本文選題：砷　切入點：形態(tài)分析　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：砷是廣泛存在于自然界的一種類金屬元素。隨著經(jīng)濟發(fā)展和人類行為對環(huán)境影響的加劇,礦山開發(fā)、污水灌溉、農(nóng)藥使用等導(dǎo)致排入環(huán)境中的砷污染物大量增加,造成十分嚴(yán)重的環(huán)境問題。砷元素所具有的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其能夠在環(huán)境中和生物體中以不同的形態(tài)存在,主要包括三價砷[As(Ⅲ)]、五價砷[As(Ⅴ)]、一甲基砷(MMA)和二甲基砷(DMA)等。由于不同的砷形態(tài)彼此之間毒性差異較大,傳統(tǒng)的僅通過測定環(huán)境樣品中的總砷進行環(huán)境質(zhì)量評價和風(fēng)險評估的方法缺乏科學(xué)性,不能給出有關(guān)毒性的準(zhǔn)確信息,因此有必要建立能夠高效分離測定環(huán)境樣品中多種形態(tài)砷化合物的方法,并在此基礎(chǔ)上研究不同形態(tài)砷對生物的毒性特征和致毒機理。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,同時也是排入環(huán)境中的砷污染物大量積累的環(huán)境介質(zhì)之一。土壤中不同形態(tài)的砷既可通過各種途徑進入動植物體內(nèi),產(chǎn)生毒性效應(yīng),亦可通過食物鏈傳遞,對人體健康造成威脅。傳統(tǒng)的土壤污染檢測和風(fēng)險評估方法沒有針對不同形態(tài)砷的生態(tài)毒性進行區(qū)分,無法反映不同形態(tài)砷的真實生態(tài)風(fēng)險。因此,有必要研究土壤主要形態(tài)砷對典型指示生物的生態(tài)毒性特征和致毒機理,從而為基于環(huán)境中不同形態(tài)砷的生態(tài)風(fēng)險評價,建立適于指示土壤不同形態(tài)砷水平的評價指標(biāo)體系和生物評價模式,以及實施區(qū)分砷形態(tài)的環(huán)境污染控制和管理提供科學(xué)依據(jù)。本論文針對環(huán)境中存在的四種主要形態(tài)砷,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA,在前人研究的基礎(chǔ)上,分別以改進提取測定技術(shù)和研究在線自動測定技術(shù)為主要突破點,建立了兩種新的砷形態(tài)分析方法,分別為衍生-超臨界流體萃取-氣相色譜法和氫化物發(fā)生-冷阱捕獲-原子吸收法(HG-CT-AAS)。前者實現(xiàn)了衍生-超臨界流體萃取(SFE)和衍生-氣相色譜法(GC)的結(jié)合,簡化了砷形態(tài)分析的操作步驟,提高了分析效率;后者在原有的HG-CT-AAS分析系統(tǒng)中,加入了自動在線預(yù)還原裝置并進行優(yōu)化,實現(xiàn)了預(yù)還原過程與HG-CT-AAS的聯(lián)合自動運行分析。在此基礎(chǔ)上,以國家和國際標(biāo)準(zhǔn)推薦的赤子愛勝蚓(Eisenia fetida)作為典型指示生物,研究了上述四種形態(tài)砷的急性毒性和亞慢性毒性,以及在蚯蚓體內(nèi)的生物富集和轉(zhuǎn)化過程;通過測定分析蚯蚓體內(nèi)7種氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽還原酶、還原型谷胱甘肽、脂質(zhì)過氧化水平)、金屬硫蛋白(MTs)和溶酶體膜穩(wěn)定性(LMS)等分子水平和亞細(xì)胞水平生物標(biāo)志物的響應(yīng)特征,計算綜合生物標(biāo)志物響應(yīng)指數(shù)(IBR),以及與化學(xué)分析結(jié)果結(jié)合分析劑量-效應(yīng)關(guān)系,研究不同形態(tài)砷對赤子愛勝蚓的生態(tài)毒性特征和致毒機理。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下。(1)結(jié)合衍生-SFE技術(shù)和衍生-GC技術(shù),建立了一種衍生-SFE與GC聯(lián)用的分析方法。該方法能夠在SFE過程中發(fā)生衍生反應(yīng),得到樣品中不同形態(tài)砷的衍生物,后者可直接注入GC進行分離測定,得到樣品中的無機砷、MMA和DMA含量。優(yōu)化了衍生-SFE萃取的各項參數(shù),最佳萃取條件為:30 Mpa,100℃,10 min靜態(tài)萃取和25 min動態(tài)萃取,2.0 mL min-1超臨界CO2流速,加入5%(v/v)甲醇作為超臨界流體的改性劑,并加入一定量含有Triton X-100的表面活性劑;比較了巰基乙酸乙酯(TGE)和巰基乙酸甲酯(TGM)兩種衍生試劑的衍生效果,確定TGE作為衍生試劑時能夠得到較好的分析結(jié)果;在最優(yōu)條件下,無機砷、MMA和DMA的檢出限分別為1.2、0.3和0.15 mg kg-1。該方法具有分析速度快、選擇性好、準(zhǔn)確度高、檢出限低等特點,能夠直接提取并檢測固體樣品中不同形態(tài)的砷,可效減少有機試劑的消耗和有害化學(xué)廢物的產(chǎn)生量。(2)探索優(yōu)化HG-CT-AAS方法進行砷形態(tài)分析時的樣品預(yù)還原過程,實現(xiàn)了 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA的準(zhǔn)確定量分析。首先通過優(yōu)化傳統(tǒng)離線預(yù)還原方法所用的還原劑種類和濃度,證明1%(m/v)巰基乙酸(TGA)為還原劑時能在較短時間內(nèi)完成As(Ⅴ)的預(yù)還原過程;在此基礎(chǔ)上建立了一套在線預(yù)還原系統(tǒng),與HG-CT-AAS的管路系統(tǒng)相連接。優(yōu)化后的實驗結(jié)果顯示,在線預(yù)還原系統(tǒng)中加裝空氣分隔裝置,可以有效保證還原反應(yīng)體系中各組分濃度的穩(wěn)定性,從而保證還原效果和砷形態(tài)分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。利用優(yōu)化后的方法建立了四種形態(tài)砷的標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA的檢出限分別為152 ngL-1、146 ngL-1、65ngL-1、52 ngL-1,實現(xiàn)了痕量水平的砷形態(tài)分析。該方法具有分析速度快、準(zhǔn)確度高、檢出限低等特點,并通過在線預(yù)還原過程實現(xiàn)了自動化操作,既減少了人為操作的不確定性,同時也縮短了樣品分析時間,具有很好的應(yīng)用價值。(3)選取土壤中的四種主要的形態(tài)砷,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA,以赤子愛勝蚓為指示生物,參照國家和國際標(biāo)準(zhǔn)方法展開四種形態(tài)砷對赤子愛勝蚓的急性毒性實驗,得到As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA對赤子愛勝蚓的14 d LC50值分別為293.3、352.4、3425.1和3730.3 mg kg-1,大小排序與不同形態(tài)砷的毒性大小順序相一致。選擇四種形態(tài)砷14 dLC50的十分之一,作為為期64天的亞慢性毒性實驗的暴露濃度,結(jié)果顯示暴露于無機砷的蚯蚓生物個體出現(xiàn)明顯的生物富集現(xiàn)象,而暴露于有機砷的個體未發(fā)生生物富集。研究了不同形態(tài)砷在蚯蚓體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)砷轉(zhuǎn)化過程模型為,生物體將進入體內(nèi)的砷由高毒性的無機砷逐步轉(zhuǎn)化為低毒性的有機砷,最終轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的無毒砷化合物排出體外,從而實現(xiàn)對砷的解毒和代謝。但研究中還發(fā)現(xiàn)了與上述過程相反的有機砷去甲基化的過程,導(dǎo)致生成了毒性較大的無機砷,逐漸積累并對生物體產(chǎn)生危害,這是MMA和DMA具有間接生物毒性的機制之一。(4)對赤子愛勝蚓展開為期64天的亞慢性毒性實驗的同時,測定了蚯蚓體內(nèi)的7種氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物和MTs的活性水平變化特征,發(fā)現(xiàn)暴露于As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的實驗組的多種生物標(biāo)志物響應(yīng)趨勢彼此相似,而暴露于MMA和DMA的實驗組的多種生物標(biāo)志物響應(yīng)趨勢也彼此相似;前者的生物標(biāo)志物變化幅度大于后者,無機砷污染對赤子愛勝蚓的生物毒性影響大于有機砷。實驗后期,暴露于無機砷的生物個體逐漸出現(xiàn)了氧化損傷,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的污染壓力逐漸超出了抗氧化防御系統(tǒng)的調(diào)控能力;而暴露于有機砷的生物個體未出現(xiàn)氧化損傷,其抗氧化防御系統(tǒng)有效發(fā)揮了作用。應(yīng)用IBR指數(shù)將8種生物標(biāo)志物的響應(yīng)整合計算,四種形態(tài)砷的生物毒性大小排序為As(Ⅲ)As(Ⅴ)MMA和DMA,兩種有機砷彼此之間的毒性差異較小。在高濃度有機砷污染的實驗組中,MMA和DMA的生物富集沒有引起生物標(biāo)志物的顯著變化,而MMA和DMA的去甲基化過程逐漸造成無機砷的積累,同時引起了蚯蚓的生物標(biāo)志物響應(yīng),兩者之間具有很好的相關(guān)性;在無機砷實驗組中,生物標(biāo)志物變化趨勢也與體內(nèi)無機砷的變化趨勢相一致。研究發(fā)現(xiàn)砷的致毒機制為:無機砷可通過誘導(dǎo)生成氧化自由基(ROS),破壞生物體內(nèi)的ROS平衡,對生物體產(chǎn)生氧化損傷毒性;有機砷可通過去甲基化生成無機砷,逐漸積累并按照與無機砷相同的途徑致毒。因此在環(huán)境質(zhì)量評價或生態(tài)風(fēng)險評價中,應(yīng)當(dāng)區(qū)分環(huán)境中或生物體內(nèi)不同形態(tài)的砷,包括本身直接毒性較低的有機砷,以得到更為合理的環(huán)境質(zhì)量評價或風(fēng)險評估結(jié)果。(5)選取土壤中的四種主要的形態(tài)砷,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA,以赤子愛勝蚓為實驗生物,測定為期70天的暴露實驗周期中蚯蚓體內(nèi)溶酶體膜穩(wěn)定性的變化特征,展開四種形態(tài)砷對赤子愛勝蚓的亞慢性毒性實驗。實驗同時對蚯蚓體內(nèi)的不同形態(tài)砷和總砷進行分析,得到的蚯蚓體內(nèi)不同形態(tài)砷的生物轉(zhuǎn)化規(guī)律與第四章的研究結(jié)論相同。四個實驗組蚯蚓的溶酶體膜穩(wěn)定性隨著暴露實驗的進行逐步下降,四種形態(tài)砷的毒性大小順序為As(Ⅲ)As(Ⅴ)MMADMA。暴露于有機砷的蚯蚓體內(nèi)大量富集MMA和DMA,同時未引起蚯蚓溶酶體膜的顯著響應(yīng);但隨著有機砷的去甲基化過程產(chǎn)生的無機砷不斷積累,逐漸造成生物體溶酶體膜損傷,顯示MMA和DMA具有間接毒性。中性紅保留時間(NRRT)作為蚯蚓溶酶體膜穩(wěn)定性的衡量指標(biāo),與As(Ⅲ)和As(Ⅴ)均具有顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系,且與As(Ⅲ)的相關(guān)性大于As(Ⅴ)。生物體的溶酶體膜更易于受到As(Ⅲ)的毒性影響而降低穩(wěn)定性,這是As(Ⅲ)比As(Ⅴ)和有機砷具有更高生物毒性的機制之一。本論文的研究表明,對環(huán)境樣品中不同形態(tài)的砷進行分析,可以提供比單獨測定總砷更豐富的環(huán)境信息,這在毒性評價和生態(tài)風(fēng)險評價中具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。
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【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X171.5
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本文編號：1594844