计算机在环境科学与工程中的应用-课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,,计算机在环境科学与工程中的应用,,,,,POPs种类及来源,1,,,,,POPs特性及污染现状,2,,,,,POPs的微生物降解,3,,,,,POPs检测技术,4,美国越战,“,橙剂,”,事件,,上世纪60年代至70年代,美国曾在越南战争中大量使用一种被称为橙剂(Agent Orange) 的脱叶剂,导致了美国历史上最大规模

2、的战争环境健康影响调查,确认橙剂中含有的二恶英杂质具有潜在的急性、亚急性和长期毒性;而对越南饱受脱叶剂危害地区的事后调查,更发现大量流产、死胎、新生儿畸形等案例。,日本米糠油事件,,,1968 年,日本福冈和长崎地区发生米糠油中毒事件,出现大量,“,油症,”,皮肤病患者,是因为人们吃了被多氯联苯(PCBs) 和二恶英污染的食用油。,台湾米糠油事件,11 年后台湾再次发生2 000人的米糠油中毒事件,原因是在米糠油脱色除味处理中采纳日本生产的PCBs 混合液作为导热剂,因渗漏使米糠油受到PCBs 和二恶英的污染,在,“,油症,”,患者的组织和血液样品中检出了高浓度的二恶英。,意大利二恶英事件,1

3、976 年,意大利Seveso 一家化工厂发生爆炸事故,居民暴露在高剂量的二恶英之中,主要健康问题是出现氯痤疮(chloracne),比利时污染鸡事件,1999 年,比利时,“,污染鸡,”,事件极大地冲击了比利时、德国、法国、荷兰等国的畜牧业和食品出口贸易,引起了消费者的极大恐慌。经大规模检测和调查证实,比利时的动物饲料在生产过程中使用了含二恶英的脂肪原料。此次二恶英污染事件所造成的直截了当经济损失高达数10 亿欧元,在世界范围内造成了强烈反响,提高了公众对环境二恶英的关注程度。,,,1981 年2 月5 日,美国纽约州1 座18 层的办公大楼发生变压器火灾,变压器的冷却剂中含有PCBs(多氯

4、联苯) 类物质, 对大楼的封锁和清理尽管历时1 年、耗资2 千万美元仍未能达到办公使用要求。,1997 年6 月16日,韩国政府强制关闭3 家国有大型垃圾焚烧处理厂,原因二恶英排放严重超标。,什么是POPs？,持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,简称POPs):是指在环境中难以分解,能够在环境中长期存在,能够通过各种传输途径而进行全球尺度的迁移扩散,通过食物链在生物体内累积放大,对人体和环境产生毒性影响的一类有机污染物。,,人类合成的化学品有700万种,约有10余万种进入环境。,POPs,的种类(,kinds,),,,联合国环境规划署,(UNEP),和

5、瑞典政府于,2001,年,5,月,23,日在瑞典的斯德哥尔摩联合主持召开全权代表会议,包括中国在内的,90,个国家的代表签署了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》。,,首批列入公约控制的,POPs,的,12,种可分三类:,,一、杀虫剂类,主要为艾氏剂(,aldrin,),,、狄氏剂(,dieldrin,),、异狄氏剂(,Endrin,),、氯丹(,chlordane,)、七氯(,heptachlor,),、灭蚁灵,(mirex),、毒杀芬,(toxaphene),、滴滴涕,(DDT),和六氯苯(,HCB,);,二、工业化学品类,主要为六氯苯,(HCB),和多氯联苯,(PCBs),;,三,、

6、,副产品类,主要是二噁英类,(PCDDs),和呋喃类,(PCDFs),。,,,POPs,的来源,(source ),,来源于印染和助剂工业向环境释放的一些化学物质的污染。如液压油、润滑剂和增塑剂及农用塑料制品等的使用 。,化学农药和化肥的污染,如广泛使用的各类杀虫剂、杀菌剂、除草剂、化肥制剂等。,农业生产中大量使用的激素,如植物生长调节剂、饲料添加剂等都可产生污染。,来源于金属冶炼、垃圾的焚烧和废水的排放,如二恶英,(PCDDs,和,PCDFs,的统称,),主要来源于垃圾的焚烧。,POPs,的特性,(properties),持久性。一般在水中的半衰期大于,2,个月,在土壤中的半衰期大于,6,个

7、月。,生物积蓄性。低水溶性、高脂溶性的特点,导致,POPs,从周围媒介中富集到生物体内,并通过食物链的生物放大作用达到中毒浓度。,迁移性。,POPs,所具有的半挥发性使得它们能够以蒸汽形式存在或者吸附在大气颗粒上,便于在大气环境中做远距离的迁移,同时这一适度挥发性又使得它们可不能永久停留在大气中,能够重新沉降到地球上。,高毒性。,POPs,大都具有“三致,(,致癌、致畸、致突变,),”效应。,,POPs,对人体的危害,(Hazard),研究表明,持久性有机污染物(,POPs,)对肝、肾等脏器和神经系统、内分泌系统、生殖系统等有急性和慢性毒性,具有致癌性、生殖毒性、神经毒性、内分泌干扰特性等,同

8、时由于有持久性,这种危害一般都会持续一段时间。,,POPs,在中国的污染现状(,Pollution Status in China,),中国是一个农业大国,在,20,世纪,60,～,80,年代大量生产和使用的农药主要是有机氯农药,斯德哥尔摩公约中所列的九种用作杀虫剂的,POPs,中,滴滴涕、七氯、氯丹、毒杀芬和六氯苯等五种产品在中国曾大规模生产过,而且滴滴涕、氯丹、灭蚁灵和六氯苯目前仍在少量生产和使用。,,,1、,,POPs,在土壤中的污染,,土壤是植物和一些生物的营养来源,土壤中的,POPs,无疑会导致,POPs,在食物链上发生传递和迁移。中国农业土壤在禁用,DDT,和六六六,20,年后,一

9、些地区最高残留量仍在,1 mg/kg,以上。,1988,年调查的中国土壤有机氯农药的残留状况,呈现南方,>,中原,>,北方空间格局,南北差距较为显著,平均残留水平南方相当于北方的,3、3,倍。南方和中原地区菜地中残留量均高于农田,南方尤为突出。,,,,2、 POPs,在水体中的污染,,研究表明,有机氯类污染物在华北地区地下水中普遍检出;辽河中下游水体中多氯有机物浓度高于国外相应的浓度,沉积物中多氯有机物浓度与国外部分水体沉积物中的多氯有机物浓度基本相当;中国东海岸,3,个出海口的沉积物中也存在,POPs,;珠江主干广州河段沉积物总,DDT,的含量均明显高于全球近岸表层沉积物中总,DDT,的含量

10、范围(,0、1 μg/kg,～,44 μg/kg),;香港维多利亚港和海岸线的沉积物也存在,PCDD/Fs,,,PCDDs,(特别是八氯二恶英) 的污染水平较大,是维多利亚港的工业区工业造成了,PCDDs,和,PCDD/Fs,污染;洞庭湖底泥中五氯酚最高含量显著高出全国用药区沉积物中五氯酚含量中位数,462 μg/kg,的上千倍。,,,,3、 POPs,在食品中的污染,1991,年对中国生产的各类食品中六六六、,DDT,残留量调查表明,禁用,10,年后,DDT,在食物中的残留水平高于六六六,蛋、乳制品及植物油等脂类农产品中有机氯农药总量仍特别高,水产品中残留量也高达,57 μg/kg,。,19

11、92,年,肖白曼等对中国东北地区不同种类的食品中有机氯农药残留量调查表明,在不同种类食品中均有一定量的有机氯残留检出,动物性食品普遍高于植物性食品。,,,,4、POPs,在大气中的状况,农村和城市空气中,POPs,的污染状况不同,天气和,POPs,的长距离迁移导致了农村,POPs,浓度的增加。汽油和柴油引擎汽车的尾气颗粒物中都存在,POPs,。在中国,对,47,个环保重点城市中的,7,套生活垃圾焚烧处置设施的调查监测表明,北京、深圳和重庆三城市中,有,4,套设施超标(超标率,57、1%,,超标范围,0、3,～,99,倍),排气中的二恶英类质量浓度分别为,3、5 ngTEQ/m3,～,19 ng

12、TEQ/m3,(北京),,4、3 ngTEQ/m3,～,11、3 ngTEQ/m3,(深圳),,100 ngTEQ/m3,(重庆)。台湾南部农村大气,PCBs,质量浓度为,2、50 ng/m3,,台湾南部城市大气,PCBs,质量浓度为,4、51 ng/m3,,台湾南部工业区大气,PCBs,质量浓度为,5、91 ng/m3,。,,,5、 POPs,在农产品中的污染农产品,依照,1983,年全国粮食有机氯农药的调查,在,90、9%,小麦、玉米和稻类样品中有六六六检出,超标率为,74%,,平均残留水平,110 μg/kg,。粮食中,DDT,污染相对较轻,超标率为,0、2%,,平均残留,20 μg/k

13、g,。,1988—1989,年,依照农业部调查,稻谷中六六六残留与,20,世纪,80,年代初相比,一般降低了一个数量级之多,,DDT,也大致如此。小麦中六六六质量分数从,93 μg/kg,～,10 780 μg/kg,下降到,3μg/kg,～,138 μg/kg,,,DDT,下降更多。,,但蛋、乳制品及植物油等脂类农产品中有机氯农药总量仍特别高,水产品中残留量也高达,57,μ,g/kg,。,,POPs,的生物降解性,(,Biodegradability,),,生物降解是,POPs,进入环境后的重要迁移转化途径,,POPs,生物降解性的研究关于评价其环境归趋、生态风险及选择适用的修复技术有着及其

14、重要的意义。,,有机污染物在自然环境中的生物降解可分为初级生物降解、最终生物降解和可接受的生物降解三种类型。大部分生物降解性研究的文献集中在初级生物降解和最终生物降解方面,使用的评价指标包括生物降解速率常数、半衰期、,BOD,、,COD,,,C,O,2,生成量等。,,微生物降解有机物的一般过程,,首先是化合物在微生物细胞膜表面的吸附,这是一个动态平衡;,其次是吸附在细胞膜表面的化合物进入细胞膜内,在生物量一定时,化合物对细胞膜的穿透率决定了化合物穿透细胞膜的量;,最后是化合物进入微生物细胞膜内与降解酶结合发生酶促反应。,,Mester,等认为当微生物对有机化合物的降解作用是由其细胞内的酶引起时

15、,微生物降解的整个过程能够分为,3,个步骤:,,有机磷农药,(organophosphorus pesticide),的微生物降解,,自,20,世纪,80,年代能够从黄杆,Flavobacterium sp、,和假单胞菌,Pseudomonas、diminuta,中将有机磷水解酶提纯以来,人们就观察到微生物对有机磷农药的降解作用,便开始尝试将有机磷水解酶用于农药降解。,,有机磷酸酯杀虫剂在土壤中发生水解反应方程式,有机磷农药,(organophosphorus pesticide),的微生物降解技术,有机磷降解菌的应用,有机磷降解酶的应用,构建工程菌株提高降解能力,蛋白质工程用于提高降解能力,

16、有机磷降解菌的应用,李顺鹏 ,等将甲基对硫磷的降解菌,Alcaligenes sp,、,接种于含有甲基对硫磷的土壤中,表现了较强的降解农药残留的生态效应。,Mulbry,等用从蝇毒磷污染的土壤中分离的菌株制成生物过滤柱,在,7,～,10 d,内将污水中,l 500 mg,／,L,的蝇毒磷降低到,0,、,1mg,／,L,。,可见,降解菌的制剂能够有效去除土壤、蔬菜、污水中的农药。,有机磷降解酶的应用,固定化提供了固相支持物,制成的酶反应器已用于有机磷的降解中。固定化酶用于污水处理中,能够重复使用,而且幸免极端条件下酶变性;用于土壤修复中,可幸免土壤吸附、失活以及水解蛋白的微生物降解。,有机磷水解

17、酶,OPH,固定在聚合尿烷,(polyurethane),泡沫上,保存和热稳定性比可溶性酶提高了几个数量级,储存在,25℃20,％ 的,DMSO,中,酶的半衰期达,1 500 d,、估计,2,、,5 kg,的固定化酶在一年内可有效水解,30 000 t,的有机磷神经毒剂。,构建工程菌株提高有机磷农药的降解能力,Mulchandani,等将脂蛋白,(Lpp),的信号序列的前九个氨基酸连到外膜蛋白,(OmpA),的跨膜区,构建成,Lpp,—,OmpA,基因融合系统,将,OPH,展示定位到,E,、,coli,的表面、表面表达,OPH,的细胞可有效水解对硫磷和对氧磷,而不受细胞膜扩散限制,比胞内同样

18、,OPH,表达水平的细胞水解活性高,7,倍。,蛋白质工程用于提高降解能力,OPH,的分子结构与活性关系的研究为酶的定点改造,(,理性设计,),提供了理论依据。,通过定点突变改变酶的活性位点的结构,从而影响,OPH,对底物水解专一性差不多有特别多的报道。,OPH,的,254,和,257,位组氨酸残基位于每个单体双金属活性位点的附近,这些残基决定了活性位点与底物的相互作用。利用基因工程技术定点改造,OPH,产生的突变体,H254R,、,H257L,、,H254R,／,H257L,的每个活性位点只含有一个金属离子,改变后的酶对内吸磷,(P,—,S,健,),的水解作用提高了,2,～,30,倍。,芳香族

19、类化合物,(aromatic pounds ),的微生物降解,不同种类的微生物,其降解芳香族类化合物的途径不尽相同,好氧微生物与厌氧微生物降解芳香化合物的代谢途径就完全不同。,好氧微生物在降解芳香化合物过程中,代谢的最初分支点是两个双羟酚中间产物,即儿茶酚和原儿茶酸。每种最初的底物都是通过特定的外周代谢途径被氧化为其中的一种中间产物,。,许多厌氧微生物或兼性好氧微生物在厌氧条件下,首先将不同的芳香化合物转变成甲苯、,4-,羟苯甲酸或,4-,羟苯甲酰,-CoA,,然后经,4-,羟苯甲酰,-CoA,还原酶脱羟基,或富马酸作用,生成苯甲酸或苯甲酰,-CoA,,此化合物再作为苯环还原和开环中心反应的起

20、始点,芳香族类化合物,(aromatic pounds )的微生物降,解实例,-----,萘和菲,萘首先代谢为水杨酸,再转化为邻苯二酚,随后进入三羧酸循环,(TCA),进一步氧化开环完全降解为二氧化碳和水,实现完全降解。,首先菲在,3,、,4,位,C,处被双加氧酶羟基化,随后依次利用顺,-3,4-,二氢二羟基菲脱氢酶、,3,4-,双羟基菲双加氧酶、,2-,羟基,-2H-,苯芘,[h],色原烯,-2-,羧酸盐异构酶、水合,-,醛缩酶和,1-,羟,-2-,萘甲醛脱氢酶转化成,1-,羟,-2-,萘甲酸,随后依照降解菌株的不同,分别通过水杨酸或邻苯二甲酸途径进入,TCA,循环,最终达到完全降解。,,

21、,卤代有机化合物(,Halogenated organic pounds,)的生物降解,多数研究者认为,氯代芳烃物的降解代谢有两种途径,———,修饰邻位开环裂解途径(,1,,,2,位开环)和间位开环裂解途径(,2,,,3,位或,1,,,6,位开环),这两种代谢途径都是以氯代邻苯二酚为中间代谢产物的。,氯代芳香烃降解的关键在于脱氯,,其可分为氧化脱氯(,oxo-dehydrogenation,),和还原脱氯(,reduction dehydrogenation,)。,氯苯类化合物氧化脱氯(,oxo-dehydrogenation,),在好氧条件下,氯苯类化合物的降解反应先开环再脱氯。,首先在羟基

22、双加氧酶作用下,使苯环羟基化,转化为相应的氯代邻苯二酚。而后苯环发生邻位或间位裂解开环的邻苯二酚,1,,,2-,双加氧酶或邻苯二酚,-2,,,3 -,双加氧酶催化氯代邻苯二酚开环,生成相应的氯代粘康酸,在内酯化过程中脱除氯原子并被氧化成马来酰基乙酸,最终进入三羧酸循环。,氯苯类化合物的还原脱(,reduction dehydrogenation,),氯苯类的厌氧生物降解机制主要是在酶催化作用下由氢取代氯,发生脱氯反应。,还原脱氯是氯苯类化合物在得到电子的同时去掉一个氯原子,氯原子数越多,苯环上电子云密度越低,氧化越困难。,还原脱氯需要多种微生物的参与,因为多种微生物共存易于创造厌氧环境,而且一

23、种微生物要靠其它微生物作为电子受体和供体,另外一种微生物能够借助其它微生物消除抑制性的中间代谢产物,从而使降解进一步完成。,,POPs检测技术(以二噁英为例),二恶英是由2 个或1 个氧原子联接2 个被氯取代的苯环组成的三环芳香族有机化合物,包括多氯二苯并二恶英(PCDDs) 和多氯二苯呋喃(PCDFs) ,共有210 种同类物,统称为二恶英。二恶英的分子结构如图1 所示,每个苯环上能够取代1- 4 个氯原子,存在众多的异构体/ 同类物,其中PCDDs 有75 种异构体,PCDFs 有135 种异构体。,二恶英有哪些危害？,氯痤疮。这种病人皮肤出疹,出现囊泡、小脓泡,重者全身疼痛,可持续数年,

24、实验表明。人体仅需(96,—,3000ng／kg)就会发病。,癌症。二恶英被国际致癌研究所列为一类强致癌物,也是最致命的致癌物质。人一辈子活在二恶英存在的环境,易发生癌症,在某些特定人群中。当二恶英达到109ng／kg时,易发生癌症,超过8倍时发生率更高 。,,当二恶英在人体中蓄积达到一定程度时,就会影响人的行为和导致思维紊乱。,糖尿病和免疫机能下降。二恶英在人体中只要极少量、就能够导致人类免疫机能的下降,当在体内蓄积达到99—140ng／kg时、糖尿病的发生率增加。,高浓度的二恶英可致畸,引起人的肝、肾损伤及出血。它一般用pg(g)或ng(g)来计量,热稳定性(800度以上才会被降解,100

25、0度以上才能破坏其结构),低挥发性(地面能够持续存在),脂溶性(经脂质发生转移和生物富集,在食物链中迁移。,环境中稳定性高(不易降解,半衰期为9年,因而可在环境中持续存在),目前二恶英类物质的检测方法有哪些？,一、化学仪器分析方法,HRGC/HRMS,GC/HRMS,HRGC/LRMS,二、生物检测方法,EROD细胞培养法,荧光素酶方法,EIA酶免疫方法,DELFIA荧光免疫法,,表,1,二恶英检测方法对比分析,,,检测方法,前处理过程,检测时间,检测成本,灵敏度,实验条件成本,,,(d),(美元/单位样品),(pg/g),(×1000美元),HRGC/HRMS法,复杂,14,900～1800,0、01,800,GC/HRMS法,有些,简化,3～7,500～1000,0、1,700,GC/LRMS法,有些,简化,3,400～500,1,200,EROD法,比较,简化,3,1000～1200,1,200,萤光素酶法,比较,简化,3,200～900,0、025,200,EIA法,比较,简化,2,200～900,0、5,200,DELFIA法,十分,简化,< 24h,10～15,0、1,3~5,生物检测方法,,目前建立的生物学检测方法均是通过对Ah受体活化程度的测定来间接表达二恶英的TEQ。,感谢您的聆听！,