δ14C) Compositions and Source Apportionment of Atmospheric Naphthalene: A Key Surrogate of Intermediate-Volatility Organic Compounds (IVOCs). Environ. Sci. Technol. 2020, 54 (9), 5409-5418.
相关链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c00075

3P: 寒武系早期富钡热液活动及其对黑色页岩有机质富集的影响

田辉 研究员

迪卡拉-寒武系转换期是地球演化历史的关键时期,全球古海洋环境变化和生物演化事件在这一时期同时发生。在寒武系早期,中国南方扬子地台广泛沉积了一套极富有机质和多金属元素的黑色页岩(也有学者称为“石煤”),众多学者对这套黑色页岩的沉积古环境和有机质富集的控制因素进行了探讨。大多数学者认为黑色页岩有机质富集与上升流带来的营养物质、古海洋高生产力、缺氧的沉积环境有利于有机质保存等有关,很少探讨这时期富钡的热液流体活动及其对黑色页岩有机质富集的影响。同时,前人对于该时期富钡热液流体活动也缺乏关键性的矿物学方面的证据。

针对上述问题,中国科学院广州地球化学研究所田辉研究员团队选取了扬子地台陆棚和斜坡地区GMD-1和TX-1两口典型井的黑色页岩样品,进行了TOC含量、主微量元素、典型矿物扫描电镜观察等分析测试。通过稀土元素铕异常和矿物证据证实富钡热液流体的存在,并探讨了古海洋生产力、氧化还原环境、热液流体活动、上升流事件等综合因素对黑色页岩有机质富集的影响。

钡冰长石矿物与富钡的热液流体紧密相关,富钡的热液流体与钾长石交代,形成了钡冰长石和次生石英,可作为富钡热液流体活动的直接证据。通过对GMD-1井下段黑色页岩样品SEM观察和EDS能谱确认,发现环带状钡冰长石包围钾长石,并在周边也观察到次生石英(图1b,1c和2a,2b,2c),因此认为扬子地台陆棚地区存在富钡热液流体浸入黑色页岩,与钾长石发生交代作用。此外,部分学者在研究处于同时期扬子地台深水盆地的热液形成的大河边重晶石矿发现重晶石中也包含有钡冰长石,本次研究样品中也观察到重晶石中包含有钡冰长石(图1d,1e和2c),表明该时期深水盆地和陆棚可能同时存在富钡的热液流体活动。

稀土元素铕正异常也常用来指示热液流体活动。通过对比研究GMD-1、TX-1井和大河边重晶石矿的PAAS标准化稀土元素铕异常特征,发现处于陆棚地区的GMD-1井黑色页岩样品与处于深水盆地的大河边重晶石矿表现为明显的铕正异常,表明强烈的热液流体活动,而处于斜坡地区的TX-1井三段黑色页岩样品则均显示无铕正异常,表明斜坡地区无明显热液流体活动(图3)。另外,GMD-1井上段铕正异常明显降低,可能与上段沉积时期热液活动减弱或消失有关。综合分析认为上扬子地台陆棚和斜坡地区下中段黑色页岩沉积时期富钡热液流体活动强烈,上段沉积时期热液活动减弱或消失,而斜坡地区则无明显热液活动。

通过对古海洋生产力、氧化还原环境、热液活动和上升流事件的综合研究,结合前人研究成果认为,黑色页岩沉积时期广泛性的缺氧环境满足有机质保存的基本条件,深水盆地的富钡热液流体和营养元素随着上升流带入到陆棚地区,加上陆棚地区本身富钡热液流体活动的营养元素供给,极大促进了陆棚地区的古海洋生产力,该地区TOC含量明显高,由热液流体活动和上升流驱动的古海洋高生产力是黑色页岩有机质富集的主控因素。

图1 GMD-1井SEM电镜典型矿物特征。Q表示石英;Hy表示钡冰长石;K-f表示钾长石;Barite表示重晶石

图2 典型矿物EDS能谱图。a.钾长石;b.石英;c.钡冰长石;d.黄铁矿;e. Ni-Mo矿层MoSC相;f.闪锌矿;g.黄铜矿;h.氟磷灰石

图3 PAAS标准化的稀土元素分布模式图。a,c,e分别表示GMD-1井上、中、下三段;b,d,f分表表示TX-1井上、中、下三段;g,h分别表示大河边重晶石矿和上部黑色页岩。

该项成果得到国家自然科学基金和国家科技重大专项论文资助。近期发表在国际期刊《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上,本文的第一作者为伍耀文博士,通讯作者为田辉研究员,共同作者还包括广州地化所的博士李腾飞、周秦。

论文信息: Wu, Y., Tian*, H., Gong, D., Li, T., Zhou, Q., 2020. Paleo-environmental variation and its control on organic matter enrichment of black shales from shallow shelf to slope regions on the Upper Yangtze Platform during Cambrian Stage 3. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 545, Article 109653.