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2021年  第34卷  第11期

目录
微塑料污染及其环境行为专题
环境微纳塑料的分析方法进展
蔡慧文, 杜方旎, 张微微, 施华宏
2021, 34(11): 2547-2555. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.21
摘要(604) HTML (272) PDF(150)
摘要:
为探究环境中微纳塑料的含量、归趋和生态风险,发展可靠的检测方法是重要前提.目前,对微纳塑料的分析方法多种多样,国内外已有多篇综述归纳了各方法的优缺点,甚至提出了"统一"或"标准化"的方法.然而,由于研究目标和技术方法本身的成熟度不同等原因,很难笼统地提出一套适用于所有监测或研究的方法.微纳塑料的研究是基于颗粒性和尺寸效应的研究,笔者将其划分为大粒级微塑料(0.02~5 mm)、小粒级微塑料(1~20 μm)和纳米塑料(1~1 000 nm)3个类别,分别概述各粒级的分析方法进展和技术目标等.对于大粒级微塑料,已形成相对成熟的检测方案,适合开展常规监测和大规模基线数据的调查,但方法多样化,数据的质量不统一导致可比性差,提高方法的可行性和统一性是努力重点;对于20 μm以下的小粒级微塑料,检测的准确度有待提高,发展可靠的定性及定量方法是当前的目标;对于1 000 nm以下的塑料颗粒和可溶性聚合物,发展尚不成熟,需要研究更有效的前处理和分析方法.今后,应针对不同粒级微纳塑料所面临的问题开展方法学研究,加强对微纳塑料环境行为等的基础研究,并逐步发展微纳塑料的预测模型,在可靠数据的基础上进行全面的生态风险评估.
北部湾海域表层水体中微塑料分布特征
吴磊石, 洪鸣, 彭梦微, 王晓旭, 蓝文陆, 曲玲, 张微微
2021, 34(11): 2556-2562. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.13
摘要(347) HTML (93) PDF(70)
摘要:
为了研究北部湾海域表层水体中微塑料形态特性及分布特征,采用孔径为330 μm的Manta网对该区域表层水体12个站位微塑料样品进行采集,通过硫酸亚铁溶液和过氧化氢对海水中的干扰物质进行消解,并用滤膜进行微塑料分离,采用体式显微镜和傅里叶变换红外光谱仪对微塑料的尺寸、形状、颜色和成分进行分析.结果表明:①北部湾海域表层水体中微塑料的平均丰度为(0.56±1.02)个/m3,与国内外其他海湾相比处于中等水平.②1~2 mm粒径范围内的微塑料数量最多,占全部微塑料数量的30.4%;主要形状为泡沫和薄膜,占比分别为62.7%和15.4%;颜色以白色和半透明为主,占比分别为68.8%和16.4%;微塑料主要成分为聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯,占比分别为59.8%、20.9%和17.6%.③受人类活动、河流输入、盛行风和海洋环流结构等因素的影响,北部湾海域表层水体中微塑料的空间分布呈现近岸高、远岸低的特征.④根据对微塑料的形状、成分特征的分析,推测北部湾海域表层水体中微塑料的主要来源是海水养殖和海洋渔业捕捞活动.研究显示,北部湾海域表层水体中微塑料污染呈现近岸高于远岸的特征,受海洋渔业活动影响显著,建议加强对北部湾海水养殖和海洋渔业捕捞活动的管控,预防和减少渔业塑料垃圾污染.
微塑料对环境介质中氮循环的影响研究进展
卢萍, 闫振华, 陆光华
2021, 34(11): 2563-2570. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.08
摘要(1259) HTML (673) PDF(134)
摘要:
微塑料作为一种新污染物,在全球范围内引发了广泛关注.微塑料在威胁生物体健康的同时,也会通过定殖微生物等途径影响氮素正常的循环过程,但相关研究仍相对匮乏.本文在简述当前微塑料污染现状的基础上,介绍了微塑料对污泥、水、沉积物和土壤4种环境介质中氮循环的影响研究进展,并重点分析了微塑料作用下不同环境介质中氮转化过程的响应及作用机制.结果表明:当前微塑料影响氮循环的研究主要集中于污泥和土壤,对水环境和沉积物中的研究相对较少;环境介质和微塑料的聚合物类型、浓度、粒径等因素都会导致微塑料对氮循环的影响产生明显差异.进一步分析发现,微塑料主要通过影响氮转化相关的微生物、酶活性和功能基因以及改变氧通量等来影响硝化和反硝化等过程,其中,微生物受塑料添加剂释放的影响较大,微塑料自身也可能作为有机底物促进相关功能菌的生长;硝化和反硝化过程中关键酶及功能基因也会对微塑料的影响产生响应,进而影响氮循环过程.此外,微塑料能够通过改变沉积物的孔隙度增加氧通量,增强硝化作用.在后续研究中应重点关注微塑料参与氮循环的环境驱动机制,阐述其在潜流带等地球关键带中的作用路径,为全面评估微塑料对生态环境健康的影响提供支持.
海水青鳉摄食微塑料的荧光和C-14同位素法示踪定量研究
田莉莉, 文少白, 马旖旎, 季荣
2021, 34(11): 2571-2578. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.07
摘要(333) HTML (63) PDF(68)
摘要:
微塑料已在多种海洋生物体内检出,造成不同程度的毒性效应,但由于技术限制,关于海洋鱼类对小粒径微塑料摄入和排出过程的定量研究仍比较缺乏.该研究针对生物体内小粒径微塑料定量示踪的技术难题,提出荧光和放射性同位素示踪法,并对比了两种方法的检测限、灵敏度和定性定量的方便程度等;同时以PS(聚苯乙烯,polystyrene)为微塑料代表,采用荧光法和C-14同位素法定量研究了PS微塑料(< 1 μm)在海水青鳉(marine medaka,Oryzias melastigma)成鱼和仔鱼中的摄入和排出情况,以及摄食行为对微塑料赋存状态的影响.结果表明:①荧光法适用于直观观察微塑料在生物体内的分布及高浓度暴露时的荧光定量,而C-14同位素法因具有更低的检测限和高的灵敏度,在复杂介质中的定量检测更具优势.②海水青鳉成鱼和仔鱼摄入微塑料的量随着培养时间而变化,且均在24 h摄入较多微塑料,成鱼(以鱼湿质量计)摄入的微塑料含量[(246.8±38.1)mg/g]显著(P < 0.05)高于仔鱼[(4.32±0.77)mg/g].③微塑料在海水青鳉体内主要分布部位为肠道(99.9%),极少量在鱼鳃(0.07%)和体表(0.03%)中,表明摄食是微塑料进入鱼体的主要途径;在不喂食72 h后,微塑料在肠道内仍有一定量残留[(1.29±0.52)mg/g],鱼鳃中微塑料则完全排出至检测限以下.研究显示,海水青鳉通过对水中悬浮状态微塑料的摄入,将海水中的微塑料由初始悬浮分散态变成粪便团聚体沉入水底,在很大程度上改变了微塑料在环境中的赋存形态,由此对微塑料环境过程和生态效应产生的未知影响值得进一步关注.
大气环境
秦皇岛市大气PM2.5中一元羧酸的污染特征及来源分析
李丹, 伦小秀, 邸林栓, 王璇
2021, 34(11): 2579-2587. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.26
摘要(150) HTML (52) PDF(34)
摘要:
大气细颗粒物中有机物含量占20%~80%,部分有机物除具有较强的毒性外,还具有较强吸湿性,影响大气环境质量.因此,为充分研究细颗粒物中一元羧酸的来源及其对大气环境的影响,于2020年在秦皇岛市区(海港区站点)和工业园区(昌黎站点)采集细颗粒物,经预处理的样品用三氟化硼-甲醇(BF3-CH3OH)衍生化试剂衍生后,采用气相色谱质谱联用(GC-MS)的方法对PM2.5中的一元羧酸进行测定,一共检测到17种一元羧酸(碳数分布在10~24之间).结果表明:①PM2.5浓度的季节性变化呈冬季>秋季>春季>夏季的特征,且工业园区(昌黎站点)PM2.5浓度为21.40~112.41 μg/m3,高于市区(海港区站点为9.01~104.88 μg/m3).②两个采样点一元羧酸浓度的季节性变化特征并不明显,海港区站点、昌黎站点一元羧酸的年均浓度分别为873.91、895.22 ng/m3.③两个站点碳数小于22的一元羧酸浓度均表现出明显的偶数碳优势,海港区站点、昌黎站点浓度最高的一元羧酸均为棕榈酸(C16),年均浓度分别为512.86、514.34 ng/m3;其次是硬脂酸(C18),年均浓度分别为270.06、268.17 ng/m3.两站点各季节C16和C18分别占一元羧酸总浓度的48.83%~66.40%和22.81%~36.96%.一元羧酸的碳优势指数(CPI)与植物贡献的一元羧酸(碳数≥ 22)总浓度呈负相关.④根据碳数分布规律、∑C ≥ 22/∑C < 22(碳数大于等于22的一元羧酸与碳数小于22的一元羧酸浓度的比值)、C18/C16(硬脂酸和棕榈酸浓度的比值)、CPI值以及C18:1/C18(油酸与硬脂酸浓度的比值)来初步判断一元羧酸的来源及其对大气环境的影响,发现秦皇岛市两个站点夏季大气氧化性最强(市区大气氧化性较工业园区强),春、秋两季大气氧化性较弱,尤其是工业园区春季大气氧化性最弱,其一元羧酸主要来自本地源;燃煤、机动车尾气排放、道路扬尘以及肉类烹饪是大气PM2.5中一元羧酸的主要来源;植物源对一元羧酸浓度的贡献较小.研究显示,秦皇岛市两个站点一元羧酸浓度的季节性变化并不显著,燃煤、机动车排放、道路扬尘及肉类烹饪对一元羧酸贡献较大.
2018年济南市PM2.5叠加沙尘重污染过程分析
王治非, 张文娟, 李敏, 吕波, 付华轩, 孙凤娟, 吕晨, 边萌
2021, 34(11): 2588-2598. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.19
摘要(283) HTML (98) PDF(49)
摘要:
为揭示重污染过程中多因素的综合作用,选取济南市2018年11月25日-12月4日一次长时间、高强度PM2.5污染和沙尘混合的重污染过程,利用气象资料、空气质量监测结果、激光雷达探测资料及水溶性离子在线数据,开展污染特性以及潜在污染源综合分析.结果表明:①研究期间,首要污染物为颗粒物,ρ(PM10)、ρ(PM2.5)平均值分别为294、141 μg/m3,污染较严重.②根据ρ(PM2.5)/ρ(PM10)将此次重污染过程分为4个阶段,阶段Ⅰ~Ⅳ总水溶性离子浓度分别为(107.3±35.9)(95.2±34.5)(99.0±18.2)(29.3±9.3)μg/m3,分别占ρ(PM2.5)的73.8%、56.9%、64.2%和43.2%.SOR(硫氧转化率)分别为0.47、0.42、0.55、0.25,NOR(氮氧转化率)分别为0.42、0.26、0.28、0.13,表明济南市大气中出现了显著的二次转化过程,SOR均大于NOR表明SO42-转化程度高于NO3-.NO3-/SO42-(质量浓度比)分别为2.97、1.75、1.69、1.45,表明此次污染各阶段中氮和硫的来源以移动源为主.③此次重污染过程济南市ρ(PM2.5)受本地及周边城市传输和两次沙尘过境的综合影响,主要潜在污染源有山东省本地以及江苏省北部、安徽省北部、内蒙古自治区中部和京津冀地区等区域.④近地面均压场、高湿、小风等不利气象因素是导致此次重污染过程的重要因素.研究显示,济南市此次污染过程是不利气象条件、污染物一次积累和二次转化、区域污染传输、沙尘天气等多因素综合作用的结果.
基于观测模型量化VOCs对深圳市城区臭氧生成的影响
张明棣, 云龙, 李成柳, 郭键锋, 古添发, 魏启兵, 李文淑, 陈玉茹, 许均政, 李光程
2021, 34(11): 2599-2608. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.23
摘要(312) HTML (98) PDF(103)
摘要:
为了解挥发性有机物(VOCs)对深圳市城区臭氧(O3)生成的影响,探究O3污染的防控策略,基于莲花站在线观测数据对2018年秋季O3污染过程中VOCs对O3生成影响进行量化研究.在分析O3污染特征的基础上,基于观测的模型分析了O3原位生成特征,识别了影响O3生成的关键VOCs组分,并量化了其对O3生成的影响.结果表明:①深圳市城区秋季O3污染过程具有高温低湿的特征,主导风向主要为持续偏北风影响型、海陆风影响型和无明显主风型,其中海陆风影响型和无明显主风型受传输影响导致φ(O3)在傍晚后呈居高不下的特征.②不同主导风向类型下,深圳市城区O3化学生成的建模结果具有一致性.污染日O3最大小时净生成速率平均值为12.85×10-9 h-1,HO2·+NO和RO2·+NO两种途径对O3生成的贡献率分别为57.9%~60.2%和39.8%~42.1%.③深圳市城区O3生成受VOCs控制,其中植物源ISO(异戊二烯)和人为源VOCs组分中的XYM(间/对-二甲苯)、TOL(甲苯等其他芳香烃)、HC8(高碳数烷烃)、OLT(直链烯烃)是影响O3生成的五大关键组分.④φ(ISO)和φ(AHC)(AHC为人为源VOCs)单独下降20%,φ(O3)小时峰值分别下降6.2%和28.0%,其中AHC组分中以φ(XYM)降低带来的φ(O3)下降效果最显著,降幅为10.1%.研究显示:人为源VOCs组分体积分数的下降对降低φ(O3)有显著效果,建议以二甲苯类物种来源为重要管控对象,特别是机动车排放与溶剂使用源;同时,建议加强醛酮类VOCs的监测与研究,为O3的污染治理及污染源的精细化管控提供依据.
臭氧253.65 nm吸收截面系数变化对中国环境空气质量达标的影响
师耀龙, 王帅, 吕怡兵, 唐桂刚, 肖建军
2021, 34(11): 2609-2615. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.09.05
摘要(195) HTML (23) PDF(44)
摘要:
臭氧253.65 nm波长处的吸收截面系数通过朗伯-比尔定律被普遍用于紫外吸收原理臭氧测量,是直接影响臭氧监测数据的基础参数.国际计量局重新测定并于2019年修订了臭氧253.65 nm处的吸收截面系数,拟从1.147×10-17 cm2/mol降至1.132 9×10-17 cm2/mol,将导致臭氧监测浓度系统性升高1.24%.为研究臭氧吸收截面系数变化对中国环境空气质量达标的影响,使用2018年中国国家环境空气监测网臭氧监测数据模拟了特征吸收截面变化后中国337个地级及以上城市的臭氧监测数据,并统计了特征吸收截面变化对全国以及重点城市群臭氧超标城市数量、臭氧污染天数和优良天数比例的影响.结果表明:臭氧吸收截面系数的变化将导致全国臭氧超标城市增加7个;全国以及"2+26"城市群、长三角城市群、珠三角城市群、汾渭平原城市群中各城市臭氧超标天数分别增加1.4、3.5、2.4、1.7和2.1 d,优良天数比例分别降低0.3%、0.9%、0.6%、0.4%和0.6%.研究显示,臭氧吸收截面系数变化将系统性影响全国以及重点地区环境空气质量达标工作,应予以重点关注.
硫掺杂氮化硼的制备及其对气相重金属的吸附特性研究
李彦龙, 苏欣, 盖安俊, 詹凤琪, 李润东
2021, 34(11): 2616-2624. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.02
摘要(175) HTML (54) PDF(18)
摘要:
目前对焚烧烟气中重金属的控制以活性炭烟气喷射技术为主,然而该吸附剂高温(>150℃)下性能较差,吸附温度窗口较窄,因此开发耐高温非碳基吸附剂对于焚烧烟气中重金属的控制意义较大.以硼酸及三聚氰胺作为前驱体原料,将硫脲作为硫源掺杂进前驱体,经高温扩散后制备得到一种新型硫掺杂改性氮化硼(S-BN)吸附剂,并进行气相重金属高温吸附试验研究.结果表明:①S-BN吸附剂表面呈棱状结构,内部孔隙结构明显,不同S掺杂摩尔比下的形貌结构有一定差异.S-BN吸附剂内部孔体积范围为0.17~0.39 cm3/g,孔径分布范围为0.85~284.39 nm,平均孔径为2.95~4.19 nm,属于典型的中介孔多孔吸附剂.②当S掺杂摩尔比为0.50且1 300℃下煅烧5 h时,获得的S-BN吸附剂比表面积最大,达524.17 m2/g.S-BN吸附剂对气相重金属的最佳吸附温度为150~200℃.吸附过程中前5 min的吸附速率较快,并且在10 min内基本达到吸附饱和状态.③吸附过程动力学拟合分析发现,低温下S-BN吸附剂对重金属的吸附过程以物理吸附为主导,随着温度的升高,吸附过程逐渐转变为以化学吸附为主导.研究显示,该试验制得的新型S-BN吸附剂拥有较高的比表面积,其对气相重金属的饱和吸附量可以达到54.15~74.13 mg/g,对于气相重金属锌的吸附能力是活性炭的1.9~10.0倍,并且在相对高温(300℃)的吸附条件下仍可以保持较好的吸附能力.
水环境
大辽河口及其毗邻区域水体反硝化功能基因的定量研究
李雯雯, 刘瑞志, 徐慧韬, 王丽平
2021, 34(11): 2625-2635. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.05.11
摘要(212) HTML (49) PDF(32)
摘要:
近年来随着辽河口两岸经济的发展,大辽河水质受氮素污染越来越严重.反硝化作用是微生物介导的氮循环中一个重要过程,对河口水体中过量氮素的去除和富营养化的缓解意义重大.因此,开展大辽河口水体反硝化作用的研究尤为重要.以大辽河入海河段、大辽河河口和近岸海域为研究对象,采用实时定量PCR法对其进行了水体中反硝化细菌(以功能基因nirS、nirKnosZ为主)的空间分布特征研究,并通过因子分析和冗余分析(RDA)研究了基因丰度与环境因子间的相关性.结果表明:①不同站位大辽河口及其毗邻区域的水样中nirK、nirSnosZ基因的丰度变化范围分别为7.73×105~2.54×108、3.19×105~3.19×107、3.22×103~4.92×105 copies/L,各基因平均值大小表现为nirK > nirS > nosZ;3种基因中,nirKnirS基因大多在调查河流的上游和入海口站位丰度较高,而nosZ基因丰度在河流段由上游到河口逐渐增高,且由河口到近海呈现降低的趋势.②大辽河口及其毗邻区域(nirK+nirS)/nosZ在3.23×101~1.76×103之间,平均值为454.77,表明存在较多的N2O气体排放,特别是河口到近海区域.③ρ(As)、ρ(Cd)、ρ(Cr)、ρ(SiO32-)、ρ(NO3-)、T、pH和盐度主导了大辽河口及毗邻区域水环境的整体状况,应继续关注主导因子对水环境的影响;水环境因子对反硝化功能基因丰度影响的相关性大小表现为ρ(DO)> ρ(TN)> ρ(NO2-)> ρ(SiO32-)> ρ(Cd)> ρ(NO3-)>盐度> ρ(As)> ρ(Cr)> T > ρ(Zn)> pH,蒙特卡罗检验得出无显著影响的因子,因此大辽河口及毗邻区域反硝化功能基因丰度是由各项环境因子相互作用、共同影响的结果.研究显示,水体中反硝化有关的微生物对环境的响应不同,各项环境因素共同控制了群落组成,为了更好地进行水体治理与保护,应持续关注水体中的反硝化功能基因.
沁河上游硝酸盐的定量源解析及其季节性差异
李林霞, 李艳利, 杨梓睿, 尹希杰
2021, 34(11): 2636-2644. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.06.04
摘要(319) HTML (114) PDF(29)
摘要:
沁河流域人为源硝酸盐输入增加了河流富营养化的风险.为识别沁河上游硝酸盐来源,分别于2017年10月、2018年3月和2018年6月在沁河上游采集了28个河流表层水样,联合稳定同位素(δ15N-NO3-和δ18O-NO3-、δD-H2O和δ18O-H2O)和水化学参数(Cl-、NO3--N、NH4+-N)评估了沁河上游河流硝酸盐源与关键过程,并基于贝叶斯混合模型量化了不同硝酸盐来源的贡献.结果表明:①沁河上游溶解无机氮以NO3--N为主,秋季[(2.40±1.17)mg/L]高于春季[(2.11±1.03)mg/L]和夏季[(1.50±0.61)mg/L];受积雪融化的影响,春季δ18O-NO3-(13.0‰±3.13‰)显著高于夏季(2.90‰±3.12‰)和秋季(6.62‰±1.30‰).②SIAR同位素模型结果表明,沁河上游硝酸盐主要来自土壤氮和化肥.在春、夏、秋3个季节,土壤氮的硝化对沁河上游硝酸盐的贡献比例分别为27.8%、39.5%和39.3%,化肥贡献比例分别为29.1%、40.2%和41.9%.春季(24.7%)大气沉降的贡献比例高于夏季(2.4%)和秋季(10.6%).③沁河上游硝酸盐主要受硝化过程的影响,没有发生明显的反硝化过程.研究显示,春季、夏季和秋季沁河上游硝酸盐主要来自土壤氮和化肥的硝化,硝酸盐污染防治应考虑化肥的使用效率和抑制硝化过程的发生.
b-N-TiO2/Ag3PO4复合光催化材料的制备及光催化降解有害藻的研究
张旭, 崔娜欣, 周丽, 蔡敏, 邹国燕, 陈桂发
2021, 34(11): 2645-2654. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.30
摘要(168) HTML (43) PDF(20)
摘要:
为了获得高效、低能耗的藻污染控制方法,通过煅烧-沉淀法制备出b-N-TiO2/Ag3PO4复合光催化材料,通过SEM、TEM、XRD、XPS、UV-Vis等表征手段对材料的整体形貌、表面结构和光响应性能进行测试分析.结果表明:①b-N-TiO2均匀分布在Ag3PO4表面,增强了对可见光的响应,并促进了光生电子-空穴对的分离.②b-N-TiO2/Ag3PO4(0.2T/A)复合光催化材料降解铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)细胞中叶绿素a(Chla)的效果最好,其拟一级动力学方程速率常数分别比纯Ag3PO4和b-N-TiO2高2.73和7.72倍,经过8 h可见光催化后,对Chla的降解率为98.1%,且重复利用3次后降解率仍可达85.4%,具有较高的光催化稳定性.③固定化b-N-TiO2/Ag3PO4复合光催化材料对实际地表水中的藻细胞和藻毒素具有良好的光催化降解性能.因此,b-N-TiO2/Ag3PO4复合光催化材料在未来有害藻类污染的水处理中具有潜在的应用前景.
两种碳酸系Fe-LDHs负载改性沸石对Cd(Ⅱ)吸附特性对比研究
胡美艳, 张翔凌, 姬筠森, 薛钰, 窦琰开, 金溪, 夏世斌
2021, 34(11): 2655-2664. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.06.10
摘要(162) HTML (61) PDF(20)
摘要:
为提升以沸石为代表的天然吸附材料对重金属污染物吸附效果,并将新型功能材料层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)有效应用于实际工程,采用水浴-共沉淀法制备两种Fe系碳酸型LDHs即时负载于沸石填料表面,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对改性前后的沸石表面形态、化学成分和晶体结构进行表征;通过等温吸附及解吸附、吸附动力学、吸附热力学、竞争离子吸附和不同pH吸附试验,对比原始及改性沸石对Cd(Ⅱ)的吸附效果及其作用机理.结果表明:①改性沸石对Cd(Ⅱ)的吸附过程更符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型.②相较于原始沸石,两种改性沸石对Cd(Ⅱ)的吸附性能明显提升,且MgFe-LDHs负载改性沸石理论最大饱和吸附容量更高.③沸石改性后对Cd(Ⅱ)的吸附由放热过程变为吸热过程.④吸附时间、竞争离子及pH对沸石吸附Cd(Ⅱ)的效果产生不同程度的影响.研究显示,MgFe-LDHs负载改性沸石最大饱和吸附容量显著提升,吸附能力更强,且在不同条件下均表现出优良的吸附特性,具有作为高效除镉填料的潜力.
碱铜联合改性珠状活性炭及其对甲苯的吸附机理
韩智广, 刘寒冰, 陈传胜, 袁雪红, 薛南冬
2021, 34(11): 2665-2673. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.06.25
摘要(153) HTML (40) PDF(18)
摘要:
为了提高活性炭吸附材料对非极性污染物的吸附性能,采用碱[(NaOH溶液)联合铜(Cu(CH3COO)2溶液]对珠状活性炭(beaded active carbon,BAC)进行改性,利用BET、SEM、Boehm滴定和FT-IR对改性前后的活性炭进行表征,并采用动态吸附法和Yoon-Nelson吸附理论模型研究了不同改性方法对活性炭吸附甲苯穿透曲线、饱和吸附量的影响及吸附机理.结果表明:改性后BAC表面不规则的孔隙增多,比表面积和微孔容积减少,平均孔径变化不显著,表面Cu含量明显升高;不同浓度碱铜联合改性后BAC对甲苯的吸附性能均提高,当NaOH溶液浓度为8 mol/L、Cu(CH3COO)2溶液质量分数为0.5%时,联合改性效果最好,此时改性后BAC对甲苯的饱和吸附量较改性前增加了50.9%,吸附穿透时间延长了342.9%,吸附平衡时间延长了77.4%.研究显示:较高浓度的碱联合较低浓度的铜溶液对活性炭改性,能显著提高吸附甲苯性能;改性后BAC对甲苯的吸附性能受自身孔隙结构和表面官能团的共同影响,且表面酸性官能团影响显著,表面金属铜与甲苯的结合作用是主要的吸附过程.
GIS和RS技术应用于流域水生生物时空分析的研究进展
黄彤辉, 夏瑞, 后希康, 邹磊, 宋进喜, 任源鑫, 孙浩, 豆荆辉
2021, 34(11): 2674-2685. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.17
摘要(192) HTML (92) PDF(41)
摘要:
近年来地理信息系统(GIS)和遥感系统(RS)(简称"2S技术")在水文和环境领域得到了较为广泛的应用,但是如何在大流域尺度开展水生生物时空分析和退化诊断仍然是当前水生态学科的难点问题.本文面向新时期国家水生态质量管理重要需求和水生生物时空诊断学术前沿,全面梳理总结了近20年来2S技术在水生生物领域的研究进展,分别从GIS和RS的技术方法和应用等方面阐明了2S技术的适用性和优缺点.结果表明:近年来国内外针对2S技术在水生生物时空分析中的应用研究成果数量呈显著上升趋势,水生植物和叶绿素是该领域的研究热点;GIS技术在流域水生生物时空分析中的常用方法包括缓冲区分析法、叠加分析法和空间插值法,可以进行缓冲带划定、水生生物时空信息获取和趋势分析;RS技术可实现长序列水生生物数据的快速获取,主要包括经验模型、半经验模型和机理分析模型,可从空间尺度实现对水生生物的反向溯源和正向模拟预测.2S技术的联合应用将是未来大尺度水生态问题诊断的重要技术手段和发展趋势,能更好地定性和定量识别流域水生生物的时空变化规律;加快研发水生生物自动监测与快速识别等智能监测设备,实现5G技术、大数据分析、云计算、AI与2S技术的深度融合将是今后大尺度水生态时空问题诊断的重要发展趋势.
抗生素与重金属复合污染废水处理的研究进展
徐舟影, 孟发科, 吕意超, 班宜辉, 刘建军, 曾海波
2021, 34(11): 2686-2695. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.01
摘要(477) HTML (70) PDF(99)
摘要:
随着越来越多的污染物进入环境,水体抗生素和重金属复合污染问题已引起学者们的关注.在归纳和总结抗生素和重金属相互作用机理的基础上,综述了抗生素和重金属复合污染废水主要处理技术的研究进展,并总结了其作用机理及优缺点.结果表明:抗生素和重金属的相互作用主要受到抗生素官能团的种类、重金属离子的类型和溶液pH的影响;吸附法是当前应用最多的方法,而光催化法和人工湿地法具有广阔的应用前景,将絮凝剂或零价铁基改性能够增强抗生素和重金属复合污染废水的处理效果,各种方法相结合对处理水体抗生素和重金属复合污染有较大潜力.建议今后研究应着重关注以下几个方面:①各种处理技术在实际环境水体中的应用;②复合污染的环境影响及相关法规标准的制订与完善;③新污染物抗性基因的生成机理及其影响因素.
生态环境
基于全球陆地生态系统的水源涵养服务价值时空变化分析
高月明, 吴文俊, 蒋洪强, 段扬, 周夏飞, 马国霞
2021, 34(11): 2696-2705. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.16
摘要(457) HTML (93) PDF(79)
摘要:
开展全球尺度的水源涵养评估工作,可量化各国家和地区生态环境保护和高质量发展水平.以水量平衡法和替代成本法评估全球183个国家和地区的生态系统水源涵养服务的实物量和价值量,结果表明:①2015年全球陆地生态系统水源涵养服务价值接近25×1012美元,中国、澳大利亚、美国、加拿大、俄罗斯排名前5位,全球单位面积水源涵养服务价值为17.98×104美元/km2.②2000-2015年水源涵养实物量呈现先减后增的趋势,年均增长率为1.05%,喜马拉雅山脉附近增幅最大,水源涵养实物量的时空变化特征与生态系统类型转移趋势基本一致.③全球发达国家人均水源涵养服务价值为0.99×104美元,单位面积价值量为23.6×104美元/km2,具有良好的生态环境禀赋,而部分非洲国家或最不发达国家的生态产品价值转化能力不足,需实现生态产品价值转化.中国迫于人口基数巨大,需提升生态系统服务价值来进一步提升人均水平.④聚类分析结果显示,澳大利亚、中国、印度、印度尼西亚具有"高"水平生态系统水源涵养服务价值,整体处于第一梯队.研究显示,全球陆地生态系统水源涵养服务价值时空异质性显著,分国家和地区、分生态系统类型评估水源涵养服务价值可为全球生态系统服务价值评估提供重要参考.
不同水深对挺水植物形态和生理指标的影响
黄晓龙, 谢洪民, 魏伟伟, 李宽意
2021, 34(11): 2706-2713. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.06.02
摘要(178) HTML (135) PDF(48)
摘要:
中国环境科学研究院研究团队前期确定3种适宜太湖沿岸带生态修复的挺水植物为菰(Zizania latifolia)、再力花(Thalia dealbata)和慈姑(Sagittaria trifolia).挺水植物对水深要求较高,过高或过低的水深高度都会限制其生长,为探讨不同水深对挺水植物的影响,确定这3种挺水植物最适宜的水深高度,该研究进一步设置不同梯度水深高度——高水深(40 cm)、中水深(20 cm)和低水深(10 cm),试验历时42 d,收获时测定这3种挺水植物的地上和地下部分形态指标(地上部分干质量、地下部分干质量、叶面积和根系长度)、相对生长速率(RGR)指标和生理指标[总可溶性糖、植物超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和丙二醛(malonic dialdehyde,MDA)]含量.结果表明:①不同水深对挺水植物性状指标均有显著影响,较高或较低的水深都会影响挺水植物地上和地下部分形态指标、相对生长速率指标和生理指标,且挺水植物可以通过调节形态和生理指标来适应和抵抗水深胁迫带来的不利影响.②在高水深这一胁迫条件下,3种挺水植物都倾向于产生更多的总可溶性糖、SOD和MDA,显示出植物对高水深这一胁迫的生理适应性.③高水深对慈姑具有较强的抑制作用,再力花对水深的耐受性高于慈姑,而菰对高水深的适应性最强.研究显示,不同植物对水深的适应性不同,在实际的生态修复工程中应使用不同挺水植物组合配置以抵抗水深变化.
内蒙古荒漠灌木根际解磷菌多样性及其解磷和产铁载体能力
孟建宇, 李蘅, 杨鸿儒, 贾丽娟
2021, 34(11): 2714-2721. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.05.39
摘要(299) HTML (93) PDF(20)
摘要:
为深入挖掘解磷菌资源,采用无机磷和有机磷培养基对内蒙古荒漠灌木根际解磷菌(phosphorus-solubilizing bacteria,PSB)进行分离筛选,以16S rRNA基因序列初步分析PSB的分类地位;采用钼锑钪比色法和钒钼比色法分别测定菌株的解无机磷和有机磷能力;采用铬天青S(CAS)蓝色平板法筛选可产铁载体的菌株,根据分光光度法定量测定产铁载体能力.结果表明:从荒漠灌木根部共分离到62株解磷细菌,分属6纲和21属,其中放线菌纲(Actinobacteria,32.26%)为最优势菌纲,芽孢杆菌属(Bacillus,17.74%)为最优势菌属;其中23株菌可以使PVK培养基变色,解无机磷能力较强,为4.2~33.99 g/mL;32株菌可在有机磷培养基上生长,其解有机磷能力为0.30~191.03 IU;有22株菌具有产铁载体能力,其铁载体的相对含量(As/Ar)范围为0.47~0.99.研究显示:内蒙古荒漠灌木根际PSB类群多样,且不同灌木间PSB组成差异较为明显;含有多种较高解有机磷能力和产铁载体能力的PSB菌株是多种植物根际促生菌的重要来源.
土壤与固废
辽宁省阜新市主城区表土磁化率与重金属特征及关系的定量分析
王天依, 潘颖, 于淼
2021, 34(11): 2722-2730. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.15
摘要(121) HTML (41) PDF(20)
摘要:
煤炭城市表土的磁学特征与重金属累积存在密切联系,但其确切的数量关系仍然模糊.以阜新市主城区表土(0~20 cm)为研究对象,通过对磁化率及重金属(Cu、Zn、Cd、Hg)含量的测试以及空间插值分析,系统分析了表土的磁化率特征、重金属富集特征,并运用通径分析明确了二者的数量关系.结果表明:①阜新市主城区表土质量磁化率(χlf)、频率磁化率(χfd)平均值分别为196.88×10-8 m3/kg、2.41%,二者变异程度均较高;χlf高值主要集中在主城区的中心(围绕海州露天煤矿)及西北部,而χfd高值区则大体与χlf低值区对应,且呈斑状分布的格局特点.②Cu、Zn、Cd、Hg的平均含量分别为45.13、107.96、0.13、0.11 mg/kg,且点源污染特征明显;其中,Cu、Zn、Cd的富集多集中于经济活动频繁的主城区中心区域及海州露天矿的周边地带,Hg含量的高值区主要沿着细河呈东北-西南方向的带状分布特征.③主城区表土χlf与Cu、Zn、Cd的含量均呈显著正相关,且χlf与Zn、Cu含量存在χlf=-161.122+1.437[Zn]+4.729[Cu]的数量关系;χfd与Zn、Cd含量均呈显著负相关,且χfd与Cd含量存在χfd=3.720-10.154[Cd]的线性关系.研究显示,阜新市主城区表土重金属存在明显富集,其中,Cu、Zn、Cd的累积程度与磁化率呈显著相关,在城市表土环境的监测治理工作中,宜采用简便快捷的磁化率测试以指示相应重金属的富集状况.
不同施肥方式对设施土壤氨挥发特征的影响
任立军, 赵文琪, 安婷婷, 韩昌东, 虞娜, 邹洪涛, 张玉龙
2021, 34(11): 2731-2739. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.07
摘要(189) HTML (50) PDF(19)
摘要:
有机肥与改良剂施入土壤是改善土壤结构、增加土壤有机质含量和培肥地力的重要措施,但也会影响土壤的氨挥发,探索不同施肥方式对土壤氨挥发的影响,对于减少氮素损失和保护生态环境具有重要意义.基于设施番茄微区试验,采用LGR915-0016超便携NH3分析仪观测不同施肥方式[50%化肥N+50%有机肥N+改良剂组(HYG)、50%化肥N+50%有机肥N组(HY)、100%有机肥N组(Y)、100%化肥N组(H)和不施肥处理组(CK)]下土壤氨的排放特征.结果表明:在番茄生育期内,不同施肥方式下设施土壤氨挥发通量的变化趋势基本一致.在土壤氨累积挥发量方面,与CK处理相比,H和HY处理下土壤中氨累积挥发量分别增加了11.76%和12.03%;Y和HYG处理则显著降低了土壤中氨累积挥发量,分别下降了24.31%和15.20%.就单因素模型而言,不同施肥处理下土壤氨挥发通量与0~10 cm土壤温度呈线性回归关系,且各处理均达到显著水平(P均小于0.05);不同施肥处理下土壤氨挥发通量与0~10 cm土壤含水量均呈显著二次回归关系(P均小于0.05);与单因素相比,0~10 cm土壤含水量和土壤温度的双因素复合模型(R2为0.700 6~0.849 7)可以更好地解释土壤氨挥发通量的变化情况.相关分析显示,土壤氨累积挥发量与0~20 cm土层土壤铵态氮含量、硝态氮含量、pH及土壤孔隙度均呈极显著相关(P均小于0.01),与0~20 cm土层土壤容重呈显著相关(P < 0.05).采用PCA分析提取的2个主成分的累积贡献率为83.09%.研究显示,不同施肥方式会影响设施土壤氨挥发通量,综合考虑土壤氨累积挥发量及其影响因素,100%有机肥N组在降低土壤氨挥发方面显著优于其他处理组.
填埋场好氧稳定化非甲烷有机物排放特征及臭氧生成潜势
张涛, 王凯楠, 白冬锐, 孙煜璨, 郑钧文, 陈坦, 杨婷
2021, 34(11): 2740-2747. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.05.35
摘要(186) HTML (95) PDF(24)
摘要:
非甲烷有机物(NMOCs)是生活垃圾填埋场释放的重要恶臭物质及臭氧前体物,好氧快速稳定化可有效缩短垃圾稳定化周期.为了解该过程中NMOCs的组分浓度变化特征及潜在环境影响,在河北省某生活垃圾腾退填埋场采集曝气和非曝气阶段场地表面、堆体内部及覆膜破损处的10个气体样品,以气相色谱-质谱法定性、定量分析其中NMOCs的组分和浓度.结果表明:①共检出57种NMOCs物质,曝气阶段NMOCs总浓度(10 555.88 μg/m3)比非曝气阶段(32 358.81 μg/m3)低67%,曝气有效降低了NMOCs的释放浓度.②所有样品的烯烃平均浓度在NMOCs总平均浓度中占比(42.6%)最高,其中丙烯(1 007.28 μg/m3)和正丁烯(822.77 μg/m3)的平均浓度最高.③相关性分析和主成分分析表明,曝气阶段各类物质来源相似或受同一环境因素影响,非曝气阶段卤代烃与其他NMOCs来源有显著差异.④分别以等效丙烯浓度法和最大增量反应活性法计算,曝气阶段臭氧生成潜势较非曝气阶段分别降低了71%和73%,快速稳定化可有效控制臭氧前体物的释放浓度.烯烃是好氧快速稳定化中臭氧生成潜势贡献最大的物质,占臭氧生成总潜势的86%.但所采集10个样品中有9个样品的臭氧生成潜势可能诱发空气质量问题,是GB 3095-2012《环境空气质量标准》中O3二级浓度限值(200 μg/m3)的1~525倍.研究显示,烯烃是好氧快速稳定化过程释放的主要非甲烷有机物类物质.
基于形态及生物可给性的汞污染场地概率风险
陈卓, 张丹, 吴志远, 贾晓洋, 夏天翔
2021, 34(11): 2748-2756. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.11
摘要(163) HTML (67) PDF(29)
摘要:
为准确客观地评估汞污染场地的人体健康风险,克服当前土壤修复目标值过于保守的缺陷,对我国东北某大型汞化工废渣遗留场地进行详细环境调查,使用场地均匀设置的313个土壤样品(地表下0.5 m)的总汞含量检出数据、9个样品的零价汞含量占比数据、30个样品的胃肠可给态汞含量占比数据进行蒙特卡洛概率模拟,使用参数的概率模拟值进行汞经口摄入和气态呼吸吸入的人体健康风险和修复目标值的概率预测.结果表明:①场地的总汞含量在空间上差异明显,变化范围为0.002~579.14 mg/kg,变异系数为3.88,且主要集中在0~2.5 m;零价汞含量占比平均为15.2%±6.4%,与土壤总汞含量呈显著对数负相关(R2=0.784 5);胃肠可给态汞含量占比平均为2.74%±2.81%,与总汞含量不具有显著相关关系.②气态呼吸吸入是该场地主要的人体健康风险来源,占总风险值的90%,风险不可忽略(危害商大于1)的概率为5.00%;经口摄入的风险不可忽略(危害商大于1)的概率为0.15%.③基于零价汞、胃肠可给态汞含量的修复目标值累积概率分布的5%上分位数为53.8 mg/kg,相应的修复面积分别为5 427.9 m2,显著低于以GB 36600-2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中第一类用地风险筛选值(8 mg/kg)为修复目标值而确定的修复面积(37 057.6 m2);零价汞含量占比与儿童体重是影响修复目标值最主要的参数,对修复目标值的不确定性贡献率分别为-78%和42%.研究显示,基于土壤汞形态及生物可给性的概率风险评估能更为准确地显示污染场地的人体健康风险及主要风险途径,也能有效降低相应的修复目标值,避免对场地过度修复.
环境污染与健康
短链及中链氯化石蜡在上海市松江区农田土壤中的污染渗透及生态风险
张贝贝, 徐晨烨, 周泉, 顾春节, 颜徐琛, 刘树仁, 李方
2021, 34(11): 2757-2768. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.03
摘要(170) HTML (82) PDF(22)
摘要:
土壤是氯化石蜡重要的"源"和"汇",为了评估上海市松江区某农业区土壤中短链氯化石蜡(SCCPs)及中链氯化石蜡(MCCPs)的污染水平及渗透潜能,利用超声提取-复合硅胶柱一步净化-GC-ECNI-LRMS方法监测农田表层及不同深度(0~15、15~30、30~45 cm)土柱样品中SCCPs及MCCPs的含量水平、组成特征及潜在风险.结果表明:①表层土壤中SCCPs和MCCPs含量范围分别为52.58~237.56和417.21~1 690.82 ng/g,二者对应的氯含量分别为58.98%~63.85%和51.23%~56.50%.SCCPs同系物主要以C10Cl5~7为主,MCCPs同系物以C14Cl6~7为主.②单因素方差分析发现,MCCPs含量沿土柱深度变化显著(P < 0.01),其同系物在上层、中层和深层的占比分别为60.5%、25.4%和14.1%.SCCPs同系物含量沿土柱深度分布均匀,MCCPs同系物含量沿土柱深度呈指数递减趋势.垂直分布曲线表明,低氯化、短碳链的氯化石蜡同系物(CPs)具有更高的土壤渗透潜力.③皮尔逊相关性分析发现,CPs含量和总有机碳(TOC)含量之间不存在显著相关性(P>0.05).主成分分析表明,研究区土壤中SCCPs和MCCPs的来源不同,可能与环境条件以及不同商业CPs混合物的生产技术、原材料差异等有关.④风险商值法评价表明,土壤SCCPs和MCCPs的风险商(risk quotients,RQ)范围分别为0.01~0.05和0.01~0.06,均处于低风险水平(0.01~0.1).应用人体暴露模型对儿童和成人的人体暴露值进行估算,两类人群的CPs日均暴露值均低于每日可耐受摄入量(TDI,10 μg/kg),非饮食暴露导致的健康风险较低.研究显示,上海市松江区农田土壤中CPs污染含量处于中等水平,SCCPs沿土柱的渗透能力较强,该地区土壤生物风险商和人体健康暴露值均较低,产生的生态风险可忽略,但农作物富集造成的潜在健康威胁需要引起注意.
国外污染物释放和转移登记(PRTR)制度比较研究及启示
郭亚静, 方刚, 林雨琛, 韩桂梅, 李子秀, 党春阁, 周长波
2021, 34(11): 2769-2777. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.01
摘要(240) HTML (125) PDF(30)
摘要:
污染物释放和转移登记(Pollutant Release and Transfer Register,PRTR)制度是国际上重要的化学品环境管理制度,对推动化学品环境安全管理、企业环境信息公开和污染减排具有重要作用.我国虽开展过相关试点工作,但尚未真正建立起PRTR制度.借鉴国际经验,建立我国PRTR制度,对补齐有毒有害化学品环境管理短板以及构建多方共治的现代化环境管理体系十分必要.该研究选取国际上7个规模较大且相对完善的PRTR制度作为研究对象,并选择两种特定的化学物质——汞和含汞化合物以及苯,对研究对象的核心技术要素进行横向对比,结果表明:研究对象的共同点为按照一套工业分类系统界定出需要管理的行业范围,设置分类管控的化学品清单,以及对不同化学品设定具体的报告阈值;不同点为覆盖化学品种类和分类方式不同以及报告阈值表征方式不同,且同一特定化学品的阈值设定不同,甚至差别较大.基于对比研究结果,总结国际经验,提出了建立实施我国PRTR制度的相关建议:①制定完善的PRTR核心技术体系,包括按照《国民经济行业分类》界定覆盖行业范围,参考加拿大和墨西哥PRTR制度设置分类管控的化学品清单,结合使用释放量阈值、生产加工和以其他方式使用量(MPO)阈值、企业规模阈值等表征方式分类设置化学品报告阈值;②从法律政策、社会认知和试点实践等方面逐步推动建立PRTR制度;③加强与美国、加拿大、欧盟和经合组织(OECD)等国家和组织的沟通合作,强化我国PRTR制度设计的国际规范性.
环境经济与管理
我国终点型生命周期影响评价模型及基准值初步研究
李雪迎, 白璐, 杨庆榜, 乔琦, 段华波, 武琛昊, 谢明辉
2021, 34(11): 2778-2786. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.08.05
摘要(283) HTML (187) PDF(72)
摘要:
为了开展生命周期影响评价方法的本地化研究工作,基于终点损害模型方法,通过文献查阅损害因子、核算人均基准值、问卷调研权重,构建了适用于我国的终点损害类生命周期影响评价模型.结果表明:①模型选取了致癌作用、细颗粒物形成、气候变化、水资源消耗、光化学臭氧形成、生态毒性、酸化、富营养化、土地利用、矿产资源、化石燃料11个环境影响类别,对应的终点损害类别为人体健康、生态系统、资源.②通过文献查阅获得了上述11个环境影响类别下污染物(或资源、能源)的损害因子.③以2017年为基准年,以我国为基准区域,核算了人体健康、生态系统和资源的人均基准值分别为0.019 DALY(disability adjusted life years,伤残调整寿命年)、6.08×10-5 species、2 467.42 MJ.研究显示,构建的终点损害模型不仅可以通过归一化将不同污染物以及资源、能源消耗核算成一个数值来表征环境影响,还可以实现产品内、产品间的相互比较,识别对环境影响较大的环节,推动绿色发展.